Мир путешествий и приключений - сайт для нормальных людей, не до конца испорченных цивилизацией

| планета | новости | погода | ориентирование | передвижение | стоянка | питание | снаряжение | экстремальные ситуации | охота | рыбалка
| медицина | города и страны | по России | форум | фото | книги | каталог | почта | марштуры и туры | турфирмы | поиск | на главную |


OUTDOORS.RU - портал в Мир путешествий и приключений

На суше и на море 1974(14)



ФАКТЫ ДОГАДКИ СЛУЧАИ

ОКЕАН И ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ АТМОСФЕРЫ


ОКЕАН И ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ АТМОСФЕРЫ

Современный климат Земли находится в неустойчивом состоянии подобно игральной кости, упавшей на ребро и не знающей, на какую грань лечь. Этих граней—вариантов устойчивого климата две: или гигантское всемирное оледенение, или теплые условия третичного периода, когда широколиственная лесная флора покрывала арктические острова. Такое потепление, по словам видного советского климатологам. И. Будыко, может произойти «с громадной скоростью» — примерно в сто тысяч раз быстрее, чем похолодание.

Для этого нужен незначительный толчок. Если поступление солнечного тепла возрастет всего лишь на 1%, средняя температура воздуха у земной поверхности поднимется на 1—2°. Казалось бы, почти неощутимое изменение... Однако оно способно мало-помалу привести к исчезновению многолетних льдов в Северном Ледовитом океане. Если же повышение температуры воздуха составит 3—4°, таяние льдов произойдет как бы на наших глазах. По расчетам М. И. Будыко, морские льды четырехметровой толщины растают за четыре года, если температура воздуха только трех летних месяцев будет над Северным Ледовитым океаном на четыре градуса выше обычной. К чему приведет в свою очередь таяние льдов?

Они отражают солнечные лучи приблизительно в восемь раз лучше, чем вода. Значит, исчезновение льдов резко увеличит поглощение солнечных лучей поверхностью планеты и приведет к коренным изменениям климата. Температура воздуха на северном полюсе повысится, как полагает М. И. Будыко, в теплое полугодие на 8, а в холодное на 22° и будет равна летом плюс 5, а зимой минус 5 градусов.

Откуда же может взяться тепловая энергия, достаточная для таяния льдов и равная 1 — 2% поглощаемой Землей радиации Солнца? Земля не только поглощает солнечное тепло, но и излучает собственное, как и каждое нагретое тело. Хотя тепловое излучение Земли невидимо для глаза, оно столь же велико, как и радиация Солнца, поглощаемая Землей, и даже немного больше, так как тепло приходит и из недр Земли. Если допустить, что какая-то планета будет поглощать тепла больше, чем излучать, то она должна все сильнее и сильнее разогреваться. Уменьшение излучаемого планетой тепла имеет для климата такое же значение, как и увеличение поглощаемого ею. Поглощаемая и излучаемая радиации равны по величине, но весьма различны по составу электромагнитных волн. Он зависит от температуры излучающего тела. Чем температура выше, тем короче волны, из которых состоит излучение.

Температура поверхности Солнца около 6000°, и длина волн солнечной радиации на 99% находится в диапазоне 0,17—4 микрона. Максимум солнечного излучения приходится на видимую часть спектра — свет (0,35—0,75 микрона). Температура Земли меняется в основном в пределах от +40 до —40°, а максимум излучения падает на волны длиной от 9 до 12 микрон.

Молекулы некоторых веществ обладают способностью пропускать коротковолновые лучи и поглощать длинноволновые. Таким свойством, получившим название тепличный (или парниковый) эффект, обладают трехатомные молекулы водяного пара, углекислого газа и кремнезема, из которого получают стекло. Стекло наших окон и парниковых рам — своего рода полупроводник, пропускающий лучистую энергию лишь в одном направлении. Но теплозащитные свойства стекла не ограничиваются, конечно, этим. Если бы в комнате не было стекол, то нагретый воздух поднимался бы и уходил вверх, подобно дыму из трубы. Стекло, как и, например, полиэтиленовая пленка, препятствует этому.

По данным некоторых исследователей, в результате парникового эффекта в атмосфере задерживается 78% земного излучения. При этом водяной пар задерживает 60%, а углекислый газ — 18% теплового излучения Земли. Средняя годовая температура Земли при исчезновении из атмосферы углекислого газа понизилась бы на 21° С, а при удвоении его содержания повысилась бы на 4° С. Поэтому, говоря о климате, очень важно знать пути поступления углекислого газа и ухода из атмосферы. Его в атмосфере Земли сравнительно немного, всего 0,03% объема. Но это составляет около 2,3-1012 m углекислого газа. Цифра весьма внушительная. И однако только в результате человеческой деятельности в атмосферу в виде СО2 поступило такое же количество углерода, и с развитием промышленности это поступление растет. Полагают, что к 2000 году ежегодные выбросы в атмосферу углекислого газа увеличатся в пять раз. Отсюда и прогнозы о потеплении климата Земли.

Некоторые зарубежные ученые говорили даже о том, что уже в начале 70-х годов нашего века он потеплеет настолько, что начнется переселение в Европу африканских животных. Однако этого, как мы теперь видим, не случилось. Интересно и другое. Ежегодное поступление углекислого газа, судя по количеству сжигаемого топлива, в четыре раза больше (1010 т), чем рост концентрации С02 в атмосфере, по данным измерений. Куда же девается большая часть углекислого газа?

Ученые давно уже пришли к выводу, что основным регулятором концентрации атмосферной углекислоты служит океан. В нем содержится углекислого газа примерно в 100 раз больше, чем в атмосфере. Дело в том, что растворимость С02 в воде во много раз выше, чем других газов атмосферы, в том числе кислорода и азота. Растворение газов в жидкости — процесс обратимый. Поглощенные водой молекулы газа находятся в непрерывном тепловом движении, их кинетическая энергия тем выше, чем выше температура воды. Энергия некоторых молекул растворенного газа столь велика, что им удается «вырваться» из раствора, и они снова переходят в воздух. Устанавливается динамическое равновесие между поступлением газа из воздуха в раствор и из раствора в воздух, при этом концентрация растворенного газа прямо пропорциональна концентрации его в воздухе (точнее, давлению, поскольку каждый газ ведет себя так, словно образует независимую атмосферу). Это правило растворимости, пропорциональной давлению, называется законом Генри.

Растворимость газов зависит и от температуры воды. Но здесь речь идет об очень небольших изменениях средней температуры —на 2— 5°, которые мало влияют на растворимость газов, но способны дать начальный толчок к изменению климата Земли. При составлении точных математических моделей температурная поправка к закону Генри учитывается.

Если концентрация в атмосфере (и, значит, давление) какого-то газа, например углекислого, окажется выше величины, определяемой законом Генри, то океан поглотит большую часть этого избытка. Если же, наоборот, содержание газа в атмосфере понизится, то из океана поступит определенная порция этого газа.

Фото. Океан регулирует количество углекислого газа в атмосфере (простая модель)

Однако часть молекул углекислого газа успевает вступить в химическую реакцию с водой, образуя угольную кислоту. Кислота остается в растворе и сама претерпевает дальнейшие химические изменения. Вот поэтому-то растворимость углекислого газа намного больше, чем азота и кислорода, а также благородных газов, которые химически не взаимодействуют с водой. При 0° литр морской воды может поглотить из атмосферы 50 см3 углекислого газа, а кислорода — только 8 см3, а ведь в атмосфере давление первого составляет 0,23 мм, а второго — 158,8 мм ртутного столба. В действительности способность океана поглощать из атмосферы избыточную углекислоту еще выше. Говоря о растворении газов, мы невольно уподобляли океан стакану с водой. Более правильно сравнить с бассейном, который имеет входы и выходы. Этот бассейн соединен с атмосферным резервуаром углекислоты по принципу сообщающихся сосудов, причем первый из этих сосудов в сто раз больше, чем второй. Через один из входов в бассейн, как показано на рисунке, происходит обмен углекислым газом между океаном и атмосферой, причем преимущественно поступление его в океан, а через другой — обмен (преимущественно отвод) благодаря химическим и биохимическим реакциям в океане. Химический канал такой транспортировки углекислого газа представляет собой систему последовательных обратимых (как и процесс растворения) реакций, включающих распад угольной кислоты на ионы водорода и бикарбо-натионы (НСО^Л, а последних — снова на ионы водорода и карбонат-ионы (СО23). Ионы СО2-з связываются ионами кальция в нерастворимый СаСO3, оседающий на дно океана и образующий известковые породы.

Благодаря осаждению СаСO3 на протяжении миллионов лет осуществляется перекачивание С02 из океана и через океан из атмосферы в донные отложения — известняк. За историю Земли его отложилось в десять тысяч раз больше, чем сейчас СO2 в атмосфере. Такое же направление потока и биологического канала транспортировки СO2. Фотосинтезирующие организмы потребляют углекислоту, создавая органическое вещество, которое включается через пищевые блоки в биомассу всех организмов океана, заключающую в себе 3*1010 т СO2. Отмершие организмы, или, как их называют океанологи, детрит, оседают на дно океана, превращаясь со временем в ископаемый уголь и нефть. Количество этих ископаемых в тысячу раз больше содержания в атмосфере углекислого газа, из которого они в конечном счете образовались. Интенсивность биологического потока, выводящего углекислый газ из атмосферы и в значительной степени из круговорота его в природе вообще, очень велика: за 300—400 лет (ничтожный срок в геологических масштабах!) организмы потребляют такое же количество углекислоты, какое содержится во всей атмосфере.

Оба потока, регулирующие концентрацию СО2, составляют равновесную систему и состоят из последовательных звеньев, содержащих различные химические формы углерода. Нельзя изменить концентрацию углерода ни в одном звене без того, чтобы не вызвать ее изменений во всех остальных звеньях, что приводит к новому состоянию равновесия.

Проследим за этой взаимосвязью в биологическом потоке. Если концентрация СО2 в атмосфере повысится, значительная часть углекислого газа поглотится по закону Генри морской водой. Но из-за повышения концентрации углекислого газа в морской воде возрастет его потребление организмами, а так как должно соблюдаться равновесное соотношение СО2 в океане и атмосфере, то океан поглотит дополнительное количество углекислого газа и т. д. Эта волна интенсификации потока пройдет до самого конца цепочки — до увеличения количества отмерших организмов (детрита), попадающих за год на дно океана: равновесная система реагирует на внешнее изменение так, чтобы ослабить проявление этого изменения.

Для наглядного представления о природной системе автоматического регулирования вернемся к рисунку с сообщающимися сосудами. Стрелками, устремленными к крану, отмечены процессы, приводящие к поступлению СО2 в атмосферу. Это вулканическая деятельность, химическое и биологическое окисление содержащих углерод веществ в природных условиях, наконец, работа промышленных предприятий.

Все, что показано на рисунке, можно построить в виде модели, в которой запасы и потоки углерода или углекислого газа будут заменены объемами и потоками воды. Такие модели называют гидродинамическими. До последнего времени их успешно использовали в научных исследованиях и технических расчетах, пока на сцене не появились быстродействующие электронно-вычислительные машины. Но гидродинамические модели помогают наглядно представить сложные процессы. Сейчас такая модель нам пригодится, чтобы выяснить, почему океан регулирует содержание СО2 в атмосфере, хотя существует и обратное влияние атмосферы на содержание углекислоты в океане.

После того как в сосудах установилось равновесие, добавим в сосуд «атмосфера» столько же воды, сколько там ее было. Если говорить о природных условиях, пусть это будет экстремальный случай — катастрофически мощный выброс в атмосферу СО2 при извержении гигантского вулкана. Как ответит модель на такое мощное однократное возмущение? Из сосуда «атмосфера» избыток воды начнет поступать в сосуд «океан». Скорость перетекания зависит от разности уровней воды в сосудах и сечения трубки, соединяющей сосуды. Через некоторое время уровень воды в сосуде «атмосфера» заметно понизится, но, поскольку в сосуде «океан» воды в сто раз больше, мы почти не заметим повышения уровня в сосуде «океан». Но скорость перетекания воды тем больше, чем выше уровень воды в сосуде. Поэтому даже это незаметное для глаза повышение уровня воды в сосуде «океан» приведет к ускорению оттока воды из него через каналы, связанные с фотосинтезом и отложением известняка. Со временем, несмотря на вызванное нами мощное возмущение, уровни воды в сосудах «атмосфера» и «океан» займут то же самое положение, что и раньше. Если, наоборот, мы отчерпнем из сосуда «атмосфера» какое-то количество воды, все повторится, но в обратной последовательности. Результат окажется тот же. Эту способность возвращаться в исходное стационарное состояние после любого однократного возмущения называют эквифинальностью («экви» — одинаковый, «финал» — конец). По принципу эквифинальности происходит саморегуляция всех систем, открытых для обмена с окружающей средой. В этом отношении океан напоминает живую клетку.

На модели весь этот процесс регулирования содержания СО2 можно воспроизвести за несколько минут. В природе восстановление уровня углекислоты в атмосфере после возмущений занимает много лет и потому может не успеть предотвратить климатические изменения. Недавно ученые довольно точно вычислили скорость обмена углекислым газом между атмосферой и поверхностным слоем океана. Оказалось, что за год около ста миллиардов тонн атмосферного СО2 растворяется в море — это в десять раз больше, чем образуется углекислоты при сжигании всех видов топлива. Но поступление газа из верхнего сравнительно тонкого слоя океана в его глубинные воды происходит медленно. Поэтому способность океана своевременно регулировать концентрацию углекислого газа в атмосфере не беспредельна, она определяется наиболее медленным процессом — погружением и перемешиванием океанских вод.

Означает ли все это, что климат нашей планеты обязательно изменится при достаточно большом поступлении СО2 в атмосферу? Пример с прогнозом переселения африканских животных в Европу свидетельствует о том, как неосторожно делать какие-либо предсказания на основании лишь одного фактора. Деятельность человека вызывает многосторонние изменения в природных условиях. Некоторые из них «работают» на потепление климата, другие, наоборот, на похолодание. Например, сжигание топлива вызывает не только образование углекислого газа, но и запыление атмосферы. А это препятствует проникновению солнечной радиации к поверхности Земли.

На протяжении миллионов лет в природном круговороте углерода существовали геохимические тупики — отложения его в виде известняка, нефти, угля. В эти тупики из атмосферы непрерывно перекачивается и перекачивается углекислый газ, и сейчас в активном обращении находится только сотая доля элемента жизни — углерода. Подавляющая его часть захоронена в кладовых природы. Но углеродный голод не угрожает биосфере: благодаря промышленной деятельности человека все большее количество захороненного углерода возвращается в круговорот в виде СО2.

Способность океана регулировать количество углекислого газа в атмосфере хоть и велика, но, как мы видели, имеет определенные пределы. Поэтому, решая проблемы сохранения существующего равновесия в природе, надо всесторонне учитывать роль океана в парниковом эффекте атмосферы.

Тамерлан Айзатуллин,
Владимир Лебедев



 
Рейтинг@Mail.ru
один уровень назад на два уровня назад на первую страницу