Причины возникновения парникового эффекта. Парниковый эффект, его участие в будущем земли
Понятие «парниковый эффект» хорошо известно всем садоводам и огородникам. Внутри парника температура воздуха выше, чем на открытом воздухе, что дает возможность выращивать овощи и фрукты даже в холодное время года.
Похожие явления происходят и в атмосфере нашей планеты, однако имеют более глобальные масштабы. Что же такое парниковый эффект на Земле и какие последствия может иметь его усиление?
Что такое парниковый эффект?
Парниковый эффект – это рост среднегодовой температуры воздуха на планете, происходящий за счет смены оптических свойств атмосферы. Легче понять суть этого явления можно на примере обычного парника, который имеется на любом приусадебном участке.
Представьте себе, что атмосфера – это стеклянные стены и крыша теплицы. Как и стекло, она с легкостью пропускает сквозь себя солнечные лучи и задерживает излучение тепла от земли, не давая ему уходить в космос. В результате тепло остается над поверхностью и нагревает приземные слои атмосферы.
Почему возникает парниковый эффект?
Причина появления парникового эффекта заключается в разнице между излучениями, и земной поверхности. Солнце с его температурой 5778 °С дает преимущественно видимый свет, весьма чувствительный для наших глаз. Поскольку воздух способен пропускать этот свет, солнечные лучи с легкостью проходят сквозь него и нагревают земную оболочку. Предметы и объекты у поверхности имеют среднюю температуру около +14…+15 °С, поэтому излучают энергию в инфракрасном диапазоне, не способную проходить через атмосферу в полном объеме.
Впервые подобный эффект был смоделирован физиком Филиппом де Соссюром, который выставил на солнце накрытый стеклянной крышкой сосуд, а после измерил разницу температур внутри него и снаружи. Внутри воздух оказался теплее, будто сосуд получил извне солнечную энергию. В 1827 году физик Жозеф Фурье высказал предположение, что такой эффект может происходить и с атмосферой Земли, оказывая влияние на климат.
Именно он сделал вывод, что температура в «парнике» повышается за счет различной прозрачности стекла в инфракрасном и видимом диапазоне, а также благодаря предотвращению стеклом оттока теплого воздуха.
Как парниковый эффект влияет на климат планеты?
При неизменных потоках солнечной радиации климатические условия и среднегодовая температура на нашей планете зависят от ее теплового баланса, а также от химического состава и температуры воздуха. Чем выше уровень парниковых газов у поверхности (озона, метана, диоксида углерода, водяного пара), тем выше вероятность усиления парникового эффекта и, соответственно, глобального потепления. В свою очередь уменьшение концентрации газов ведет к снижению температуры и появлению ледяного покрова в полярных районах.
Благодаря отражательной способности земной поверхности (альбедо) климат на нашей планете не раз переходил от стадии потепления к стадии похолодания, поэтому сам по себе парниковый эффект особой проблемы не представляет. Однако в последние годы в результате загрязнения атмосферы выхлопными газами, выбросами ТЭЦ и различных заводов на Земле наблюдается увеличение концентрации углекислого газа, что может привести к глобальному потеплению и негативным последствиям для всего человечества.
Какие последствия парникового эффекта?
Если за последние 500 тысяч лет концентрация диоксида углерода на планете никогда не превышала 300 промилле, то в 2004 году этот показатель составил 379 промилле. Чем грозит это нашей Земле? Прежде всего, ростом окружающей температуры и катаклизмами глобальных масштабов.
Таяние ледников может значительно повысить уровень мирового океана и вызвать тем самым затопление прибрежных районов. Считается, что через 50 лет после усиления парникового эффекта на географической карте может не остаться большинства островов, все морские курорты на материках исчезнут под толщей океанской воды.
Потепление на полюсах способно изменить распределение осадков по всей территории земли: в одних районах их число увеличится, в других уменьшится и приведет к засухе и опустыниванию. Негативным последствием роста концентрации парниковых газов выступает также разрушение ими озонового слоя, что уменьшит защиту поверхности планеты от ультрафиолетовых лучей и приведет к разрушению ДНК и молекул в человеческом организме.
Расширение озоновых дыр к тому же чревато потерей многих микроорганизмов, в частности, морского фитопланктона, что может оказать существенное влияние на животных, которые им питаются.
Садоводы хорошо знакомы с этим физическим явлением, так как внутри парника всегда теплее, чем снаружи, и это помогает выращивать растения, особенно в холодное время года.
Вы можете почувствовать аналогичный эффект, когда находитесь в солнечный день в автомобиле. Причина его состоит в том, что солнечные лучи проходят через стекло вовнутрь парника, и их энергия поглощается растениями и всеми объектами, находящимися внутри. Затем эти же объекты, растения излучают свою энергию, но она уже не может проникнуть через стекло, поэтому температура внутри парника повышается.
Планета с устойчивой атмосферой, такая как Земля, испытывает практически такой же эффект. Чтобы поддерживать постоянную температуру, Земле необходимо самой излучать столько же энергии, сколько она получает. Атмосфера служит как бы стеклом в парнике.
Парниковый эффект впервые был обнаружен Жозефом Фурье в 1824 году и впервые был количественно исследован в 1896 г. Парниковый эффект — это процесс, при котором поглощение и испускание инфракрасного излучения атмосферными газами вызывает нагрев атмосферы и поверхности планеты.
Теплое одеяло Земли
На Земле основными парниковыми газами являются:
1) водяной пар (ответственен примерно за 36-70 % парникового эффекта);
2) углекислый газ (CO2) (9-26 %);
3) метан (CH4) (4-9 %);
4) озон (3-7 %).
Присутствие таких газов в атмосфере создает эффект укрывания Земли одеялом. Они позволяют сохранить тепло около поверхности более долгое время, поэтому поверхность Земли значительно теплее, чем была бы при отсутствии газов. Без атмосферы средняя температура поверхности составляла бы -20°С. Иными словами, в отсутствие парникового эффекта наша планета была бы необитаемой.
Самый сильный парниковый эффект
Парниковый эффект имеет место не только на Земле. В действительности самый сильный парниковый эффект, о котором мы знаем, - на соседней планете, Венере. Атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, и в результате поверхность планеты разогрета до 475°С. Климатологи полагают, что мы избежали такой участи благодаря наличию на Земле океанов. На Венере нет океанов, и весь углекислый газ, который выбрасывают в атмосферу вулканы, там и остается. В результате мы наблюдаем на Венере неуправляемый парниковый эффект, который делает невозможной жизнь на этой планете.
На планете Венера наблюдается неуправляемый парниковый эффект, и с виду ласковые облака скрывают обжигающе горячую поверхность
Парниковый эффект был всегда
Важно понимать, что парниковый эффект на Земле был всегда. Без парникового эффекта, обусловленного наличием углекислого газа в атмосфере, океаны давно бы замерзли, и высшие формы жизни не появились бы. По существу, не климат, а судьба жизни на Земле целиком зависит от того, останется некоторое количество углекислоты в атмосфере или исчезнет, и жизнь на Земле тогда прекратится. Парадоксально, но именно человечество может на некоторое время продлить жизнь на Земле, вернув в оборот хотя бы часть запасов углекислого газа из каменноугольных, нефтяных и газовых месторождений.
В настоящее время научные споры о парниковом эффекте идут по вопросу глобального потепления: не слишком ли мы, люди, нарушаем энергетический баланс планеты в результате сжигания ископаемых видов топлива и прочей хозяйственной деятельности, добавляя при этом излишнее количество углекислого газа в атмосферу тем самым сокращая количество кислорода в ней? Сегодня ученые сходятся во мнении, что мы ответственны за повышение естественного парникового эффекта на несколько градусов.
Проведем эксперимент
Попробуем показать результат действия увеличения углекислого газа на опыте.
Нальем в бутылку стакан уксуса и положим туда несколько кристалликов соды. Закрепим в пробке соломинку и закроем ею плотно бутылку. Поместим бутылку в широкий стакан, расставим вокруг неё зажженные свечки различной высоты. Свечи начнут гаснуть, начиная с самой короткой.
Почему это происходит? В стакане начинает собираться углекислый газ и вытесняться кислород. Также происходит на Земле, т. е. планета начинает испытывать недостаток кислорода.
Чем нам это грозит?
Итак, что является причинами парникового эффекта, мы разглядели. Но почему же все его так бояться? Рассмотрим его последствия:
1. Если температура на Земле будет продолжать повышаться, это окажет серьезнейшее действие на мировой климат.
2. В тропиках будет выпадать больше осадков, так как дополнительное тепло повысит содержание водяного пара в воздухе.
3. В засушливых районах дожди станут еще более редкими и они превратятся в пустыни в итоге чего людям и животным придется их покинуть.
4. Температура морей также повысится, что приведет к затоплению низинных областей побережья и к увеличению числа мощных штормов.
5. Сократятся жилые земли.
6. Если температура на Земле повысится, многие животные не сумеют приспособиться к климатическим изменениям. Многие растения погибнут от недостатка воды и животным придется переселиться в другие места в поисках пищи и воды. Если повышение температуры приведет к смерти многих растений, то вслед за ними вымрут и многие виды животных.
7. Изменение температуры плохо сказывается на здоровье людей.
8. Не считая отрицательных последствий глобального потепления, можно отметить и положительное последствие. Глобальное потепление сделает лучше климат России. На первый взгляд более теплый климат представляется благом. Но возможный выигрыш может быть уничтожен вредом от болезней, вызванных вредными насекомыми, поскольку повышение температуры ускорит их размножение. Земли в неких областях России окажутся малопригодными для проживания
Пора действовать!
Угольные электростанции, автомобильные выхлопы, заводские трубы и другие созданные человечеством источники загрязнения вместе выбрасывают в атмосферу около 22 миллиардов тонн углекислого газа и других парниковых газов в год. Животноводство, применение удобрений, сжигание угля и другие источники дают около 250 миллионов тонн метана в год. Около половины всех парниковых газов, выброшенных человечеством, осталось в атмосфере. Около трёх четвертей всех выбросов парниковых газов за последние 20 лет вызваны использованием нефти, природного газа и угля. Бо́льшая часть остального вызвана изменениями ландшафта, в первую очередь вырубкой лесов
Деятельность человека приводит к повышению концентрации парниковых газов в атмосфере.
Но наступает пора столь же целеустремленно поработать и над тем, как отдать природе то, что мы у нее забираем. Человек способен решить и эту грандиозную задачку и срочно начать действовать по защите нашей Земли:
1. Восстановление почвенного и растительного покрова.
2. Уменьшение потребление ископаемого топлива.
3. Шире употреблять водную, ветровую, солнечную энергию.
4. Вести борьбу с загрязнением атмосферы.
Механизм парникового эффекта можно описать следующим образом: поверхность Земли, нагреваясь из-за поступающего от Солнца излучения, сама становится источником длинноволнового инфракрасного (теплового) излучения. Часть этого излучения уходит в космос, а часть - отражается некоторыми газами атмосферы и нагревает приземные воздушные слои. Это явление, подобное удержанию тепла под прозрачной пленкой теплиц, получило название парниковый эффект.
Основным источником жизни и всех природных процессов на Земле является лучистая энергия Солнца. Энергия солнечной радиации всех длин волн, поступающая на нашу планету в единицу времени на единицу площади, перпендикулярной солнечным лучам, называется солнечной постоянной и составляет 1,4 кДж/см 2 . Это лишь одна двухмиллиардная доля энергии, излучаемой поверхностью Солнца. Из общего количества солнечной энергии, поступающей на Землю, атмосфера поглощает - 20%. Примерно 34% энергии, проникающей в глубь атмосферы и доходящей до поверхности Земли, отражается облаками атмосферы, аэрозолями, в ней находящимися, и самой поверхностью Земли. Таким образом, до земной поверхности доходит - 46% солнечной энергии и поглощается ею. В свою очередь поверхность суши и воды излучает длинноволновую инфракрасную (тепловую) радиацию, которая частично уходит в космос, а частично остается в атмосфере, задерживаясь входящими в ее состав газами и нагревая приземные слои воздуха. Эта изоляция Земли от космического пространства создала благоприятные условия для развития живых организмов.
Солнечный свет поглощается поверхностью планеты и её атмосферой (особенно излучение в ближней УФ- и ИК-областях) и разогревает их. Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем инфракрасном диапазоне: так, в случае Земли 75 % теплового излучения приходится на диапазон 7,8-28 мкм, для Венеры - 3,3-12 мкм.
Атмосфера, содержащая газы, поглощающие в этой области спектра (т. н. парниковые газы - H 2 O, CO 2 , CH 4 и пр., существенно непрозрачна для такого излучения, направленного от её поверхности в космическое пространство, то есть имеет в ИК-диапазоне большую оптическую толщину. Вследствие такой непрозрачности атмосфера становится хорошим теплоизолятором, что, в свою очередь, приводит к тому, что переизлучение поглощённой солнечной энергии в космическое пространство происходит в верхних холодных слоях атмосферы. В результате эффективная температура Земли как излучателя оказывается более низкой, чем температура её поверхности.
Таким образом, задерживаемое идущее от земной поверхности тепловое излучение (подобно пленке над парником), получило образное название парниковый эффект. Газы, задерживающие тепловое излучение и препятствующие оттоку тепла в космическое пространство, называют парниковыми газами.
Однажды Филипп де Соссюр провел опыт: выставил на солнце стакан, накрытый крышкой, после чего измерил температуру внутри стакана и снаружи. Температура внутри и за его пределами различалась - в закрытом стакане она была немного теплее. Чуть позже, в 1827 году физик Жозеф Фурье выдвинул гипотезу, что стакан на подоконнике может служить моделью нашей планеты - под слоями атмосферы происходит то же самое.
И он оказался прав, ныне каждый школьник хоть раз слышал термин «парниковый эффект», это то, что сейчас происходит с Землей , то, что сейчас происходит с нами. Проблема парникового эффекта - одна из глобальных экологических проблем , которая может повлечь за собой катастрофический ущерб для нашей планеты, ее флоры и фауны . Чем опасен парниковый эффект? Каковы его причины и последствия? Существуют ли пути решения данной проблемы?
Определение
Парниковый эффект - повышение температуры поверхности земли и воздуха, влекущие за собой изменения в климате. Каким образом это происходит?
Представим, что мы находимся в том же стакане на подоконнике в лаборатории Филиппа де Соссюр. На улице теплая погода, лучи солнца, попадающие на стакан, проникают сквозь стекло, нагревая его донышко. Оно в свою очередь отдает поглощенную энергию в виде инфракрасного излучения в воздух, находящийся внутри стакана, тем самым нагревая его. Инфракрасное излучение не может пройти обратно через стенки, оставляя тепло внутри. Температура внутри стакана повышается и нам становится жарко.
В случае с масштабом планеты Земли все работает немного сложнее, учитывая, что вместо стекла мы имеем слои атмосферы и вместе с солнечными лучами парниковый эффект создают еще многие другие факторы.
Причины парникового эффекта
Деятельность человека является одним из основных факторов образования парникового эффекта. Примечательно, что парниковый эффект существовал еще за несколько веков до технического и промышленного прогресса , но сам по себе никакой угрозы не представлял. Однако, с загрязнением атмосферы заводами, выбросами вредных веществ, а также сжиганием угля, нефти и газа ситуация усугубилась. Углекислый газ и другие опасные соединения, образующиеся при этом, способствуют не только росту онкологических заболеваний среди населения, но и повышению температуры воздуха.
Легковые и грузовые автомобили тоже вносят свою лепту в коктейль вредных веществ, выбрасываемых в воздух, тем самым усиливая парниковый эффект.
Перенаселение заставляет машину потребления и спроса работать продуктивнее: открываются новые заводы, скотоводческие фермы, выпускается больше автомобилей, в сотни раз увеличивая нагрузку на атмосферу. Одно из путей решения нам предлагает сама природа - бесконечные лесные просторы, способные очистить воздух и снизить уровень углекислого газа в атмосфере. Однако, человек массово вырубает леса .
В сельскохозяйственной промышленности в подавляющем большинстве случаев используются химические удобрения , способствующие выделению азота - одного из парниковых газов. Существует органическое сельское хозяйство , о котором можно почитать здесь. Оно абсолютно безвредно для атмосферы Земли, так как использует только натуральные удобрения, но, к сожалению, процент таких ферм крайне мал, чтобы «перекрыть» своей деятельностью неэкологические сельскохозяйственные фермы.
Вместе с тем увеличению парниковых газов способствуют огромные свалки, мусор на которых иногда самовозгорается или очень долго гниет, выделяя те же самые парниковые газы.
Последствия парникового эффекта
Неестественное повышение температуры влечет за собой изменение климата местности, а, следовательно, вымирание многих представителей флоры и фауны, не приспособленных к данному климату. Одна экологическая проблема порождает собой другую - видовое истощение.
Также, находясь в условиях «парилки», ледники - колоссальные «залежи» пресной воды! - медленно, но верно таят. За счет этого повысится уровень Мирового океана, а значит, затопит прибрежные районы, площадь суши уменьшится.
Некоторые экологи прогнозируют, что уровень Морового океана наоборот снизится, причем через 200 лет. Он начнет медленно высыхать под воздействием высокой температуры. Повысится не только температура воздуха, но и температура воды, а это значит, что не выживут многие организмы, чья жизненная система настолько тонко организована, что перепады температуры на 1-2 градуса для нее губительны. Например, уже сейчас вымирают целые коралловые рифы, превращаясь в груды мертвых залежей.
Не стоит оставлять без внимания и влияние на здоровье людей. Повышение температуры воздуха способствует активному распространению таких опасных для жизни вирусов как лихорадка Эбола, сонная болезнь, птичий грипп, желтая лихорадка, туберкулез и т.п. Участятся смерти от обезвоживания и теплового удара.
Пути решения
Несмотря на то, что проблема глобальна, ее решение заключается в нескольких простых действиях. Сложность в том, что выполнять их должно как можно больше человек.
6.Просвещать родных, друзей и знакомых, воспитывать в детях потребность заботиться о природе . Ведь любую проблему можно решить, действуя сообща.
Парниковый эффект – это задержка атмосферой Земли теплового излучения планеты. Парниковый эффект наблюдал любой из нас: в теплицах или парниках температура всегда выше, чем снаружи. То же самое наблюдается и в масштабах Земного шара: солнечная энергия, проходя через атмосферу нагревает поверхность Земли, но излучаемая Землей тепловая энергии не может улетучиться обратно в космос, так как атмосфера Земли задерживает ее, действуя наподобие полиэтилена в парнике: она пропускает короткие световые волны от Солнца к Земле и задерживает длинные тепловые (или инфракрасные) волны, излучаемые поверхностью Земли. Возникает эффект парника. Парниковый эффект возникает из-за наличия в атмосфере Земли газов, которые обладают способностью задерживать длинные волны. Они получили название «парниковых» или «тепличных» газов.
Парниковые газы присутствовали в атмосфере в небольших количествах (около 0,1%) с момента ее образования. Этого количества было достаточно, чтобы поддерживать за счет парникового эффекта тепловой баланс Земли на уровне, пригодном для жизни. Это так называемый естественный парниковый эффект, не будь его средняя температура поверхности Земли была бы на 30°С меньше, т.е. не +15° С, как сейчас, а -18° С.
Естественный парниковый эффект ничем не грозит ни Земле, ни человечеству, поскольку общее количество парниковых газов поддерживалось на одном уровне за счет круговорота природы, более того, ему мы обязаны жизнью.
Но увеличение в атмосфере концентрации парниковых газов приводит к усилению парникового эффекта и нарушению теплового баланса Земли. Именно это и произошло в последние два столетия развития цивилизации. Угольные электростанции, автомобильные выхлопы, заводские трубы и другие созданные человечеством источники загрязнения выбрасывают в атмосферу около 22 миллиардов тонн парниковых газов в год.
Какие газы называют «парниковыми»?
К наиболее известным и распространенным парниковым газам относятся водяной пар (Н 2 О), углекислый газ (CO 2), метан (СН 4) и веселящий газ или закись азота (N 2 O). Это парниковые газы прямого действия. Большая часть их образуется образуются в процессе сжигания органического топлива.
Кроме того, есть еще две группы парниковых газов прямого действия, это галоуглероды и гексафторид серы (SF6). Их выбросы в атмосферу связанны с современными технологиями и промышленными процессами (электроника и холодильное оборудование). Их количество в атмосфере совсем ничтожно, но они их влияние на парниковый эффект (т.н. потенциал глобального потепления/ПГП), в десятки тысяч раз сильнее, чем CO 2 .
Водяной пар - основной парниковый газ, ответственный более, чем за 60% естественного парникового эффекта. Антропогенное увеличение его концентрации в атмосфере пока не отмечалось. Однако увеличение температуры Земли, вызванное другими факторами, усиливает испарение воды океана, что, может привести к росту концентрации водяного пара в атмосфере и – к усилению парникового эффекта. С другой стороны, облака в атмосфере отражают прямой солнечный свет, что уменьшает поступление энергии на Землю и, соответственно, снижает парниковый эффект.
Углекислый газ – наиболее известный из парниковых газов. Естественными источниками СО 2 являются вулканические выбросы, жизнедеятельность организмов. Антропогенными источниками являются сжигание органического топлива(включая лесные пожары), а также целый ряд промышленных процессов (например, производство цемента, стекла). Углекислый газ, по мнению большинства исследователей, несет основную ответственность за глобальное потепление, вызванное «парниковым эффектом». Концентрация CO 2 за два века индустриализации выросла более, чем на 30% и коррелируется с изменением среднемировой температуры.
Метан - второй по значимости парниковый газ. Выделяется из-за утечки на разработке месторождений каменного угляиприродного газа, из трубопроводов, при горениибиомассы, на свалках (как составная часть биогаза), а также в сельском хозяйстве (скотоводство,рисоводство) и т.п. Животноводство, применение удобрений, сжигание угля и другие источники дают около 250 миллионов тонн метана в год. Количество метана в атмосфере невелико, но его парниковый эффект или потенциал глобального потепления (ПГП) в 21 раз сильнее, чем у СO 2 .
Закись азота –третий по значимости парниковый газ: его воздействие в 310 раз сильнее, чем у СO 2, но содержится в атмосфере он в очень небольших количествах. В атмосферу попадает в результате жизнедеятельности растений и животных, а также при производстве и применении минеральных удобрений, работе предприятий химической промышленности.
Галоуглероды (гидрофторуглероды и перфторуглероды) - газы, созданные для замены озоноразрушающих веществ. Используются в основном в холодильном оборудовании. Имеют исключительно высокие коэффициенты влияния на парниковый эффект: в 140-11700 раз выше, чем у СО 2 .Их эмиссии (выделение в окружающую среду) невелики, но быстро возрастают.
Гексафторид серы – его поступление в атмосферу связано с электроникой и производством изоляционных материалов. Пока оно невелико, но объем постоянно возрастает. Потенциал глобального потепления равен 23900 ед.