Тема 7. Экологические проблемы биосферы

Состав атмосферы, как и расстояние от Земли до Солнца, определяет «бюджет» энергии атмосферы, который, в свою очередь, обусловливает все - от температуры у поверхности Земли до характера атмосферной 'циркуляции, перераспределяющей солнечную энергию над поверхностью. Поток солнечного излучения содержит лучи инфракрасной (ИК), видимой и ультрафиолетовой (УФ) частей спектра, но максимум приходится на видимое излучение. Атмосфера относительно прозрачна для видимых лучей. Земля и атмосфера поглощают примерно 67% солнечного излучения. Около 33% излучения атмосфера и поверхность Земли отражают обратно. Лучше всего отражают облака, атмосферная пыль, молекулы атмосферных газов, снег и земля, лишенная растительности. Доля падающего излучения, которое отражается обратно в космос (альбедо планеты), может существенно колебаться при изменении климата, росте концентрации пыли во время извержения вулканов, вырубке леса на больших территориях. Уменьшение или рост альбедо приведут к нагреванию или охлаждению Земли. В среднем поверхность Земли передает атмосфере количество энергии, равное тому, которое она поглощает. Средняя глобальная температура у поверхности Земли составляет около 15°С. Именно такая температура необходима для поддержания на Земле теплового равновесия. Средние колебания температуры не превышают 10°С за 105 лет, 1°С за 103 лет и составляют десятые доли градуса Цельсия за последние 100 лет. Земля освобождается от поглощенной энергии, испуская тепловое инфракрасное излучение. В равновесном состоянии, когда температура Земли не меняется, энергия солнечного излучения, падающего на Землю, совпадает с энергией теплового излучения Земли. С учетом разницы температур поверхности Солнца (Тс = 6000К) и Земли (Тз = ЗООК) можно заключить, что каждый фотон солнечного излучения распадается в среднем на Тс/Тз = 20 фотонов теплового излучения Земли. По закону сохранения энергии в отсутствие атмосферы тепловой поток от Земли должен был бы совпадать с потоком солнечной энергии, поглощенной поверхностью Земли. Расчеты по­казывают, что при этом температура поверхности Земли составляла бы 5°С. Тот факт, что реальная температура земной поверхности на 10°С выше, связан с наличием атмосферы, играющей роль фильтра с односторонним пропусканием, за счет чего создается так называемый «парниковый» (оранжерейный, тепличный) эффект. Углекислый газ является одним из главных виновников «парникового эффекта», потому что другие известные «парниковые газы» (а их около сорока) определяют лишь примерно по­ловину глобального потепления. Подобно тому, как в парнике стеклянная крыша и стены пропускают солнечную радиацию, но не дают уходить теплу, так и углекислый газ вместе с другими «парниковыми газами» практически прозрачны для солнечных лучей, но задерживают длинноволновое тепловое излучение Земли, не дают ему уходить в космос. При этом часть его уходит в космическое пространство, а часть возвращается обратно на поверхность Земли и оттуда вновь поступает в атмосферу. В результате температура приземного слоя воздуха повышается. Ежегодно на Земле сжигается около 2 млрд. т ископаемого топлива, что означает поступление в атмосферу почти 5,5 млрд. т углекислого газа. Еще приблизительно 1,7 млрд. т СО2 поступает туда же за счет сведения и выжигания тропических лесов и окисления органического вещества почвы (гумуса). Имеются расчеты, проведенные Г. А. Заварзиным и У. Кларком (США), которые показали, что в основном источником парниковых газов могут быть антропогенные нарушения работы микробных сообществ почв Сибири и части Северной Америки. Значительно усугубляют проблему «парникового эффекта» некоторые другие газы, выбрасываемые человеком в атмосферу, особенно метан, хлорфторуглеводороды (фреоны) и оксиды азота. Регулярные наблюдения за климатом ведутся уже около ста лет. Эти наблюдения позволили известному климатологу Джеймсу Хансену из Института космических исследований при НАСА (Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства США) заявить в 1988 г., что «парниковый эффект» уже ощутим.Установлено, что содержание углекислого газа в атмосфере за последние 100 лет увеличилось на 25%. За этот период глобальная температура увеличилась примерно на 0,5°С. Прогностические оценки показывают, что в 2000 г. температура повысиолась в целом на 1,2-1,3°С, а к 2030-2040 гг. (при удвоении содержания углекислого газа) - на 3-4°С (примерно на 0,2-0,5°С за десятилетие). Примечательно, что шведский физико-химик, лауреат Нобелевской премии Сванте Аррениус еще в 1908 г. в своей книге «Образование миров» писал: «Если бы содержание угольной кислоты в воздухе удвоилось, то температура земной поверхности повысилась бы на 4°С. Удивительная прозорливость! Предстоящее увеличение средней глобальной температуры воздуха должно неминуемо привести к еще более значительному уменьшению континентальных ледников. Расчеты и измерения показали, что за последние 100 лет объем высокогорного оледенения сократился приблизительно на 2000 км3, ежегодное сокращение составило в среднем 0,06% от всей массы высокогорного льда. Потепление климата ведет к таянию полярных льдов и повышению уровня Мирового океана. За последние 20 лет скорость его повышения увеличилась вдвое и достигла 2,5 см/год. По прогнозам ученых, к 2050 г. возможное повышение уровня океана составит 150 см, и тогда обширные области океанских и морских побережий, где сейчас проживает множество людей, окажутся под водой. Оценки, основанные на возможном росте температуры в течение ближайших нескольких десятилетий, показывают, что некоторые регионы с неустойчивым увлажнением станут более су­хими, в результате чего не исключены еще большая деградация земель и потери урожаев. Влажные области будут еще в большей степени насыщены влагой, увеличится частота и интенсивность тропических штормов. В высоких широтах зимы будут более короткими, влажными и теплыми, а лето более длительным, жарким и засушливым. Глобальное потепление может вызвать смещение основных зон земледелия до нескольких сот километров на каждый градус изменения температуры. Кроме того, возможно изменение частоты и характера экстремальных воздействий на сельское хозяйство, обусловленных большими наводнениями, устойчивыми засухами, лесными пожарами и вредителями сельскохозяйственных культур. Вслед за предстоящими изменениями климата неизбежно наступят изменения положения природных зон. Процесс глобального потепления будет сопровождаться, видимо, заметным увеличением годового стока в высоких широтах и существенным изменением режима влагосодержания деятельного слоя почвы значительной части континентов. Существует, однако, и другое мнение относительно потепления климата. Группа ученых под руководством М. И. Будыко выяснила, что скорость образования карбонатных отложений в первом приближении пропорциональна количеству СО2 в атмосфере. Приняв за основу это предположение, они рассчитали изменения концентрации СО2 в атмосфере в фанерозое, т. е. в последние 570 млн. лет. Из рисунка видно, что ранее атмосферного углекислого газа было, как правило, значительно больше, чем сейчас, что являлось причиной более теплых, по сравнению с нашим временем, климатических условий. В последние 100 млн. лет произошло заметное понижение концентрации CO2. Это означает, по данным М. И. Будыко, возврат к климатическим условиям конца третичного периода, т. е. на несколько миллионов лет назад. В то время климат был более теплым и влажным, растительности было больше, как из-за благоприятного климата, так и из-за повышенного содержания СО2 в атмосфере. Таким образом, М. И. Будыко видит определенные положительные стороны глобального потепления климата. Некоторые ученые доказывают, что повышение температуры на определенном этапе приведет к усилению испарения, увеличению облачности и другим процессам, а следовательно, к уменьшению поступления солнечной радиации на поверхность Земли. При этом температура приземного слоя воздуха будет понижаться. Известный американский физик С. Шнейдер, автор фундаментальной работы по климатологии «Глобальное потепление: наступает век парникового эффекта» отмечает, что с увеличением содержания углекислого газа в атмосфере может возрасти и скорость потребления этого газа растениями и океаном, что приведет к его уменьшению, и тогда возможные последствия «парникового эффекта» будут сильно смягчены. Однако, как подчеркивает сам ученый, «нельзя допустить, чтобы из-за неопределенной ситуации... мы отказались от стратегического планирования». В настоящее время варианты такого планирования уже появились. На международной встрече в Торонто (Канада) в 1988 г. ученые и политики предло-жили в качестве ближайшей цели сокращение выбросов углерода на 20% к 2025 г. Для этого, прежде всего, необходимы крупные изменения в мировой энергетике: • сокращение потребления угля, замена его природным газом; • развитие атомной энергетики; • развитие альтернативных видов энергетики (ветровой, солнечной, геотер-мальной); • всемирная экономия энергии. На конференции в Рио-де-Жанейро в 1992 г. принята Конвенция ООН об изменении климата, основным положением которой являются международная координация и объединение усилий в борьбе с изменением климата и его неблагоприятными последствиями для планеты.