Диоксид углерода

В отличие от монооксида углерода диоксид углерода образуется при полном окислении углеродсодержащего топлива. Атмосферный СО₂ находится в состоянии постоянного обмена с водами, почвой и живыми организмами, в результате чего создаётся постоянный кругооборот его в природе.

В этом кругообороте источниками СО₂ служат вулканические извержения, выветривание содержащих углерод горных пород, микробиологический распад органических соединений над почвой и в почве, дыхание животных и растений, лесные пожары и сжигание природного топлива. Выбросу СО₂ противостоят процессы его фиксации из атмосферы: фотосинтез растений, растворение в морской воде, накопление соединений, богатых углеродом, и отложение богатых углеродом залежей горючих ископаемых. Определение количеств углерода, участвующих в отдельных процессах, может быть проведено лишь по прошествии длительного времени. Поэтому невозможно количественно оценить превращение углерода на отдельных стадиях кругооборота.

Между процессами высвобождения углерода при дыхании и связывания углерода при фотосинтезе установилось известное равновесное состояние, что характерно как для материков, так и для океанов. В такой обменный механизм включена только часть общего количества углерода всей биомассы.

Увеличение количества сжигаемого природного топлива с развитием индустриализации, особенно в течение последних 100-200 лет, привело к заметному повышению содержания СО₂ в атмосфере. При сравнении состава современного воздуха с пробами 200-летней давности, взятыми в полостях арктических и антарктических льдов, было установлено, что если в 1750 г. содержание СО₂ составляло 280 млн.^-1, то за это время оно повысилось до 330-340 млн.^-1. За период с 1860 г. по 1978 г. ежегодный прирост выделяемого углерода составил около 1 млрд. т.

Наряду со сжиганием природного топлива человек находит другой повод для вмешательства в природные «кладовые» углерода. В результате интенсивной обработки земли и создания новых пашен идёт быстрое разрушение слоя гумуса в почве и ускоренный переход углерода в атмосферу. К этому добавляется вырубка лесов, особенно ликвидация тропической растительности, в которой издавна накопились огромные запасы углерода. Эти вырубки в значительной мере способствуют нарушению равновесия между связыванием и выбросом углерода. Пока ещё не удалось количественно установить вклад в увеличение концентрации СО₂ в атмосфере в результате вырубки лесов и ускоренного разрушения гумуса.

Попавший в атмосферу СО₂ остаётся в ней в среднем 2 – 4 года. За это время СО₂ повсеместно распространяется по всей земной поверхности, входя в состав атмосферы. Влияние СО₂ выражается не только в токсическом действии на живые организмы, но и в способности поглощать инфракрасные лучи.

При нагревании земной поверхности солнечными лучами часть тепла в виде инфракрасного излучения отдаётся обратно в мировое пространство. Это возвращаемое тепло частично перехватывается газами, поглощающими инфракрасное излучение, которые в результате нагреваются. Если это явление происходит в тропосфере, то с ростом температуры могут происходить климатические изменения («парниковый эффект»). Одна из основных проблем нашего времени состоит в том, чтобы определить масштабы и временные рамки климатических изменений в результате накопления тепла за счёт СО₂.

До сих пор ещё неясном, в какой степени климатические изменения связаны с поглощением инфракрасного излучения в атмосфере. Все усилия по определению возможного воздействия на климат при увеличении содержания СО₂ в атмосфере связаны с выяснением дальнейших изменений, которые будут наблюдаться при достижении концентрации диоксида углерода 0,06% (об.). Трудно предсказать, когда будет достигнуто это значение. Если считать, что выбросы СО₂ и в дальнейшем будут постоянно возрастать, то эта концентрация будет достигнута около 2050 г. Если расходование углерода сохранится на современном уровне, то установление концентрации СО₂ в атмосфере на уровне 0,06% (об.) можно ожидать только к 2200 г. Если же удастся постоянно сокращать потребление природного топлива, то это состояние наступит около 3000 г.

При предсказании возможных изменений климата в результате удвоения содержания СО₂ используют модельные расчёты; они чрезвычайно сложны и дают неоднозначные результаты. Нет уверенности в надёжности ряда данных, которые используются при конструировании модели. К ним, в частности, относится вопрос о количестве СО₂, уходящем из атмосферы и растворяющемся в Мировом океане. Трудность решения этой проблемы связана с тем, что первоначально растворение СО₂ происходит в сравнительно тонком поверхностном слое океана, на глубине 100 – 200 м. При рассмотрении процесса в течение длительного периода необходимо учитывать влияние глубинных слоёв, которые вступают в обменное взаимодействие с верхними слоями, длящееся около 1500 лет.

Согласно рассматриваемой модели при удвоении содержания СО₂ в атмосфере среднее глобальное увеличение температуры составляет
0,8 – 2,9°С. В тропиках потепление меньше среднего глобального, в полярных зонах – больше.

Измеренные температурные изменения в тропосфере ещё ничего не говорят о климатических изменениях. Многолетние наблюдения естественных колебаний температуры в тропосфере, в первую очередь над областями вулканических извержений, показывают, что изменения температуры на десятые доли градуса не влияют на климат. Предполагают, что изменение климата наступает только при изменении температуры более чем на 0,8 °С.

При удвоении содержания СО₂ в тропосфере изменение климата с повышением температуры становится вполне вероятным, если не происходит никаких компенсирующих процессов, как, например, усиленное поглощение и рассеяние излучения в стратосфере из-за загрязнений в виде пыли и аэрозолей.

С помощью описанных выше модельных представлений была сделана попытка оценить возможные климатические изменения при среднем подъёме температуры на 2°С. При этом климатические пояса Земли сдвигаются к полюсам. В результате замерзающие порты Северной Европы, Северной Америки и Северной Азии освобождаются от льдов, одновременно происходит смещение субтропических засушливых зон в важнейшие плодородные области. Это сильно скажется на продовольственном положении населения планеты.

Другая проблема заключается в том, что повышение температуры приведёт к расплавлению ледяных шапок на полюсах. Таяние арктических льдов не будет столь уж интенсивным, поскольку там существует равновесие между плавающими льдами и водой. Иное положение создаётся в Антарктиде, где основная часть ледового щита покоится на твёрдом основании. При таянии этого ледового щита или сползании его в океан возможен подъём уровня воды на несколько метров. В этом случае вода покроет около 2% общей площади США с населением 12 млн. человек. В Германии будут затоплены около 16% территории с населением 2 млн. человек.

Следует подчеркнуть некоторые особенности подхода к проблеме обогащения атмосферы СО₂. Эта проблема не должна рассматриваться изолированно, так как в кругообороте СО₂ участвуют и синергические, и антагонистические факторы. К синергическим факторам относится влияние таких газов, как SO₂, N₂O, фторхлоруглеводородов (фреонов), СН₄ и О₃. Водяные пары должны быть исключены из этого рассмотрения, так как, несмотря на локальные различия в распределении над поверхностью планеты, их общая доля в атмосфере практически остаётся постоянной и не вносит заметного вклада в нагревание земной поверхности. Другие газы, поглощающие
ИК-излучение, вносят приблизительно 50% по сравнению с общим количеством тепла, накапливаемого за счёт диоксида углерода. При оценке так называемого парникового эффекта, вызванного деятельностью человека, необходимо учитывать влияние этого фактора.

Чрезвычайно сложной представляется оценка влияния озона. Озон, образующийся при действии выхлопных газов автомашин вблизи земной поверхности, играет в дальнейшем незначительную роль, так как он снова быстро разрушается. Озон, образованный фотохимически в высших слоях тропосферы из выхлопных газов самолётов, напротив, вносит определённый вклад в нагревание тропосферы. Стратосферный же озон, благодаря поглощению энергии в стратосфере, вызывает небольшое охлаждение тропосферы. Концентрация озона в стратосфере непрерывно понижается благодаря действию фреонов и других антропогенных продуктов, при этом уменьшается поглощение солнечных лучей в стратосфере и растёт доля энергии, приходящейся на земную поверхность, которая соответственно нагревается. Неоднозначны высказывания по поводу влияния концентрации свободного N₂O и фторхлоруглеводородов при фотохимических превращениях озона и других газов, а также по поводу влияния этих факторов на нагрев атмосферы. Фреоны в тропосфере, несомненно, усиливают парниковый эффект от СО₂. Фторхлоруглеводороды в стратосфере в первую очередь участвуют в разрушении озона и, снижая таким образом долю поглощённых озоном солнечных лучей на высоте 40 км, вызывают дополнительное нагревание тропосферы. Первоначально использовавшиеся CCl₂F₂ и CCl₃F из-за высокого содержания хлора, приводившего к разрушению озона, были заменены CHClF₂, который в меньшей степени разрушает озон. Это соединение ещё в большей степени поглощает инфракрасные лучи, чем два предыдущих, и особенно эффективно влияет на парниковый эффект в течение своего пребывания в тропосфере. Вопреки ожиданиям в атмосфере сохранилось известное количество CCl₂F₂ и CCl₃F, следовательно, и CHClF₂ может быть обнаружен в больших количествах, чем предполагалось.

Как это ни удивительно, но и содержание метана в атмосфере изменилось за последние десятилетия. Исследование состава воздуха в полостях льда показало, что содержание СН₄ в атмосфере в течение длительного времени (от 500 до 27000 лет) составляло около 0,7 млн.^-1. За 25 лет содержание метана поднялось на 1,25 млн.^-1 и сейчас составляет около 2 млн.^-1, что связано с увеличением площадей, занятых посадками риса, который выращивают в анаэробных условиях, а также с созданием крупных животноводческих хозяйств. Более точные сведения о причинах роста концентрации СН₄ в атмосфере пока отсутствуют. Выражаются опасения, что увеличение количества СН₄ в атмосфере вызовет такое же накопление тепла, как и за счёт фторхлоруглеводородов.

Действие пыли и аэрозолей противоположно действию газов, накапливающих тепло, так как первые уменьшают количество солнечного света, падающего на поверхность Земли. Слои воздуха, содержащего пыль, нагреваются сильнее, чем чистый воздух, так что от места расположения пылесодержащих слоёв воздуха зависит, где будет больше поглощаться энергии – в стратосфере или тропосфере.