Причины усиления парникового эффекта и возможные последствия, основные парниковые газы

Литература

1. Волонтер фотосинтеза;
2. Кто на самом деле крутит углеродное колесо;
3. О, этот благодатный дождь из бактерий!;
4. Vigano I. Aerobic methane production from organic matter. Ipskamp Drukkers BV, Enschede, 2010. — 152 p.;
5. Keppler F., Hamilton J.T., Braß M., Röckmann T. (2006). Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions. Nature. 439, 187–191;
6. Kirschbaum M.U., Bruhn D., Etheridge D.M., Evans J.R., Farquhar G.D., Gifford R.M. et al. (2006). A comment on the quantitative significance of aerobic methane release by plants. Funct. Plant Biol. 33, 521–530;
7. Butenhoff C.L. and Khalil M.A.K. (2007). Global methane emissions from terrestrial plants. Environ. Sci. Technol. 41, 4032–4037;
8. Dueck T.A., De Visser R., Poorter H., Persijn S., Gorissen A., De Visser W. et al. (2007). No evidence for substantial aerobic methane emission by terrestrial plants: a 13C-labelling approach. New Phytol. 175, 29–35;
9. Bruhn D., Møller I.M., Mikkelsen T.N., Ambus P. (2012). Terrestrial plant methane production and emission. Physiol. Plant. 144, 201–209;
10. Sharpatyi V.A. (2007). On the mechanism of methane emission by terrestrial plants. Oxid. Commun. 30, 48–50;
11. Althoff F., Benzing K., Comba P., McRoberts C., Boyd D. R., Greiner S., Keppler F. (2014). Abiotic methanogenesis from organosulphur compounds under ambient conditions. Nat. Commun. 5, 4205;
12. Savi F., Di Bene C., Canfora L., Mondini C., Fares S. (2016). Environmental and biological controls on CH 4 exchange over an evergreen Mediterranean forest. Agric. For. Meteorol. 226, 67–79;
13. Machacova K., Bäck J., Vanhatalo A., Halmeenmäki E., Kolari P., Mammarella I. et al. (2016). Pinus sylvestris as a missing source of nitrous oxide and methane in boreal forest. Sci. Rep. 6, 23410;
14. Wang Z.P., Gu Q., Deng F.D., Huang J.H., Megonigal J.P., Yu Q. et al. (2016). Methane emissions from the trunks of living trees on upland soils. New Phytol. 211, 429–439;
15. Gritsch C., Egger F., Zehetner F., Zechmeister-Boltenstern S. (2016). The effect of temperature and moisture on trace gas emissions from deciduous and coniferous leaf litter. J. Geophys. Res.: Biogeosci. 121, 1339–1351;
16. Санадзе Г.А. и Долидзе Г.М. (1960). К вопросу о химической природе летучих выделений листьев некоторых растений. Докл. АН СССР. 134, 214–216;
17. McLeod A.R. and Keppler F. Vegetation. In: Methane and climate change / ed. by Reay D., Smith P., van Amstel A. UK, Earthscan, 2010. P. 74–96;
18. Птушенко В.В. (2015). Метан из растений. Наука и жизнь. 6, 56–58.

Выделение углекислого газа

Хотя мы в основном слышим о двуокиси углерода в атмосфере, это всего лишь крошечная часть того углерода, который хранится на Земле. На самом деле весь углерод и углекислый газ над поверхностью – в океанах, лесах, почвах и атмосфере – составляет всего лишь 0,2% всего углерода на планете. Остальная часть – 1,85 миллиарда гигатонн углерода – находится под поверхностью, а почти две трети всего углерода – в плотном ядре Земли. Но в первые дни существования нашего космического дома все было совсем по-другому. Ранняя атмосфера, по сегодняшним меркам, была пропитана углекислым газом. Все изменилось с появлением жизни на нашей планете.

Лучшие статьи : Смог

Большое влияние на количество СО2 на ранней Земле оказало появление растений – на протяжении миллионов лет они вытягивали из атмосферы углекислый газ, а когда оказались погребены под землей, скажем, под грязью, то не разрушились и их углерод не был выброшен обратно в атмосферу. Так, погребенный под землей углерод образовал нефть, уголь и газ. Эти процессы длились эпохами, в результате чего кора и мантия Земли стали обогащены углеродом, а атмосфера – относительно низким содержанием CO2.

Сегодня, по оценкам исследователей, в земной коре и верхней мантии хранится около 315 миллионов гигатонн углерода. Как полагают специалисты, все находилось бы в равновесии и дальше – в течение последнего миллиарда лет – если бы не три фактора, которые вызывают серьезные опасения.

Минимум кислорода в первичном составе атмосферы

Миллиарды лет назад состав воздуха разительно отличался от современного. Первую гипотезу предложил Л. Пастер (1822-1895) ближе к концу XIX столетия: Земля была лишена кислорода, но это не помешало появлению простейших микроорганизмов. Анаэробные бактерии в нем не нуждались и по сей день сохранились в неизменном виде. Атмосфера Земли включала в себя:

• водяные пары;
• аммиак;
• водород.

На заре геологической истории магнитосфера стала защитой Земли от солнечного ветра. Так была образована углекислая атмосфера. Газ выбрасывался из недр во время извержений вулканов повышенной интенсивности.

Все растения поглощают углекислый газ, но деревья поглощают больше всего

В то время как все живое растительное вещество поглощает СО2 в рамках фотосинтеза деревья обрабатывают значительно больше, чем мелкие растения, из-за их большого размера и обширных корневых структур. Деревья, как короли растительного мира, имеют гораздо больше «древесной биомассы» для хранения СО2 чем меньшие растения. В результате деревья считаются самыми эффективными природными «поглотителями углерода». Именно эта характеристика делает посадку деревьев формой смягчения последствий изменения климата.

По данным Министерства энергетики США, виды деревьев, которые быстро растут и живут долго, являются идеальными поглотителями углерода. К сожалению, эти два атрибута обычно взаимоисключающие. Учитывая выбор, лесники заинтересованы в максимальном поглощении и хранении СО2 (известный как «секвестрация углерода») обычно предпочитает более молодые деревья, которые растут быстрее, чем их старые когорты. Тем не менее, медленно растущие деревья могут накапливать гораздо больше углерода в течение значительно более долгой жизни.

Природа парникового эффекта

Парниковый эффект на нашей планете возникает вследствие того, что из-за большого содержания углекислого газа атмосфера поглощает инфракрасное излучение планеты. Если говорить простым языком, то Земля нагревается солнечными лучами, но не может остыть, потому что тепло удерживается атмосферой. Тепло не может выйти в космическое пространство из-за газов, которые его не пропускают. Поэтому температура на поверхности планеты растет. И чем больше парниковых газов содержится в атмосфере, тем сильнее планета будет разогреваться.

Важно: проблема не в том, что эффект парника в принципе существует. Он присутствовал на протяжении всего существования Земли, и именно благодаря этому стало возможно появление жизни

Проблема во внезапном изменении атмосферного состава и резком потеплении. Ни человечество, ни животный мир не будут в состоянии приспособиться к таким быстрым изменениям климата.

Принцип действия парникового эффекта похож на принцип действия теплицы. Солнечные лучи свободно проникают через пленку внутрь теплицы, нагревают воздух и почву. Но тепло не может покинуть парник из-за той самой пленки. Поэтому внутри конструкции всегда теплее, чем снаружи.

Одно время под сомнением была теория, что к появлению резких изменений климата причастен именно человек, но современные исследования не сомневаются – именно деятельность человека повлияла на такое резкое и быстрое увеличение температуры планеты.

Текущее состояние климата и прогнозы на будущее

Изменения климата заметны уже сейчас. Летом становится невыносимо жарко, а зимой либо стоит слишком низкая температура, либо вообще нет снега и холодов. Многие регионы испытывают затяжные периоды засухи или, наоборот, наводнения и потопы. Частота природных катастроф возросла на 46% с 2000 года. Среднегодовая температура растет.

Все глобальные климатические модели буквально кричат о предстоящей катастрофе и вреде парникового эффекта. Прогнозы пессимистичные. Если мировая ситуация с выбросами газов не изменится, то в год из-за ухудшения питания будет погибать 500 тысяч человек.

Меры по замедлению парникового эффекта очень дорогостоящие и трудозатратные, поэтому правительства многих стран не спешат этим заниматься. Но вопрос разогрева планеты слишком важный, поэтому начинать активные действия нужно уже сейчас.

Выход кислорода в атмосферу. Гуронское оледенение

По мере исчерпания FeO-буфера кислород начинает поступать в атмосферу. Возникновение кислородной атмосферы в изотопной летописи отмечено исчезновением на рубеже 2,4 млрд лет назад так называемого немасс-зависимого изотопного эффекта серы Δ32–34S []. Иллюстрирующая это диаграмма приведена на рис. 4. Такой тип изотопного эффекта в геохимии серы проявляется лишь в среде, лишенной кислорода. Наличие его в породах старше 2,4 млрд лет и практическое отсутствие в более молодых отмечает рубеж становления кислородной атмосферы на Земле.

Появление молекулярного кислорода в атмосфере привело к выведению из атмосферы метана. В результате 2,4 млрд лет назад метан перестал играть роль основного парникового газа, которую он выполнял в течение почти 2 млрд лет. Удаление из атмосферы метана, удерживавшего на Земле благоприятный для жизни климат, привело к резкому охлаждению. Наступило глобальное Гуронское оледенение, продолжавшееся почти 200 млн лет. Жизнь замерла.

Тем временем концентрация СО₂ в атмосфере нарастала за счет СО₂, поступавшего из недр. Происходило также окисление ранее накопленных масс органического углерода. Кроме того, в условиях оледенения потребление углекислоты в процессах биосинтеза и осадконакопления было минимальным.

Таким образом, содержание СО₂ в атмосфере достигло уровня 0,015–0,020 бар, достаточного для компенсации дефицита солнечной радиации в тот период (см. рис. 3). Гуронское оледенение завершилось. После этого в течение 1,5 млрд лет никаких следов оледенений в геологической истории протерозоя не отмечалось.

Концентрация в атмосфере и влияние потепления

Глобально усредненный атмосферный CH ₄ (верхний график) и его годовые темпы роста (нижний график)

Концентрация метана в атмосфере (CH ₄ ) увеличивается и превысила 1860 частей на миллиард в 2019 году, что в два с половиной раза превышает доиндустриальный уровень. Сам метан вызывает прямое радиационное воздействие , уступающее только углекислому газу (CO ₂ ). Из-за взаимодействия с кислородными соединениями, стимулируемого солнечным светом, CH ₄ также может увеличивать присутствие в атмосфере короткоживущего озона и водяного пара, которые сами по себе являются мощными согревающими газами: исследователи атмосферы называют это усиление краткосрочного влияния потепления метана косвенным радиационным воздействием . Когда происходят такие взаимодействия, также производится более долгоживущий и менее активный CO ₂ . Включая как прямые, так и косвенные воздействия, увеличение содержания метана в атмосфере является причиной примерно одной трети глобального потепления в ближайшем будущем.

Хотя метан вызывает улавливание гораздо большего количества тепла, чем та же масса углекислого газа, менее половины выбрасываемого CH ₄ остается в атмосфере через десять лет. В среднем углекислый газ нагревается намного дольше, если предположить, что скорость связывания углерода не изменится. Потенциал глобального потепления (ПГП) представляет собой способ сравнения потепления из — за другие газы в том , что из углекислого газа, в течение определенного периода времени. ПГП метана _20, равный 85, означает, что тонна CH _4, выброшенная в атмосферу, создает примерно в 85 раз больше атмосферного потепления, чем тонна CO ₂ за период в 20 лет. В 100-летнем масштабе GWP ₁₀₀ метана находится в диапазоне 28–34.

Последствия парникового эффекта

Все последствия парникового эффекта, связаны с повышением температур. Что будет с Землей и человечеством, если температура поднимется на 5, 10, 15 градусов? Ученые давно составили примерный список проблем, которые придут с развитием парникового эффекта

Влияние на климат земли

Повышение температуры вызывает таяние вечной мерзлоты. Снег и лед, которые веками накапливались на полюсах, сейчас находятся в процессе разморозки. Это повлечет рост уровня воды в мировом океане. Низменные города, такие как Рим или Санкт-Петербург будут затоплены. Человеку придется постоянно бороться с повышением воды, начнется новое переселение народов. Наиболее плодородные земли Европы – Нидерланды будут затоплены, многие люди останутся без дома и пищи. Ученые прогнозируют увеличение уровня мирового океана на полметра раз в сто лет.

Критическое изменения начнутся после 5 метров. Кажется, что изменения произойдут нескоро, но что такое несколько сотен лет для экосистемы Земли? К тому же, негативные последствия развиваются уже сейчас. Уменьшается количество пресной воды, что вынуждает человечество увеличивать число опресняющих установок для полива посевов. Это увеличивает расход электричества, а значит увеличится расход угля и парниковый эффект начинает развиваться во времени.

Ледниковые шапки это природные погреба. В них заморожены микробы, которыми болели древние животные миллиарды лет назад. Что случится в результате таяния предугадать достаточно трудно. Никто не может предположить насколько современная медицина готова к этому вызову.

Влияние на людей

Человеку для комфортного существования требуется температура в районе 20-25 градусов. Летние колебания, доходящие до 50-52 градусов на солнце, могут негативно сказаться на здоровье. В результате повышенных температур у человека наблюдается учащенное сердцебиение, повышенное давление и обезвоживание. К тому же при температуре выше 25 градусов, работоспособность уменьшается в 2 раза, ухудшается координация движений, быстро теряются полезные соли и микроэлементы.

Меры по снижению парникового эффекта

Наиболее эффективными мерами по снижению парникового эффекта на сегодняшний день являются:

1. Восстановления почвенного и растительного покрова с максимальными запасами органического вещества;
2. Замена ископаемого топлива другими источниками энергии – экологически безвредными, не требующими расхода кислорода при сжигании (атомная энергетика);
3. Борьба с сокращением растительного покрова земли, так как многие растения очищают воздух от парниковых газов;
4. Запрет на бесконтрольную вырубку влажных тропических лесов, которые фильтруют воздух, поглощая углекислый в процессе фотосинтеза;
5. Предотвращения вырубки лесов и увеличения лесных массивов;
6. Установка на промышленных предприятиях дополнительных фильтров;
7. Увеличение эффективности борьбы с лесными пожарами и вредителями леса;
8. Развитие альтернативных источников производства электроэнергии, использующих силы ветра, воды и Солнца;
9. Совершенствование законодательства в области экологии и принуждение недобросовестных стран к исполнению такового.

компоненты

Глобальный углеродный цикл можно лучше понять, изучив два более простых цикла, которые взаимодействуют друг с другом: короткий цикл и длинный цикл.

Короткометражный фильм посвящен быстрому обмену углерода, который переживают живые существа. В то время как длинный цикл происходит в течение миллионов лет и включает обмен углерода между внутренней частью и поверхностью Земли..

-Быстрый цикл

Быстрый цикл углерода также известен как биологический цикл, потому что он основан на обмене углерода, который происходит между живыми организмами с атмосферой, океанами и почвой..

Атмосферный углерод присутствует в основном в виде диоксида углерода. Этот газ реагирует с молекулами воды в океанах с образованием бикарбонат-иона. Чем выше концентрация углекислого газа в атмосфере, тем больше образование бикарбоната. Этот процесс помогает регулировать СО₂ в атмосфере.

Углерод в виде диоксида углерода проникает во все трофические сети, как наземные, так и водные, через фотосинтезирующие организмы, такие как водоросли и растения. В свою очередь, гетеротрофные организмы получают углерод, питаясь автотрофными организмами..

Часть органического углерода возвращается в атмосферу посредством разложения органического вещества (осуществляется бактериями и грибами) и клеточного дыхания (у растений и грибов). Во время дыхания клетки используют энергию, запасенную в углеродсодержащих молекулах (таких как сахара), для производства энергии и СО₂.

Другая часть органического углерода превращается в отложения и не возвращается в атмосферу. Углерод, хранящийся в осадках морской биомассы на дне моря (когда организмы умирают), разлагается и СО₂ растворяется в глубокой воде. Это CO₂ навсегда удален из атмосферы.

Точно так же часть углерода, хранящегося в деревьях, камышах и других лесных растениях, медленно разлагается в болотах, болотах и ​​водно-болотных угодьях в анаэробных условиях и с низкой микробной активностью..

Этот процесс производит торф, губчатую и легкую массу, богатую углеродом, который используется в качестве топлива и в качестве органического удобрения. Примерно треть всего земного органического углерода составляет торф.

-Медленный цикл

Медленный цикл углерода включает обмен углерода между породами литосферы и поверхностной системой Земли: океанами, атмосферой, биосферой и почвой. Этот цикл является основным регулятором концентрации углекислого газа в атмосфере в геологическом масштабе..

Неорганический углерод

Растворенный в атмосфере углекислый газ в сочетании с водой образует углекислоту. Это реагирует с кальцием и магнием, присутствующим в земной коре, с образованием карбонатов.

Из-за эрозионного воздействия дождя и ветра карбонаты достигают океанов, где накапливается дно моря. Карбонаты также могут усваиваться организмами, которые в конечном итоге погибают и осаждаются на морском дне. Эти отложения накапливаются в течение тысячелетий и образуют известняковые породы..

Осадочные породы морского дна поглощаются в мантию Земли путем субдукции (процесс, который включает погружение океанической зоны тектонической плиты под край другой плиты).

В литосфере осадочные породы подвергаются высоким давлениям и температурам и, как следствие, плавятся и вступают в химическую реакцию с другими минералами, выделяя СО₂. Выброшенный таким образом диоксид углерода возвращается в атмосферу в результате извержений вулканов..

Неорганический углерод

Другим важным компонентом этого геологического цикла является органический углерод. Это происходит из биомассы, захороненной в анаэробных условиях и при высоком давлении и температуре. Этот процесс привел к образованию ископаемых веществ с высоким содержанием энергии, таких как уголь, нефть или природный газ..

Во время возникновения промышленной революции, в 19 веке, было обнаружено использование ископаемого органического углерода в качестве источника энергии. С двадцатого века наблюдается постоянное увеличение использования этих ископаемых видов топлива, что привело к выбросу в атмосферу большого количества углерода, накопленного в земле в течение тысячелетий в течение нескольких десятилетий..

Эмиссия

Для контроля за эмиссией парниковых газов была сформирована специальная система мониторинга, отчетности и проверки объема выбросов.

В ходе работы данной системы был разработан способ снижения эмиссии парниковых газов. Он заключался в широком применении преимущественно альтернативных источников энергии, таких как ветровые и солнечные энергоустановки.

Важно отметить, что вопрос эмиссии парниковых газов является актуальным для множества государств и тем самым приобретает мировой характер. Регулярно проводятся межгосударственные сравнения депонирования и антропогенной эмиссии парниковых газов

Диаграмма стратегии снижения выбросов парниковых газов в России.

Оценки и показатели эмиссии CO2, основанные на материалах по лесам и болотам различных государств, а также свободной статистики парниковых газов по материалам совещания в Киото 1997 года, регулярно фиксируются мировым сообществом.

Дыхание

Рассмотрим содержание кислорода во вдыхаемом попадающий извне в легкие при вдыхании, именуется вдыхаемым, а воздух, который выходит наружу через дыхательную систему при выдохе, — выдыхаемым.

Он представляет собой смесь воздуха, заполнявшего альвеолы, с тем, который находится в дыхательных путях. Химический состав воздуха, который здоровый человек вдыхает и выдыхает в естественных условиях, практически не меняется и выражается такими цифрами.

Кислород — главная для жизни составляющая воздуха. Изменения количества этого газа в атмосфере невелики. Если у моря содержание в воздухе кислорода вмещает до 20,99 %, то даже в очень загрязненном воздухе индустриальных городов его уровень не падает ниже 20,5 %. Такие изменения не выявляют воздействия на человеческий организм. Физиологические нарушения проявляются тогда, когда процентное содержание кислорода в воздухе падает до 16-17 %. При этом наблюдается явная которая ведет к резкому падению жизнедеятельности, а при содержании в воздухе кислорода 7-8 % возможен летальный исход.

Тропосфера: где происходит погода

Из всех слоев атмосферы тропосфера является тем, с которым мы больше всего знакомы (осознаете ли вы это или нет), так как мы живем на ее дне — поверхности планеты. Она окутывает поверхность Земли и простирается вверх на несколько километров. Слово тропосфера означает «изменение шара». Очень подходящее название, так как этот слой, где происходит наша повседневная погода.

Начиная с поверхности планеты, тропосфера поднимается на высоту от 6 до 20 км. Нижняя треть слоя, ближайшая к нам, содержит 50% всех атмосферных газов. Это единственная часть всего состава атмосферы, которая дышит. Благодаря тому, что воздух нагревается снизу земной поверхностью, поглощающей тепловую энергию Солнца, с увеличением высоты температура и давление тропосферы понижаются.

На вершине находится тонкий слой, называемый тропопаузой, который является всего лишь буфером между тропосферой и стратосферой.

Адаптация возможна, если действовать сейчас

Результаты исследований показывают, что еще есть возможность обеспечить адаптацию лесов к изменению климата, но действовать необходимо уже сейчас. Во-первых, нужно защищать и связывать оставшиеся леса, чтобы древесные породы могли развиваться, когда климат нагревается. Но деревья «перемещаются» с места на место очень медленно: они могут «двигаться» только тогда, когда животные или ветер уносят их семена в другое место, где подходят климатические условия. Чем более фрагментированы леса, тем меньше вероятность того, что семена могут достичь определенных участков. Кроме того, более мелкие участки в большей степени подвержены «краевым эффектам», таким как увеличение освещенности, сухости воздуха и риска пожара, создавая сложные условия для прорастания и роста семян. Поэтому поддержание связи между лесами имеет решающее значение.

Во-вторых, нам нужно ограничить выбросы. Даже ограничение глобальных температур до 2 °C выше доиндустриального уровня – уже лучший сценарий – приведет к тому, что почти три четверти тропических лесов превысят пороговую температуру 32 °C, которую мы определяем. Поскольку каждый градус, превышающий порог высокой температуры, выделяет 100 миллиардов тонн CO₂ из тропических лесов в атмосферу, что составляет более 280 лет ежегодных выбросов ископаемого топлива в такой стране, как Великобритания, то существует явный стимул избегать дальнейшего потепления.

Конечно, сокращение выбросов является сложной задачей. Однако прямо сейчас у человечества есть уникальная возможность. Во время нынешней пандемии выбросы от транспорта, среди других секторов, были значительно сокращены. Так что это показывает, что мы, люди, можем это сделать. Мы можем создать более здоровое и прохладное будущее для всех нас: тропических лесов и людей.

#Деревья #Исследования #Климатические изменения #Потепление #Тропические леса

Технология удаления

В 2019 году исследователи предложили способ удаления метана из атмосферы с помощью цеолита . Каждая молекула метана будет преобразована в CO.₂, который оказывает гораздо меньшее влияние на климат (на 99% меньше). Замена всего атмосферного метана на CO₂ снизит общее потепление парниковых газов примерно на одну шестую.

Цеолит — это кристаллический материал с пористой молекулярной структурой. Мощные вентиляторы могут проталкивать воздух через реакторы цеолита и катализаторов для поглощения метана. Затем реактор можно было нагреть, чтобы образовать и высвободить CO.₂. Из-за более высокого ПГП метана при цене на углерод в 500 долларов за тонну удаление одной тонны метана принесет прибыль в размере 12 000 долларов.

Заключение

Парниковый эффект это не отрицательное явление. Другой вопрос, что антропогенная деятельность человека выводит парниковый эффект на совершенно другой уровень. Если повальную вырубку лесов, небрежное обращение с почвами и постоянное сжигание огромного количества угля и нефти не прекратить, то уже через век процесс будет необратим.

Организм просто не предназначен для столь высоких тепловых нагрузок. Уже сегодня есть места на земном шаре, в которых летняя температура превышает 50 градусов. В таких условиях жить и работать невозможно чисто физически.

При этом процесс развивается:

• Повышение температур ведет к повышению количества испарения, а значит, повышается количество водяного пара в атмосфере.
• Уменьшение пресной воды вызывает дополнительную нужду в опреснительных установках и электричестве, для добычи которого и сжигается 80 процентов угля на планете.
• Население планеты растет, а основной катализатор парникового эффекта углекислый газ, который является продуктом дыхания.

Есть мнение, что развитие парникового эффекта не связано с человечеством. Температура на планете и раньше менялась, доходя до высоких температур. Задача человечества сделать все, чтобы парниковый эффект не повторился в истории Земли, даже если это невозможно – атмосфера Земли станет только чище от борьбы с парниковыми газами.