ПАРНИКОВИЙ ЕФЕКТ: ЯК ВІН ВИРОБЛЯЄТЬСЯ, ПРИЧИНИ, ГАЗИ, НАСЛІДКИ - СЕРЕДОВИЩЕ - 2025

Парниковий ефект є природним процесом , в якому атмосфера зберігає частину інфрачервоного випромінювання , що випускається Землею і тим самим нагріває його. Це інфрачервоне випромінювання відбувається від нагрівання, що виробляється на земній поверхні сонячним випромінюванням.

Цей процес відбувається тому, що Земля як непрозоре тіло поглинає сонячне випромінювання і виділяє тепло. У той же час, оскільки існує атмосфера, тепло не повністю виходить у космос.

Схема парникових ефектів. Джерело: Роберт А. Роде (політ драконів в англійській Вікіпедії), переклад на іспанську фелікс, адаптаційний макет Баскеттера

Частина тепла поглинається та випромінюється в усі сторони газами, що складають атмосферу. Таким чином, Земля підтримує певну теплову рівновагу, яка встановлює середню температуру 15 ºC, гарантуючи змінний діапазон, в якому може розвиватися життя.

Термін «парниковий ефект» - це подібне до теплиць для вирощування рослин у кліматі, де температура навколишнього середовища нижча, ніж потрібно. У цих будиночках пластмасова або скляна покрівля дозволяє пропускати сонячне світло, але перешкоджає виходу тепла.

Таким чином підтримується сприятливий для розвитку рослин теплий мікроклімат незалежно від нижчої зовнішньої температури.

Найбільш релевантні гази, що впливають на парниковий ефект, - це водяна пара, вуглекислий газ (СО2) та метан. Потім в результаті забруднення, що утворюється людиною, включаються інші гази і рівень CO2 збільшується.

Гази СО2, водяна пара та метан в атмосфері

Ці гази включають оксиди азоту, гідрофторвуглеводи, перфторовані вуглеводні, гексафторид сірки та хлорфторвуглеводні.

Добрий чи поганий парниковий ефект?

Парниковий ефект є основним для життя на Землі, оскільки гарантує відповідний температурний діапазон для його існування. Більшість біохімічних процесів вимагають температури від -18ºC до 50ºC.

У геологічному минулому спостерігалися коливання середньої температури Землі, або зростаючі, або зменшувані. В останні два століття відбувся процес постійного підвищення глобальної температури.

Різниця полягає в тому, що в даний час темпи зростання особливо високі і, здається, пов'язані з діяльністю людини. Ці заходи генерують парникові гази, які підкреслюють явище.

У чому ж тоді проблема?

З середини 18 століття люди наполегливо додавали забруднювачі навколишнього середовища внаслідок індустріалізації. Серед цих забруднювачів - виділення газів, що сприяють парниковій дії, або тому, що вони поглинають тепло або пошкоджують озоновий шар.

Озоновий шар знаходиться у верхній частині стратосфери і фільтрує ультрафіолетове (вища енергія) сонячне випромінювання. Чим більше ультрафіолетового випромінювання, тим більше теплоти та додатково мутагенних ефектів.

З іншого боку, гази, що утримують тепло, такі як СО2 та метан, знижують втрати тепла від Землі. У той час як серед газів, що пошкоджують озоновий шар, є всі сполуки фтору та хлору.

Наслідками посилення парникового ефекту є підвищення температури Землі. Це в свою чергу викликає низку кліматичних змін, включаючи танення полярного і льодовикового льоду.

Як виробляється парниковий ефект?

- Земна атмосфера

Шари атмосфери

Розуміння основних елементів хімічного складу та структури атмосфери є основоположним для розуміння парникового ефекту.

Хімічний склад атмосфери Землі

У складі атмосфери Землі переважає азот (N), 79%, а кисень (O2) - 20%. Решта 1% складаються з різних газів, з яких найбільш поширеними є аргон (Ar = 0,9%) та CO2 (0,03%).

Ці гази не можуть поглинати сонячне світло, тобто короткохвильову енергію, випромінювану Сонцем (видимий та ультрафіолетовий спектр).

Шари атмосфери

Найбільша частка атмосферних газів зосереджена в смузі, що йде від земної поверхні до висоти 50 км. Це пов’язано з тяжінням, яке гравітаційна сила чинить на гази, що складають атмосферу.

У цих перших 50 км атмосфери розпізнаються два шари, перший - висотою від 0 до 10 км, а другий - висотою від 10 до 50 км. Перший називається тропосферою і концентрує приблизно 75% газоподібної маси атмосфери.

Друга - стратосфера, яка концентрує 24% атмосферної газоподібної маси, а у верхній її частині - озоновий шар. Озоновий шар є ключовим для розуміння парникового ефекту, оскільки він відповідає за фіксацію ультрафіолетових променів від Сонця.

Хоча ще три шари простягаються над цими шарами атмосфери, два найнижчі - визначальні фактори парникового ефекту.

- Парниковий ефект

Основними елементами процесу, за допомогою якого виробляється парниковий ефект, є Сонце, Земля та атмосферні гази. Сонце - джерело енергії, Земля - ​​приймач цієї енергії та випромінювач тепла та газів, грають різні ролі за своїми властивостями.

Сонячна енергія

Сонце принципово випромінює високоенергетичне випромінювання, тобто відповідне видимій та ультрафіолетовій довжинах хвиль електромагнітного спектру. Температура викидів цієї енергії досягає 6000 ° C, але більшість її розсіюється по ходу.

З 100% сонячної енергії, яка потрапляє в атмосферу, близько 30% відбивається на космос (ефект альбедо). 20% поглинається атмосферою, головним чином зваженими частинками та озоновим шаром, а решта 50% прогріває земну поверхню. Це відео відображає цей процес:

Земля

Як і будь-яке тіло, Земля випромінює радіацію, яка в даному випадку є довгохвильовим випромінюванням (інфрачервоним). Інфрачервоне випромінювання, що випромінюється Землею, походить від її лампа розжарювання (геотермальна енергія), але температура викидів є низькою (майже 0 ºC).

Однак Земля отримує сонячну енергію, яка також її нагріває і випромінює додаткове інфрачервоне випромінювання.

З іншого боку, Земля відображає важливу частину сонячної радіації завдяки своєму альбедо (світловий тон або білість). Це альбедо в основному за рахунок хмар, водойм та льоду.

Враховуючи альбедо та відстань від планети до Сонця, температура Землі повинна становити -18 ºC (ефективна температура). Ефективна температура відноситься до того, що має мати тіло лише враховуючи альбедо та відстань.

Однак реальна середня температура Землі становить близько 15ºC з різницею 33ºC від ефективної температури. У цій вираженій різниці між фактичною та ефективною температурою атмосфера відіграє принципову роль.

Атмосфера

Запорукою температури Землі є її атмосфера, якби її не існувало, планета була б назавжди заморожена. Атмосфера прозора для більшої частини короткохвильового випромінювання, але не для великої частки довгохвильового (інфрачервоного) випромінювання.

Пропускаючи сонячне випромінювання на Землю, Земля нагрівається і випромінює інфрачервоне випромінювання (тепло), але атмосфера поглинає частину цього тепла. Таким чином шари атмосфери та хмари нагріваються і виділяють тепло в усі сторони.

Парниковий ефект

Процес глобального потепління за допомогою атмосферного утримання інфрачервоного випромінювання називається парниковим ефектом.

Теплиця в садах Kew (Англія). Джерело: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kew_gardens_greenhouse.JPG

Назва походить від сільськогосподарських теплиць, де вирощуються види, які потребують більш високих температур, ніж у виробничих районах. Для цього ці вирощувальні будинки мають дах, який дозволяє пропускати сонячне світло, але зберігає виділене тепло.

Таким чином можна створити теплий мікроклімат для тих видів, які потребують цього у своєму зростанні.

Причини

Хоча парниковий ефект є природним процесом, він змінюється дією людини (антропна дія). Тому необхідно диференціювати природні причини явища та антропічні перебудови.

- Природні причини

Сонячна енергія

Короткохвильове (високоенергетичне) електромагнітне випромінювання від Сонця - це те, що нагріває земну поверхню. Цей нагрів викликає викид в атмосферу довгохвильового (інфрачервоного) випромінювання, тобто тепла.

Геотермальна енергія

Центр планети є розжареним і виробляє додаткове тепло, ніж те, що викликається сонячною енергією. Це тепло передається через земну кору переважно через вулкани, фумароли, гейзери та інші гарячі джерела.

Атмосферний склад

Властивості газів, що входять до атмосфери, визначають, що сонячне випромінювання досягає Землі, а інфрачервоне випромінювання частково зберігається. Деякі гази, такі як водяна пара, СО2 та метан, особливо ефективні при утриманні атмосферного тепла.

Природний внесок парникових газів

Ті гази, які утримують інфрачервоне випромінювання від нагрівання поверхні Землі, називаються парниковими газами. Ці гази виробляються природним чином у вигляді CO2, який сприяє диханню живих істот.

Океани також обмінюються великою кількістю СО2 з атмосферою, а природні пожежі також сприяють СО2. Світовий океан є природним джерелом інших парникових газів, таких як оксид азоту (NOx).

З іншого боку, мікробна активність у ґрунтах також є джерелом CO2 та NOx. Крім того, травні процеси тварин сприяють великій кількості метану в атмосферу.

- Антропогенні причини

Виробництво тепла

Людська діяльність не тільки сприяє газам, які посилюють парниковий ефект, але і надають додаткове тепло. Частина тепла, що надходить, надходить від спалювання викопного палива, а інша - від зменшення ефекту альбедо.

Розподіл температури на земній поверхні. Джерело: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SurfaceTemperature.jpg

Останнє пояснюється більшим поглинанням сонячної енергії темними штучними поверхнями, такими як асфальт. Різні дослідження показали, що великі міста генерують чисту тепловіддачу від 1,5 до 3 ° C.

Виробнича діяльність

Промисловість загалом виділяє в атмосферу додаткове тепло, а також різні гази, що впливають на парниковий ефект. Ці гази можуть поглинати та виділяти тепло (наприклад: СО2) або руйнувати озоновий шар (наприклад: NOx, CFC та інші).

Автомобільний рух

Велика концентрація транспортних засобів у містах відповідає за більшу частину CO2, що додається в атмосферу. Автомобільний рух сприяє близько 20% загального CO2, що утворюється спалюванням викопного палива.

Виробництво електроенергії та опалення

Спалювання вугілля, газу та нафтопродуктів для виробництва електроенергії та нагріву сприяє майже 50% СО2.

Обробна та будівельна галузь

Разом ці виробничі види діяльності вносять майже 20% СО2, що утворюється спалюванням викопного палива.

Лісові пожежі

Лісові пожежі також викликані людською діяльністю і щорічно викидають в атмосферу мільйони тонн парникових газів.

Сміттєзвалища

Накопичення відходів та процеси бродіння, що відбуваються, а також спалювання зазначених відходів є джерелом парникових газів.

землеробство

Сільськогосподарська діяльність щорічно вносить в атмосферу понад 3 мільйони тонн метану. Серед сільськогосподарських культур, які найбільше сприяють цьому, - рис.

Що стосується рису, внесок метану надходить від екосистеми, породженої його системою вирощування. Це тому, що рис висаджують у лист води, створюючи таким чином штучне болото.

На болотах бактерії розщеплюють органічні речовини в анаеробних умовах, утворюючи метан. Ця культура може внести до 20% метану, що вводиться в атмосферу.

Інша культура, управління якої виробляє парникові гази, - це цукровий очерет, оскільки він спалюється перед збиранням врожаю і виробляє велику кількість СО2.

Переживна худоба

Жуйні тварини, такі як корови, споживають волокнисту траву через процеси бродіння, що проводяться бактеріями в їх травній системі. Зазначена ферментація щодня виділяє 3–4 літри метану в атмосферу для кожної тварини.

Тільки враховуючи велику рогату худобу, оцінюється внесок, еквівалентний 5% парникових газів.

- Ланцюгова реакція

Підвищення глобальної температури, яке викликає збільшення парникових газів, викликає ланцюгову реакцію. Зі збільшенням температури Світового океану викид CO2 в атмосферу збільшується.

Аналогічно, плавлення стовпів і вічна мерзлота виділяють CO2, який потрапив у пастку. Крім того, при більш високій температурі навколишнього середовища спостерігається більша кількість лісових пожеж, і виділяється більше СО2.

Парникові гази

Деякі гази, такі як водяна пара та СО2, діють у процесі природного парникового ефекту. Зі свого боку, антроповий процес включає в себе інші гази, крім СО2.

Криві глобальної тенденції накопичення різних парникових газів. Джерело: Gases_de_efecto_invernadero.png: DouglasGreenderivative work: Ortisa (talk) похідна робота: Ortisa

Кіотський протокол розглядає викиди шести парникових газів, включаючи вуглекислий газ (CO2) та метан (CH4). Також оксид азоту (N2O), гідрофторуглерод (HFC), перфторований вуглеводень (PFC) та гексафторид сірки (SF6).

Водяна пара

Водяна пара є одним з найважливіших парникових газів за її здатністю поглинати тепло. Однак рівновага створюється через те, що вода в рідкому і твердому стані відображає сонячну енергію і охолоджує Землю.

Вуглекислий газ (CO2)

Вуглекислий газ є основним довгоживучим парниковим газом в атмосфері. Цей газ відповідає за 82% приросту парникового ефекту, який відбувся в останні десятиліття.

У 2017 році Всесвітня метеорологічна організація повідомила про глобальну концентрацію CO2 405,5 проміле. Це означає збільшення на 146% порівняно з рівнями, оціненими до 1750 року (доіндустріальна ера).

Метан (СН

Метан - другий за важливістю парниковий газ, який сприяє потеплінню близько 17%. 40% метану виробляється природними джерелами, переважно водно-болотними угіддями, а решта 60% виробляється людською діяльністю.

Серед цих видів діяльності - землеробство жуйних тварин, вирощування рису, експлуатація викопного палива та спалювання біомаси. У 2017 році атмосферний CH4 досяг концентрації 1859 проміле, що на 257% вище, ніж допромисловий рівень.

Оксиди азоту (NOx)

NOx сприяє руйнуванню стратосферного озону, збільшуючи кількість ультрафіолетового випромінювання, яке проникає на Землю. Ці гази походять від промислового виробництва азотної кислоти та адипінової кислоти, а також від використання добрив.

До 2017 року ці гази досягли атмосферної концентрації 329,9 проміле, що еквівалентно 122% рівня, оціненого для допромислової ери.

Вуглеводні (HFC)

Ці гази використовуються в різних промислових областях для заміни CFC. Однак HFC також впливають на озоновий шар і мають дуже високу активну стійкість в атмосфері.

Перфторований вуглеводень (PFC)

ПФУ виробляються у спалювальних установках для процесу виплавки алюмінію. Як і ГФУ, вони мають високу стійкість в атмосфері і впливають на цілісність стратосферного озонового шару.

Гексафторид сірки (SF6)

Цей газ також має негативний вплив на озоновий шар, а також високу стійкість в атмосфері. Його використовують у високовольтному обладнанні та у виробництві магнію.

Хлорфторуглеводні (CFC)

CFC - це потужний парниковий газ, який пошкоджує стратосферний озон і регулюється Монреальським протоколом. Однак у деяких країнах, таких як Китай, він все ще використовується в різних промислових процесах.

Який парниковий ефект для живих істот?

- Прикордонні умови

Життя, як ми знаємо, неможливе вище певних температурних рівнів. Лише деякі термофільні бактерії здатні населяти середовища з температурою вище 100ºC.

Життєва температура

Взагалі амплітуда зміни температури, яка дозволяє більшість активних термінів життя, коливається від -18ºC до 50ºC. Так само життєві форми можуть існувати в латентному стані при температурі -200ºC і 110ºC.

Більшість видів тварин і рослин мають ще більш обмежений діапазон толерантності до кімнатної температури.

- Динамічний баланс температури

Парниковий ефект - це позитивний природний процес для життя на планеті, оскільки він гарантує життєво важливий діапазон температури. Але це так, доки підтримується належний баланс між вхідною сонячною енергією та інфрачервоним випромінюванням.

Баланс

Баланс гарантований, оскільки природа виробляє майже стільки парникових газів, скільки їх знерухомлює. Океан виробляє близько 300 гігатонів СО2, але поглинає трохи більше.

Так само рослинність утворює близько 440 гігатонів СО2, одночасно встановлюючи близько 450.

Наслідки парникового ефекту через забруднення

Антропне забруднення сприяє надмірній кількості парникових газів, порушуючи природний динамічний баланс. Хоча ці суми значно менші, ніж ті, що створені природою, їх достатньо, щоб порушити цей баланс.

Це має серйозні наслідки для планетарного теплового балансу і, в свою чергу, для життя на Землі.

Глобальне потепління

Збільшення концентрації парникових газів породжує підвищення середньосвітової температури. Насправді, середня глобальна температура за підрахунками індустріальної епохи зросла на 1,1 ° С.

З іншого боку, було зазначено, що період з 2015 по 2019 рік був найгарячішим на сьогоднішній день.

Розплавлення льоду

Підвищення температури призводить до танення полярного льоду та льодовиків у всьому світі. Це передбачає підвищення рівня моря та зміну морських течій.

Зміна клімату

Хоча не існує повної згоди щодо процесу зміни клімату внаслідок глобального потепління, реальність така, що клімат планети змінюється. Про це свідчить зміна морських течій, вітрів та опадів, серед інших аспектів.

Дисбаланси населення

Зміна середовищ існування через підвищення температури впливає на популяцію та біологічну поведінку виду. У деяких випадках є види, які збільшують свою популяцію та розширюють ареал їх поширення.

Однак ті види, які мають дуже вузький діапазон температур для росту та розмноження, можуть значно скоротити їх популяції.

Зниження виробництва продуктів харчування

У багатьох сільськогосподарських та тваринницьких районах виробництво скорочується, оскільки на види впливає підвищення температури. З іншого боку, екологічні зміни призводять до поширення сільськогосподарських шкідників.

Громадське здоров'я

Венеричні захворювання

Зі збільшенням середньої планетарної температури деякі тварини-переносники хвороби розширюють свій географічний ареал. Таким чином, випадки тропічних захворювань трапляються поза їх природним ареалом.

Шок

Підвищення температури може призвести до так званого теплового удару або теплового удару, що передбачає екстремальне зневоднення. Така ситуація може спричинити серйозну недостатність органів, особливо це стосується дітей та людей похилого віку.

Профілактика та рішення

Щоб запобігти посиленню парникового ефекту, необхідно зменшити викиди газів, які його викликають. Для цього потрібні заходи, що варіюються від обізнаності населення, через національне та міжнародне законодавство, до технологічних змін.

Однак, за даними Міжурядової групи з питань зміни клімату (МГЕЗК), її скорочення недостатньо. Крім того, необхідно зменшити поточну концентрацію парникових газів в атмосфері, щоб зупинити глобальне потепління.

У цьому сенсі рішенням є збільшення рослинного покриву для фіксації атмосферного CO2. Інша полягає у впровадженні технологічних систем фільтрації повітря для видобутку CO2 та фіксації його у промислових продуктах.

Поки зусилля щодо досягнення міжнародних угод, таких як Кіотський протокол, не виконали своїх цілей. З іншого боку, технологічні розробки для видобутку атмосферного CO2 лише на рівні прототипу.

Профілактика

Щоб запобігти посиленню парникового ефекту, необхідно зменшити виробництво парникових газів. Це передбачає низку дій, які включають розвиток совісті громадян, законодавчі заходи, технологічні зміни.

Інформованість

Громадяни, які усвідомлюють проблему глобального потепління, породженого збільшенням парникового ефекту, є основоположним. Таким чином забезпечується необхідний соціальний тиск, щоб уряди та економічні повноваження вживали необхідних заходів.

Правова база

Основна міжнародна угода щодо вирішення проблеми виробництва парникових газів - Кіотський протокол. Однак поки що цей правовий інструмент не був ефективним у зниженні швидкості викидів парникових газів.

Деякі з основних промислово розвинених країн з більш високими показниками викидів не підписали продовження дії протоколу на другий термін. Тому для досягнення реального ефекту необхідна більш жорстка національна та міжнародна правова база.

Технологічні зміни

Для зменшення викидів парникових газів необхідна реінжиніринг промислових процесів. Так само необхідно сприяти використанню відновлюваних джерел енергії та зменшити використання викопних видів палива.

З іншого боку, важливо зменшити виробництво забруднюючих відходів загалом.

Рішення

На думку експертів, недостатньо скоротити викиди парникових газів, необхідно також зменшити поточні концентрації в атмосфері. Для цього були запропоновані різні альтернативи, які можуть використовувати дуже прості або складні технології.

Карбонові мийки

Для цього рекомендується збільшити покриття лісів та джунглів, а також реалізувати такі стратегії, як зелені дахи. Рослини фіксують атмосферний СО2 у своїх рослинних структурах, витягуючи його з атмосфери.

Насоси для видобутку вуглецю

Досі витяг CO2 з атмосфери є дорогим з енергетичної точки зору і має високі економічні витрати. Однак тривають дослідження з метою пошуку ефективних способів фільтрації повітря та видалення CO2.

Одна з цих пропозицій вже знаходиться на стадії пілотного заводу та розробляється університетами Калгарі та Карнегі Меллоном. Ця рослина використовує розчин гідроксиду калію як водозабір і каустичний кальцій, через який фільтрується повітря.

У цьому процесі СО2, що міститься у повітрі, утримується, утворюючи карбонат кальцію (CaCO3). Згодом карбонат кальцію нагрівається і виділяється СО2, застосовуючи отриманий очищений СО2 для промислового використання.

Бібліографічні довідки

1. Болін, Б. і Доос, BR Тепличний ефект.
2. Кабаллеро, М., Лозано, С. та Ортега, Б. (2007). Парниковий ефект, глобальне потепління та зміни клімату: перспектива науки про землю. Університетський цифровий журнал.
3. Carmona, JC, Bolívar, DM та Giraldo, LA (2005). Газ метану у тваринництві та альтернативи для вимірювання його викидів та зменшення його впливу на навколишнє середовище та виробництво. Колумбійський журнал наук про тваринництво.
4. Elsom, DM (1992). Забруднення атмосфери: глобальна проблема.
5. Martínez, J. and Fernández, A. (2004). Зміна клімату: вид з Мексики.
6. Шнайдер, Ш. (1989). Парниковий ефект: наука та політика. Наука.