Топ 3 факта о парниковом эффекте

Парниковый эффект — природное явление, благодаря которому тепло от солнечного излучения удерживается в атмосфере нашей планеты. Некоторые виды газов, которые называют парниковыми, обладают очень важным свойством. Подобно пуховому одеялу, они «окутывают» Землю и препятствуют выходу тепла за пределы нижних слоев атмосферы. Этот процесс сыграл решающую роль в зарождении жизни, ведь при его отсутствии температура у поверхности Земли была бы слишком низкой для существования воды в жидком виде. Однако с повышением интенсивности индустриализации парниковый эффект начал заметно усиливаться и стал причиной глобального потепления. Начиная с конца XIX века средняя температура на нашей планете растет быстрее, чем когда-либо за последние 11 000 лет. Сегодня мы узнаем, как действует парниковый эффект, оценим его влияние на климат и экосистемы, а также разберем некоторые занимательные факты об этом явлении.

Что такое парниковый эффект?

Парниковый эффект получил свое название благодаря схожести с тем процессом, который происходит в обычных садовых парниках. Как в одном, так и в другом случае мы можем наблюдать сохранение тепла. В парниках пленка или другой прозрачный материал пропускают тепловое излучение, но при этом задерживают движение разогретого воздуха, сохраняя комфортный для растений микроклимат.

Парниковый эффект представляет собой похожий, но более сложный процесс. От Солнца исходит электромагнитное излучение в виде волн различной длины. Атмосфера Земли достаточно прозрачна и способна пропускать волны длиной от 400 до 1 000 нм, что соответствует излучению в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне. Эти лучи почти беспрепятственно достигают поверхности планеты и разогревают ее.

Земля, как и любое другое тело с температурой выше абсолютного нуля (-273,15 °C), является источником теплового излучения. Однако наша планета далеко не такая горячая, как Солнце, поэтому она излучает волны длиной от 3 до 80 мкм. Именно на этом этапе в процесс включаются парниковые газы. Они не оказывают влияния на прохождение относительно коротких солнечных лучей, однако поглощают до 90% длинноволнового излучения самой Земли. Далее они переизлучают поглощенное тепло во всех направлениях — часть его уходит в космос, а часть возвращается к поверхности планеты, обеспечивая ей дополнительный нагрев.

Исследования парникового эффекта

Существование парникового эффекта было предсказано еще в первой половине XIX века. В 1824 французский ученый Жозеф Фурье опубликовал в журнале «Анналы химии и физики» (фр. «Les Annales de chimie et de physique») свою работа «Общие замечания о температурах земного шара и планетарных пространств». Согласно его расчетам, при актуальном расстоянии Солнца до Земли температура нашей планеты должна быть ниже на несколько десятков градусов, чем она есть в действительности. Изначально Фурье предположил, что нагрев вызван неким излучением из межзвездного пространства. Однако в 1827-м году ученый выпустил еще одну статью — «Записка о температуре земного шара и других планет». В ней он выдвинул гипотезу о том, что атмосфера может выполнять теплоизоляционную функцию, что стало первой предпосылкой к открытию парникового эффекта.

Весьма убедительное доказательство идеи Фурье в 1856-м представила американская ученая Юнис Ньютон Фут. Она провела серию экспериментов, которые показали, что на солнце воздух нагревается быстрее и сильнее, если насытить его углекислым газом, а добавление водяного пара приводит к более длительному удержанию тепла. В 1859-м году ирландский физик Джон Тиндаль определил, какие газы имеют способность к инфракрасному поглощению. Он заключил, что даже при незначительной доле содержания в атмосфере они оказывают существенное влияние на температуру планеты. Термин «парниковый эффект», описывающий эти процессы, в 1901-м году ввел шведский метеоролог Нильс Густав Экхольм.

В 1950-х подробные спектрографические исследования атмосферы показали, что в ней содержится совсем немного водяного пара и углекислого газа, однако парниковый эффект усиливается с каждым годом. Также было обнаружено, что океаны недостаточно быстро поглощают CO₂, что приводит к повышению его концентрации. В то время ученые впервые аргументированно обозначили связь между увеличением выбросов вредных веществ от производства и усилением парникового эффекта. В 1960-х советский и американский ученые Михаил Будыко и Пирс Селлерс независимо друг от друга опубликовали исследования, в которых описали роль различных факторов, в том числе и парникового эффекта, на температуру. На основании их работ климатологи из разных стран подтвердили слишком быстрые и резкие изменения климата, и вскоре в обиход был введен термин «глобальное потепление».

*Академик Михаил Иванович Будыко, 1995 г. Изображения:* *Вестник РАН, 2020; ecosphere.press*

Парниковые газы: виды и их роль

Парниковые газы являются основным фактором удержания тепла в нижних слоях атмосферы. Они отличаются высокой степенью оптической прозрачности для того, чтобы пропускать видимый свет, но при этом поглощают значительную часть инфракрасного излучения. Всего выделяют порядка 30 парниковых газов, однако совокупная доля их содержания в атмосфере обычно не превышает десятых долей процента (если не принимать во внимание водяной пар, содержание которого находится в пределах 0,2 – 4%). Сейчас мы рассмотрим пять парниковых газов земной атмосферы, вклад которых в парниковый эффект наиболее заметен.

Водяной пар. В зависимости от насыщенности воздуха влагой водяной пар отвечает за 40 – 70% от общего парникового эффекта на Земле. Это естественный парниковый газ, на концентрацию которого деятельность человека не оказывает прямого влияния. Однако при постоянном повышении температуры доля его содержания в воздухе также неизменно растет, что объясняется более интенсивным испарением воды.
Углекислый газ. Влияние CO₂ на парниковый эффект оценивается в диапазоне 10 – 25%. В доиндустриальную эпоху доля его содержания в атмосфере не превышала 0,028%, сегодня же этот показатель достиг 0,042%. В природе углекислый газ поступает в атмосферу в основном посредством извержения вулканов, разложения органических соединений, горения торфяников и лесных массивов. Массовое сжигание углеводородного топлива (бензина, керосина, дизельного топлива и угля), промышленность и вырубка лесов приводят к искусственному повышению концентрации CO₂. По оценкам ученых, этот показатель растет на 2 – 3 ppm (миллионные части) ежегодно.
Метан. Химическое соединение CH₄ влияет на парниковый эффект приблизительно на 9% при доле содержания не более 2 ppm. Метан является основным компонентом природного газа, составляя порядка 87% от его объема. По сравнению с показателем середины XVIII века, сегодня концентрация метана в атмосфере увеличилась в 1,6 раза и продолжает расти. К взрывному росту выделения этого парникового газа привело массовое использование природного газа, а также расширение сельского хозяйства — отходы крупного рогатого скота выделяют метан. В прошлые годы животноводство не достигало сегодняшних промышленных масштабов, поэтому оказывало не столь большое влияние на атмосферу. Увеличению концентрации метана также способствует неконтролируемое расширение свалок мусора.
Озон. Соединения из трех атомов кислорода по большей части сконцентрированы в стратосфере — именно они формируют озоновый слой, защищающий нашу планету от избытка ультрафиолетового излучения. В тропосфере (нижнем слое атмосферы) озон выполняет функцию парникового газа, внося от 3 до 7% в общий парниковый эффект при концентрации 0,2 – 1 ppm. Зачастую этот газ формируется в местах выбросов метана, а также является побочным продуктом работы электродвигателей. Озон токсичен, однако он не опасен для здоровья человека в малых концентрациях. Кроме того, у поверхности планеты он в течение нескольких минут распадается на кислород.

Закись азота. Среди основных парниковых газов N₂O оказывает наименьшее влияние на парниковый эффект — от 1 до 3%. Его концентрация в атмосфере в большинстве случаев не превышает 0,3 ppm. Однако закись азота является серьезным атмосферным загрязнителем, она не только усиливает нагрев нашей планеты, но и поглощает стратосферный озон в защитном слое. Основными источниками выбросов N₂O являются сельскохозяйственные удобрения, переработанные микроорганизмами, а также ракетное и специализированное автоспортивное топливо («нитро»).

Влияние парникового эффекта на климат Земли

Если бы в атмосфере нашей планеты не было парниковых газов, средняя температура воздуха у поверхности была бы ниже на 33 °C и составляла бы -18 °C. Большая часть воды оказалась бы скована в ледниках, что снизило бы вероятность зарождения жизни до минимума. На протяжении большей части истории Земли, охватывающей 4,5 млрд лет, на планете преобладал парниковый эффект. Это выражалось в отсутствии полярных ледяных шапок — еще 180 млн лет назад в Антарктиде росли тропические леса. По мере продвижения к Южному полюсу температура на континенте падала, однако умеренный климат сохранялся вплоть до периода 30 млн лет назад, а тундра исчезла всего 10 млн лет назад.

Учитывая вышесказанное, проблема глобального потепления выглядит немного преувеличенной, ведь с начала регулярных наблюдений в 1850-м году до сегодняшнего дня средняя температура выросла всего на 1,6 °C, превысив уровень 15 °C. Однако многие климатологи не разделяют оптимизма, так как с середины XX века они наблюдают усиленный парниковый эффект. Всего за 70 лет концентрация CO₂ увеличилась на 35% и продолжает расти ускоренными темпами.

Последствия парникового эффекта для экосистем и общества

Если неблагоприятный прогноз окажется верным, к 2100-му году парниковый эффект приведет к увеличению средней температуры на 6 °C относительно доиндустриальной эпохи. Повышение уровня океанов и усиление засухи приведут к дисбалансу в экосистемах, что скажется на жизни в самых разных уголках земного шара. Давайте рассмотрим основные последствия для экосистем и общества, к которым может привести усиление парникового эффекта.

Повышение температуры приведет к смещению климатических зон. Многочисленные виды растений и животных, которые не смогут адаптироваться к климатическим изменениям, окажутся под угрозой исчезновения. Более теплый климат поспособствует развитию вирусов и бактерий, из-за чего как люди, так и животные столкнутся с массовыми эпидемиями.
Значительное усиление засухи станет причиной снижения урожайности сельскохозяйственных культур, из-за чего человечество может столкнуться с массовым голодом. Пересыхание водоемов не только усложнит доступ к пресной воде, но и нанесет серьезный удар по энергетическому комплексу. Кроме того, возрастет количество лесных пожаров, которые одновременно вредят экосистемам и повышают концентрацию CO₂, еще больше усиливая парниковый эффект.

*Лесные пожары в Калифорнии. Изображение: Mike Newbry/Unsplash*

Из-за таяния ледников к концу века уровень Мирового океана может повыситься на 2 – 2,5 метра. Прибрежные регионы и прилегающие к ним низины окажутся под угрозой затопления. Это станет причиной массовой вынужденной миграции и приведет к обострению борьбы за ресурсы. Кроме того, соленая вода заполнит пресные водоносные горизонты, что ограничит доступность питьевой воды и снизит плодородность почвы.
Повышение концентрации CO2 станет фактором чрезмерного закисления океанов, то есть снижения водородного показателя (pH). В таких условиях начнут вымирать многие виды рыб, крабов, устриц и морских ежей. Кроме того, в кислотной среде начнут разрушаться коралловые рифы, которые являются естественной средой обитания приблизительно для четверти всех морских организмов.

Способы борьбы с изменением климата и парниковым эффектом

Для снижения количества выбросов парниковых газов в атмосферу разрабатываются и реализуются многочисленные государственные и межгосударственные программы. В 2016-м году 195 стран мира и Евросоюз подписали Парижское соглашение, направленное на смягчение изменений климата и поддержание глобальной температуры не выше 1,5 – 2 °C относительно доиндустриального уровня.

Согласно документу, совместными усилиями к 2030-му году страны должны сократить выбросы углекислого газа на 50%, а к 2050-му — достичь углеродной нейтральности, то есть уравновесить выброс и поглощение парниковых газов. Практическая реализация программы началась в 2020-м году, но возможность достижения успеха остается под вопросом. Исследования климатологов показывают, что ни одна из крупнейших стран мира (Россия, Канада, США, Китай, Бразилия и Австралия) не достигла каких-либо заметных результатов по сокращению выбросов парниковых газов.

Внести свой вклад в борьбу с изменением климата способен каждый человек, живущий на планете. Вот что можно сделать для более эффективного противодействия усилению парникового эффекта:

использовать энергосберегающие осветительные приборы и бытовую технику;
сортировать мусор и сдавать отходы на переработку или утилизацию;
отказаться от полиэтиленовых пакетов в пользу многоразовых сумок;

сократить потребление пресной воды и не сливать вредные вещества в канализацию;
стирать одежду в более холодной воде;
использовать нетоксичные экологически безопасные бытовые средства.

Парниковый эффект на других планетах

Парниковый эффект является достаточно распространенным явлением в Солнечной системе. Для его возникновения необходимо достаточное количество солнечной энергии и стабильная атмосфера, содержащая парниковые газы. Помимо Земли, парниковый эффект наблюдается на двух планетах земной группы и одном спутнике Сатурна.

Венера. Атмосфера планеты почти на 97% состоит из углекислого газа, что приводит к колоссальному парниковому эффекту. Температура у поверхности планеты достигает 460 °C, тогда как без парникового эффекта она составила бы -41 °C.
Марс. В атмосфере Красной планеты содержится в 70 раз больше углекислого газа, чем на Земле. Однако из-за ее сильной разреженности парниковый эффект на Марсе проявляет себя незначительно. При полном отсутствии парниковых газов средняя температура у поверхности планеты опустилась бы всего на 6 °C (до -66 °C).
Титан. От 1 до 4% состава атмосферы крупнейшего спутника Сатурна приходится на метан. Из-за этого на Титане одновременно наблюдаются как парниковый, так и антипарниковый эффекты — стратосферная дымка снижает прозрачность атмосферы и препятствует прохождению тепла от Солнца, но почти не поглощает тепловое излучение самого спутника. Но парниковый эффект на Титане все же превалирует и обеспечивает нагрев на дополнительные 12 °C (до -179 °C).

*Cравнительный состав атмосферы на Венере, Марсе и Земле. Изображение: Alex Parent, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons*

Топ-3 факта о парниковом эффекте

Парниковый эффект часто выражают как поток энергии, рассчитывая разницу между изначальным тепловым излучением небесного тела и его окончательной потерей. Например, Земля в среднем излучает 398 Вт/м², из которых 239 Вт/м² уходят в космос. Таким образом наша планета сохраняет 159 Вт/м² тепловой энергии.
Океаны являются естественными факторами противодействия парниковому эффекту, так как поглощают до трети углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Кроме того, поддержку климату оказывают ледники. Из-за высокой отражательной способности они моментально возвращают солнечные лучи обратно в атмосферу, препятствуя нагреву поверхности.
Во время активной фазы пандемии коронавируса и повсеместных локдаунов уровень выброса парниковых газов сократился сразу на 5% по отношению к 2019-му году. Такого результата не позволила достичь ни одна из глобальных экологических инициатив. Тем не менее в 2022-м году парниковый эффект превысил значение, которое фиксировалось до пандемии.