Основи екології - Олійник Я.Б. - 5.6.2. Парниковий ефект і глобальне потепління клімату

Одночасно із забрудненням атмосфери зростає й виділення техногенного тепла від спалювання палива та використання електричної енергії, а це є дуже важливим фактором змін глобальної температури. Серед усіх забруднювачів атмосфери найважливішу роль у зміні клімату відіграє вуглекислий газ. Він поглинає довгохвильову радіацію і е одним з факторів, що створюють парниковий ефект в атмосфері; збільшення концентрації вуглекислоти в атмосфері призводить до підвищення температури біля земної поверхні.

Клімат Землі, який залежить в основному від стану її атмосфери, протягом геологічної історії періодично змінювався: чергувалися епохи істотного похолодання, коли значні території суші вкривалися льодовиками, та епохи потепління (до речі, ми живемо саме в епоху потепління, коли розтанули великі льодовикові щити у Євразії та Північній Америці). Та останнім часом метеорологи б'ють на сполох: сьогодні атмосфера Землі розігрівається набагато швидше, ніж будь-коли в минулому. За даними ООН, з кінця XIX до початку XXI ст. глобальна температура на земній кулі підвищилася загалом на 0,6 °С. Середня швидкість підвищення глобальної температури до 1970 р. становила 0,05 °С за 10 років, а останніми десятиліттями вона подвоїлася. Це зумовлено такими причинами:

- по-перше, людина "підігріває" атмосферу, спалюючи велику кількість вугілля, нафти, газу, а також будуючи нові атомні електростанції;

- по-друге, і це головне, внаслідок спалювання органічного палива, а також знищення лісів в атмосфері нагромаджується вуглекислий газ.

Сутність парникового ефекту: Земля отримує енергію Сонця в основному у видимій частині спектру, а сама, оскільки є набагато холоднішим тілом, випромінює у космічний простір інфрачервоні промені; але багато газів атмосфери - водяна пара, вуглекислий газ, метан, окисли азоту та інші - хоч і є прозорими для видимих променів, але активно поглинають інфрачервоні промені, утримуючи тим самим в атмосфері частину тепла, яка повинна була потрапити у Космос. Таким чином на поверхні Землі утримується температура на рівні, придатному для життя. Затримуючи тепло в атмосфері Землі, ці гази створюють ефект, який називається парниковим, а гази - парниковими.

Метан (СН4) виробляється у великих кількостях в результаті біологічних перетворень у природі. Обсяги утворення метану у природних джерелах щорічно становлять приблизно 500 млн т. Природні джерела атмосферного метану є: анаеробний розклад органічних речовин у екосистемах (болота, тундра); перетравлення термітами деревини шляхом розкладу целюлози до метану; океани, моря та прісні водойми. Основні антропогенні джерела викидів метану: вирощування рису на дуже зволожених землях; кишкова ферментація тварин та розклад відходів тваринного походження; розклад твердих міських відходів; видобуток і транспортування вугілля, природного газу та нафти. Метан - супутній продукт спалювання біомаси та неповного згорання палива. Основними поглиначами метану є ґрунти та хімічні перетворення в атмосфері.

Природними джерелами атмосферного закису азоту (N,0) є океани, ґрунти тропічних і помірних широт, ліси та луки. Наприклад, вміст >І20 в ґрунтах є результатом життєдіяльності ґрунтових бактерій. Антропогенні джерела емісії закису азоту в атмосфері: сільськогосподарська обробка ґрунтів, особливо з використанням азотних добрив; спалювання викопного природного палива; виробництво адипінової (нейлонової) та азотної кислот; спалювання біомаси.

Водяна пара - один з найважливіших парникових газів, який усюди зустрічається в природі. Він невидимий. Діяльність людини не впливає на нього безпосередньо, але існують важливі опосередковані зв'язки. Потепління, що відбувається внаслідок дії інших парникових газів, інтенсифікує випаровування і призводить до підвищення кількості водяної пари в атмосфері, що, у свою чергу, також сприяє потеплінню.

Отже, парниковим ефектом називають спроможність атмосфери вибірково поглинати електромагнітне випромінювання у певних діапазонах хвиль. Не вся атмосфера, а лише деякі її компоненти та домішки здатні виконувати роль таких "фільтрів" - саме їх і називають парниковими газами. Провідну роль у створенні парникового ефекту серед усіх парникових компонентів, розглянутих вище, відіграє діоксид вуглецю (С02), який поглинає довгохвильове (інфрачервоне) випромінювання у широкому діапазоні хвиль. Іншими словами, парниковий ефект - це здатність атмосфери, що пропускає короткохвильове електромагнітне випромінювання від Сонця, затримувати (частково чи повністю) тепловий потік від земної поверхні, повертаючи його назад у вигляді "зустрічного" випромінювання, що спричинює розігрівання атмосфери (рис. 5.З).

Усім відомо, що звичайне віконне скло має майже ту саму властивість: пропускає видиме світло, але затримує теплове випромінювання. Саме тому відбувається нагрівання середовища у теплицях та парниках або ж у кімнаті сонячного дня. У земній атмосфері вуглекислий газ діє як скло у парнику - вільно пропускає сонячні промені до поверхні Землі, але утримує її тепло.

Парниковий ефект існує з тих пір, як на нашій планеті з'явилася атмосфера. Сам по собі він не є негативним явищем. Ефект, зумовлений загальною дією парникових компонентів, вкрай важливий: за відсутності парникового ефекту середня температура на Землі (тобто у приземному шарі повітря) була б на 33 °С нижчою, ніж зараз, і дорівнювала б лише -18 °С, тобто була би близькою до січневої температури в Арктиці.

Рис. 5.3. Механізм утворення парникового ефекту

Протягом еволюції земна поверхня - її клімат, ландшафти, господарська діяльність та звички людей - пристосовувалася до такого термодинамічного стану, що відповідає багаторічному (віковому) значенню температури та режиму її змія, які визначаються, крім зовнішніх факторів, саме парниковим ефектом атмосфери. Останній залежить від балансу в атмосферному повітрі парникових компонентів. Нині відбуваються такі процеси, які порушують цей баланс, що, у свою чергу, призводить до дисбалансу енергетичної системи всієї біосфери. Підраховано, що кожного року на планеті спалюється близько 2 млрд т викопного палива, внаслідок чого в атмосферу надходить майже 5,5 млрд т вуглекислого газу. Ще приблизно 1,7 млрд т вуглекислоти надходить за рахунок зведення і випалювання лісів. В результаті концентрація вуглекислого газу в атмосфері, яка на початку XX ст. становила близько 0,029 %, уже наприкінці XX ст. досягла 0,035 %, тобто зросла майже на 20 %. Антропогенна діяльність спричинила вагоме збільшення концентрації природних парникових газів в атмосфері, а також сприяла появі нових: галогенфторвуглецю, перфторвуглецю та гексафториду сірки. Якщо до початку індустріальної революції у 1750 р. концентрація С02 в атмосфері становила 0,028 %, то у 2002 р. вже - 0,037 %. Якщо вона зростатиме такими самими темпами, то до кінця нинішнього століття середня температура на планеті може піднятися на 6 °С, а концентрація С02 - до 0,050-0,095 %. Негативні наслідки цих змін можна лише прогнозувати, але вочевидь вони недодадуть стабільності екосистемам планети.

Поки що ці зміни маловідчутні, але в біосфері є надто чутливі системи, що перебувають у неврівноваженому стані (насамперед це льодовики, температура яких становить близько 0 °С). Незначні коливання температури спричиняють суттєві зміни стану крижаної системи, що, у свою чергу, впливає на інші системи, оскільки в природі все тісно взаємопов'язане. Спрацьовує загальне правило: у неврівноваженій системі малі флуктуації спричиняють істотні перетворення аж до незворотних змін.

Зміни клімату - це такі зміни кліматичних умов, що безпосередньо чи опосередковано зумовлені діяльністю людини, яка спричинила зміни у фізико-хімічному складі глобальної атмосфери або інших ланках земної кліматичної системи. Несприятливі наслідки змін клімату - це зміни в біосфері, пов'язані із змінами клімату, які дуже негативно впливають на склад, відновну здатність та продуктивність природних і регульованих екосистем, або на функціонування соціально-економічних систем, або на здоров'я і благополуччя людини.

За останні 100 років 1998 рік був найтеплішим; порівняно з періодом 1961-1990 ррм середня температура на Землі зросла на 0,58°С. Кліматологи розцінюють це як різке підвищення температури. Також підраховано, що після 1990 р. впродовж 7 років спостерігалася рекордно висока температура повітря, а 10 найтепліших років зафіксовано починаючи з 1983 р. Минулі два століття були найбільш спекотними за останні 1200 років. Потепління клімату на Землі відбувається нерівномірно - у високих широтах зміни температури майже у 3,5 рази швидші, ніж біля екватора. У Північній півкулі середнє зростання температури на 0,3 °С більше, ніж у Південній; над континентами воно сягає 1,6 °С, а над океаном - 0,8 °С. У результаті в багатьох регіонах клімат став нестабільним, а в окремих місцях навіть стало прохолодніше.

Повсякденні вчинки однієї людини безпосередньо пов'язані з такою глобальною проблемою, як зміна клімату. За підрахунками вчених, у середньому кожен мешканець Землі виділяє 1 т і 100 кг парникових газів на рік. Йдеться далеко не тільки про той С02, який ми видихаємо та який просочується в атмосферу, коли ми відкриваємо пляшку мінеральної води. Цей С02 прихований всюди: в нашій їжі, в нашому одязі, у комп'ютері, у будь-чому. Справді, аби створити будь-яку річ, потрібна енергія. Виробництво енергії поки, на жаль, не обходиться без значних викидів парникових газів. При цьому чим "брудніше" джерело енергії, тим більше С02 приховано у всіх наших придбаннях. Більше того, їх транспортування супроводжується викидами парникових газів, оскільки геліо- і електромобілі для нас залишаються або фантастикою, або, у кращому випадку, незвичайною річчю. Тож маленький африканський банан передбачає утворення набагато більшої кількості С02, ніж 10-кілограмовий херсонський кавун.

Головними складниками внеску кожного мешканця планети у глобальне потепління є використання електроенергії, транспорту, обігрів квартир, використання води й утворення відходів. Як же можна його зменшити? Люди використовують електроенергію для освітлення домівок і офісів, для живлення різноманітних приладів, починаючи від мобільного телефону і закінчуючи холодильниками. Більше того, дедалі частіше електроенергія використовується для охолодження квартир влітку та нагрівання води. Що ж можна змінити? Відмовитися від усіх благ цивілізації? Звичайно, ні. Ці речі, невідомі людям ще декілька десятиріч назад, здається, є незамінними зараз. Насамперед варто вимикати всі електроприлади, коли у них немає потреби, оскільки вони невпинно видихають парникові гази в атмосферу. На рівні країни, а тим більше світу, цей внесок є досить суттєвим.

По-друге, підраховано, що кожні 15 л води з електроводонагрівача - це 1кг парникових газів, а сучасні компактні флуоресцентні лампи забезпечують збереження енергії завдяки більш ефективному її перетворенню на світло, мають набагато триваліший час використання, а також, завдяки меншому виділенню тепла, економлять витрати на охолодження квартир влітку.

Робить свій внесок у зміну клімату і транспорт. У США, наприклад, у середньому в кожній родині 1,8 водіїв на 1,9 автомобілів. Одночасно зі збільшенням кількості автотранспорту зростає і кількість викидів С02. Найпростіший вихід із такої ситуації - використання громадського транспорту. Викиди автомобіля, розділені на кількість людей у тролейбусі, автобусі чи потягу, суттєво зменшать особистий внесок кожного у глобальне потепління. Крім того, на збільшення кількості автомобілів і залежності власників від них відповідно реагуватиме й інфраструктура. Можна уявити, що через кілька десятків років просто не буде тротуарів, якими ходитимуть пішоходи.

Обігрів квартир за допомогою газових установок чи системи центрального теплопостачання також робить суттєвий внесок у збільшення кількості парникових газів. За підрахунками, підвищення температури в наших оселях на 1 °С потребує додаткових 10 % палива. Тому, мабуть, інколи краще одягнутись тепліше замість того, щоб нагрівати квартиру до температур літа. Тобто власники великих маєтків та квартир із порожніми кімнатами, у яких підтримується "літня" температура, могли б значно сприяти зменшенню викидів парникових газів.

Щодо водоспоживання, то цінність води, її парниковий внесок збільшується із відстанню, яку вона проходить до потрапляння у оселі чи офіси. Ніхто, на жаль, не замислюється, що кожна крапля з крану, який протікає, - це порція вуглекислого газу в атмосферу, не кажучи вже про потік води з відкритого крану. Виходом є використання сучасної сантехніки, яка допоможе зменшити витрати води, а також усвідомити необхідність її економії.

І нарешті - утворення відходів. Ніхто дуже не переймається тим, скільки ресурсів, сировини витрачається на нікому не потрібні гори пакувальних матеріалів, які у 95 % випадків відразу прямують до смітника, так само як і ресурси, що можуть бути перероблені або повторно використані. Якщо люди купуватимуть потрібні речі, а не упаковку, активно підтримуватимуть ініціативи із сортування сміття, цей процес принесе значні результати. Адже будь-яке скло, пластикова пляшка або папір можуть і мають бути повторно перероблені.

Глобальне потепління клімату, яке є наслідком посилення парникового ефекту в атмосфері, може призвести до підвищення рівня Світового океану насамперед внаслідок танення льодовиків, а також збільшення об'єму води у верхньому шарі океану в результаті так званого термічного розширення. Це розцінюється як глобальна катастрофа, тому що від 30 до 50 % населення земної кулі проживає на узбережжі океану або на близькій до нього території, на островах. Почнеться міграція десятків мільйонів людей, затоплення міст і продуктивних земель, що розташовані невисоко над рівнем моря.

За минулі 100 років показники середньої температури тільки в Європі зросли на 1,2 °С (для порівняння: світове підвищення температури становило 0,6 °С). Загальна кількість опадів за останнє століття збільшилась приблизно на 2 %, причому значне підвищення вологості (10-40 %) клімату відбулося у Північній Європі та на заході Росії. Згідно з прогнозом, у XXI ст. кількість опадів буде збільшуватися на 1-2 % щорічно. Відповідно збільшується ймовірність виникнення повеней в одних регіонах, тоді як інші стануть, можливо, більш посушливими.

За даними ООН, до 2100 р. температура повітря на планеті зросте на З °С, що може призвести до танення льодовиків в Антарктиді, Арктиці і у горах, а це зумовить підняття рівня Світового океану на 2-3 м і затоплення багатьох прибережних районів і великих міст (Нью-Йорк, Лос-Анджелес, Лондон, Венеція, Шанхай тощо). Прогнозується різке підвищення зимової температури у полярних областях залежно від зміщення межі морського льоду до полюсу. Глобальне потепління також може викликати літнє висихання і нагрівання ґрунту в континентальних районах у зоні середніх широт, що пов'язано з раннім таненням снігів і випадінням опадів, зменшенням вологості ґрунту в період переходу від весни до літа.

Глобальне потепління також може зашкодити морським екосистемам: затоплення прибережного мілководдя призведе до загибелі цінних видів риб, збіднення видового різноманіття флори і фауни, порушення гідробіологічного і гідрохімічного режимів вод і, відповідно, до скорочення вилову морепродуктів. "Перегрівання" планети може призвести і до непередбачуваних подій: на одних територіях, можливо, будуть панувати урагани, сильні вітри, смерчі, активізуються ерозійні процеси та інші екологічні лиха, а на інших - повені, зливи, затоплення населених пунктів, продуктивних земель тощо. Крім того, глобальні зміни клімату обов'язково впливатимуть на стан здоров'я людей внаслідок посилення теплового стресу у південних регіонах і поширення багатьох видів інфекційних захворювань.

Отже, зміна клімату є, можливо, найбільш важливою та складною проблемою у сфері охорони навколишнього середовища, яка спіткала людство за останнє століття. Поки недостатньо достовірно визначено потенційні наслідки збільшення в атмосфері концентрації вуглекислого газу та інших парникових газів, але найбільш вірогідним з них є глобальна зміна температурного режиму. Підвищення температури може викликати підвищення рівня моря та зміни в локальних кліматичних умовах, що, у свою чергу, негативно вплине на соціально-економічний розвиток багатьох країн. Нема сумніву в тому, що глобальне потепління зумовить непередбачені зміни у довкіллі. Навіть незначна зміна складників радіаційного балансу може спричинити зміни напрямків вітру і течій океану, що значно вплине на кліматичні умови. Населенню Землі та її екосистемам може бути заподіяно непоправної шкоди.

Комп'ютерні моделі показали, що, якщо вміст парникових газів в атмосфері буде продовжувати зростати, то наприкінці XXI ст. середньорічні температури збільшаться на 1,4-5,8 °С. При цьому рівень Світового океану підніметься на декілька десятків сантиметрів - внаслідок не стільки розтавання полярного льоду, скільки теплового розширення верхнього прогрітого шару. Тобто частина приморських країн може повністю зникнути під водою. У Єгипті результати досліджень довели, що внаслідок підвищення рівня моря на 1 метр буде затоплено регіон, у якому на сьогодні проживає 15 % населення країни і виробляється 16 % продовольства.

Однак глобальне потепління створить серйозні проблеми не тільки жителям приморських країн. Підвищення середньої світової температури лише на кілька градусів може призвести до величезних змін у кліматі планети - зсуву всіх кліматичних зон від екватора до полюсів: південна частина тундри заросте тайгою, на півдні нинішньої тайги виростуть широколистяні ліси. І людям, і тваринам доведеться звикати до нового клімату. Значно зросте ерозія ґрунту, частішими стануть зсуви, затоплення прибережних земель, збільшиться кількість перезволожених земель. Зросте ризик виникнення циклонів, посух, пожеж, повеней, ураганів. Відомо, що кількість стихійних лих на нашій планеті протягом 80-х років XX ст. збільшилась удвічі порівняно із 70-ми роками. У сільському господарстві зросте необхідність у іригаційних заходах, зміниться врожайність і якісний склад культур, а це, у свою чергу, позначиться на тваринництві. В енергетичному секторі найбільш уразливою буде гідроенергетика.

Почнуть масово розмножуватися кровоссальні комахи та шкідники лісу. Багато тропічних та субтропічних видів комах поширяться на півночі, а разом з ними будуть розповсюджуватись хвороби, які вони переносять, - малярія, тропічні вірусні лихоманки тощо. Також можливі різкі відхилення температури в обидва боки від середньої. Те саме спостерігатиметься з опадами і вітрами - зміняться не стільки середні їх величини, скільки відхилення від середнього. Досліджено, що потепління на планеті не буде рівномірним: найбільшим воно буде на полюсах (у 2-3 рази вище за середнє), найменшим у тропіках (50-75 % від середнього рівня). На сьогодні прогнози зміни температури на регіональному рівні мають високий ступінь невизначеності.

Вирішенням проблеми глобального потепління має бути зменшення кількості викидів і збільшення поглиначів парникових газів. Найкращими поглиначами парникових газів є біомаса (ліси) та океан. Коли ми спалюємо ліси, то не тільки збільшуємо викиди С02, СН4, а й зменшуємо кількість природних поглиначів. Знищення лісів негативно впливає на обидва процеси: поглинання і викиди. На останній X конференції сторін Рамкової конвенції ООН про зміну клімату, яка відбулася в Буенос-Айресі, вченими і дослідниками питань парникового ефекту загалом розглядалося близько 40 ймовірних сценаріїв, за якими відбуватиметься процес глобального потепління. У "найгірших" прогнозах передбачено підвищення найближчим часом температури Землі на 11 °С, уповільнення обертання земної кулі навколо своєї осі, вимирання багатьох видів рослин і тварин, навіть настання нового льодовикового періоду. І хоч би якими дивними такі прогнози не були, потепління порушить усталене функціонування екологічних систем, відобразиться на природних ресурсах, санітарних та інших умовах життя людей, торкнеться усіх елементів життєдіяльності і може стати причиною різних соціальних та економічних зрушень.

Підвищення температури у районах з холодним кліматом знизить смертність від переохолодження, застудних захворювань, але негативних наслідків від такого потепління буде значно більше. Воно матиме прямі наслідки для здоров'я людей: підвищиться рівень серцево-судинних, респіраторних захворювань; зросте кількість травм, психологічних розладів, що пов'язано насамперед із підвищенням інтенсивності і тривалості природних аномалій - повеней, смерчів, ураганів; зросте захворюваність внаслідок розширення середовища проживання особливо шкідливих комах, браку продуктів харчування і води. У бідних країнах населення постраждає більше, ніж у багатих. Проте вразливість багатих держав зростатиме в міру старіння їх населення.

Отже, якщо людство не зменшить кількість і масштаби забруднення атмосфери і глобальна температура буде збільшуватися й надалі, то дуже швидко клімат стане теплішим, ніж коли-небудь за останні 100 тис. років. Підвищення найближчими десятиліттями середньорічної температури на планеті на 1,5-2 °С зумовить активне прискорення глобальної екологічної кризи.

Занепокоєна загрозою парникового ефекту, світова спільнота намагається запровадити низку запобіжних заходів. У 1992 р. Конференцією ООН з питань довкілля і розвитку у Ріо-де-Жанейро було прийнято Рамкову конвенцію про зміну клімату, головною метою якої є пошук шляхів стабілізації концентрації парникових газів у атмосфері на такому рівні, який не допускав би шкідливого антропогенного впливу на кліматичну систему. Конвенцію підписали майже всі держави - члени ООН; вона набула чинності у 1994 р.

Рамкова Конвенція ООН про зміну клімату (UNFССС) становить на сьогодні єдину міжнародно-правову базу з питань захисту клімату. 189 країн - учасниць Рамкової Конвенції щороку зустрічаються на кліматичних конференціях ООН. Найвідоміша з них відбулася 1997 р. в японському місті Кіото, внаслідок чого було прийнято Кіотський протокол.

Кіотський протокол є міжнародною угодою про обмеження викидів в атмосферу парникових газів. Був прийнятий у м. Кіото (Японія) 11 грудня 1997 р. Країни-учасниці зобов'язані зменшити середньорічні обсяги викидів парникових газів за період 2008-2012 рр. у середньому на 5,2 % порівняно з 1990 р. Окремі зобов'язання щодо їх зниження взяли Японія - на 6 %, СІЛА - на 7 % та ЄС - на 8 %. У межах Європейського Союзу на окремі країни були накладені різні обмеження. Зокрема, у червні 1998 р. міністри навколишнього середовища країн ЄС своєю постановою зобов'язали Австрію зменшити викиди парникових газів на 13 % (для порівняння: північні країни ЄС зобов'язані досягти максимального їх зниження - на 28 %).

Для вступу в дію Кіотського протоколу з 35 індустріальних країн цей документ мали ратифікувати стільки країн, щоб на них припадало, як мінімум, 55 % викидів двоокису вуглецю. Після того, як наприкінці 2004 р. до нього приєдналася Росія (17,4 % світових викидів С02), то зазначений документ набув чинності 16 лютого 2005 р. Частка країн за викидами С02, які приєдналися до протоколу, становить на сьогодні 62 %. Проте країни, що вже ратифікували договір, не мають особливих стимулів його виконувати, оскільки до них ще не приєдналися США (25 % світових викидів) та Китай.

Кожна країна може зменшувати викиди парникових газів різними шляхами - скороченням виробництва, раціональнішим використанням тепла й енергії, удосконаленням транспортного сектору, а також здійсненням проектів в інших країнах. Як відомо, Кіотським протоколом передбачаються гнучкі механізми щодо зменшення парникових газів шляхом закупівлі відповідних сертифікатів за кордоном.

Для урегулювання викидів парникових газів країни ЄС роблять ставку на внутрішню торгівлю сертифікатами викидів, які "де факто" репрезентують право на забруднення навколишнього середовища. Починаючи з 2005 р., кожне європейське промислове підприємство отримує певну кількість таких сертифікатів. Якщо деякі з них можуть зменшувати шкідливі викиди, наприклад, шляхом технологічних новацій, то отримують право продавати залишкові сертифікати іншим фірмам, які перевищують норми наданого їм ліміту. Таким чином ініціюється національний, а згодом, і європейський ринок сертифікатів, який з погляду економічної теорії становить один з найкращих методів регулювання шляхом штучно сформованого ринку. Внаслідок цього ціни не утворюються вільно, оскільки пропозиція формується державою. Отже, є можливість для налагодження міжнародної співпраці у сфері скорочення викидів парникових газів, підставою для якої стає торгівля квотами.

Сьогодні відбувається так званий Післякіотський процес, у межах якого проходять переговори щодо політики захисту клімату з 2012 до 2020 року.