Парниковый эффект и глобальное потепление климата¶
Парниковый эффект — повышение температуры нижних слоев атмосферы по сравнению с температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса, вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности (рис. 1).
Земля получает энергию от Солнца в виде ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного излучения. Около 26 % поступающей солнечной энергии отражается в космос атмосферой и облаками, а 19 % поглощается атмосферой и облаками. Большая часть оставшейся энергии поглощается поверхностью Земли. Поскольку температура поверхности Земли ниже чем Солнца, Земля излучает на длинах волн, которые намного больше, чем длины волн, которые были поглощены. Большая часть этого теплового излучения поглощается атмосферой и нагревает ее. Атмосфера также нагревается за счет тепловых потоков с поверхности. Атмосфера излучает энергию как вверх, так и вниз; часть, излучаемая вниз, снова поглощается поверхностью Земли.
Идеальное теплопроводящее черное тело на том же расстоянии от Солнца, что и Земля, должно иметь температуру около 5,3 °C. Однако, поскольку Земля отражает около 30 % падающего солнечного света, эффективная температура этой идеализированной планеты (температура абсолютно черного тела, которое испускает такое же количество излучения) будет около –18 °C. Температура поверхности этой гипотетической планеты на 33 °C ниже фактической температуры поверхности Земли, составляющей примерно 14 °C. Парниковый эффект — вклад парниковых газов в эту разницу.
Вклад парниковых газов в парниковый эффект зависит не только от их парниковой активности, но и от их количества в атмосфере. Основным парниковым газом в атмосфере Земли является водяной пар.
По процентному вкладу парниковых газов в парниковый эффект на Земле выделяют (рис. 2):
- водяной пар, 36–70 %
- углекислый газ, 9–26 %
- метан, 4–9 %
- озон, 3–7 %
Кроме этих четырёх газов, следует упомянуть закись азота, парниковая активность которого в 298 раз выше, чем у углекислого газа.
С 1750 года средняя глобальная атмосферная концентрация закиси азота N2O возросла на 22 % от 269 до 329 частей на миллиард по объёму (ppbv) в 2017 году.
Парниковая активность фреонов в 1300–8500 раз выше, чем у углекислого газа. Основным источником фреона являются холодильные установки и аэрозоли.
До промышленной революции выбросы были очень низкими. До середины 20 века рост выбросов был относительно медленным. В 1950 году в мире было выброшено чуть более 5 млрд т углекислого газа — примерно столько же, сколько выбрасывает США, или половина ежегодных выбросов Китая сегодня.
К 1990 году эта цифра увеличилась в четыре раза до 22 млрд т. Выбросы продолжали быстро расти; сейчас мы выбрасываем более 36 млрд т в год (рис. 4).
Рост выбросов замедлился за последние несколько лет, но они еще не достиг своего пика.
Азия, безусловно, является крупнейшим источником выбросов, на нее приходится 53 % мировых выбросов. Однако, поскольку здесь проживает 60 % населения мира, это означает, что выбросы на душу населения в Азии немного ниже, чем в среднем в мире.
Китай со значительным отрывом является крупнейшим источником выбросов в Азии и в мире: он выбрасывает почти 10 млрд т ежегодно, что составляет более четверти мировых выбросов (рис. 5).
Северная Америка, где доминируют США, является вторым по величине региональным источником выбросов, на долю которого приходится 18 % мировых выбросов. За ней следует Европа с 17 %. На диаграмме 28 стран Европейского Союза объединены, поскольку они обычно ведут переговоры и ставят общие цели в области охраны окружающей среды.
Африка и Южная Америка являются довольно небольшими источниками выбросов: на каждую из них приходится по 3–4 % мировых выбросов.
Это привело к повышению среднегодовой температуры на планете на 0,6 °C (рис. 6 и 7). При этом фактическое потепление идет быстрее, чем расчетное.
Текущая климатическая политика приведет к замедлению роста выбросов углекислого газа и других парниковых газов, однако, принимаемые меры недостаточны для быстрого достижения международных целей (рис. 8).
Как видно на диаграмме, текущая политика в области климата и энергетики снизит потепление по сравнению с тем, если бы она не проводилась. На диаграмме показаны сценарии будущих выбросов парниковых газов с учетом ряда допущений:
- если климатическая политика не будет проводиться;
- если текущая политика продолжится в том виде, как она существует сейчас;
- если все страны выполнят свои текущие обещания по сокращению выбросов в будущем;
- и необходимые пути, которые совместимы с ограничением потепления 1,5 °C или 2 °C потепления в этом столетии.
Если бы страны выполнили свои текущие «обещания», это было бы очень хорошо.
Но если наша цель — ограничить потепление до «значительно ниже 2 °C» — как это предусмотрено в Парижском соглашении, — мы явно далеки от этого.
Робби Эндрю 🡥, старший научный сотрудник Центра международных исследований климата (CICERO 🡥), наметил сценарии глобального сокращения выбросов, необходимых для ограничения глобального потепления до 1,5 °C и 2 °C. Эти кривые смягчения последствий, основанные на специальном отчете МГЭИК о температуре 1,5 °C и работе Майкла Раупаха, опубликованном в журнале Nature Climate Change , показывают, что для достижения любой из этих целей необходимо безотлагательное и быстрое сокращение выбросов. И чем дольше мы откладываем пик выбросов, тем более резкими должны быть эти сокращения.
Возможно, мы делаем медленный прогресс по сравнению с миром без какой-либо климатической политики, но мы все еще далеки от темпов прогресса, которые необходимы нам для достижения международных целей.
Отрицательные для человечества последствия глобального потепления:
- повышение уровня Мирового океана в результате таяния материковых и морских льдов и теплового расширения океана ведет к затоплению приморских равнин, усилению абразионных процессов, ухудшению водоснабжения приморских городов, деградации мангровой растительности и так далее;
- таяние вечной мерзлоты вызывает разрушение инфраструктуры: дорог, строений, коммуникаций, активизирует процессы заболачивания, термокарста и так далее;
- увеличение числа экстремальных (неблагоприятных) погодных явлений (наводнений, засух, ураганов и так далее) наносит существенный экономический и экологический ущерб;
- расширение ареалов болезней и вредителей;
- сокращение биоразнообразия: при потеплении выше 2 °С до 40 % видов могут оказаться под угрозой исчезновения;
- усиление аридности климата ряда территорий. Однако возможно как увеличение влажности климата тех или иных территорий, так и снижение.
Положительные для человечества последствия глобального потепления:
- улучшение продуктивности сельского хозяйства и природных экосистем. Повышение концентрации углекислого газа увеличит интенсивность фотосинтеза, а значит, продуктивность диких и культурных растений. Положительный эффект может быть нивелирован ростом числа опасных погодных явлений;
- сокращение длины отопительного сезона;
- развитие навигации по Северному морскому пути (вследствие таяния льдов в Северном Ледовитом океане);
- возрастание влажности климата аридных зон. Повышение температуры ведет к увеличению испарения с поверхности океана. Однако, возможно, как увеличение влажности климата тех или иных территорий, так и снижение.