Диоксид углерода и парниковый эффект в планетарном масштабе.

В норме диоксид углерода содержится в нижних слоях атмосферы (так называемой тропосфере) в очень небольшом количестве - около 300 частей на миллион или 0,03% в объемных единицах. Важность этого газа определяется его вкладом в парниковый эффект, проявляющийся в масштабе всей планеты. Диоксид углерода прозрачен для коротковолнового излучения, поступающего от Солнца, но он сильно поглощает энергию в длинноволновой части спектра, которая переизлучается Землей обратно в космос.

Таким образом, диоксид углерода «ловит» уходящее излучение, согревая нижние слои атмосферы, в свою очередь излучающие энергию обратно к поверхности Земли (а также вверх и в стороны). Естественно, что в конце концов любая «порция» входящей энергии будет рассеяна и потеряна в космосе, но энергообмена между атмосферой и поверхностью Земли, обусловленного наличием диоксида углерода и других парниковых газов, достаточно, чтобы повысить температуру поверхности Земли примерно на 40°С по сравнению с той, что наблюдалась бы в отсутствие такого обмена. Очень важно осознать, что без некоторого основного уровня парникового эффекта, мало изменявшегося на протяжении миллионов лет, живые системы, во всяком случае в той форме, в какой мы их знаем существовать бы не могли.

Имеющиеся в настоящее время данные ясна свидетельствуют о том, что содержание в атмосфере диоксида углерода и других газов, обеспечивающих парниковый эффект, в частности моноксида углерода, метана и хлорфтор - углеродов, увеличивается со скоростью, беспрецедентной для недавней истории Земли; это увеличение по логике вещей должно способствовать повышению температуры окружающей среды. В свою очередь такое повышение температуры усиливает испарение и соответственно увеличивает концентрацию водяных паров в атмосфере. Поскольку водяной пар также действует как мощный поглотитель длинноволнового излучения, это приведет к дальнейшему повышению температуры в приповерхностных слоях атмосферы. Достигнутое в результате всех этих процессов повышение температуры вызовет изменение в распределении и интенсивности основных воздушных и водных потоков, определяющих погоду на планете, что в свою очередь может существенным образом повлиять на хозяйственную деятельность человека.

Некоторые ученые - метеорологи и правительственные чиновники не придавали большого значения угрозе парникового эффекта, полагая, что он будет компенсирован за счет возросшей запыленности атмосферы (из-за усилившейся эрозии почвы в результате сведения лесов, интенсификации сельского хозяйства, уничтожения живых изгородей, перевыпаса и т.д.) и, таким образом, результирующее воздействие окажется незначительным. Однако необычные (порой катастрофические для человека) погодные явления, наблюдавшиеся в планетарном масштабе летом 2010 г показали, что это не так. Сильные наводнения, связанные с потеплением климата и увеличением осадков в Польше, Китае – унесшие более 500 человек, всего пострадавших от наводнений в Китае – более 29 млн. человек, а так же сильные пожары, начавшиеся летом 2010 года из-за достижения рекордных температурных данных свыше 35 градусов по Цельсию, которые принесли и приносят до сих огромный как экономический, так и социальный ущерб России. Все эти события не вызывают уже сомнений воздействия хлор-фторуглеродов на озоновый слой, которые привели к гораздо более широкому признанию реальной возможности возникновения глобальных климатических изменений при загрязнении среды и к осознанию угрожающих последствий этих изменений.

Независимо от того, вызваны ли описываемые события парниковым эффектом или нет, надо приветствовать усилия правительств, направленные на контроль за поступлением в атмосферу загрязняющих ее парниковых газов, так как природные механизмы, обеспечивающие их удаление, работают слишком медленно, чтобы изменить ситуацию (такое наблюдается, например, в случае диоксида углерода), или же создают новые проблемы, как, например, в случае разрушения озона стратосферы хлорфтор-углеродами.

Диоксид углерода изымается из атмосферы посредством фотосинтеза, а также в результате обмена с океаном и захоронения в виде карбонатов. Главный из этих процессов - обмен с океаном. Верхние 75 метров океанической толщи представляют собой слой воды, хорошо перемешиваемый ветром и согреваемый солнцем. Указанные особенности данного слоя в сочетании с химическими свойствами карбонатов обеспечивают довольно быстрое поглощение им диоксида углерода. В конце концов скорость поступления диоксида углерода в океан определяется процессами обмена между его поверхностными и глубинными слоями, так как именно в результате этого обмена восстанавливается способность поверхностных вод к дальнейшему поглощению диоксида углерода. Обмен поверхностных вод с глубинными в большинстве районов океана протекает очень медленно. Громадные массы холодной (с температурой менее 5°) океанической воды изолированы от поверхностных перемешиваемых вод зоной стагнации - так называемым океаническим термоклином. Эта зона, характеризующаяся тем, что по мере возрастания глубины в ней снижается температура и повышается плотность воды, простирается до глубины порядка 1000 м. По имеющимся оценкам за сотни лет к поверхности подходит не более 10% общего объема воды в океане.

Таким образом, хотя океаны потенциально могут поглотить весь образовавшийся в результате деятельности человека излишек атмосферного диоксида углерода, на практике реализации этой возможности (во всяком случае во временных масштабах, сопоставимых с временем интенсивной хозяйственной деятельности человека) препятствует медленный перенос от поверхностных вод к глубинным. Возможно также, что, по мере того как вода у поверхности будет насыщаться диоксидом углерода, способность океана к дальнейшему поглощению этого газа уменьшится, в результате чего вся проблема повышения содержания его в атмосфере станет еще более серьезной.

Предсказать будущую концентрацию диоксида углерода в атмосфере довольно трудно. Отчасти это объясняется недостаточным пониманием всех тонкостей химического процесса абсорбции (видимо, в океане может быть абсорбировано большее количество диоксида углерода, чем это следует из химической модели), а отчасти также тем, что возросшая озабоченность общественности состоянием окружающей среды может затормозить процесс сведения лесов и ускорить развитие альтернативных источников энергии; это в свою очередь сократит скорость потребления ископаемого топлива. Тем не менее широко распространено мнение о том, что к середине двадцать первого века концентрация диоксида углерода в атмосфере увеличится до 600 частей на миллион, превысив, таким образом, более чем вдвое уровень, зарегистрированный для конца девятнадцатого века.

Трудно также предсказать климатические последствия, поскольку существует большое число весьма вероятных обратных связей, включенных в рассматриваемые процессы. В соответствии с предсказаниями большинства моделей к середине двадцать первого века средняя для планеты температура увеличится на 3 градуса. В высоких широтах может сложиться еще более серьезная ситуация из-за наличия механизмов обратной связи. По мере того как снег и лед тают, альбедо земли (т.е. ее отражательная способность) снижается, вследствие чего усиливается поглощение поверхностью Земли солнечного излучения. Это повлечет за собой интенсификацию процессов испарения, в результате чего в конце концов возрастет содержание паров воды в атмосфере. Поскольку водяной пар сам по себе является газом, усиливающим парниковый эффект, скорость потепления в высоких широтах при удвоении концентрации атмосферного диоксида углерода окажется в два-три раза выше, чем в тропиках. Последствия такого потепления могут быть самыми разными - от затопления обширных участков прибрежных низменностей (что может угрожать юго-восточной Англии, Нидерландам, Бангладеш и тропическим островам, возникшим на коралловых рифах, например Мальдивским), до крупных сдвигов в распределении мировых климатических зон. Все эти события существенным образом повлияют на производство пищи и на сложившийся баланс сил в сфере торговли и политики.

Некоторая незначительная по масштабам компенсация процессов увеличения содержания в воздухе СО2 может быть достигнута за счет возрастания интенсивности фотосинтеза в наземных экосистемах (обычно диоксид углерода - это фактор, лимитирующий фотосинтез). Может также возрасти продукция морского фитопланктона, особенно в прибрежных водах, где за счет поступления загрязняющих веществ увеличена концентрация нитратов и фосфатов - основных биогенных элементов, ограничивающих развитие фитопланктона. Эти процессы в конечном счете могут способствовать изъятию диоксида углерода из атмосферы, однако желательность их вызывает большие сомнения. Отмеченное возрастание продуктивности прибрежных вод благоприятствует увеличению численности быстро растущих видов, уменьшению разнообразия фитопланктона и появлению в нем доминантов, слабо поедаемых консументами. Все это не способствует возрастанию продукции консументов - фитофагов, а массовое отмирание водорослей приводит к снижению концентрации кислорода и увеличению смертности консументов.