Химические и физические основы появления парникового эффекта

Физика парникового эффекта

Парниковый эффект вокруг планеты имеет связь с присутствием вокруг нее устойчивой атмосферы.

Для поддержания теплового баланса Земля должна отдавать столько же энергии, сколько получает от Солнца. Однако атмосфера нашей планеты состоит из различных газов, таких как углекислый газ и водяной пар, которые действуют подобно стеклу в теплице – они поглощают инфракрасное излучение и частично возвращают его обратно к поверхности. Этот процесс приводит к повышению температуры и создаёт так называемый "эффект одеяла".

Концепция парникового эффекта была впервые предложена в 1824 году французским математиком и физиком Жаном Фурье, но на тот момент ещё не были известны газы, ответственные за поглощение инфракрасного излучения. Позже, в 1859 году, Джон Тиндал обнаружил, какие именно компоненты атмосферы участвуют в этом процессе.

Шведский учёный Сванте Аррениус одним из первых выдвинул гипотезу о связи углекислого газа с изменением температуры. Он доказал, что даже небольшое его содержание в атмосфере (около 0,3%) способно удерживать тепло, увеличивая среднюю температуру Земли на 5-6 градусов по сравнению с условиями, если бы CO₂ отсутствовал.

Любое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает электромагнитные волны. Интенсивность этого излучения зависит от температуры объекта. Например, Солнце, с поверхностной температурой около 6000 градусов, испускает свет в видимом диапазоне (с длиной волны примерно 0,5 микрона).

Атмосфера почти полностью прозрачна для солнечного света, поэтому большая часть энергии достигает поверхности Земли, где она поглощается и нагревает планету. Земля, в свою очередь, также излучает энергию, но с более низкой температурой (в среднем +15°C), что смещает максимум её излучения в инфракрасный диапазон (около 15 микрон). Именно это длинноволновое излучение сильнее всего поглощается атмосферой, что приводит к эффекту удержания тепла.

 Атмосфера частично задерживает солнечную энергию, а около трети поступающего излучения отражает обратно в космос. Из 342 ватт, поступающих на каждый квадратный метр поверхности, 102 ватта отражаются, а оставшиеся 240 ватт проходят через атмосферу.

Часть этой энергии затем снова отражается и рассеивается в атмосфере, проходя через неё повторно и теряя часть мощности. Однако значительная доля всё же возвращается к поверхности Земли, что способствует её нагреву.

Парниковый эффект и его роль в сохранении тепла

Ключевую роль в парниковом эффекте играет способность земной поверхности отражать солнечные лучи, а атмосферы – пропускать и удерживать тепловое излучение.

Если бы парниковый эффект отсутствовал, поверхность Земли получала бы 240 ватт на квадратный метр и полностью отражала бы их обратно в космос. Однако на самом деле этого не происходит: около 160 ватт (две трети) поглощаются и нагревают поверхность, а оставшиеся 80 ватт уходят обратно в атмосферу.

Для поддержания энергетического равновесия планета должна излучать в космос столько же энергии, сколько получает – те же 240 ватт. Однако Земля не только отражает солнечный свет, но и испускает собственное инфракрасное излучение, что в сумме даёт около 300 ватт на квадратный метр.

Земля получает от Солнца 240 ватт на квадратный метр, но отдаёт в космос 380 ватт. Из этого количества около 150 ватт проходит через атмосферу, а остальная энергия задерживается, возвращаясь обратно к поверхности. Таким образом, атмосфера удерживает тепло, создавая эффект «самонагрева» планеты.

Химические процессы в парниковом эффекте

Большая часть инфракрасного излучения, задержанного парниковыми газами, возвращается в тропосферу, предотвращая его полное рассеивание в космос. Исключением является озоновый слой, концентрация которого увеличивается с высотой.

Озоновый слой наиболее плотен на высоте 20–25 км. Однако в тропосфере его содержание составляет всего 10% от общего объёма. Если этот слой истощается на 6,8%, то уровень озона в атмосфере уменьшается на 2,6%, а содержание метана — на 5,5%. При этом концентрация свободных радикалов OH возрастает на 5%, а атомарного кислорода — на 12%.

Разрушение озонового слоя ведёт к увеличению потока ультрафиолетового излучения в диапазоне 290–320 нм. Радикалы OH, вступая в реакции с молекулами метана и фторуглеродов, уменьшают их концентрацию в атмосфере, тем самым ослабляя парниковый эффект.

Даже небольшие разрушения тропосферного озона могут способствовать дополнительному снижению парникового эффекта.

Химические процессы, происходящие в тропосфере, оказывают значительное влияние на усиление парникового эффекта. Основные причины этого:

• увеличение концентрации тропосферного озона из-за выбросов метана, оксида углерода и оксидов азота;
• реакция радикалов OH с возрастающим количеством метана и оксида углерода, что снижает их концентрацию;
• дополнительный рост количества OH-радикалов.

Процесс окисления метана и оксида углерода способствует образованию озона и проходит поэтапно:

1. Окисление метана.
2. Окисление оксида углерода.
3. Окисление оксида азота.

Основные парниковые газы

Парниковый эффект связан со следующими веществами, участвующими в его создании:

• углекислый газ (CO₂) – 64% влияния на глобальное потепление;
• метан (CH₄) – 20%, имеет как природное, так и антропогенное происхождение;
• закись азота (N₂O) – 6%.

Перфторуглероды (ПФУ) – углеводороды, в которых фтор частично заменяет углерод. Их основными источниками являются:

• производство алюминия,
• использование растворителей,
• производство электроники.

Гидрофторуглероды (ГФУ) представляют собой соединения, в которых водород частично замещается галогенами.

Таким образом, тропосферные химические реакции напрямую связаны с концентрацией парниковых газов и их воздействием на климат.

Парниковый газ представляет собой гексафторид серы, его используют в электроэнергетике как электроизоляционный материал. В атмосфере он сохраняется довольно долго и считается активным поглотителем инфракрасного излучения. Отсюда – его потенциальная возможность продолжительное время влиять на климат.

Геополитика глобального потепления

Глобальное потепление неразрывно связано с политическими процессами. Эта связь проявилась особенно ярко в 2008 году, когда в ходе противостояния между странами Большой восьмерки и Большой пятерки возникли разногласия по вопросам климатической политики.

Развитые страны требовали снижения выбросов парниковых газов, однако страны Большой пятерки выразили несогласие, указывая на экономические последствия таких ограничений.

Основой энергетики крупнейших развивающихся стран, таких как Индия и Китай, является каменный уголь. Его запасы в этих странах огромны, и он остается ключевым источником энергии. Однако уголь считается «грязным» топливом, поскольку при его сжигании выделяется около 0,5 тонны углекислого газа на каждую сожженную тонну.

Снижение выбросов углекислого газа в этих странах могло бы негативно повлиять на экономический рост и уровень жизни их населения.

Развитие и экология: поиск компромисса

Для Индии и Китая производство электроэнергии напрямую связано с уровнем жизни населения. Люди хотят жить комфортно, но для этого необходима энергия. Развитые страны предлагают заменить уголь экологически чистыми технологиями, однако это требует огромных затрат и может привести к снижению доступности энергии для большинства населения.

Таким образом, борьба с глобальным потеплением выходит за рамки науки и превращается в геополитический вопрос, в котором баланс между экономическим развитием и экологической безопасностью становится ключевой задачей.

Китайское правительство реализует масштабную программу строительства тепловых электростанций, причем темпы их ввода в эксплуатацию опережают запланированные показатели. В 2005 году были запущены мощности на 70 000 мегаватт, а в 2006 году этот показатель превысил 100 000 мегаватт. В настоящее время 85% электроэнергии Китая вырабатывается за счет угля.

 Киотский протокол: инструмент регулирования или средство давления?

Страны с развитой экономикой заинтересованы в механизмах, ограничивающих промышленное развитие Китая и Индии. Одним из таких инструментов стал Киотский протокол, направленный на сокращение выбросов парниковых газов.

Несмотря на усилия США в ООН, направленные на привлечение государств к подписанию этого документа, сами американцы не ратифицировали его. Китай также отказался подписывать протокол, считая его инструментом давления со стороны развитых стран.

Некоторые страны рассматривают Киотский протокол как средство контроля за развитием быстрорастущих экономик, направленное на сохранение привилегированного положения «старого мира».

Отказ Китая и Индии от подписания Киотского протокола связан не только с экономическими причинами, но и с политическими. Для них соблюдение ограничений означает снижение темпов развития.

Сегодня проблема глобального потепления используется как инструмент международного давления на страны, чья экономика основана на производстве и потреблении углеводородов.