Экологические последствия глобального загрязнения атмосферы.

Возможное потепление климата (парниковый эффект)

 

Пропускание атмосферы в ИК диапазоне. Ослабление потока электромагнитного излучения в какой либо среде толщиной x в общем виде определяется по формуле

,

где t - линейный коэффициент ослабления, равный сумме коэффициентов поглощения и рассеяния.

Пары воды, молекулы углекислого газа, озона и другие примеси, содержащиеся в атмосфере, селективно поглощают ИК излучение. Особенно интенсивно поглощается ИК излучение парами воды. Например, слой воды толщиной в несколько см является непрозрачным для ИК излучения с длиной волны более 1 мкм. Поэтому слой воды можно использовать в качестве теплозащитного экрана. Молекулы азота, кислорода ослабляют ИК излучение за счет молекулярного (рэлеевского) рассеяния, которое максимально интенсивно в видимом и УФ диапазонах, т.к. коэффициент рэлеевского рассеяния пропорционален l^-4. Именно рэлеевским рассеянием объясняется голубой цвет неба, поскольку излучение фиолетово-голубого конца спектра видимого излучения рассеивается значительно интенсивнее, чем другие длины волн видимого диапазона.

Рассеяние и поглощение ИК излучения аэрозолями зависит от размера и химического состава частиц, их концентрации, длины волны излучения и других факторов. В результате всех этих процессов ИК излучение на пути сквозь атмосферу к земной поверхности ослабляется.

Изучение свойств земной атмосферы с точки зрения ее прозрачности в ИК диапазоне, равно как и в видимом и УФ диапазонах, имеет большое значение не только для радиационного и теплового баланса между падающим на Землю солнечным излучением и ИК излучением, испускаемым Землей в космос, но и для связи, локации, медицины, экологии, метеорологии, биофизики и т.д.

Земная атмосфера слабо поглощает коротковолновое излучение Солнца, которое, в основном, достигает земной поверхности. Некоторая часть солнечного излучения, как было показано выше, поглощается или рассеивается атмосферой, Поглощение падающей солнечной радиации обусловлено наличием в атмосфере озона, углекислого газа, паров воды, аэрозолей. Рассеяние же обусловлено процессами взаимодействия излучения с атомами и молекулами газов и аэрозольными частицами. Прямая и рассеянная компоненты солнечного излучения, достигая земной поверхности, частично поглощаются ею, а часть излучения отражается от земной поверхности в зависимости от характера ее поверхности. Отражательная способность тел характеризуется величиной альбедо (отношение мощности отраженного излучения к мощности падающего потока). Например, поверхность, покрытая льдом, способна отразить до 75% падающего излучения, песок - примерно 30%, травяной покров - около 10%, а поверхность воды - примерно 2%.

При поглощении падающего солнечного излучения земная поверхность нагревается и становится источником длинноволнового излучения, направленного от земной поверхности в космос. Разность между КВ излучением, поглощенным земной поверхностью, и эффективным излучением с поверхности земли называют радиационным балансом. Атмосфера, со своей стороны, также является источником ДВ излучения, направленного к земле (т.н. противоизлучение атмосферы). При этом возникает теплообмен между земной поверхностью и атмосферой.

Интенсивность солнечного излучения, поглощаемого земной поверхностью и атмосферой, в сумме составляет 237 Вт/м² , из этого количества 157 Вт/м² поглощается земной поверхностью, а 80 Вт/м² - атмосферой. Радиационный баланс земной поверхности составляет 105 Вт/м², а эффективное излучение с нее равно разности поглощенной радиации и радиационного баланса и составляет 52 Вт/м². Энергия радиационного баланса затрачивается на турбулентный теплообмен земли с атмосферой (17 Вт/м²) и на процесс испарения воды (88 Вт/м²).

Главной особенностью радиационного режима атмосферы является парниковый эффект, который заключается в том, что КВ радиация большей частью доходит до земной поверхности, вызывая ее нагрев, а ДВ излучение от Земли задерживается атмосферой, при этом уменьшается теплоотдача Земли в космос. Увеличение процентного содержания CO ₂ , паров воды, аэрозолей и т.п. усиливает парниковый эффект, что может приводить к росту средней температуры нижнего слоя атмосферы и потеплению климата.

В настоящее время наблюдаемое изменение климата, которое выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины XX века, большинство ученых связывает с накоплением в атмосфере так называемых "парниковых газов" - диоксида углерода CO ₂ , метана CH ₄ , хлорфторуглеродов (фреонов), озона O ₃ , оксидов азота и др.

В связи с сжиганием все большего количества ископаемого топлива (нефти, газа, угля и др.; ежегодно более 9 млрд. т условного топлива) концентрация CO ₂ в атмосфере постоянно увеличивается. За счет выбросов в атмосферу при промышленном производстве и в быту растет содержание в атмосфере фреонов. На 1 - 1,5% в год увеличивается содержание метана (выбросы из подземных горных выработок, сжигание биомассы, выделения крупным рогатым скотом и др.). В меньшей мере растет содержание в атмосфере оксидов азота (на 0,3% ежегодно).

Расчеты некоторых ученых показали, что в 2005 году среднегодовая температура будет на 1,3°С выше, чем в 1950 - 1980 гг. В докладе международной группы экспертов по проблемам климатических изменений утверждается, что к 2100 г. среднегодовая температура на Земле увеличится на 2 - 4 градуса. В случае если это произойдет, возможно повышение уровня Мирового океана вследствие таяния полярных льдов, сокращения площадей оледенения в горных массивах и т.д. Моделируя экологические последствия повышения уровня океана всего лишь на 0,5 - 2 м к концу XXI века, ученые показали, что это неизбежно приведет к нарушению климатического равновесия, затоплению приморских равнин в более чем 30 странах, заболачиванию обширных территорий и др.

Следует заметить, что некоторые ученые видят в предполагаемом глобальном потеплении климата и положительные экологические последствия. Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере и связанное с этим увеличение интенсивности фотосинтеза, а также возрастание влажности, по их мнению, могут привести к увеличению продуктивности, как естественных фитоценозов, так и агроценозов.

По вопросу о степени влияния парниковых газов на глобальное потепление климата также нет единства во мнениях. Ряд ученых считают, что наблюдающееся в последнее столетие потепление климата на 0,3 - 0,6°С может быть обусловлено преимущественно природной изменчивостью ряда климатических факторов.

На международной конференции в Торонто (Канада) в 1985 году перед энергетикой всего мира была поставлена задача сократить к 2005 году на 20% промышленные выбросы углерода в атмосферу. Но очевидно, что ощутимый экологический эффект может быть получен лишь при сочетании этих мер с глобальным направлением экологической политики: максимально возможным сохранением равновесия во всех сообществах организмов, в природных экосистемах и во всей биосфере в целом.