Парниковые газы — жизненно важные компоненты атмосферы Земли. Задерживая тепло, они регулируют температуру на планете — это явление называется парниковым эффектом. Учёные считают, что без парниковых газов средняя температура на поверхности нашей планеты не превышала бы –18 °C , хотя сейчас она достигает +15 °C. Со временем из-за человеческой деятельности увеличилась концентрация этих газов, что стало одной из причин современного глобального потепления и несколько ускорило климатические изменения.

В статье рассказываем, в чём причина парникового эффекта и что делают правительства разных стран, чтобы бороться с проблемой.

Основные парниковые газы

Парниковый эффект обусловлен несколькими видами парниковых газов, каждый из которых образуется из разных источников и обладает уникальными свойствами.

Углекислый газ (CO₂)

Углекислый газ — самый распространённый парниковый газ, образующийся в результате деятельности человека и попадающий в атмосферу во время извержений вулканов. В основном выделяется при сжигании ископаемых видов топлива, (угля, нефти и природного газа) для производства энергии и транспорта. Со времени промышленной революции концентрация CO₂ в атмосфере возросла примерно на 50%. Хотя наибольшие разовые выбросы этого газа всё еще обусловлены вулканической деятельностью и естественными причинами. Это важная движущая сила изменения климата.

Метан (CH₄)

Метан — мощный парниковый газ, потенциал глобального потепления которого более чем в 25 раз превышает потенциал CO₂ в течение 100-летнего периода. В основном образуется в результате сельскохозяйственной деятельности (животноводства и выращивания риса), дегазации тающей вечной мерзлоты, биохимических процессов в болотах при разложении органики, лесных и торфяных пожаров, добыче полезных ископаемых, а также разложения органических отходов на свалках. Концентрация метана выросла более чем в два раза с доиндустриальных времен, это тоже приводит к климатическим изменениям. В истории нашей планеты были времена, когда химический состав атмосферы был иным: содержание кислорода не превышало 0,001%, а основным газом был как раз метан. Однако это происходило примерно 2,5-3,8 млрд лет назад, когда на Земле царствовали бактерии, суши практически не существовало, а средняя температура на планете доходила до +30 и даже в какой-то момент до +50°C.

Закись азота (N₂O)

Закись азота, как правило, образуется в результате микробиологических процессов в почвах, болотах и в водах Мирового океана, из-за сжигания ископаемого топлива, лесных пожаров, промышленных выбросов, а также в результате ведения сельского хозяйства. Особенно при использовании синтетических и органических удобрений, которые насыщают почвы соединениями азота. Потенциал глобального потепления N₂O примерно в 298 раз превышает потенциал CO₂ за 100-летний период.

Водяной пар (H₂O)

Водяной пар — ещё один «популярный» парниковый газ, хотя и не образуется непосредственно в результате деятельности человека.

По мере нагревания атмосферы пар всё активнее испаряется с поверхности Мирового океана, а его концентрация растёт, потому что более тёплый воздух работает, как губка, и может удерживать больше влаги. В результате срабатывает положительная обратная связь: повышение температуры атмосферы из-за других парниковых газов вызывает большую концентрацию H₂O в воздухе, что, в свою очередь, всё сильнее разгоняет парниковый эффект и ускоряет рост температур, способствуя ещё большему испарению.

Как «работают» парниковые газы

Парниковый эффект заключается в поглощении и переизлучении инфракрасного излучения парниковыми газами. Это ведёт к нагреванию поверхности Земли и от неё – нижних слоёв атмосферы.

Основной механизм

Солнечное излучение (в основном в виде света и ультрафиолетового излучения) проходит через атмосферу Земли и достигает поверхности планеты. Нагреваясь, поверхность поглощает эту энергию, а затем повторно излучает её в виде длинноволнового инфракрасного излучения.

Парниковые газы в атмосфере поглощают часть инфракрасного излучения и снова излучают его во всех направлениях — в том числе, обратно к поверхности. Процесс задерживает тепло в нижних слоях атмосферы, повышая среднюю температуру на Земле. Без естественного парникового эффекта средняя температура на Земле составляла бы около -18 °C вместо нынешних +15 °C.

Специфические механизмы воздействия разных парниковых газов

Каждый парниковый газ поглощает инфракрасное излучение на определённых длинах волн, по-разному усиливая парниковый эффект.

• Углекислый газ (CO₂) поглощает инфракрасное излучение на длинах волн около 15 мкм и может оставаться в атмосфере на протяжении столетий.

• Метан (CH₄) «впитывает» инфракрасное излучение с длиной волны около 7,66 мкм. Несмотря на то, что молекулы метана находятся в атмосфере около 12 лет, они в ~80 раз эффективнее, чем CO₂, удерживают тепло в течение 20-летнего периода.

• Закись азота (N₂O) поглощает инфракрасное излучение с длиной волны около 7,8 мкм. При продолжительности жизни в атмосфере около 114 лет его молекулы оказывают долгосрочное воздействие на потепление.

• Водяной пар (H₂O) поглощает инфракрасное излучение в широком диапазоне длин волн. Его концентрация напрямую связана с температурой — это усиливает потепление, вызванное другими парниковыми газами.

Усиленный парниковый эффект

Деятельность человека увеличила концентрацию парниковых газов в атмосфере и, таким образом, усилила естественный парниковый эффект.

Повышенные концентрации газов: со времен промышленной революции количество CO₂, метана и закиси азота в атмосфере резко возросло из-за разнообразной человеческой деятельности: добычи полезных ископаемых, сжигания углеродного топлива, вырубки лесов и промышленных процессов. Например, уровень углекислого газа увеличился примерно с 280 частей на миллион в доиндустриальную эпоху до более чем 419 частей на миллион в 2021 году.

Циклы положительной обратной связи: повышение температуры может вызвать процессы, которые приводят к дополнительному выбросу парниковых газов, создавая циклы положительной обратной связи. Например, при таянии вечной мерзлоты в арктических регионах высвобождаются метан и CO₂, которые раньше удерживались в мёрзлых почвах.

Чувствительность к климату: это означает ожидаемое повышение глобальной температуры в результате удвоения концентраций CO₂ по сравнению с доиндустриальными уровнями. Текущие оценки предполагают вероятный диапазон от 2,5 °C до 4 °C (при оптимальной оценке около 3 °C). Понимание этого процесса поможет прогнозировать дальнейшее воздействие на климат и принимать важные политические решения.

Измерение и мониторинг

Учёные используют различные методы для измерения выбросов парниковых газов и оценки их воздействия на климат. Понимание механизмов и последствий воздействия парниковых газов очень важно для разработки эффективных стратегий по адаптации к изменениям климата.

Прямые атмосферные измерения: станции мониторинга по всему миру (например, обсерватория Мауна-Лоа на Гавайях) постоянно измеряют концентрацию парниковых газов в атмосфере. Это позволяет получить важные данные об изменении концентрации с течением времени.

Спутниковые наблюдения: спутники, оснащённые спектрометрами, измеряют энергетический баланс Земли и распределение парниковых газов в атмосфере. Они могут обнаруживать изменения в исходящем длинноволновом излучении, что позволяет получить представление о том, как меняется парниковый эффект.

Анализ ледяных кернов: изучая пузырьки воздуха, содержащиеся в ледяных кернах Антарктиды, Гренландии и горных ледников, учёные реконструируют состав атмосферы за миллионы лет. Эта информация помогает сопоставить текущие уровни выбросов парниковых газов с историческими изменениями.

Спектроскопия: с помощью спектроскопических методов можно идентифицировать конкретные парниковые газы по их уникальным спектрам поглощения. Это позволяет проводить точные измерения состава атмосферы и изучать взаимодействие газов и излучения.