Газы, составляющие атмосферу Земли, и способы, посредством которых энергия проникает через них или поглощается ими, играют критическую роль в регулировании температуры планеты. Атмосфера, в основном состоящая из молекулярного азота (78 процентов) и кислорода (21 процент), содержит небольшое количество газов, именуемых активно поглощающими газами. К ним относятся водяной пар (H₂O) и диоксид углерода - углекислый газ (СО₂), которые присутствуют в незначительных количествах. Эти газы позволяют большей части солнечного света, прежде всего, в видимом диапазоне, проникать сквозь атмосферу до поверхности планеты. Там абсорбируется около 70 процентов энергии, что повышает температуру Земли. В свою очередь, Земля излучает тепловую (инфракрасную) радиацию в космос, поддерживая тем самым энергетический баланс: количество энергии, поступающее в систему атмосфера/Земля, равно количеству, исходящему из нее.

По мере того, как тепловая радиация покидает атмосферу, она перехватывается активно поглощающими газами. Они поглощают восходящую радиацию, при этом нагреваясь. Это соотношение между излучением тепловой радиацией и ее поглощением атмосферой повышает общую температуру Земли и атмосферы по сравнению с тем, каковой она была бы в отсутствие атмосферы. Фактически, в отсутствие активно излучающих газов, температура Земли составляла бы лишь 1,4 градуса по Фаренгейту (17 градусов ниже нуля по Цельсию). Из-за энергии, поглощенной атмосферой, среднемировая температура достигает 59 градусов по Фаренгейту (15 выше нуля по Цельсию). Такая способность повышать температуру именуется "парниковым эффектом", поскольку данный процесс напоминает то, что происходит в парнике, где видимый свет проходит через стеклянные панели в потолке, но тепло остается внутри благодаря поглощению стеклом инфракрасного излучения.

К сожалению, деятельность человека, в частности, сжигание ископаемого топлива, широкомасштабное использование удобрений, животноводство и сведение лесов привело к увеличению концентрации "парниковых газов" в атмосфере сверх естественных уровней. Как ожидается, подобный рост концентрации парниковых газов вызовет повышение среднемировой температуры на планете до уровней, при которых может нарушиться функционирование атмосферных, океанических, экологических систем и, в конечном итоге, самого человечества. Подобное усиление парникового эффекта получило название "глобального потепления".

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на глобальное потепление, являются углекислый газ, метан, галоуглероды и оксид азота. Проведенные в отдаленных районах Земли измерения зарегистрировали явное увеличение концентрации этих газов в атмосфере. Некоторые из них, например, углекислый газ, имеют как природное, так и антропогенное происхождение. Другие, в частности, некоторые галоуглероды, - исключительно антропогенные.

Основные парниковые газы

Диоксид карбона (углекислый газ) (СО₂): важнейший источник климатических изменений, на долю которого приходится, по оценкам, около 64 процентов глобального потепления. Основными источниками выброса углекислого газа в атмосферу являются производство, транспортировка, переработка и потребление ископаемого топлива (86 процентов), сведение тропических лесов и другое сжигание биомассы (12 процентов), и остальные источники (2 процента), например, производство цемента и окисление моноксида углерода. После выделения молекула двуокиси углерода совершает цикл через атмосферу и биоту и окончательно поглощается океаническими процессами или путем длительного накопления в наземных биологических хранилищах (т.е. поглощается растениями). Количество времени, при котором примерно 63 процента газа выводится из атмосферы, называется эффективным периодом пребывания. Этот важнейший для расчета климатического эффекта парникового газа параметр часто связан со значительной неопределенностью. Когда темпы выброса парникового газа превышают скорость его поглощения, его концентрация в атмосфере нарастает. Для углекислого газа это происходит в течение последних 100 лет и более. Оцениваемый эффективный период пребывания для углекислого газа колеблется в пределах от 50 до 200 лет.

Метан (СН₄) имеет как природное, так и антропогенное происхождение. В последнем случае он образуется в результате производства топлива, пищеварительной ферментации (например, у скота), рисоводства, сведения лесов (главным образом, вследствие горения биомассы и распада избыточной органической субстанции). На долю метана приходится, по оценкам, примерно 20 процентов глобального потепления. Выбросы метана представляют собой значительной источник парниковых газов. При образовании парниковых газов молекула метана в 21 раз более эффективна, чем СО₂. В основном, метан удаляется из атмосферы путем реакции с гидроксил-радикалом (ОН)¹. Поскольку многие гидроуглероды и галоуглероды (включая многие истощающие озон соединения) также удаляются из атмосферы путем реакции с ОН, более высокая концентрация метана может оказывать значительное воздействие на общую способность атмосферы по самоочищению от парниковых газов. Имеются некоторые свидетельства, что метан и другие загрязнители привели к сокращению концентрации ОН. Примерно 30 процентов роста концентрации метана в атмосфере объясняется уменьшившейся способностью атмосферы к его поглощению.

Галоуглероды представляют собой класс химических соединений как антропогенного, так и природного происхождения. Они содержат углерод и один или более атомов, относящихся к галогенам (группа химических элементов) - фтору и хлору². С точки зрения глобального потепления наибольшее значение имеют хлорофторуглероды (CFC, также известные под своей торговой маркой, фреоны), в особенности, CFC-11 и CFC-12. Несмотря на то, что они присутствуют в атмосфере в крайне незначительных количествах, эти химические соединения, помимо своего воздействия на истощение озонового слоя, являются сильными поглотителями тепла. На галоуглероды приходится около 10 процентов глобального потепления, но концентрация этих соединений в атмосфере начала сокращаться в результате международного запрета на их производство и потребление. Измерения концентрации сходных соединений, используемых в качестве замены фреонам, - гидрохлорофторуглеродов (HCFC) и гидрофторуглеродов (HFC) - показывают ее рост. Если их концентрация будет продолжать увеличиваться, эти альтернативные вещества могут оказать значительное влияние на глобальное потепление в будущем.

Оксид азота (N₂O): Как и СО₂, оксид азота является естественным компонентом атмосферы. Однако интенсивное использование искусственных азотных удобрений и сжигание ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания составляет большую часть антропогенных выбросов N₂O. На него приходится около 6 процентов глобального потепления.

Измерение и моделирование глобального потепления

Данные о температуре воздуха, собранные за последнее столетие, показывают статистически значительный рост средних глобальных температур - между 0,3 и 0,6 градусами Цельсия с конца XIX века. И хотя присутствуют некоторые неопределенности относительно того, является ли такое потепление следствием парниковых газов, увеличение температур, в целом, соответствует теории глобального потепления. Это свидетельство, в сочетании с более частой повторяемостью экстремальных климатических событий, привели Межправительственную комиссию по изменению климата (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change) к выводу, что баланс свидетельств показывает, что присутствует явное антропогенное воздействие на глобальный климат³.

Для оценки того, какие именно изменения климата могут произойти в результате роста концентрации парниковых газов, разрабатываются модели климата, называемые общими моделями циркуляции, основанные на различных предположениях о функционировании реальных климатических факторов. Хотя и имеются неопределенности при прогнозировании (главным образом, связанные с ролью возросшего испарения и образования облачности на перераспределение радиации и тепловой энергии), сложился почти консенсус относительно оценки, что средняя температура может вырасти от 1,0 до 3,5 градусов Цельсия при удвоении первоначальной, существовавшей до промышленной революции, концентрации углекислого газа. Если сохранятся нынешние тенденции, это может произойти примерно к 2100 г. Температура может вырасти неравномерно - до 10 градусов Цельсия в полярных регионах, и возможно, не вырасти вообще в экваториальном поясе.

Вероятно потепление и сверх этой оценки, если концентрация парниковых газов будет и далее нарастать. Многие исследователи предполагают возможность катастрофического, неожиданного увеличения содержания метана и/или углекислого газа. Возросшие температуры могут вызвать значительное таяние в полярных регионах вечной мерзлоты и мерзлых грунтов, что высвободит содержащееся в них огромное количество метана и углекислого газа. Масштабы образовавшихся в результате этого парниковых газов потенциально могут оказаться столь велики, а их воздействие на состав атмосферы столь непредсказуем, что ни одна из существующих моделей не сможет даже начать оценку последствий хотя бы с умеренной вероятностью. Мы даже не имеем достаточно данных, чтобы рассчитать, насколько вероятна или нет подобная катастрофа. Мы лишь знаем, что она возможна и что вызванные ей изменения значительно превысят все, что прогнозируется нынешними моделями глобального потепления.

Помимо изменений среднемировой температуры, вследствие увеличения поглощения восходящей радиации и вызванного этим потепления могут произойти и другие изменения климата. И хотя прогноз особенностей этих изменений связан со значительными неопределенностями, наиболее важные возможные изменения сводятся к следующему:

• увеличение глобальных осадков, особенно, в средних и высоких широтах в зимний период;
• сокращение увлажняемости почв в средних широтах в летний период;
• уменьшение площади плавучих морских льдов и снежного покрова;
• увеличение интенсивности тропических штормов;
• рост среднего уровня моря на 50 см к 2100 г.

Вследствие указанных изменений в климатических и гидрологических системах вероятны возмущения и в системах экологической, биогеохимической, антропогенной, а также в фауне. Они могут произойти как в результате абсолютных масштабов изменения климата, так и темпов этих изменений. Некоторые исследователи полагают, что темпы потепления и других изменений, возможно, окажутся основной причиной возможных экологических и экономических катастроф, поскольку ни экосистемы, ни население не будут располагать достаточным временем для адаптации⁴.

Возможные варианты

По мере прогресса науки и уменьшения неопределенностей возникает все больше предложений по борьбе с глобальным потеплением. Поскольку выделение СО₂ из ископаемого топлива представляет собой крупнейший источник парниковых газов, внимательно изучаются изменения в нынешнем производстве и потреблении энергии. Так как уголь производит большее количество СО₂ на единицу энергии, чем природный газ, многие предложения предусматривают увеличение доли производства электроэнергии на базе природного газа. Дополнительного сокращения выбросов СО₂ можно добиться путем внедрения мер по повышению эффективности энергетики, например, улучшенного освещения, более эффективных производственных процессов, одновременное производства тепла и электроэнергии, улучшение изоляции зданий, повышение эффективности автомобилей. Предлагается также растущий акцент на ядерную энергетику, но это не представляется альтернативой, полезной с экологической и экономической точек зрения (см. статью по ядерной энергетике).

Принимая во внимание современные тенденции в энергопотреблении и распространение использования электричества на многие районы мира, многие полагают, что постепенный отказ от энергетики, базирующейся на ископаемом топливе, необходим для разрешения в долгосрочном плане проблемы увеличения концентрации СО₂. С этой точки зрения, рассматриваются такие виды энергии, как солнечная, ветра, на основе биомассы. Природный газ может стать хорошим источником топлива при переходе на альтернативные источники энергии. Однако, необходимо отметить, что добыча природного газа, его транспортировка и использование приводят к выделению небольшого количества метана, парниковый эффект которого особенно велик, поскольку он представляет собой более сильный парниковый газ, чем СО₂. Следовательно, растущее потребление природного газа должно сопровождаться мерами по сокращению антропогенных метановых выбросов. Этого можно добиться многими способами, например, использованием метана, выделяемого мусорными свалками (образуется в результате анаэробного разложения органической материи, в частности, пищевых отходов), сокращением потерь при транспортировке, превращение навоза в подлежащий использованию метан методом анаэробной переработки.

Имеется и возможность прямого удаления СО₂ из атмосферы путем насаждения растительности и деревьев; методы удаления называются "углеродным секвестром". Озеленение территорий, ранее находившихся в сельскохозяйственном обороте (например, Новая Англия), позволит постоянно "хранить" часть углекислого газа в почвах и живых клетках. Предлагаются и другие схемы углеродного секвестра, в частности, закачивание СО₂ в подземные и поддонные резервуары.

Ограничение выбросов других парниковых газов - галоуглеродов, оксида азота и метана - также позволит бороться с глобальным потеплением. Как было отмечено выше, некоторые успехи были достигнуты путем регулирования хорошо известных фреонов, однако такие соединения, как гидрофторуглероды и гидрохлорофторуглероды пока или не регулируются или будут продолжать использоваться промышленностью в течении многих десятилетий.

В течение последних ста лет создание парниковых газов в результате человеческой деятельности представляет собой неоспоримый и реальный факт. Общие поглощающие характеристики этих газов также хорошо известны. Эти факты, в сочетании со многими лабораторными экспериментами, наблюдениями за температурой Земли и биогеохимическими характеристиками привели к разделяемому большинством ученых выводу, что растущая концентрация парниковых газов уже оказала негативное воздействие на климат и, скорее всего, окажет на него еще большее воздействие, если не будут предприняты действия по борьбе с ними. Эти действия также известны - основные проблемы здесь связаны не с техническими аспектами, а со стоимостью.

*Кевин Гурни - исследователь проблем атмосферы в Школе экологической науки и менеджмента им. Доналда Брена Университета Калифорнии в Санта-Барбаре. Совместно с Аржуном Макхиджани он является соавтором доклада Mending the Ozone Hole: Science, Technology and Policy, (Cambridge, MIT Press), 1995.