Парниковые газы — выбросы, источники, объемы

Что такое парниковые газы

Парниковые газы – это собирательное название целого ряда газов, способных задерживать тепловое излучение планеты. В видимом диапазоне они остаются прозрачными, поглощая при этом инфракрасный спектр. У парниковых газов нет какой-то определенной формулы. Их процентное соотношение может постоянно изменяться. Итак, какие газы относят к парниковым?

Откуда они взялись?

Парниковые газы, находясь в атмосферах планет, способствуют возникновению некоторого опасного эффекта. Он назван соответственно – парниковым. С одной стороны, без этого явления наша планета никогда не смогла бы согреться настолько, чтобы на ней зародилась жизнь. С другой – всё хорошо в меру и до определённого момента. Поэтому речь пойдёт о проблемах цивилизации, связанных с явлением парниковых газов, которое, сыграв свою положительную роль, со временем поменяло своё качество и стало темой для дискуссий, исследований и всеобщей тревоги.

Много миллионов лет назад Солнце, нагревая Землю, постепенно превратило её саму в источник энергии. Частично её тепло уходило в космическое пространство. Кроме того, оно отражалось газами в атмосфере и согревало слои воздуха, приближённые к земле. Такому процессу, схожему с сохранением тепла под прозрачной плёнкой в теплицах, учёные дали название «парниковый эффект». А газы, которые его провоцируют, они назвали также просто. Их наименование – «парниковые газы».

На заре установления климата Земли возникновению данного эффекта способствовала активная деятельность вулканов. Выбросы в виде водяного пара и углекислого газа в огромном количестве задерживались в атмосфере. Получался гиперпарниковый эффект, подогревавший Мировой океан практически до точки кипения. И только с появлением зелёной биосферы, поглощающей углекислый газ атмосферы, температурный режим планеты постепенно нормализовался.

Однако всеобщая индустриализация, постоянный рост производственных мощностей поменяли не только химический состав парниковых газов, но и суть этого явления.

Опасный потенциал

Водяной пар относят к естественным газам, однако его участие в образовании парникового эффекта достаточно велико. Его нельзя недооценивать.

Углекислый газ рассматривают как один главных факторов, влияющих на климат планеты. Его доля в атмосфере составляет около 64%, и ровно настолько велика его роль в глобальном потеплении. Основные источники его выброса в атмосферу таковы:

• вулканические извержения;
• процесс обмена веществ биосферы;
• сжигание биомассы и ископаемого топлива;
• уничтожение лесов;
• производственные процессы.

Метан не распадается в атмосфере на протяжении 10 лет и представляет собой серьёзную угрозу климату Земли. Его парниковый эффект в 28 раз превышает возможности углекислого газа, а в перспективе 20-ти лет, если не прекратить его эмиссию, это превосходство дойдёт до 84-х. Главные его источники носят антропогенный характер. Это:

• сельскохозяйственное производство, в частности, выращивание риса;
• скотоводство (увеличение поголовья и, как следствие, нечистот);
• сжигание леса.

Частично парниковый метан появляется в результате утечки в процессе разработки месторождений каменного угля. Он также выделяется при добыче природного газа.

Фреоны представляют собой особую опасность для экологии. В основном их используют в аэрозолях и холодильных установках.

Закись азота – парниковый газ, который находится на одном из ведущих мест по количеству в атмосфере и влиянию на глобальное потепление. Источники его происхождения и применения:

• производство минеральных удобрений в химической промышленности;
• пищевая промышленность использует его в качестве пропеллента;
• в отраслях машино- и ракетостроения его применяют в двигателях.

Озон, вернее та его часть, которую относят к вредным газам, создающим парниковый эффект, находится в нижних слоях тропосферы. Увеличиваясь вблизи земли, его количество может наносить вред зелёным насаждениям, повреждая их листья и уменьшая способность к фотосинтезу. В основном он образуется в результате реакции взаимодействия окисей углерода, оксидов азота с парами воды, солнечным светом и летучими органическими соединениями в присутствии кислорода. Основные источники этих веществ в атмосфере – выбросы парниковых газов промышленными объектами, транспортными средствами и химические растворители.

Перфторуглероды – результат производства алюминия, растворителей и электроники. Они используются в диэлектриках, носителях тепла, хладагентах, смазочных маслах и даже в качестве искусственной крови. Их можно получить только путём химического синтеза. Как большинство фторсодержащих газов, они опасны для окружающей среды. Их парниковый потенциал оценивают в сотни раз выше, чем у углекислого газа.

Гексафторид серы – также один из тех парниковых газов, какие указаны в Киотском протоколе как потенциально опасные. Он применяется в сфере пожаротушения, в электронной и металлургической промышленности в качестве технологической среды, известна его роль как хладагента и т.д. Его выбросы надолго остаются в атмосфере и активно накапливают инфракрасные излучения.

Список парниковых газов

К основным парниковым газам относятся:

1. Углекислый газ. Самый долго живущий в атмосфере, вследствие этого происходит его постоянное накопление.
2. Метан. Благодаря ряду свойств обладает более сильной активностью. Согласно данным Википедии его уровень с 1750 года в атмосфере возрос более чем в 150 раз.
3. Закись озота.
4. Перфторуглероды – ПФУ (Perfluorocarbons – PFCs).
5. Гидрофторуглероды (ГФУ).
6. Гексафторид серы (SF6).

Озон защищает планету от солнечного ультрафиолета. Его недостаток способствует образованию озоновых дыр.

Кроме основных парниковых газов к усилению парникового эффекта в атмосфере приводит водяной пар. По сути, он и является основной причиной роста температуры и влажности.

Помимо вышеперечисленных, к парниковым газам относятся оксиды азота и фреоны. Вследствие активной деятельности человека их концентрация ежегодно возрастает, что значительно усугубляет негативное влияние на окружающую среду.

Водяной пар

Водяной пар самый большой по содержанию в атмосфере парниковый газ, ученые утверждают, что 72 процента парникового эффекта обеспечивается водяными парами.

При этом имеется в виду не сам пар, а положительная обратная связь его и углекислого газа. Дело в том, что воздействие углекислого газа удваивается, в результате температура повышается, увеличивается испарение воды. Это приводит к образованию большего количества облаков и как следствие, к задержке проникновения солнечных лучей на планету. При этом, водяные пары имеют и наибольший положительный эффект, играя роль стабилизатора температур.

В городе Инсалах, который находится в стране Алжир, перепад температур летом составляет 55 градусов. Эффект вызван малым количеством водяных паров над городом.

Поэтому сам по себе водяной пар не опасен, хотя и превышает парниковый эффект CO2. При измерении радиационных потоков, доля пара составляет 75 Вт/м2, тогда как углекислый газ 32 Вт/м2. Но пар увеличивает чувствительность атмосферы к углекислому газу, а значит и к антропогенной деятельности.

Углекислый газ

Углекислый газ в разных местах атмосферы составляет от 9 до 26 процентов общего количества газов, образующих парниковый эффект. Это наиболее опасный из всех парниковых газов. Сам по себе СО2 не так опасен, но именно он является катализатором, ускоряющим катастрофу.

В огромных количествах газ попадает в атмосферу исключительно из-за деятельности человека. В обмене углерода газ связывается растениями, которые затем поедаются животными, элемент идет вверх по пищевой цепочке, пока верхнее животное или человек не умирает, попадая в землю вместе с накопленным за всю жизнь количеством углерода. В земле в результате тысячелетних процессов углерод из костей превращается в совершенно новое образование: нефть и керосин.

В настоящее время все огромные запасы, которые почва собирала в себя в течение миллионов лет, выбрасываются в атмосферу за несколько десятилетий. Это нарушает сложившийся баланс : углерод просто не успевает вернуться в цикл обмена и накапливается в атмосфере.

Существует ошибочное мнение, что потепление, это естественный процесс, предназначенный для связывания углерода. Вода способна растворять углекислый газ, который потом выпадет в осадок в виде известняков. А количество воды увеличивается с потеплением климата, за счет таяния ледников и ледяных шапок. Но в учет не берется таяние вечной мерзлоты, в которой содержится много органического вещества — старые листья, корни растений, которые росли там 1000 лет назад. При глобальном потеплении вечная мерзлота начинает  таять, а ее содержимое гниет, выделяя при этом диоксид углерода.

Метан

Метан долгое время был недооценен в вопросе влияния на парниковый эффект. Газ склонен распадаться на элементы в атмосфере за 10 лет, что для атмосферы считается мизерным сроком. Но при этом его влияние на парниковый эффект в 10 раз больше углекислого газа. И при этом до сих пор неясен механизм образования метана в атмосфере.

Традиционно считается, что метан выделяется в результате процессов ферментации в желудках животных. Но тогда непонятно, почему с 1995 до 2006 года содержание метана в атмосфере держалось на одном уровне, а с 2006 и до сегодняшнего дня планомерно повышается каждый год на одно и то же число долей? Только после исследований ученого Дрю Шиндела стали идти обсуждения новых экологических моделей, с учетом пересмотра воздействия метана на атмосферу.

Сам по себе газ составляет всего от 4 до 9 процентов. Выделяется метан в результате процессов ферментации в желудках животных. В особенности коров. Поэтому процесс роста населения земли, вызывающий рост потребления пищи, а, следовательно, рост кормовых животных косвенно влияет на развитие парникового эффекта. Вместе со стадами растут и могильники, так же выделяющие метан, к тому же свой вклад вносят и утечки газа в процессе разработки месторождений.

Озон

Озон по школьной привычке все считают полезным. Но каждый газ полезен на своем месте. Есть два типа озона: содержащийся в озоновом слое и тропосферный озон. Первый защищает землю от ультрафиолетового излучения, тогда как последний угнетает растения, ухудшая их способность к фотосинтезу. В результате возрастает количество углекислого газа в атмосфере. Влияние газа оценивается в 25 процентов от влияния СО2, но при этом озон увеличивает действие самого углекислого газа в два раза. Многие ученые отмечают, что именно из-за повышенных концентраций озона в прошлом, земля потеряла способность к поглощению углекислоты. Тропосферный озон образуется в результате химической реакции оксидов азота, угарного газа и органических соединений. Катализаторами выступают кислород и солнечный свет.

На практике сочетание этих веществ стало возможным из-за развития транспорта и выбросов продуктов горения угля в атмосферу. Распределение газа по земному шару крайне неравномерно, из-за условий образования. Наибольшее количество скапливается в жарких странах и жаркую погоду. Увеличение озона не критично, но снижение уровня озона даст возможность частично нивелировать воздействие углекислого газа.

Согласно исследованиям, если опустить уровень озона до пределов нормы, можно сгладить воздействие углекислого газа на ближайшие 20 лет.

Второстепенные парниковые газы

Второстепенными парниковыми газами выступают оксиды азота и фреоны. Они являются потенциально опасными для окружающей среды. Однако в связи с тем, что их концентрации не такие значительные как вышеупомянутых газов, оценка их влияния на климат полностью не изучена.

Оксиды азота

Оксиды азота находятся в атмосфере благодаря естественным биологическим реакциям в почве и воде. Тем не менее большое количество выделяемого оксида азота вносит значительный вклад в глобальное потепление. Основным источником является производство и использование синтетических удобрений в сельскохозяйственной деятельности. Моторные автомобили выделяют оксиды азота при работе на ископаемых видах топлива, таких как бензин или дизельное топливо.

Фреоны

Фреоны представляют собой группу углеводородов с различными видами использования и характеристиками. Хлорфторуглероды широко используются в качестве хладагентов (в кондиционерах и холодильниках), вспенивателей, растворителей и др. Их производство уже запрещено в большинстве стран, но они по-прежнему присутствуют в атмосфере и наносят ущерб озоновому слою. Гидрофторуглероды служат альтернативой более вредным озоноразрушающим веществам, и вносят гораздо меньший вклад в глобальное изменение климата на планете.

Откуда берется метан?

За миллионы лет огромное количество органического вещества растений и животных, как в море, так и на суше, попадает в ловушку отложения и постепенно сжимается, и продвигается все глубже в землю. Давление и тепло вызывают молекулярный распад, в результате которого образуется термогенный метан.

С другой стороны, биогенный метан вырабатывается микроорганизмами в аноксической (бескислородной) среде, которые разлагают органические вещества в процессе, называемом ферментацией, в результате чего образуется метан. Аноксическая среда включает водно-болотные угодья, такие как озера, болота и торфяники. Микробы в пищеварительной системе животных и людей также производят метан, который выделяется отхождением кишечных газов и отрыжкой.

По данным NASA, около 30% выбросов метана приходится на водно-болотные угодья. Еще 30% приходится на добычу нефти, газа и угля. Сельское хозяйство, особенно животноводство, выращивание риса и управление отходами составляют 20%. Остальные 20% поступают из более мелких источников, включая океан, сжигание биомассы, вечную мерзлоту и – подождите – термитов. (3)

Природный газ представляет собой крупнейший антропогенный источник выбросов метана и выделяется при добыче нефти и газа. Нефтяные и газовые резервуары, которые часто встречаются вместе, существуют на тысячи метров ниже поверхности Земли. Чтобы добраться до них, нужно выкопать глубоко в земле колодцы. После добычи нефть и газ перемещаются по трубопроводам.

Метан имеет много полезных применений. Природный газ используется для отопления, приготовления пищи, в качестве альтернативного топлива для некоторых автомобилей и автобусов, а также для производства органических химикатов. Десять лет назад промышленность продвигала природный газ в качестве более чистого «мостового топлива», помогающего отказаться от нефти. Но хотя в момент сгорания природный газ выделяет меньше парниковых газов, он производит на самом деле не меньше выбросов, чем другие ископаемые виды топлива, на протяжении всего своего жизненного цикла из-за широко распространенных утечек.

Воздействие метана

Парниковые газы, такие как метан, остаются в атмосфере Земли, позволяя солнечному свету проходить через нее, но задерживая тепло. Увеличивая концентрацию парниковых газов в атмосфере, люди вызывают глобальное потепление.

Хотя метан в целом составляет гораздо меньшую часть парниковых газов, чем углекислый газ, и распадается примерно через 10 лет, он сильнее воздействует. Метан примерно в 28 раз мощнее углекислого газа. После падения в начале 2000-х годов уровни выбросов метана впоследствии выросли как из-за использования ископаемого топлива, так и из-за производства продуктов питания, поскольку люди потребляли больше мяса. (4, 5)

Выбросы от ископаемого топлива

Утечки газа могут происходить из труб и другой инфраструктуры в сетях природного газа, а также из простаивающих и заброшенных скважин. Сжигание и сброс во время добычи – два других значительных источника антропогенных выбросов метана. Если вы когда-нибудь видели, как при добыче нефти или газа из высокой трубы вырывается пламя – это сжигание природного газа в воздухе.

Сжигание производится по разным причинам, в том числе по соображениям безопасности. Поскольку природный газ часто является побочным продуктом добычи нефти, производитель нефти может улавливать газ для использования в своей деятельности или поставлять его на рынок природного газа. Но когда у производителя нет доступа к трубопроводам или другой инфраструктуре для сбора и транспортировки газа, его сжигают. Низкие цены на газ также могут сделать сжигание газа дешевле, чем его продажу. С другой стороны, метан также могут выбрасывать в атмосферу без его сжигания.

Производители и дистрибьюторы нефти и газа оценивают выбросы во время бурения, удаления газов и сжигания в факелах, а также любого газа, который вытекает из миллионов труб и соединений, составляющих газовую сеть. Но независимые исследования показывают, что выбросы метана намного больше, чем сообщается в отраслевых отчетах.

Новые исследования показывают, что пластиковые изделия, такие как пластиковые пакеты, предметы домашнего обихода и синтетическая одежда, являются дополнительными источниками выбросов метана. Это вызывает обеспокоенность, поскольку производство пластика может удвоиться в следующие два десятилетия, однако прямые выбросы от пластиковых изделий не учитывались ни в глобальном бюджете метана, ни в климатических моделях.

Сельское хозяйство, животноводство и пищевые отходы

Выбросы метана в сельском хозяйстве включают животноводство, выращивание риса и сточные воды. Животноводство составляет самую большую долю, а также растущую долю, поскольку мировое потребление мяса продолжает расти. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO), животноводство составляет 14,5% от общих антропогенных выбросов парниковых газов.

Основная часть выбросов домашнего скота происходит от жвачных, таких как крупный рогатый скот, буйволы, овцы и верблюды, которые производят много метана во время пищеварения, большая часть которого выделяется при отрыжке. Навоз домашнего скота вносит дополнительный вклад, особенно в системах интенсивного сельского хозяйства. Из выбросов метана от жвачных животных наибольший вклад вносят мясной и молочный скот. Пищевые отходы – еще одна серьезная проблема. По данным FAO, около трети всех продуктов питания, производимых в мире для потребления человеком, никогда не употребляется в пищу. Эти пищевые отходы вносят значительный вклад в общие выбросы парниковых газов (около 8%) и являются основным источником выбросов метана при разложении пищевых продуктов.

Хотя наиболее важными источниками антропогенных выбросов метана являются сельское хозяйство и добыча ископаемого топлива, люди вносят свой вклад в выбросы другими способами. По данным EPA, полигоны твердых бытовых отходов являются третьим по величине источником антропогенных выбросов метана. Есть также косвенные воздействия изменения климата. Потепление планеты приводит к таянию вечной мерзлоты, что может привести к выбросу большего количества метана. Еще одна причина – сжигание биомассы от лесных пожаров и преднамеренное сжигание.

Последствия для здоровья человека

Помимо косвенного воздействия, связанного с климатом, выбросы метана отрицательно сказываются на качестве воздуха. Метан и другие углеводороды в природном газе соединяются с оксидами азота, образуя озоновое загрязнение. Приземный озон, также известный как смог, обостряет респираторные заболевания, такие как астма и хронический бронхит.

Исследования также связывают бурение и гидравлический разрыв пласта с загрязнением питьевой воды настолько серьезным, что вода из кранов в домах вблизи буровых работ может воспламениться из-за высокого уровня метана. Хотя ограниченные исследования показывают, что метан не вреден для питья, он может вызывать взрывы и накапливаться в закрытых помещениях.

Парниковые газы и деятельность человека

Некоторые парниковые газы выделяются естественным путем в результате лесных пожаров, вулканической активности и биологических процессов. Однако, начиная с возникновения промышленной революции на рубеже XIX века, люди выпускали в атмосферу все большее количество парниковых газов. Это увеличение ускорилось с развитием нефтехимической промышленности.

Что способствует уменьшению выбросов парниковых газов в атмосферу

Сокращение выбросов парниковых газов относится к категории наиболее приоритетных задач экологического мирового сообщества. Работа организации ориентирована на создание единой программы для безопасной утилизации природных и синтетических соединений, не наносящей вред атмосфере и здоровью людей.

В борьбе с парниковым явлением должен участвовать и быть заинтересованным каждый человек. Чтобы предотвратить ухудшение экологического состояния планеты и сократить вероятность развития потепления планеты, потребуется принять следующие меры:

• увеличить эффективность и объемы промышленного производства за счет использования возобновляемой или зеленой энергии, остановить эксплуатацию горючих ископаемых;
• увеличить количество лесопосадок, остановить масштабную вырубку деревьев и рационализировать работу сельскохозяйственных угодий;
• поддерживать законопроекты по защите окружающей среды;
• поощрять предприятия, которые придерживаются экологической ответственности: снижать налоги, увеличить финансирование;
• повысить штраф за загрязнение природной среды;
• предупредить дальнейшие изменения концентрации парниковых соединений.

Для решения глобальной экологической проблемы потребуется сократить производство топлива, основанного на свойствах горючих полезных ископаемых. Наибольший вклад приносит переход автомобильной промышленности на изготовление электрокаров. Альтернативным вариантом решения проблемы является использование биотоплива, которое не уступает топливу из нефтепродуктов. В Бразилии его изготавливают из сахарного тростника, европейские страны переходят на производство биоэтанола.

Атомные электростанции, деятельность которых не требует использования нефти, угля и нефтепродуктов, помогают сократить эмиссию газообразной углекислоты в 25 раз. Компании по добыче и переработке горючих полезных ископаемых должны координировать свою работу с экологическим сообществом и правительством, чтобы сократить объем выделяемого в атмосферу метана. Данный законопроект был одобрен в России, США, Мексике, Норвегии и Нигерии.

Оздоровить воздушный слой Земли поможет сокращение масштабной вырубки лесов. Важно помнить, что деревья являются основным источником кислорода и природными утилизаторами углекислого газа. Растения малых размеров не способны переработать в короткий срок большой объем вредного соединения. Во время вырубки деревья высвобождают поглощенные объемы углекислоты Спиливание лесов под сельскохозяйственные угодья должно быть остановлено правительством стран, расположенных в тропических экваториальных зонах.

В Западной Европе вводят ограничения по использованию бойлеров и нагревателей холодной воды. Кроме того, технические характеристики оборудования должны соответствовать стандартам контроля по выбросу CO2 в процессе их эксплуатации. В такой ситуации в течение 6 лет можно сократить объем парниковых веществ на более чем 135 млн т в атмосфере.

В программу по борьбе с глобальным потеплением входит выведение на мировой уровень технологии возобновляемой энергии.

Принципы методики основаны на природных явлениях, повторяющихся циклами. Такие неограниченные ресурсы, как вода, свет солнца, приливы и ветер, можно использовать в промышленности. В 2014 году 20% мирового энергопотребления перешли на применение возобновляемых энергоисточников. Офисы в Германии получают электричество с помощью установки солнечных панелей.

Как вам статья?