Gāzu struktūra un līdzsvars atmosfērā. Atmosfēras sastāvs Zemes atmosfēras sastāvs

Vai tiešām nekas nevar regulēt siltumnīcefekta gāzu daudzumu atmosfērā? Protams, ka var. Skābeklis lieliski veic šo darbu. Bet problēma ir tā, ka planētas iedzīvotāju skaits nepielūdzami pieaug, kas nozīmē, ka tiek patērēts arvien vairāk skābekļa. Mūsu vienīgais glābiņš ir veģetācija, īpaši meži. Tie absorbē lieko oglekļa dioksīdu un izdala daudz vairāk skābekļa, nekā patērē cilvēki.

Siltumnīcas efekts un Zemes klimats

Kad mēs runājam par siltumnīcas efekta sekām, mēs saprotam tā ietekmi uz Zemes klimatu. Pirmkārt, tā ir globālā sasilšana. Daudzi cilvēki pielīdzina jēdzienus “siltumnīcas efekts” un “globālā sasilšana”, taču tie nav vienlīdzīgi, bet savstarpēji saistīti: pirmais ir otrā cēlonis.

Globālā sasilšana ir tieši saistīta ar okeāniem.Šeit ir divu cēloņu un seku attiecību piemērs.

1. Planētas vidējā temperatūra paaugstinās, šķidrums sāk iztvaikot. Tas attiecas arī uz Pasaules okeānu: daži zinātnieki baidās, ka pēc pāris simtiem gadu tas sāks “izžūt”.
2. Tajā pašā laikā augstās temperatūras dēļ tuvākajā laikā ledāji un jūras ledus sāks aktīvi kust. Tas novedīs pie neizbēgama jūras līmeņa celšanās.

Jau tagad piekrastes rajonos novērojam regulārus plūdus, bet, ja Pasaules okeāna līmenis būtiski paaugstināsies, tiks appludinātas visas tuvākās sauszemes teritorijas un iet bojā sējumi.

Ietekme uz cilvēku dzīvi

Neaizmirstiet, ka Zemes vidējās temperatūras paaugstināšanās ietekmēs mūsu dzīvi. Sekas var būt ļoti nopietnas. Daudzas mūsu planētas teritorijas, kuras jau tā ir pakļautas sausumam, kļūs absolūti dzīvotnespējīgas, cilvēki sāks masveidā migrēt uz citiem reģioniem. Tas neizbēgami radīs sociāli ekonomiskās problēmas un trešā un ceturtā pasaules kara uzliesmojumu. Pārtikas trūkums, ražas iznīcināšana – tas mūs sagaida nākamajā gadsimtā.

Bet vai tas ir jāgaida? Vai arī vēl ir iespējams kaut ko mainīt? Vai cilvēce var samazināt siltumnīcas efekta radīto kaitējumu?

Darbības, kas var glābt Zemi

Mūsdienās ir zināmi visi kaitīgie faktori, kas izraisa siltumnīcefekta gāzu uzkrāšanos, un mēs zinām, kas jādara, lai to apturētu. Nedomājiet, ka viens cilvēks neko nemainīs. Protams, efektu var panākt tikai visa cilvēce, bet kas zina – varbūt vēl simts cilvēku šobrīd lasa līdzīgu rakstu?

Meža saglabāšana

Apturēt mežu izciršanu. Augi ir mūsu glābiņš! Turklāt nepieciešams ne tikai saglabāt esošos mežus, bet arī aktīvi stādīt jaunus.

Katram cilvēkam ir jāsaprot šī problēma.

Fotosintēze ir tik spēcīga, ka tā var nodrošināt mūs ar milzīgu daudzumu skābekļa. Ar to pietiks normālai cilvēku dzīvei un kaitīgo gāzu izvadīšanai no atmosfēras.

Elektrisko transportlīdzekļu izmantošana

Atteikums izmantot ar degvielu darbināmus transportlīdzekļus. Katrs auto katru gadu izdala milzīgu daudzumu siltumnīcefekta gāzu, tad kāpēc gan neizdarīt videi draudzīgāku izvēli? Zinātnieki mums jau piedāvā elektromobiļus – videi draudzīgas automašīnas, kas neizmanto degvielu. “Degvielas” automašīnas mīnuss ir vēl viens solis ceļā uz siltumnīcefekta gāzu izskaušanu. Visā pasaulē viņi cenšas paātrināt šo pāreju, taču līdz šim šādu mašīnu mūsdienu attīstība ir tālu no ideāla. Pat Japānā, kur šādas automašīnas tiek izmantotas visvairāk, tās nav gatavas pilnībā pāriet uz to izmantošanu.

Alternatīva ogļūdeņražu degvielai

Alternatīvās enerģijas izgudrojums. Cilvēce nestāv uz vietas, tad kāpēc mēs esam iestrēguši, izmantojot ogles, naftu un gāzi? Šo dabisko komponentu dedzināšana noved pie siltumnīcefekta gāzu uzkrāšanās atmosfērā, tāpēc ir pienācis laiks pāriet uz videi draudzīgu enerģijas veidu.

Mēs nevaram pilnībā atteikties no visa, kas izdala kaitīgas gāzes. Bet mēs varam palīdzēt palielināt skābekļa daudzumu atmosfērā. Koku jāstāda ne tikai īstam vīrietim – tas jādara ikvienam!

Atmosfēra (no grieķu atmoc — tvaiks un sfēra — bumba) ir Zemes gāzes (gaisa) apvalks, kas rotē kopā ar to. Dzīve uz Zemes ir iespējama tik ilgi, kamēr pastāv atmosfēra. Visi dzīvie organismi elpošanai izmanto atmosfēras gaisu, atmosfēra pasargā no kosmisko staru kaitīgās ietekmes un dzīvajiem organismiem postošās temperatūras, kosmosa aukstās “elpas”.

Atmosfēras gaiss ir gāzu maisījums, kas veido Zemes atmosfēru. Gaiss ir bez smaržas, caurspīdīgs, tā blīvums ir 1,2928 g/l, šķīdība ūdenī ir 29,18 cm~/l, un šķidrā stāvoklī tas iegūst zilganu krāsu. Cilvēka dzīvība nav iespējama bez gaisa, bez ūdens un pārtikas, bet, ja cilvēks var dzīvot bez ēdiena vairākas nedēļas, bez ūdens – vairākas dienas, tad nāve no nosmakšanas iestājas pēc 4 – 5 minūtēm.

Galvenās atmosfēras sastāvdaļas ir: slāpeklis, skābeklis, argons un oglekļa dioksīds. Papildus argonam nelielās koncentrācijās ir arī citas inertas gāzes. Atmosfēras gaiss vienmēr satur ūdens tvaikus (apmēram 3 - 4%) un cietās daļiņas - putekļus.

Zemes atmosfēra ir sadalīta apakšējā (līdz 100 km) homosfērā ar viendabīgu virszemes gaisa sastāvu un augšējā heterosfērā ar neviendabīgu ķīmisko sastāvu. Viena no svarīgākajām atmosfēras īpašībām ir skābekļa klātbūtne. Zemes primārajā atmosfērā nebija skābekļa. Tās parādīšanās un uzkrāšanās ir saistīta ar zaļo augu izplatību un fotosintēzes procesu. Vielu ķīmiskās mijiedarbības ar skābekli rezultātā dzīvie organismi saņem savai dzīvei nepieciešamo enerģiju.

Caur atmosfēru notiek vielu apmaiņa starp Zemi un Kosmosu, savukārt Zeme saņem kosmiskos putekļus un meteorītus un zaudē vieglākās gāzes – ūdeņradi un hēliju. Atmosfēru caurstrāvo spēcīgs saules starojums, kas nosaka planētas virsmas termisko režīmu, izraisa atmosfēras gāzu molekulu disociāciju un atomu jonizāciju. Plašā, plānā augšējā atmosfēra galvenokārt sastāv no joniem.

Atmosfēras fizikālās īpašības un stāvoklis mainās laika gaitā: dienas laikā, gadalaikos, gados - un telpā, atkarībā no augstuma virs jūras līmeņa, platuma un attāluma no okeāna.

Atmosfēras struktūra

Atmosfēra, kuras kopējā masa ir 5,15 10" tonnas, stiepjas uz augšu no Zemes virsmas līdz aptuveni 3 tūkstošiem km. Atmosfēras ķīmiskais sastāvs un fizikālās īpašības mainās līdz ar augstumu, tāpēc to iedala troposfērā, stratosfērā, mezosfērā, jonosfērā (termosfērā) un eksosfērā.

Lielākā gaisa daļa atmosfērā (līdz 80%) atrodas apakšējā, zemes slānī - troposfērā. Troposfēras biezums ir vidēji 11 - 12 km: 8 - 10 km virs poliem, 16 - 18 km virs ekvatora. Troposfērā attālinoties no Zemes virsmas, temperatūra pazeminās par 6 "C uz 1 km (8. att.). 18 - 20 km augstumā vienmērīga temperatūras pazemināšanās apstājas, tā saglabājas gandrīz nemainīga: - 60 ... - 70 "C. Šo atmosfēras daļu sauc par tropopauzi. Nākamais slānis - stratosfēra - aizņem 20 - 50 km augstumu no zemes virsmas. Pārējais (20%) gaisa koncentrējas tajā. Šeit temperatūra paaugstinās līdz ar attālumu no Zemes virsmas par 1 - 2 "C uz 1 km un stratopauzē 50 - 55 km augstumā sasniedz 0 "C. Tālāk, 55-80 km augstumā, atrodas mezosfēra. Attālinoties no Zemes, temperatūra pazeminās par 2 - 3 "C uz 1 km, un 80 km augstumā, mezopauzē, tā sasniedz - 75... - 90 "C. Termosfēra un eksosfēra, kas aizņem attiecīgi 80 - 1000 un 1000 - 2000 km augstumus, ir visretāk sastopamās atmosfēras daļas. Šeit atrodamas tikai atsevišķas gāzu molekulas, atomi un joni, kuru blīvums ir miljoniem reižu mazāks par Zemes virsmas blīvumu. Gāzu pēdas tika atrastas līdz 10 - 20 tūkstošu km augstumam.

Gaisa apvalka biezums ir salīdzinoši mazs, ja salīdzina ar kosmiskajiem attālumiem: tā ir viena ceturtā daļa no Zemes rādiusa un viena desmittūkstošā daļa no attāluma no Zemes līdz Saulei. Atmosfēras blīvums jūras līmenī ir 0,001 g/cm~, t.i. tūkstoš reižu mazāks par ūdens blīvumu.

Starp atmosfēru, zemes virsmu un citām Zemes sfērām notiek pastāvīga siltuma, mitruma un gāzu apmaiņa, kas kopā ar gaisa masu cirkulāciju atmosfērā ietekmē galvenos klimata veidošanās procesus. Atmosfēra aizsargā dzīvos organismus no spēcīgās kosmiskā starojuma plūsmas. Katru sekundi kosmisko staru straume skar atmosfēras augšējos slāņus: gamma, rentgena starus, ultravioleto, redzamo, infrasarkano. Ja tie visi sasniegtu zemes virsmu, tie dažu mirkļu laikā iznīcinātu visu dzīvību.

Ozona ekrānam ir vissvarīgākā aizsargājošā vērtība. Tas atrodas stratosfērā 20 līdz 50 km augstumā no Zemes virsmas. Kopējais ozona (Oz) daudzums atmosfērā tiek lēsts uz 3,3 miljardiem tonnu Šī slāņa biezums ir salīdzinoši neliels: kopumā normālos apstākļos tas ir 2 mm pie ekvatora un 4 mm. Maksimālā ozona koncentrācija - 8 daļas uz miljonu gaisa daļu - atrodas 20 - 25 km augstumā.

Ozona ekrāna galvenā nozīme ir tā, ka tas aizsargā dzīvos organismus no cietā ultravioletā starojuma. Daļa tās enerģijas tiek tērēta reakcijai: SO2 ↔ SO3. Ozona ekrāns absorbē ultravioletos starus, kuru viļņa garums ir aptuveni 290 nm vai mazāks, tāpēc ultravioletie stari, kas ir labvēlīgi augstākiem dzīvniekiem un cilvēkiem un ir kaitīgi mikroorganismiem, sasniedz zemes virsmu. Astoņdesmito gadu sākumā pamanītā ozona slāņa iznīcināšana tiek skaidrota ar freonu izmantošanu saldēšanas iekārtās un sadzīvē izmantojamo aerosolu nokļūšanu atmosfērā. Freonu emisijas pasaulē tad sasniedza 1,4 miljonus tonnu gadā, un atsevišķu valstu ieguldījums gaisa piesārņojumā ar freoniem bija: 35% - ASV, pa 10% - Japāna un Krievija, 40% - EEK valstis, 5% - citas valstis. Saskaņoti pasākumi ir ļāvuši samazināt freonu izdalīšanos atmosfērā. Virsskaņas lidmašīnu un kosmosa kuģu lidojumiem ir postoša ietekme uz ozona slāni.

Atmosfēra aizsargā Zemi no daudziem meteorītiem. Katru sekundi atmosfērā nonāk līdz 200 miljoniem meteorītu, kas ir redzami ar neapbruņotu aci, taču tie atmosfērā izdeg. Mazas kosmisko putekļu daļiņas palēnina to kustību atmosfērā. Katru dienu uz Zemes nokrīt apmēram 10" mazu meteorītu. Tas noved pie Zemes masas palielināšanās par 1 tūkstoti tonnu gadā. Atmosfēra ir siltumizolējošs filtrs. Bez atmosfēras temperatūras starpība uz Zemes dienā sasniegtu 200"C (no 100"C pēcpusdienā līdz -100"C naktī).

Visiem dzīviem organismiem vislielākā nozīme ir relatīvi nemainīgajam atmosfēras gaisa sastāvam troposfērā. Gāzu līdzsvars atmosfērā tiek uzturēts, pateicoties pastāvīgi notiekošajiem dzīvo organismu izmantošanas procesiem un gāzu izdalīšanai atmosfērā. Slāpeklis izdalās spēcīgu ģeoloģisko procesu (vulkānu izvirdumu, zemestrīču) un organisko savienojumu sadalīšanās laikā. Slāpeklis tiek izvadīts no gaisa mezgliņu baktēriju darbības dēļ.

Tomēr pēdējos gados cilvēka saimnieciskās darbības rezultātā ir notikušas izmaiņas slāpekļa līdzsvarā atmosfērā. Slāpekļa mēslošanas līdzekļu ražošanas laikā ir ievērojami palielinājusies slāpekļa fiksācija. Tiek pieņemts, ka rūpnieciskā slāpekļa fiksācijas apjoms tuvākajā nākotnē ievērojami palielināsies un pārsniegs tā izplūdi atmosfērā. Tiek prognozēts, ka slāpekļa mēslojuma ražošana dubultosies ik pēc 6 gadiem. Tas atbilst augošajām lauksaimniecības vajadzībām pēc slāpekļa mēslošanas līdzekļiem. Tomēr joprojām neatrisināts ir jautājums par slāpekļa izvadīšanas no atmosfēras gaisa kompensēšanu. Tomēr, ņemot vērā milzīgo kopējo slāpekļa daudzumu atmosfērā, šī problēma nav tik nopietna kā skābekļa un oglekļa dioksīda līdzsvars.

Apmēram pirms 3,5 - 4 miljardiem gadu skābekļa saturs atmosfērā bija 1000 reižu mazāks nekā tagad, jo nebija galveno skābekļa ražotāju - zaļo augu. Pašreizējo skābekļa un oglekļa dioksīda attiecību uztur dzīvo organismu dzīvībai svarīgā darbība. Fotosintēzes rezultātā zaļie augi patērē oglekļa dioksīdu un izdala skābekli. To izmanto elpošanai visi dzīvie organismi. Dabiskie CO3 un O2 patēriņa procesi un to izplūde atmosfērā ir labi līdzsvaroti.

Attīstoties rūpniecībai un transportam, skābeklis degšanas procesos tiek izmantots arvien vairāk. Piemēram, viena transatlantiskā lidojuma laikā reaktīvā lidmašīna sadedzina 35 tonnas skābekļa. 1,5 tūkstošus kilometru vieglais auto patērē viena cilvēka ikdienas skābekļa patēriņu (vidēji dienā cilvēks patērē 500 litrus skābekļa, caur plaušām izlaižot 12 tonnas gaisa). Pēc ekspertu domām, dažādu veidu kurināmā sadedzināšanai šobrīd nepieciešami no 10 līdz 25% no zaļo augu saražotā skābekļa. Skābekļa pieplūde atmosfērā samazinās, jo samazinās mežu, savannu, stepju platības un palielinās tuksneša apgabali, pieaug pilsētas un transporta maģistrāles. Skābekļa ražotāju skaits ūdensaugos samazinās upju, ezeru, jūru un okeānu piesārņojuma dēļ. Tiek uzskatīts, ka nākamajos 150 - 180 gados skābekļa daudzums atmosfērā samazināsies par trešdaļu, salīdzinot ar tā pašreizējo saturu.

Skābekļa rezervju izmantošana palielinās vienlaikus ar līdzvērtīgu oglekļa dioksīda izplūdes atmosfērā pieaugumu. Pēc ANO datiem, pēdējo 100 gadu laikā CO~ daudzums Zemes atmosfērā ir pieaudzis par 10-15%. Ja iecerētā tendence turpināsies, tad trešajā tūkstošgadē CO~ daudzums atmosfērā var pieaugt par 25%, t.i. no 0,0324 līdz 0,04% no sausā atmosfēras gaisa tilpuma. Neliels oglekļa dioksīda pieaugums atmosfērā pozitīvi ietekmē lauksaimniecības augu produktivitāti. Tādējādi, kad gaiss siltumnīcās ir piesātināts ar ogļskābo gāzi, dārzeņu raža palielinās fotosintēzes procesa pastiprināšanās dēļ. Tomēr, palielinoties COz atmosfērā, rodas sarežģītas globālas problēmas, kas tiks apspriestas turpmāk.

Atmosfēra ir viens no galvenajiem meteoroloģiskajiem un klimatu veidojošajiem faktoriem. Klimatu veidojošā sistēma ietver atmosfēru, okeānu, zemes virsmu, kriosfēru un biosfēru. Šo komponentu mobilitāte un inerces raksturlielumi ir atšķirīgi, tiem ir atšķirīgs reakcijas laiks uz ārējiem traucējumiem blakus esošajās sistēmās. Tādējādi atmosfēras un zemes virsmas reakcijas laiks ir vairākas nedēļas vai mēneši. Atmosfēra ir saistīta ar mitruma un siltuma pārneses cirkulācijas procesiem un ciklonisko aktivitāti.

Siltumnīcas efektu mūsu planētas atmosfērā izraisa fakts, ka enerģijas plūsmu infrasarkanajā spektra diapazonā, kas paceļas no Zemes virsmas, absorbē atmosfēras gāzu molekulas un izstaro atpakaļ dažādos virzienos, kā rezultātā puse siltumnīcefekta gāzu molekulu absorbētās enerģijas atgriežas atpakaļ uz Zemes virsmas, izraisot tās sasilšanu Jāņem vērā, ka siltumnīcas efekts ir dabiska atmosfēras parādība (5. att.). Ja uz Zemes vispār nebūtu siltumnīcas efekta, tad vidējā temperatūra uz mūsu planētas būtu aptuveni -21°C, bet, pateicoties siltumnīcefekta gāzēm, ir +14°C. Tāpēc tīri teorētiski cilvēka darbībai, kas saistīta ar siltumnīcefekta gāzu izdalīšanos Zemes atmosfērā, vajadzētu izraisīt planētas turpmāku uzsilšanu. Galvenās siltumnīcefekta gāzes, to aplēstās ietekmes uz Zemes siltuma bilanci secībā, ir ūdens tvaiki (36-70%), oglekļa dioksīds (9-26%), metāns (4-9%), halogenētie ogļūdeņraži, slāpekļa oksīds.

Rīsi.

Ar oglēm darbināmas elektrostacijas, rūpnīcu skursteņi, automašīnu izplūdes gāzes un citi cilvēka radīti piesārņojuma avoti kopā katru gadu atmosfērā izdala aptuveni 22 miljardus tonnu oglekļa dioksīda un citu siltumnīcefekta gāzu. Lopkopība, mēslojuma izmantošana, ogļu sadedzināšana un citi avoti saražo aptuveni 250 miljonus tonnu metāna gadā. Apmēram puse no visām cilvēces izdalītajām siltumnīcefekta gāzēm paliek atmosfērā. Apmēram trīs ceturtdaļas no visām antropogēnajām siltumnīcefekta gāzu emisijām pēdējo 20 gadu laikā ir radušās naftas, dabasgāzes un ogļu izmantošanas rezultātā (6. attēls). Lielu daļu pārējā izraisa ainavas izmaiņas, galvenokārt mežu izciršana.

Rīsi.

ūdens tvaiki- mūsdienās vissvarīgākā siltumnīcefekta gāze. Tomēr ūdens tvaiki ir iesaistīti arī daudzos citos procesos, kas padara to lomu dažādos apstākļos neskaidru.

Pirmkārt, iztvaikojot no Zemes virsmas un tālāk kondensējoties atmosfērā, līdz 40% no visa atmosfērā nonākošā siltuma konvekcijas rezultātā tiek pārnesti uz zemākajiem atmosfēras slāņiem (troposfēru). Tādējādi, kad ūdens tvaiki iztvaiko, tas nedaudz pazemina virsmas temperatūru. Bet siltums, kas izdalās kondensācijas rezultātā atmosfērā, to sasilda un pēc tam uzsilda pašas Zemes virsmu.

Bet pēc ūdens tvaiku kondensācijas veidojas ūdens pilieni jeb ledus kristāli, kas intensīvi piedalās saules gaismas izkliedes procesos, atstarojot daļu saules enerģijas atpakaļ kosmosā. Mākoņi, kas ir tikai šo pilienu un kristālu uzkrāšanās, palielina saules enerģijas (albedo) daļu, ko pati atmosfēra atstaro atpakaļ kosmosā (un tad nokrišņi no mākoņiem var nokrist sniega veidā, palielinot virsmas albedo ).

Tomēr ūdens tvaikiem, pat kondensētiem pilienos un kristālos, spektra infrasarkanajā reģionā joprojām ir spēcīgas absorbcijas joslas, kas nozīmē, ka to pašu mākoņu loma ir tālu no skaidrām. Īpaši šī dualitāte ir pamanāma šādos ekstremālos gadījumos – saulainā vasaras laikā debesis klājot mākoņiem, virsmas temperatūra pazeminās, un, ja tas pats notiek ziemas naktī, tad, gluži pretēji, tā paaugstinās. Gala rezultātu ietekmē arī mākoņu novietojums - mazos augstumos biezi mākoņi atstaro daudz saules enerģijas, un līdzsvars šajā gadījumā var būt par labu antisiltumnīcas efektam, bet lielā augstumā plānās cirrus. mākoņi diezgan daudz saules enerģijas pārraida lejup, bet pat plāni mākoņi ir gandrīz nepārvarami šķēršļi infrasarkanajam starojumam un, un te var runāt par siltumnīcas efekta pārsvaru.

Vēl viena ūdens tvaiku īpašība – mitra atmosfēra zināmā mērā veicina citas siltumnīcefekta gāzes – oglekļa dioksīda – saistīšanos un ar nokrišņiem tās pārnesi uz Zemes virsmu, kur tālāku procesu rezultātā to var patērēt karbonātu un degošu minerālvielu veidošanās.

Cilvēka darbībai ir ļoti vāja tieša ietekme uz ūdens tvaiku saturu atmosfērā - tikai pateicoties apūdeņotās zemes platības palielinājumam, purvu platības izmaiņām un enerģijas darbam, kas ir niecīgs pret iztvaikošanas fons no visas Zemes ūdens virsmas un vulkāniskās aktivitātes. Tāpēc diezgan bieži tam tiek pievērsta maza uzmanība, apsverot siltumnīcas efekta problēmu.

Tomēr netiešā ietekme uz ūdens tvaiku saturu var būt ļoti liela sakarā ar atgriezenisko saiti starp atmosfēras ūdens tvaiku saturu un citu siltumnīcefekta gāzu izraisītu sasilšanu, ko mēs tagad apsvērsim.

Zināms, ka, paaugstinoties temperatūrai, palielinās arī ūdens tvaiku iztvaikošana, un uz katriem 10 °C iespējamais ūdens tvaiku saturs gaisā gandrīz dubultojas. Piemēram, pie 0 °C piesātināta tvaika spiediens ir aptuveni 6 MB, pie +10 °C - 12 MB un pie +20 °C - 23 MB.

Redzams, ka ūdens tvaiku saturs ir ļoti atkarīgs no temperatūras, un tam kaut kādu iemeslu dēļ samazinoties, pirmkārt, samazinās paša ūdens tvaiku siltumnīcas efekts (samazinātā satura dēļ), otrkārt, notiek ūdens tvaiku kondensācija, kas, protams, stipri bremzē temperatūras pazemināšanos kondensācijas siltuma izdalīšanās dēļ, bet pēc kondensācijas palielinās saules enerģijas atstarojums gan pašā atmosfērā (izkliedējot pa pilieniņām un ledus kristāliem), gan uz virsmas (sniegputenī) , kas vēl vairāk pazemina temperatūru.

Paaugstinoties temperatūrai, palielinās ūdens tvaiku saturs atmosfērā, pastiprinās tā siltumnīcas efekts, kas pastiprina sākotnējo temperatūras paaugstināšanos. Principā palielinās arī mākoņainība (vairāk ūdens tvaiku iekļūst salīdzinoši aukstajos rajonos), taču ārkārtīgi vāji - pēc I.Mokhova teiktā, aptuveni 0,4% uz sasilšanas grādu, kas nevar īpaši ietekmēt saules enerģijas atstarošanas pieaugumu.

Oglekļa dioksīds- otrs lielākais siltumnīcas efekta veicinātājs mūsdienās, nesasalst, kad temperatūra pazeminās, un turpina radīt siltumnīcas efektu pat pie zemākās iespējamās temperatūras sauszemes apstākļos. Iespējams, tieši pateicoties pakāpeniskajai oglekļa dioksīda uzkrāšanai atmosfērā vulkāniskās aktivitātes rezultātā, Zeme spēja izkļūt no spēcīgu apledojumu stāvokļa (kad pat ekvators bija klāts ar biezu ledus kārtu), kurā tas iekrita proterozoja sākumā un beigās.

Oglekļa dioksīds ir iesaistīts spēcīgā oglekļa ciklā litosfēras-hidrosfēras-atmosfēras sistēmā, un zemes klimata izmaiņas galvenokārt ir saistītas ar izmaiņām tā ieplūdes atmosfērā un izvadīšanas no tās līdzsvarā.

Tā kā oglekļa dioksīdam ir salīdzinoši augsta šķīdība ūdenī, oglekļa dioksīda saturs hidrosfērā (galvenokārt okeānos) tagad ir 4x104 Gt (gigatonas) oglekļa (no šejienes tiek sniegti dati par CO2 oglekļa izteiksmē), ieskaitot dziļos slāņus (Putvinsky, 1998). Atmosfērā pašlaik ir aptuveni 7,5x102 Gt oglekļa (Alekseev et al., 1999). CO2 saturs atmosfērā ne vienmēr bija zems - piemēram, Arhejā (apmēram pirms 3,5 miljardiem gadu) atmosfēru veidoja gandrīz 85-90% oglekļa dioksīda, ievērojami augstākā spiedienā un temperatūrā (Sorokhtin, Ushakov, 1997). Taču ievērojamu ūdens masu pieplūde Zemes virsmai iekštelpu degazācijas rezultātā, kā arī dzīvības rašanās nodrošināja gandrīz visa atmosfēras un ievērojamas ūdenī izšķīdinātā oglekļa dioksīda daļas saistīšanos formā. karbonātu (litosfērā tiek uzglabāti aptuveni 5,5x107 Gt oglekļa (IPCC ziņojums, 2000)). Arī dzīvie organismi oglekļa dioksīdu sāka pārveidot par dažādu veidu degošiem minerāliem. Turklāt daļai oglekļa dioksīda saistīšanās notika arī biomasas uzkrāšanās dēļ, kurā kopējās oglekļa rezerves ir salīdzināmas ar atmosfērā esošajām un, ņemot vērā augsni, tās ir vairākas reizes lielākas.

Tomēr mūs galvenokārt interesē plūsmas, kas piegādā oglekļa dioksīdu atmosfērā un izvada to no tās. Tagad litosfēra nodrošina ļoti nelielu oglekļa dioksīda plūsmu, kas nonāk atmosfērā galvenokārt vulkāniskās aktivitātes dēļ – aptuveni 0,1 Gt oglekļa gadā (Putvinsky, 1998). Ievērojami lielas plūsmas novērojamas okeānā (kopā ar tur mītošajiem organismiem) - atmosfērā, bet sauszemes biotā - atmosfēras sistēmās. Apmēram 92 Gt oglekļa katru gadu no atmosfēras nonāk okeānā un 90 Gt atgriežas atmosfērā (Putvinsky, 1998). Tādējādi okeāns katru gadu no atmosfēras izņem aptuveni 2 Gt oglekļa. Tajā pašā laikā sauszemes mirušo dzīvo būtņu elpošanas un sadalīšanās procesos atmosfērā nonāk aptuveni 100 Gt oglekļa gadā. Fotosintēzes procesos sauszemes veģetācija no atmosfēras izņem arī aptuveni 100 Gt oglekļa (Putvinsky, 1998). Kā redzam, oglekļa uzņemšanas un izvadīšanas no atmosfēras mehānisms ir diezgan sabalansēts, nodrošinot aptuveni vienādas plūsmas. Mūsdienu cilvēka darbība šajā mehānismā ietver arvien pieaugošu papildu oglekļa plūsmu atmosfērā fosilā kurināmā (naftas, gāzes, ogļu u.c.) sadegšanas dēļ - saskaņā ar datiem, piemēram, par laika posmu no 1989.-1999. gadā vidēji aptuveni 6,3 Gt. Tāpat oglekļa plūsma atmosfērā palielinās mežu izciršanas un daļējas mežu dedzināšanas dēļ - līdz 1,7 Gt gadā (IPCC ziņojums, 2000), savukārt CO2 absorbciju veicinošās biomasas pieaugums ir tikai aptuveni 0,2 Gt gadā. gadā gandrīz 2 Gt vietā. Pat ņemot vērā iespēju okeānā absorbēt aptuveni 2 Gt papildu oglekļa, joprojām saglabājas diezgan ievērojama papildu plūsma (šobrīd aptuveni 6 Gt gadā), palielinot oglekļa dioksīda saturu atmosfērā. Turklāt tuvākajā nākotnē var samazināties oglekļa dioksīda absorbcija no okeāna, un ir iespējams pat pretējs process - oglekļa dioksīda izplūde no Pasaules okeāna. Tas ir saistīts ar oglekļa dioksīda šķīdības samazināšanos, paaugstinoties ūdens temperatūrai - piemēram, kad ūdens temperatūra paaugstinās tikai no 5 līdz 10 ° C, oglekļa dioksīda šķīdības koeficients tajā samazinās no aptuveni 1,4 līdz 1,2.

Tātad saimnieciskās darbības izraisītā oglekļa dioksīda ieplūde atmosfērā nav liela, salīdzinot ar dažām dabiskajām plūsmām, taču tās nekompensēšana noved pie pakāpeniskas CO2 uzkrāšanās atmosfērā, kas sagrauj CO2 ievades un izvades līdzsvaru, kas izveidojies 2010. gadā. miljardiem gadu no Zemes un dzīvības uz tās evolūcijas.

Daudzi fakti no ģeoloģiskās un vēsturiskās pagātnes liecina par saistību starp klimata pārmaiņām un siltumnīcefekta gāzu svārstībām. Laika posmā no 4 līdz 3,5 miljardiem gadu Saules spožums bija par aptuveni 30% mazāks nekā tagad. Tomēr pat zem jaunās, “bālās” Saules stariem uz Zemes attīstījās dzīvība un veidojās nogulumieži: vismaz daļā zemes virsmas temperatūra bija virs ūdens sasalšanas punkta. Daži zinātnieki norāda, ka tajā laikā Zemes atmosfērā bija 1000 reižu vairāk ass oglekļa dioksīds nekā tagad, un tas kompensēja saules enerģijas trūkumu, jo vairāk Zemes izdalītā siltuma palika atmosfērā. Pieaugošais siltumnīcas efekts varētu būt viens no iemesliem īpaši siltam klimatam vēlāk mezozoja laikmetā (dinozauru laikmetā). Saskaņā ar fosilo atlieku analīzi, Zeme tajā laikā bija par 10-15 grādiem siltāka nekā tagad. Jāpiebilst, ka toreiz, pirms 100 miljoniem gadu un agrāk, kontinenti ieņēma citu pozīciju nekā mūsu laikā, un arī okeāna cirkulācija bija atšķirīga, tāpēc siltuma pārnese no tropiem uz polārajiem apgabaliem varēja būt lielāka. Tomēr Ērika J. Barona, tagad Pensilvānijas universitātes, un citu pētnieku aprēķini liecina, ka paleokontinentālā ģeogrāfija varētu radīt ne vairāk kā pusi no mezozoja sasilšanas. Atlikušo sasilšanu var viegli izskaidrot ar oglekļa dioksīda līmeņa paaugstināšanos. Šo pieņēmumu pirmo reizi izvirzīja padomju zinātnieki A. B. Ronovs no Valsts Hidroloģijas institūta un M. I. Budiko no Galvenās ģeofizikālās observatorijas. Aprēķinus, kas atbalsta šo priekšlikumu, veica Ēriks Barons, Starley L. Thompson no Nacionālā atmosfēras pētījumu centra (NCAR). No ģeoķīmiskā modeļa, ko izstrādājuši Roberts A. Berners un Antonio C. Lasaga no Jēlas universitātes un nelaiķis Roberts. Teksasas lauki pārvērtās tuksnesī pēc ilgāka sausuma 1983. gadā. Šo attēlu, kā liecina aprēķini, izmantojot datormodeļus, var novērot daudzās vietās, ja globālās sasilšanas rezultātā kontinentu centrālajos reģionos augsnes mitrums. samazinās, kur koncentrējas graudu ražošana.

M. Garrels no Dienvidfloridas universitātes, no tā izriet, ka oglekļa dioksīds var izdalīties ārkārtīgi spēcīgas vulkāniskās aktivitātes laikā okeāna vidusdaļas grēdās, kur augošā magma veido jaunu okeāna dibenu. Tiešas liecības, kas norāda uz saikni apledojuma laikā starp atmosfēras siltumnīcefekta gāzēm un klimatu, var tikt “izvilktas” no Antarktikas ledus sastāvā esošajiem gaisa burbuļiem, kas veidojušies senatnē krītoša sniega sablīvēšanās rezultātā. Pētnieku komanda Kloda Lorija vadībā no Grenobles Glacioloģijas un ģeofizikas laboratorijas pētīja 2000 m garu ledus kolonnu (kas atbilst 160 tūkstošu gadu periodam), ko ieguva padomju pētnieki Vostokas stacijā Antarktīdā. Šajā ledus kolonnā esošo gāzu laboratoriskā analīze parādīja, ka senajā atmosfērā oglekļa dioksīda un metāna koncentrācijas mainījās saskaņoti un, vēl svarīgāk, “laikā” mainoties vidējai vietējai temperatūrai (to noteica ūdeņraža izotopu koncentrāciju attiecība ūdens molekulās). Pēdējā starpleduslaika periodā, kas ilga 10 tūkstošus gadu, un starpleduslaiku periodā pirms tam (pirms 130 tūkstošiem gadu), kas arī ilga 10 tūkstošus gadu, vidējā temperatūra šajā apgabalā bija par 10 grādiem augstāka nekā apledojuma laikā. (Kopumā šajos periodos Zeme bija par 5 os siltāka.) Šajos tajos pašos periodos atmosfērā bija par 25% vairāk oglekļa dioksīda un par 100 070 vairāk metāna nekā apledojuma laikā. Nav skaidrs, vai siltumnīcefekta gāzu izmaiņas bija iemesls un klimata pārmaiņas sekas, vai otrādi. Visticamāk, apledojumu cēlonis bija izmaiņas Zemes orbītā un ledāju īpašā virzīšanās un atkāpšanās dinamika; tomēr šīs klimatiskās svārstības, iespējams, ir pastiprinājušas izmaiņas biotā un okeāna cirkulācijas svārstības, kas ietekmē siltumnīcefekta gāzu saturu atmosfērā. Vēl detalizētāki dati par siltumnīcefekta gāzu svārstībām un klimata pārmaiņām ir pieejami par pēdējiem 100 gadiem, kuru laikā ir vēl par 25% pieaugusi oglekļa dioksīda koncentrācija un par 100% metāna. Vidējās globālās temperatūras "rekordu" pēdējo 100 gadu laikā pārbaudīja divas pētnieku grupas, ko vadīja Džeimss E. Hansens no Nacionālās Aeronautikas un kosmosa administrācijas Godārdas Kosmosa pētījumu institūta un T. M. L. Viglijs no Austrumu universitātes Klimata nodaļas. Anglija.

Siltuma saglabāšana atmosfērā ir galvenā Zemes enerģijas bilances sastāvdaļa (8. att.). Aptuveni 30% enerģijas, kas nāk no Saules, tiek atspoguļota (pa kreisi) no mākoņiem, daļiņām vai Zemes virsmas; atlikušie 70% tiek absorbēti. Absorbēto enerģiju infrasarkanajā starā atkārtoti izstaro planētas virsma.

Rīsi.

Šie zinātnieki izmantoja mērījumus no meteoroloģiskām stacijām, kas izkaisītas visos kontinentos (Klimata nodaļas komanda analīzē iekļāva arī mērījumus jūrā). Tajā pašā laikā abas grupas pieņēma dažādas metodes, lai analizētu novērojumus un ņemtu vērā "izkropļojumus", kas saistīti, piemēram, ar to, ka dažas meteoroloģiskās stacijas simts gadu laikā "pārcēlās" uz citu vietu, bet dažas, kas atrodas pilsētās, sniedza dati, kas bija “piesārņoti” » rūpniecības uzņēmumu radītā vai diennakts laikā uzkrātā siltuma ietekme uz ēkām un ietvēm. Pēdējais efekts, kas izraisa siltuma salu rašanos, ir ļoti pamanāms attīstītajās valstīs, piemēram, ASV. Tomēr pat tad, ja ASV aprēķinātā korekcija (to ieguva Tomass R. Karls no Nacionālā klimata datu centra Ešvilā, Ziemeļkarolīnā un P. D. Džonss no Austrumanglijas universitātes) tiek attiecināta uz visiem datiem par zemeslodi. , abos ierakstos paliks “<реальное» потепление величиной 0,5 О С, относящееся к последним 100 годам. В согласии с общей тенденцией 1980-е годы остаются самым теплым десятилетием, а 1988, 1987 и 1981 гг. - наиболее теплыми годами (в порядке перечисления). Можно ли считать это «сигналом» парникового потепления? Казалось бы, можно, однако в действительности факты не столь однозначны. Возьмем для примера такое обстоятельство: вместо неуклонного потепления, какое можно ожидать от парникового эффекта, быстрое повышение температуры, происходившее до конца второй мировой войны, сменилось небольшим похолоданием, продлившимся до середины 1970-х годов, за которым последовал второй период быстрого потепления, продолжающийся по сей день. Какой характер примет изменение температуры в ближайшее время? Чтобы дать такой прогноз, необходимо ответить на три вопроса. Какое количество диоксида углерода и других парниковых газов будет выброшено в атмосферу? Насколько при этом возрастет концентрация этих газов в атмосфере? Какой климатический эффект вызовет это повышение концентрации, если будут действовать естественные и антропогенные факторы, которые могут ослаблять или усиливать климатические изменения? Прогноз выбросов - нелегкая задача для исследователей, занимающихся анализом человеческой деятельности. Какое количество диоксида углерода попадет в атмосферу, зависит главным образом от того, сколько ископаемого топлива будет сожжено и сколько лесов вырублено (последний фактор ответствен за половину прироста парниковых газов с 1800 г. и за 20070прироста в наше время). И тот и другой фактор зависят в свою очередь от множества причин. Так, на потреблении ископаемого топлива сказываются рост населения, переход к альтернативным источникам энергии и меры по экономии энергии, а также состояние мировой экономики. Прогнозы в основном сводятся к тому, что потребление ископаемого топлива на земном шаре в целом будет увеличиваться примерно с той же скоростью, что и сегодня намного медленнее, чем до энергетического кризиса 1970-х годов. В результате эмиссия (поступление в атмосферу) диоксида углерода в ближайшие несколько десятилетий, будет увеличиваться на 0,5-2070 в год. Другие парниковые газы, такие как ХФУ, оксиды азота и тропосферный озон, могут вносить в потепление климата почти столь же большой вклад, что и диоксид углерода, хотя в атмосферу их попадает значительно меньше: объясняется это тем, что они более эффективно поглощают солнечную радиацию. Предсказать, какова будет эмиссия этих газов - задача еще более трудная. Так, например, не вполне ясно происхождение некоторых газов, в частности метана; величина выбросов других газов, таких как ХФУ или озон, будет зависеть от того, какие изменения в технологии и политике произойдут в ближайшем будущем.

Oglekļa apmaiņa starp atmosfēru un dažādiem Zemes “rezervuāriem” (9. att.). Katrs cipars miljardos tonnu norāda oglekļa (dioksīda formā) pieplūdumu vai aizplūšanu gadā vai tā krājumus rezervuārā. Šie dabiskie cikli, viens uz sauszemes un otrs okeānā, izvada no atmosfēras tik daudz oglekļa dioksīda, cik tas tiek pievienots, taču cilvēka darbības, piemēram, mežu izciršana un fosilā kurināmā dedzināšana, izraisa oglekļa līmeņa pazemināšanos atmosfērā, un tas katru gadu palielinās par 3 miljardiem. tonnas. Dati ņemti no Berta Bolina darba Stokholmas Universitātē

9. att

Pieņemsim, ka mums ir pamatota prognoze par to, kā mainīsies oglekļa dioksīda emisijas. Kādas izmaiņas šajā gadījumā notiks ar šīs gāzes koncentrāciju atmosfērā? Atmosfēras oglekļa dioksīdu “patērē” augi, kā arī okeāns, kur tas tiek izlietots ķīmiskos un bioloģiskos procesos. Mainoties atmosfēras oglekļa dioksīda koncentrācijai, šīs gāzes "patēriņa" ātrums, iespējams, mainīsies. Citiem vārdiem sakot, procesos, kas izraisa izmaiņas atmosfēras oglekļa dioksīda saturā, ir jāiekļauj atgriezeniskā saite. Oglekļa dioksīds ir augu fotosintēzes "izejviela", tāpēc tā patēriņš augos, visticamāk, palielināsies, jo tas uzkrājas atmosfērā, kas palēninās šo uzkrāšanos. Tāpat, tā kā oglekļa dioksīda saturs virszemes okeāna ūdeņos ir aptuveni līdzsvarā ar tā saturu atmosfērā, palielinot oglekļa dioksīda uzņemšanu okeāna ūdenī, palēnināsies tā uzkrāšanās atmosfērā. Tomēr var gadīties, ka oglekļa dioksīda un citu siltumnīcefekta gāzu uzkrāšanās atmosfērā iedarbinās pozitīvas atgriezeniskās saites mehānismus, kas palielinās klimata efektu. Tādējādi straujas klimata pārmaiņas var izraisīt atsevišķu mežu un citu ekosistēmu izzušanu, kas vājinās biosfēras spēju absorbēt oglekļa dioksīdu. Turklāt sasilšana var izraisīt strauju oglekļa izdalīšanos, kas uzkrāta atmirušajās organiskajās vielās augsnē. Šis ogleklis, kas ir divreiz lielāks nekā atmosfērā, augsnes baktērijas nepārtraukti pārvērš oglekļa dioksīdā un metānā. Sasilšana var paātrināt to darbību, kā rezultātā palielinās oglekļa dioksīda (no sausas augsnes) un metāna (no rīsu laukiem, poligoniem un mitrājiem) izdalīšanās. Diezgan daudz metāna uzkrājas arī nogulumos kontinentālajā šelfā un zem mūžīgā sasaluma slāņa Arktikā klatrātu veidā - molekulāro režģi, kas sastāv no metāna un ūdens molekulām, var izraisīt tā izdalīšanos Neraugoties uz šīm neskaidrībām, daudzi pētnieki uzskata, ka oglekļa dioksīda absorbcija atmosfērā palēninās šīs gāzes uzkrāšanos atmosfērā - vismaz nākamajos 50 līdz 100 gados, liecina tipiskie aprēķini ka no kopējā atmosfērā nonākošā oglekļa dioksīda daudzuma tur paliks. No tā izriet, ka aptuveni no 2030. līdz 2080. gadam oglekļa dioksīda koncentrācija dubultosies no 1900. gada līmeņa (līdz 600 ppm). Tomēr citas siltumnīcefekta gāzes, visticamāk, atmosfērā uzkrāsies ātrāk.

Siltumnīcefekta gāzes

Siltumnīcefekta gāzes ir gāzes, kas, domājams, izraisa globālo siltumnīcas efektu.

Galvenās siltumnīcefekta gāzes, ņemot vērā to aplēsto ietekmi uz Zemes termisko bilanci, ir ūdens tvaiki, oglekļa dioksīds, metāns, ozons, halogēni un slāpekļa oksīds.

ūdens tvaiki

Ūdens tvaiki ir galvenā dabiskā siltumnīcefekta gāze, kas rada vairāk nekā 60% no ietekmes. Tiešā antropogēnā ietekme uz šo avotu ir nenozīmīga. Tajā pašā laikā citu faktoru izraisīta Zemes temperatūras paaugstināšanās palielina iztvaikošanu un kopējo ūdens tvaiku koncentrāciju atmosfērā pie gandrīz nemainīga relatīvā mitruma, kas savukārt palielina siltumnīcas efektu. Tādējādi rodas dažas pozitīvas atsauksmes.

Metāns

Pirms 55 miljoniem gadu zem jūras dibena uzkrātais gigantisks metāna izvirdums sasildīja Zemi par 7 grādiem pēc Celsija.

Tas pats var notikt arī tagad – šo pieņēmumu apstiprināja NASA pētnieki. Izmantojot seno klimatu datorsimulācijas, viņi mēģināja labāk izprast metāna lomu klimata pārmaiņās. Pašlaik lielākā daļa pētījumu par siltumnīcas efektu koncentrējas uz oglekļa dioksīda lomu šajā efektā, lai gan metāna potenciāls saglabāt siltumu atmosfērā 20 reizes pārsniedz oglekļa dioksīda spēju.

Metāna satura pieaugumu atmosfērā veicina dažādas ar gāzi darbināmas sadzīves tehnikas.

Pēdējo 200 gadu laikā metāna daudzums atmosfērā ir vairāk nekā divkāršojies organisko vielu sadalīšanās dēļ purvos un slapjās zemienēs, kā arī noplūdes no cilvēka radītiem objektiem, piemēram, gāzes vadiem, ogļraktuvēm, pastiprinātas apūdeņošanas un izplūdes gāzes no mājlopi. Taču ir vēl viens metāna avots – bojājošās organiskās vielas okeāna nogulumos, kas saglabājušās sasalušas zem jūras dibena.

Parasti zema temperatūra un augsts spiediens notur metānu zem okeāna stabilā stāvoklī, taču tas ne vienmēr bija tā. Globālās sasilšanas periodos, piemēram, vēlā paleocēna termiskajā maksimumā, kas notika pirms 55 miljoniem gadu un ilga 100 tūkstošus gadu, litosfēras plākšņu kustība, īpaši Indijas subkontinentā, izraisīja spiediena pazemināšanos jūras dibenā un varēja izraisīt lielu metāna izdalīšanos. Kad atmosfēra un okeāns sāka sasilt, metāna emisijas varētu palielināties. Daži zinātnieki uzskata, ka pašreizējā globālā sasilšana varētu izraisīt notikumu attīstību pēc tāda paša scenārija – ja okeāns ievērojami sasils.

Kad metāns nonāk atmosfērā, tas reaģē ar skābekļa un ūdeņraža molekulām, veidojot oglekļa dioksīdu un ūdens tvaikus, no kuriem katrs var izraisīt siltumnīcas efektu. Saskaņā ar iepriekšējām prognozēm viss emitētais metāns aptuveni 10 gadu laikā pārvērtīsies oglekļa dioksīdā un ūdenī. Ja tā ir taisnība, tad oglekļa dioksīda koncentrācijas palielināšanās būs galvenais planētas sasilšanas cēlonis. Tomēr mēģinājumi apstiprināt argumentāciju ar atsaucēm uz pagātni bija nesekmīgi - netika atrastas pēdas, kas liecinātu par oglekļa dioksīda koncentrācijas palielināšanos pirms 55 miljoniem gadu.

Jaunajā pētījumā izmantotie modeļi parādīja, ka, strauji paaugstinoties metāna līmenim atmosfērā, tajā samazinās skābekļa un ūdeņraža saturs, kas reaģē ar metānu (līdz reakcija apstājas), un atlikušais metāns paliek gaisā simtiem gadu. gados, pati kļūstot par globālās sasilšanas cēloni. Un ar šiem simtiem gadu pietiek, lai sasildītu atmosfēru, izkausētu ledu okeānos un izmainītu visu klimata sistēmu.

Galvenie antropogēnie metāna avoti ir gremošanas fermentācija mājlopos, rīsu audzēšana un biomasas dedzināšana (tostarp mežu izciršana). Jaunākie pētījumi liecina, ka mūsu ēras pirmajā tūkstošgadē notika straujš metāna koncentrācijas pieaugums atmosfērā (domājams, ka lauksaimniecības un lopkopības ražošanas paplašināšanās un mežu dedzināšanas rezultātā). Laikā no 1000. līdz 1700. gadam metāna koncentrācija samazinājās par 40%, bet pēdējos gadsimtos atkal sāka pieaugt (domājams, aramzemes un ganību paplašināšanās un mežu dedzināšanas, koksnes izmantošanas apkurei, pieaugošā mājlopu skaita dēļ , notekūdeņu un rīsu audzēšana). Zināmu ieguldījumu metāna piegādē rada noplūdes ogļu un dabasgāzes atradņu izstrādes laikā, kā arī metāna emisija kā daļa no biogāzes, kas rodas atkritumu apglabāšanas vietās.

Oglekļa dioksīds

Oglekļa dioksīda avoti Zemes atmosfērā ir vulkāniskās emisijas, organismu dzīvībai svarīgā darbība un cilvēka darbība. Antropogēnie avoti ir fosilā kurināmā sadedzināšana, biomasas dedzināšana (tostarp mežu izciršana) un daži rūpnieciskie procesi (piemēram, cementa ražošana). Galvenie oglekļa dioksīda patērētāji ir augi. Parasti biocenoze absorbē aptuveni tādu pašu oglekļa dioksīda daudzumu, kādu tas rada (tostarp biomasas sabrukšanas rezultātā).

Oglekļa dioksīda ietekme uz siltumnīcas efekta intensitāti.

Vēl daudz jāmācās par oglekļa ciklu un pasaules okeānu kā milzīga oglekļa dioksīda rezervuāra lomu. Kā minēts iepriekš, katru gadu cilvēce esošajiem 750 miljardiem tonnu pievieno 7 miljardus tonnu oglekļa CO 2 veidā. Bet tikai aptuveni puse no mūsu emisijām — 3 miljardi tonnu — paliek gaisā. Tas izskaidrojams ar to, ka lielāko daļu CO 2 izmanto sauszemes un jūras augi, tas ir aprakts jūras nogulumos, absorbēts jūras ūdenī vai kā citādi absorbēts. No šīs lielās CO 2 daļas (apmēram 4 miljardi tonnu) okeāns katru gadu absorbē aptuveni divus miljardus tonnu atmosfēras oglekļa dioksīda.

Tas viss palielina neatbildēto jautājumu skaitu: kā tieši jūras ūdens mijiedarbojas ar atmosfēras gaisu, absorbējot CO 2? Cik daudz oglekļa var absorbēt jūras, un kāds globālās sasilšanas līmenis varētu ietekmēt to kapacitāti? Kāda ir okeānu spēja absorbēt un uzglabāt klimata pārmaiņu ieslodzīto siltumu?

Veidojot klimata modeli, nav viegli ņemt vērā mākoņu un suspendēto daļiņu lomu gaisa plūsmās, ko sauc par aerosoliem. Mākoņi aizēno zemes virsmu, izraisot atdzišanu, bet atkarībā no to augstuma, blīvuma un citiem apstākļiem tie var arī notvert siltumu, kas atstaro no zemes virsmas, palielinot siltumnīcas efekta intensitāti. Interesanta ir arī aerosolu iedarbība. Daži no tiem modificē ūdens tvaikus, kondensējot tos mazos pilienos, kas veido mākoņus. Šie mākoņi ir ļoti blīvi un nedēļām ilgi aizsedz Zemes virsmu. Tas ir, tie bloķē saules gaismu, līdz nokrīt ar nokrišņiem.

Kopējais efekts var būt milzīgs: 1991. gada Pinatuba kalna izvirdums Filipīnās izlaida milzīgu daudzumu sulfātu stratosfērā, izraisot pasaules temperatūras kritumu, kas ilga divus gadus.

Tādējādi mūsu pašu piesārņojums, ko galvenokārt izraisa sēru saturošu ogļu un naftas dedzināšana, var īslaicīgi kompensēt globālās sasilšanas sekas. Eksperti lēš, ka aerosoli 20. gadsimtā samazināja sasilšanu par 20%. Kopumā temperatūra paaugstinās kopš 40. gadiem, bet kopš 1970. gada ir pazeminājusies. Aerosola efekts var palīdzēt izskaidrot anomālo dzesēšanu pagājušā gadsimta vidū.

2006. gadā oglekļa dioksīda emisija atmosfērā sasniedza 24 miljardus tonnu. Ļoti aktīva pētnieku grupa iebilst pret ideju, ka cilvēka darbība ir viens no globālās sasilšanas cēloņiem. Viņasprāt, galvenais ir dabiskie klimata pārmaiņu procesi un palielināta Saules aktivitāte. Bet, saskaņā ar Vācijas Klimatoloģijas centra Hamburgā vadītāju Klausu Haselmanu, tikai 5% var izskaidrot ar dabiskiem cēloņiem, bet atlikušie 95% ir cilvēka darbības radīts faktors.

Daži zinātnieki arī nesaista CO 2 pieaugumu ar temperatūras paaugstināšanos. Skeptiķi saka, ka, ja temperatūras paaugstināšanās ir vainojama pieaugošajā CO 2 izmešu daudzumā, temperatūra noteikti ir paaugstinājusies pēckara ekonomikas uzplaukuma laikā, kad fosilais kurināmais tika dedzināts milzīgos daudzumos. Tomēr Džerijs Malmens, Ģeofizikālās šķidruma dinamikas laboratorijas direktors, aprēķināja, ka pastiprināta ogļu un eļļu izmantošana strauji palielināja sēra saturu atmosfērā, izraisot atdzišanu. Pēc 1970. gada CO 2 un metāna ilgo dzīves ciklu termiskais efekts nomāca strauji bojājošos aerosolus, izraisot temperatūras paaugstināšanos. Tādējādi varam secināt, ka oglekļa dioksīda ietekme uz siltumnīcas efekta intensitāti ir milzīga un nenoliedzama.

Tomēr pieaugošais siltumnīcas efekts var nebūt katastrofāls. Patiešām, augsta temperatūra var būt apsveicama tur, kur tā ir diezgan reti sastopama. Kopš 1900. gada lielākā sasilšana ir novērota no 40 līdz 70 0 ziemeļu platuma grādiem, tostarp Krievijā, Eiropā un ASV ziemeļu daļā, kur siltumnīcefekta gāzu rūpnieciskās emisijas sākās agrāk. Lielākā daļa sasilšanas notiek naktī, galvenokārt mākoņu segas palielināšanās dēļ, kas aiztur izejošo siltumu. Rezultātā sējas sezona tika pagarināta par nedēļu.

Turklāt siltumnīcas efekts var būt labas ziņas dažiem lauksaimniekiem. Augsta CO 2 koncentrācija var pozitīvi ietekmēt augus, jo augi fotosintēzes laikā izmanto oglekļa dioksīdu, pārvēršot to dzīvos audos. Tāpēc vairāk augu nozīmē lielāku CO 2 absorbciju no atmosfēras, palēninot globālo sasilšanu.

Šo fenomenu pētīja amerikāņu speciālisti. Viņi nolēma izveidot pasaules modeli ar divkāršu CO 2 daudzumu gaisā. Lai to izdarītu, viņi izmantoja četrpadsmit gadus vecu priežu mežu Ziemeļkalifornijā. Gāze tika sūknēta pa caurulēm, kas ierīkotas starp kokiem. Fotosintēze palielinājās par 50-60%. Bet efekts drīz kļuva pretējs. Smacējošie koki nevarēja tikt galā ar tādiem oglekļa dioksīda daudzumiem. Priekšrocības fotosintēzes procesā tika zaudētas. Šis ir vēl viens piemērs tam, kā cilvēku manipulācijas noved pie negaidītiem rezultātiem.

Taču šos mazos siltumnīcas efekta pozitīvos aspektus nevar salīdzināt ar negatīvajiem. Ņemsim, piemēram, eksperimentu ar priežu mežu, kur CO 2 apjoms tika dubultots, un līdz šī gadsimta beigām tiek prognozēts, ka CO 2 koncentrācija četrkāršosies. Var iedomāties, cik katastrofālas sekas varētu būt augiem. Un tas, savukārt, palielinās CO 2 daudzumu, jo jo mazāk augu, jo lielāka ir CO 2 koncentrācija.

Siltumnīcas efekta sekas

siltumnīcefekta gāzu klimats

Paaugstinoties temperatūrai, palielināsies ūdens iztvaikošana no okeāniem, ezeriem, upēm utt. Tā kā siltāks gaiss var saturēt vairāk ūdens tvaiku, tas rada spēcīgu atgriezeniskās saites efektu: jo siltāks tas kļūst, jo augstāks ir ūdens tvaiku saturs gaisā, kas savukārt palielina siltumnīcas efektu.

Cilvēka darbība maz ietekmē ūdens tvaiku daudzumu atmosfērā. Taču mēs izdalām citas siltumnīcefekta gāzes, kas siltumnīcas efektu padara arvien intensīvāku. Zinātnieki uzskata, ka CO 2 emisiju palielināšanās, galvenokārt no fosilā kurināmā sadedzināšanas, izskaidro vismaz aptuveni 60% Zemes sasilšanas kopš 1850. gada. Oglekļa dioksīda koncentrācija atmosfērā palielinās par aptuveni 0,3% gadā, un tagad tā ir par aptuveni 30% augstāka nekā pirms rūpnieciskās revolūcijas. Ja mēs to izsakām absolūtos skaitļos, tad katru gadu cilvēce pievieno aptuveni 7 miljardus tonnu. Neskatoties uz to, ka tā ir neliela daļa attiecībā pret kopējo oglekļa dioksīda daudzumu atmosfērā – 750 miljardi tonnu un vēl mazāka, salīdzinot ar Pasaules okeānā esošo CO 2 daudzumu – aptuveni 35 triljoni tonnu, tā joprojām ir ļoti liela. nozīmīgs. Iemesls: dabas procesi ir līdzsvarā, atmosfērā nonāk tāds CO 2 daudzums, kas no turienes tiek izņemts. Un cilvēka darbība tikai palielina CO 2.

Atmosfēra ir Zemes gaisa apvalks. Izstiepjas līdz 3000 km no zemes virsmas. Tās pēdas var izsekot līdz pat 10 000 km augstumā. A. ir nevienmērīgs blīvums 50 5 tā masas koncentrējas līdz 5 km, 75% - līdz 10 km, 90% - līdz 16 km.

Atmosfēra sastāv no gaisa – vairāku gāzu mehāniska maisījuma.

Slāpeklis(78%) atmosfērā pilda skābekļa šķīdinātāja lomu, regulējot oksidācijas ātrumu un līdz ar to arī bioloģisko procesu ātrumu un intensitāti. Slāpeklis ir galvenais zemes atmosfēras elements, kas nepārtraukti apmainās ar biosfēras dzīvajām vielām, un tās sastāvdaļas ir slāpekļa savienojumi (aminoskābes, purīni utt.). Slāpeklis tiek iegūts no atmosfēras neorganiskos un bioķīmiskos veidos, lai gan tie ir savstarpēji cieši saistīti. Neorganiskā ekstrakcija ir saistīta ar tās savienojumu N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3 veidošanos. Tie ir sastopami nokrišņos un veidojas atmosfērā elektrisko izlāžu ietekmē pērkona negaisa laikā vai fotoķīmisko reakciju ietekmē saules starojuma ietekmē.

Slāpekļa bioloģisko fiksāciju veic dažas baktērijas simbiozē ar augstākiem augiem augsnēs. Slāpekli fiksē arī daži planktona mikroorganismi un aļģes jūras vidē. Kvantitatīvi slāpekļa bioloģiskā fiksācija pārsniedz tā neorganisko fiksāciju. Visa slāpekļa apmaiņa atmosfērā notiek aptuveni 10 miljonu gadu laikā. Slāpeklis ir atrodams vulkāniskas izcelsmes gāzēs un magmatiskos iežos. Karsējot dažādus kristālisko iežu un meteorītu paraugus, izdalās slāpeklis N 2 un NH 3 molekulu veidā. Tomēr galvenā slāpekļa klātbūtnes forma gan uz Zemes, gan uz sauszemes planētām ir molekulāra. Amonjaks, nonākot atmosfēras augšējos slāņos, ātri oksidējas, izdalot slāpekli. Nogulumiežu iežos tas ir aprakts kopā ar organiskajām vielām un ir sastopams palielinātā daudzumā bitumena nogulsnēs. Šo iežu reģionālās metamorfozes laikā slāpeklis dažādās formās izdalās Zemes atmosfērā.

Ģeoķīmiskais slāpekļa cikls (

Skābeklis(21%) izmanto dzīvie organismi elpošanai un ir daļa no organiskām vielām (olbaltumvielām, taukiem, ogļhidrātiem). Ozons O 3. aizkavē dzīvību iznīcinošo ultravioleto starojumu no Saules.

Skābeklis ir otrā visizplatītākā gāze atmosfērā, kam ir ārkārtīgi svarīga loma daudzos biosfēras procesos. Dominējošā tā pastāvēšanas forma ir O 2. Atmosfēras augšējos slāņos ultravioletā starojuma ietekmē notiek skābekļa molekulu disociācija, un aptuveni 200 km augstumā atomu skābekļa attiecība pret molekulu (O: O 2) kļūst vienāda ar 10. skābekļa formas mijiedarbojas atmosfērā (20-30 km augstumā), ozona josta (ozona ekrāns). Ozons (O 3) ir nepieciešams dzīviem organismiem, bloķējot lielāko daļu tiem kaitīgā Saules ultravioletā starojuma.

Zemes attīstības sākumposmā brīvais skābeklis parādījās ļoti mazos daudzumos oglekļa dioksīda un ūdens molekulu fotodisociācijas rezultātā atmosfēras augšējos slāņos. Tomēr šos nelielos daudzumus ātri patērēja citu gāzu oksidēšanās. Līdz ar autotrofu fotosintēzes organismu parādīšanos okeānā situācija būtiski mainījās. Brīvā skābekļa daudzums atmosfērā sāka pakāpeniski palielināties, aktīvi oksidējot daudzas biosfēras sastāvdaļas. Tādējādi pirmās brīvā skābekļa porcijas galvenokārt veicināja dzelzs dzelzs formu pāreju oksīda formās un sulfīdu pāreju sulfātos.

Galu galā brīvā skābekļa daudzums Zemes atmosfērā sasniedza noteiktu masu un tika līdzsvarots tā, ka saražotais daudzums kļuva vienāds ar absorbēto daudzumu. Atmosfērā ir noteikts relatīvi nemainīgs brīvā skābekļa saturs.

Ģeoķīmiskais skābekļa cikls (V.A. Vronskis, G.V. Voitkevičs)

Oglekļa dioksīds, nonāk dzīvās vielas veidošanā un kopā ar ūdens tvaikiem rada tā saukto “siltumnīcas (siltumnīcas) efektu”.

Ogleklis (oglekļa dioksīds) - lielākā daļa no tā atmosfērā ir CO 2 formā un daudz mazāk CH 4 formā. Oglekļa ģeoķīmiskās vēstures nozīme biosfērā ir ārkārtīgi liela, jo tā ir daļa no visiem dzīvajiem organismiem. Dzīvos organismos dominē reducētās oglekļa formas, bet biosfēras vidē - oksidētās formas. Tādējādi tiek noteikta dzīves cikla ķīmiskā apmaiņa: CO 2 ↔ dzīvā viela.

Primārā oglekļa dioksīda avots biosfērā ir vulkāniskā darbība, kas saistīta ar mantijas un zemes garozas apakšējo horizontu sekulāru degazēšanu. Daļa no šī oglekļa dioksīda rodas seno kaļķakmeņu termiskās sadalīšanās laikā dažādās metamorfās zonās. CO 2 migrācija biosfērā notiek divos veidos.

Pirmā metode izpaužas kā CO 2 absorbcija fotosintēzes laikā ar organisko vielu veidošanos un sekojošu apglabāšanu labvēlīgos reducējošos apstākļos litosfērā kūdras, ogļu, naftas un degslānekļa veidā. Saskaņā ar otro metodi oglekļa migrācijas rezultātā hidrosfērā veidojas karbonātu sistēma, kur CO 2 pārvēršas par H 2 CO 3, HCO 3 -1, CO 3 -2. Tad ar kalcija (retāk magnija un dzelzs) piedalīšanos karbonāti tiek nogulsnēti pa biogēniem un abiogēniem ceļiem. Parādās biezi kaļķakmens un dolomīta slāņi. Saskaņā ar A.B. Ronova, organiskā oglekļa (Corg) un karbonāta oglekļa (Ccarb) attiecība biosfēras vēsturē bija 1:4.

Kopā ar globālo oglekļa ciklu pastāv arī vairāki nelieli oglekļa cikli. Tātad uz sauszemes zaļie augi dienas laikā absorbē CO 2 fotosintēzes procesam, un naktī tie izdala to atmosfērā. Līdz ar dzīvo organismu nāvi uz zemes virsmas notiek organisko vielu oksidēšanās (piedaloties mikroorganismiem) ar CO 2 izdalīšanos atmosfērā. Pēdējās desmitgadēs īpašu vietu oglekļa ciklā ir ieņēmusi fosilā kurināmā masveida sadegšana un tā satura palielināšanās mūsdienu atmosfērā.

Oglekļa cikls ģeogrāfiskajā apvalkā (pēc F. Ramad, 1981)

Argons- trešā visizplatītākā atmosfēras gāze, kas to krasi atšķir no citām ārkārtīgi maz izplatītajām inertajām gāzēm. Tomēr argonam savā ģeoloģiskajā vēsturē ir līdzīgs šo gāzu liktenis, kam raksturīgas divas pazīmes:

1. to uzkrāšanās atmosfērā neatgriezeniskums;
2. cieša saistība ar noteiktu nestabilu izotopu radioaktīvo sabrukšanu.

Inertās gāzes atrodas ārpus vairuma ciklisko elementu cikla Zemes biosfērā.

Visas inertās gāzes var iedalīt primārajās un radiogēnajās. Pie primārajiem pieder tie, kurus Zeme sagūstīja tās veidošanās periodā. Tie ir ārkārtīgi reti. Argona primāro daļu galvenokārt veido izotopi 36 Ar un 38 Ar, savukārt atmosfēras argons pilnībā sastāv no izotopa 40 Ar (99,6%), kas neapšaubāmi ir radiogēns. Kāliju saturošajos iežos radiogēnā argona uzkrāšanās notika un turpina notikt kālija-40 sabrukšanas dēļ, izmantojot elektronu uztveršanu: 40 K + e → 40 Ar.

Tāpēc argona saturu akmeņos nosaka to vecums un kālija daudzums. Tādā mērā hēlija koncentrācija akmeņos ir atkarīga no to vecuma un torija un urāna satura. Argons un hēlijs izdalās atmosfērā no zemes zarnām vulkānu izvirdumu laikā, caur zemes garozas plaisām gāzu strūklu veidā, kā arī iežu dēdēšanas laikā. Saskaņā ar P. Dimona un J. Kulpa veiktajiem aprēķiniem hēlijs un argons mūsdienu laikmetā uzkrājas zemes garozā un nonāk atmosfērā salīdzinoši nelielos daudzumos. Šo radiogēno gāzu iekļūšanas ātrums ir tik zems, ka Zemes ģeoloģiskās vēstures laikā tā nevarēja nodrošināt to novēroto saturu mūsdienu atmosfērā. Tāpēc atliek pieņemt, ka lielākā daļa argona atmosfērā nāca no Zemes zarnām tās attīstības agrīnajos posmos un daudz mazāk tika pievienots vēlāk vulkānisma procesā un kāliju saturošu iežu laikapstākļos.

Tādējādi ģeoloģiskā laika gaitā hēlijam un argonam ir bijuši dažādi migrācijas procesi. Atmosfērā ir ļoti maz hēlija (apmēram 5 * 10 -4%), un Zemes “hēlija elpošana” bija vieglāka, jo tā kā vieglākā gāze iztvaikoja kosmosā. Un “argona elpošana” bija smaga, un argons palika mūsu planētas robežās. Lielākā daļa pirmatnējo cēlgāzu, piemēram, neons un ksenons, bija saistītas ar pirmatnējo neonu, ko Zeme notvēra tās veidošanās laikā, kā arī ar izdalīšanos mantijas degazēšanas laikā atmosfērā. Viss datu kopums par cēlgāzu ģeoķīmiju liecina, ka Zemes primārā atmosfēra radās tās attīstības agrīnajos posmos.

Atmosfēra satur ūdens tvaiki Un ūdensšķidrā un cietā stāvoklī. Ūdens atmosfērā ir svarīgs siltuma akumulators.

Atmosfēras apakšējos slāņos ir liels daudzums minerālu un tehnogēno putekļu un aerosolu, sadegšanas produktu, sāļu, sporu un ziedputekšņu u.c.

Līdz 100-120 km augstumam gaisa pilnīgas sajaukšanās dēļ atmosfēras sastāvs ir viendabīgs. Slāpekļa un skābekļa attiecība ir nemainīga. Augšā dominē inertās gāzes, ūdeņradis u.c. Atmosfēras apakšējos slāņos ir ūdens tvaiki. Attālumā no Zemes tā saturs samazinās. Lielākoties mainās gāzu attiecība, piemēram, 200-800 km augstumā skābeklis 10-100 reizes dominē pār slāpekli.