Результаты антропогенного воздействия на биосферу

В результате антропогенной деятельности за последние 100—150 лет в биосфере Земли произошли и продолжают происходить существенные изменения, как правило, негативного характера. К ним относятся изменение климата в сторону потепления, разрушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей, уменьшение биологического разнообразия флоры и фауны. В мировом сообществе нарастает тревога за будущее цивилизации, предпринимаются активные попытки ограничения вредных выбросов. В этой связи в 1997 г. в японском городе Киото было подписано соглашение об уменьшении объема выбросов загрязнителей на 5%, в том числе и парниковых газов, которое до сих нор нс ратифицировано многими странами.

Потепление климата большинство ученых-климагологов связывает с парниковым эффектом (англ, «эффект гринхауз»).

Парниковый эффект.

Более двух столетий человечество использует эффект повышения температуры в стеклянных парниках (теплицах, оранжереях). Сущность этого эффекта в следующем. Стекло, а в последние годы и используемая для этих целей полиэтиленовая пленка свободно пропускают солнечные лучи в области видимой и ультрафиолетовой части спектра, но задерживают инфракрасные излучения с поверхности почвы парника. Этим достигается повышение температуры в парнике по сравнению с температурой окружающей среды.

Парниковый эффект в атмосфере Земли — это геофизическое явление, выражающееся в способности некоторых газов, называемых парниковыми, и водяного пара поглощать инфракрасное излучение.

Как уже отмечалось, примерно 44% солнечной энергии, поступающей к верхней границе атмосферы Земли, поглощается поверхностью суши и океана, которые разогреваются и генерируют инфракрасное излучение. Большая часть этого инфракрасного излучения поглощается водяными парами и некоторыми парниковыми газами, а остальная — уходит в космос (рис. 5.10). К парниковым газам относят углекислый газ С0₂, метан СН₄, оксиды азота NO_v, тропосферный озон 0₃ и хлорфторуглеводороды (фреоны).

Рис. 5.10. Упрощенная схема парникового эффекта:

о, • - молекулы парникового газа до и после поглощения инфракрасного излучения Земли соответственно Как отмечалось ранее (см. гл. 2), при наличии атмосферы, которая обеспечивает парниковый эффект, на нашей планете среднегодовая температура приземного слоя воздуха составляет примерно 14,6 °С. По данным К. Я. Кондратьева, из-за парникового эффекта приращение температуры в приземном слое составляет ДТ = 33,2 °С со следующим вкладами газовых компонентов: пары Н₂0 — 20,6 °С (62,05%), С0₂ — 7,2 °С (21,7%), N₂0 — 1,4 °С (4,22%), СН₄ — 0,8 °С (2,41%), О_э — 2,4 °С (7,21%), NH₄ + фреоны + + СС1₄ + CF₄ + 0₂ + N₂ — 0,8 °С (2,41%) |22|.

Таким образом, наибольший вклад в создание парникового эффекта вносит углекислый газ (более 1/5 части). В соответствии с расчетами, выполненными под руководством М. И. Будыко [3], содержание углекислого газа в атмосфере на протяжении последних 570 млн лет из-за активной вулканической деятельности неоднократно резко изменялось. В отдельные периоды процентное содержание С0₂ в воздухе возрастало до нескольких десятых процента, а в конце мелового периода — до 0,5%. Э го сопровождалось усилением парникового эффекта, повышением среднегодовой глобальной температуры и повышением влажности атмосферы.

Вместе с тем причинно-следственная связь достаточно четко не установлена. Исследования изменений среднегодовой температуры в Северном полушарии за последние 11 тыс. лет показали, что повышение содержания С0₂ в атмосфере может как предшествовать рост}' температуры, так и отставать от него [20]. Это говорит о многообразии факторов, влияющих на температуру в приземном слое атмосферы.

Ранее изменения содержания С0₂ в атмосфере имели естественное происхождение. С начала промышленной революции начался процесс, при котором антропогенное влияние на состав атмосферного воздуха стало определяющим. В настоящее время в год сжигается не менее 6 млрд т каменного и бурого угля, более 5 млрд т нефти; кроме того, в достаточно больших количествах сжигаются горючий сланец, торф и дрова. При этом практически весь углерод, содержащийся в топливе, соединяется с кислородом и образуется углекислый газ и в значительно меньших количествах угарный газ СО. В подтверждение определяющего вклада антропогенного углекислого газа в усилении парникового эффекта представлен график Килинга (рис. 5.11), описывающий изменения концентрации атмосферного углекислого газа на планете с 1958 по 2008 г. Данные наблюдения стали первым научным подтверждением антропогенного вклада в современное изменение климата. Измерения, собранные в обсерватории на Мауна-Лоа, показывают устойчивый рост средней концентрации атмосферного С0₂ с 315 ppmv (0,0315%) в 1958 г. до 385 ppmv (0,0385%) в июне 2008 г.

Рис. 5.11. График Килинга: концентрация атмосферного С0₂ на планете Работа Килинга в обсерватории Мауна-Лоа, но изучению двуокиси углерода стала первым доказательством быстрого увеличения концентрации этого газа в атмосфере. Сейчас считается, что именно Ч. Килинг стал первым человеком, который обратил широкое общественное внимание в мире к тому воздействию, которое оказывает хозяйственная активность человечества на атмосферу Земли и ее климат. В период его работы в Институте океанографии им. Скриппса (Калифорнийский университет) с 1958 г. он стал первым, кто начал производить регулярные частые измерения концентрации атмосферного С0₂ на Южном полюсе и на Гавайях.

На рис. 5.12 представлено выделение углерода в атмосферу в результате деятельности человека с 1800 по 2007 г. в млрд т. Кроме сжигания ископаемых видов топлива, отдельно указана эмиссия в результате производства цемента. Общее количество выделяемого С0₂ в конце 2000;х составляло =3,2 • 10¹³ кг газа в год.

Рис. 5.12. Выделение углерода в атмосферу в результате деятельности человека за 1800—2007 гг.:

—всего;—нефтепродукты;…— уголь;…— природный газ;

…— производство цемента

В период с 1 июля 1957 г. по 31 декабря 1958 г. был объявлен первый Международный геофизический год (МГГ), в течение которого 67 стран на нашей планете проводили геофизические наблюдения и исследования по единой программе и методике. Тогда среднее глобальное содержание С0₂ составляло почти 0,03% [281. В настоящее время оно выросло до 0,037%, т. е. рост составил более 23%.

Экспериментальные исследования состава воздуха тропосферы в центральной части Евразии (район озера Иссык-Куль) показали неуклонный рост содержания в нем С0₂ (рис. 5.13). Так, за последние 20 лет прошлого столетия рост его в этом районе составил более 13% [41, с. 27—28|. По данным Всемирной метеорологической организации, примерно такими же темпами растет и средняя глобальная концентрация С0₂ (рис. 5.14, а).

Неуклонно растет в атмосфере и содержание метана (рис. 5.14, б), оксидов азота и фреонов. Метан образуется при разложении органики в отсутствие кислорода, попадает в атмосферу при разработке угольных месторождений, при добыче нефти, в случае аварий на газопроводах.

Рис. 5−13. Изменение содержания С0₂ в приземном слое воздуха центральной части Евразии Значительный рост содержания оксидов азота NO_v в атмосфере во второй половине XX в. происходит из-за сжигания огромного количества топлива. За последние два столетия рост содержания NO, составил более 8% (рис. 5.14, в).

Рис. 5.14. Изменение концентрации парниковых газов в тропосфере Земли:

а — С0₂; б — СН₄; в — NO_x; г — фреоны Бурное развитие во второй половине XX в. холодильной техники, производства аэрозолей и растворителей привело к резкому увеличению объемного содержания фреонов (хлорфторуглеродов) в атмосфере. Так, в указанный период их содержание увеличилось в сотни раз и к концу века достигло 0,3 • 10^_7% (рис. 5.14, г) [41, с. 6—8].

В настоящее время климат нашей планеты близок к наиболее теплому периоду голоцена, который был 5—7 тыс. лет назад. Тогда среднегодовая глобальная температура превышала такую же температуру XX в. на 1—2 °С [3]. Затем, как известно, началось похолодание (возможно из-за затухания крупных вулканов и уменьшения выбросов С0₂ в атмосферу).

За истекшее тысячелетие в Европе наблюдались значительные колебания температуры воздуха. В начале второго тысячелетия нашей эры началось потепление, продолжавшееся почти четыре века, а затем началось похолодание. Так, в 1601 г. ледостав на Москве-реке начался уже в середине августа. В конце XVII в. в Европе началось потепление, которое продолжается и до сих пор 141, с. 43—45|.

Поданным Всемирной метеорологической организации (ВМО), начиная с 1900 г. наблюдается рост среднегодовой температуры в целом на нашей планете (рис. 5.15). В XX в. она выросла на 0,6 ± 0,2 °С, к 2013 г. по сравнению с 2000 г. — на 0,2—0,3 °С. Эта проблема начала широко обсуждаться в научном мире. Для разработки прогнозов изменения морских берегов в 1988 г. Всемирной метеорологической организацией и Программой ООН по окружающей среде была создана Межправительственная группа экспертов по изменению климата. Этой группой были разработаны вероятные сценарии изменения климата и уровня Мирового океана к концу XXI в. По их мнению, к концу этого столетия концентрация парниковых газов в атмосфере удвоится, что приведет к повышению среднегодовой глобальной температуры примерно на 1,4—5,8 °С, а уровень океана к концу столетия поднимется на высоту 0,2—1,8 м.

Рис. 5.15. Средняя глобальная температура воздуха на поверхности Земли за время инструментальных наблюдений.

При подъеме уровня Мирового океана на 1,5—2 м под затопление попадут значительные территории на всех континентах общей площадью до 5 млн км², причем наиболее густонаселенные и плодородные. На них проживает почти 1 млрд человек и собирается около трети урожая важнейших продовольственных культур. Вынужденные переселения вглубь материков чреваты социальными потрясениями и военными конфликтами.

Потепление климата также приведет к неустойчивости погоды, смещению границ природных зон, росту числа ураганов и смерчей, ускорению темпов вымирания представителей флоры и фауны. По всей вероятности, при этом обострится продовольственная проблема. На севере Евразии произойдет подтаивание вечной мерзлоты и высвобождение из этих почв больших объемов метана, что усилит парниковый эффект. Кроме того, потепление климата может привести к возникновению очагов инфекционных заболеваний и усилению теплового стресса у людей и животных [18].

В документах Конференции ООН по проблемам изменения климата (Найроби, 2006 г.) говорится, что конечные результаты воздействия парникового эффекта могут иметь катастрофические последствия для всей цивилизации. Отмечено, что в 2005 г. уровень углекислого газа в атмосфере достиг значения 0,3 791%, что на 0,53% выше, чем годом ранее; концентрация закиси азота зафиксирована на уровне 0,3 192%, что на 0,2% выше, чем в 2004;м, уровень еще одного парникового газа — метана — остался прежним. По прогнозам ученых, выступивших на Конференции, повышение температуры может привести к сдвигу климатических зон и к 2085 г. треть видов животных и растений в Африке может лишиться естественной среды обитания. В некоторых районах из-за подъема уровня воды в море может быть разрушено 30% прибрежной инфраструктуры. Ученые также прогнозируют снижение урожая зерновых культур на Африканском континенте, значительная часть жителей которого и так голодает.

На Международной конференции по эволюции климата, прошедшей 2 февраля 2007 г. в Париже, эксперты — крупнейшие ученые мира единогласно отметили, что продолжающееся глобальное потепление является следствием деятельности человека. Засухи, проливные дожди и опустошительные ураганы будут происходить на нашей планете все чаще. К концу XXI в. средняя температура на планете может увеличиться по сравнению с нынешней на 4—6 °С. Если это произойдет, то уровень мирового океана повысится более чем на полметра. Темпы сокращения годовых максимумов льда в Арктике ускоряются. В 1979—1996 гг. среднее за десятилетие сокращение максимумов льда составляло 2,2% объема и 3% площади. За десятилетие, заканчивающееся в 2008 г., эти значения выросли до 10,1% и 10,7% соответственно. Это сопоставимо с изменением годовых минимумов (т.е. многолетних льдов, которые выживают в течение года). В период с 1979 по 2007 г. в среднем за десятилетие сокращение минимумов составило 10,2% и 11,4% соответственно |78|. Это согласуется с измерениями ICESat, указывающими на уменьшение толщины льда в Арктике и сокращение площади многолетнего льда. За период с 2005 по 2008 г. площадь многолетних льдов сократилась на 42%, а объем на 40%, потеря составила ~ 6300 км³ [79]. Ожидается, что Северный Ледовитый Океан начнет полностью освобождаться ото льда в летний период до 2100 г. Оценки, когда это произойдет впервые, сильно разнятся: указываются 2060—2080 гг. [77] и 2030 г. [81]. Поскольку арктический регион наиболее чувствителен к глобальному потеплению, климатические изменения в Арктике часто рассматриваются в качестве индикатора этого процесса. Специалисты также предупреждают об опасности высвобождения больших объемов метана, в результате таяния вечной мерзлоты, в состав которой входит гидрат метана. Изменение климата Арктики регулярно суммируется. В частности, фиксируется уменьшение площади полярных льдов. Очередной минимум по этому показателю был зафиксирован в сентябре 2012 г.

По сообщениям американского аэрокосмического агентства НАСА, Гренландия ежегодно теряет до 200 квадратных метров льда — в два раза больше, чем 10 лет назад. Изменения климата приведут к появлению нового вида беженцев — климатических, численность которых к 2100 г. может составить до 200 млн человек. Возрастет смертность от жары, а в северных странах появятся тропические болезни.

Для предотвращения этой катастрофы необходимо в самые ближайшие годы уменьшить как минимум на треть выбросы в атмосферу «главного» парникового газа — С0₂. Очевидно, что для этого примерно на столько же надо сократить объемы сжигаемого углеродного топлива. С этой целью на международной XXI Климатической конференции ООН, посвященной климатическим изменениям (Ле-Бурже, 30 ноября — 12 декабря 2015 г.), было принято многостороннее соглашение по борьбе с угрозой изменения климата, о поддержании увеличения средней температуры планеты на уровне ниже 2 °C на период после 2020 г., которое придет на смену Киотскому протоколу к Рамочной конвенции ООН об изменении климата.

В работе [80] предложена оценка ограничения поступления углекислого газа в атмосферу. Цель такой оценки — предотвращение увеличения средней температуры атмосферного воздуха на 2 °C путем введения понятия мирового эмиссионного бюджета С0₂ для предотвращения глобальных изменений в биосфере. На рис. 5.16 указаны величины поступления С0₂ в атмосферу США, ЕС и Китая на основе Предварительного определения национальных вкладов, подготовленных к международной конференции в декабре 2015 г. в Париже (верхняя черная линия представляет глобальное поступление С0₂, соответствующее потеплению на 2 °С).