ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ: КАК ОН ВОЗНИКАЕТ, ПРИЧИНЫ, ГАЗЫ, ПОСЛЕДСТВИЯ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - 2024

Парниковый эффект является естественным процессом , в котором атмосфера сохраняет часть инфракрасного излучения , испускаемого Землей и тем самым нагревает его. Это инфракрасное излучение возникает из-за нагрева поверхности земли солнечным излучением.

Этот процесс происходит потому, что Земля как непрозрачное тело поглощает солнечную радиацию и излучает тепло. В то же время, поскольку есть атмосфера, тепло не уходит полностью в космическое пространство.

Схема парникового эффекта. Источник: Роберт А. Роде (Полет драконов в английской Википедии), перевод на испанский язык felix, адаптация макета Basquetteur

Часть тепла поглощается и повторно излучается во всех направлениях газами, составляющими атмосферу. Таким образом, Земля поддерживает определенное тепловое равновесие, которое устанавливает среднюю температуру 15 ºC, гарантируя переменный диапазон, в котором может развиваться жизнь.

Термин «парниковый эффект» представляет собой аналогию с теплицами для выращивания растений в климате, где температура окружающей среды ниже требуемой. В таких домах для выращивания пластиковая или стеклянная крыша пропускает солнечный свет, но предотвращает выход тепла.

Таким образом поддерживается теплый микроклимат, благоприятный для развития растений, независимо от более низкой температуры наружного воздуха.

Наиболее важными газами в парниковом эффекте являются водяной пар, диоксид углерода (CO2) и метан. Затем, в результате загрязнения, производимого людьми, в него попадают другие газы и повышается уровень CO2.

Газы CO2, водяной пар и метан в атмосфере

Эти газы включают оксиды азота, гидрофторуглероды, перфторированные углеводороды, гексафторид серы и хлорфторуглероды.

Парниковый эффект - это хорошо или плохо?

Парниковый эффект имеет фундаментальное значение для жизни на Земле, поскольку он гарантирует соответствующий температурный диапазон для ее существования. Для большинства биохимических процессов требуется температура от -18 ° C до 50 ° C.

В геологическом прошлом средняя температура Земли колебалась, повышалась или понижалась. В последние два столетия наблюдается устойчивый процесс повышения глобальной температуры.

Разница в том, что в настоящее время скорость роста особенно высока и, похоже, связана с деятельностью человека. Эти виды деятельности выделяют парниковые газы, которые усугубляют это явление.

Тогда в чем проблема?

С середины 18 века люди постоянно добавляли в окружающую среду загрязнители в результате индустриализации. Среди этих загрязнителей - выбросы газов, которые способствуют парниковому эффекту, потому что они поглощают тепло или повреждают озоновый слой.

Озоновый слой находится в верхней части стратосферы и фильтрует ультрафиолетовое (более высокоэнергетическое) солнечное излучение. Чем больше ультрафиолета, тем больше тепла и, кроме того, мутагенного воздействия.

С другой стороны, сохраняющие тепло газы, такие как CO2 и метан, уменьшают тепловые потери Земли. В то время как среди газов, разрушающих озоновый слой, есть все соединения фтора и хлора.

Последствия усиления парникового эффекта - повышение температуры Земли. Это, в свою очередь, вызывает ряд климатических изменений, включая таяние полярных и ледниковых льдов.

Как возникает парниковый эффект?

- Атмосфера Земли

Слои атмосферы

Понимание основных элементов химического состава и структуры атмосферы имеет фундаментальное значение для понимания парникового эффекта.

Химический состав атмосферы Земли

Азот (N) преобладает в составе атмосферы Земли - 79%, а кислород (O2) - 20%. Оставшийся 1% состоит из различных газов, наиболее распространенными из которых являются аргон (Ar = 0,9%) и CO2 (0,03%).

Эти газы не могут поглощать солнечный свет, то есть коротковолновую энергию, излучаемую Солнцем (видимый и ультрафиолетовый спектр).

Слои атмосферы

Наибольшая доля атмосферных газов сосредоточена в полосе, идущей от поверхности земли до высоты 50 км. Это происходит из-за притяжения, которое гравитационная сила оказывает на газы, составляющие атмосферу.

В этих первых 50 км атмосферы выделяются два слоя: первый от 0 до 10 км, а второй от 10 до 50 км. Первый называется тропосферой и концентрирует примерно 75% газовой массы атмосферы.

Вторая - стратосфера, в которой сосредоточено 24% газовой массы атмосферы, а в ее верхней части находится озоновый слой. Озоновый слой является ключом к пониманию парникового эффекта, поскольку он отвечает за фиксацию ультрафиолетовых лучей Солнца.

Хотя над этими слоями атмосферы простираются еще три слоя, два нижних слоя являются определяющими факторами парникового эффекта.

- Парниковый эффект

Основными элементами процесса, вызывающего парниковый эффект, являются Солнце, Земля и атмосферные газы. Солнце является источником энергии, Земля - ​​приемником этой энергии и излучателем тепла, а газы играют разные роли в зависимости от своих свойств.

Солнечная энергия

Солнце в основном излучает высокоэнергетическое излучение, то есть соответствующее видимой и ультрафиолетовой длинам волн электромагнитного спектра. Температура излучения этой энергии достигает 6000ºC, но большая часть ее рассеивается по пути.

Из 100% солнечной энергии, которая достигает атмосферы, около 30% отражается в космическое пространство (эффект альбедо). 20% поглощается атмосферой, в основном взвешенными частицами и озоновым слоем, а оставшиеся 50% нагревают поверхность земли. Это видео отражает этот процесс:

Земля

Как и любое тело, Земля излучает излучение, которое в данном случае является длинноволновым излучением (инфракрасным). Инфракрасное излучение, излучаемое Землей, исходит из ее раскаленного центра (геотермальная энергия), но температура излучения низкая (почти 0 ºC).

Однако Земля получает солнечную энергию, которая также нагревает ее и излучает дополнительное инфракрасное излучение.

С другой стороны, Земля отражает важную часть солнечного излучения из-за своего альбедо (светлого тона или белизны). Это альбедо в основном связано с облаками, водоемами и льдом.

Принимая во внимание альбедо и расстояние от планеты до Солнца, температура Земли должна быть -18 ºC (эффективная температура). Под эффективной температурой понимается то, что должно иметь тело, только с учетом альбедо и расстояния.

Однако реальная средняя температура Земли составляет около 15 ° C, что на 33 ° C отличается от эффективной температуры. В этой заметной разнице между фактической и эффективной температурой атмосферу играет фундаментальную роль.

Атмосфера

Ключ к температуре Земли - ее атмосфера, если бы ее не было, планета была бы навсегда заморожена. Атмосфера прозрачна для большей части коротковолнового излучения, но не для значительной части длинноволнового (инфракрасного) излучения.

Пропуская солнечное излучение, Земля нагревается и испускает инфракрасное излучение (тепло), но атмосфера поглощает часть этого тепла. Таким образом слои атмосферы и облаков нагреваются и излучают тепло во всех направлениях.

Парниковый эффект

Процесс глобального потепления за счет удержания в атмосфере инфракрасного излучения известен как парниковый эффект.

Теплица в Кью Гарденс (Англия). Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kew_gardens_greenhouse.JPG

Название происходит от сельскохозяйственных теплиц, где выращиваются виды, которым требуется более высокая температура, чем существующая в производственных помещениях. Для этого у этих домов для выращивания есть крыша, которая пропускает солнечный свет, но сохраняет излучаемое тепло.

Таким образом можно создать теплый микроклимат для тех видов, которым он необходим для роста.

причины

Хотя парниковый эффект - это естественный процесс, он изменяется под воздействием человека (антропное действие). Следовательно, необходимо дифференцировать естественные причины явления и антропные изменения.

- Естественные причины

Солнечная энергия

Коротковолновое (высокоэнергетическое) электромагнитное излучение Солнца нагревает поверхность Земли. Этот нагрев вызывает излучение длинноволнового (инфракрасного) излучения, то есть тепла, в атмосферу.

Геотермальная энергия

Центр планеты раскален и выделяет больше тепла, чем от солнечной энергии. Это тепло передается через земную кору в основном через вулканы, фумаролы, гейзеры и другие горячие источники.

Состав атмосферы

Свойства газов, составляющих атмосферу, определяют, что солнечное излучение достигает Земли и что инфракрасное излучение частично сохраняется. Некоторые газы, такие как водяной пар, CO2 и метан, особенно эффективно удерживают атмосферное тепло.

Естественный вклад парниковых газов

Те газы, которые задерживают инфракрасное излучение от нагрева поверхности Земли, называются парниковыми газами. Эти газы образуются естественным образом в виде СО2, который выделяется при дыхании живых существ.

Океаны также обменивают большие количества CO2 с атмосферой, и естественные пожары также вносят CO2. Океаны являются естественным источником других парниковых газов, таких как оксид азота (NOx).

С другой стороны, микробная активность в почвах также является источником CO2 и NOx. Кроме того, пищеварительные процессы животных вносят в атмосферу большое количество метана.

- Антропогенные причины

Производство тепла

Деятельность человека не только способствует увеличению парникового эффекта, но и обеспечивает дополнительное тепло. Часть поставляемого тепла происходит от сжигания ископаемого топлива, а другая - от уменьшения эффекта альбедо.

Распределение температуры на земной поверхности. Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SurfaceTemperature.jpg

Последнее связано с большим поглощением солнечной энергии темными искусственными поверхностями, такими как асфальт. Различные исследования показали, что в крупных городах полезное тепловложение составляет от 1,5 до 3 ºC.

Промышленная деятельность

Промышленность в целом выделяет в атмосферу дополнительное тепло, а также различные газы, влияющие на парниковый эффект. Эти газы могут поглощать и выделять тепло (например, CO2) или разрушать озоновый слой (например, NOx, CFC и другие).

Автомобильный трафик

Большая концентрация транспортных средств в городах ответственна за большую часть выбросов CO2 в атмосферу. На автомобильные перевозки приходится около 20% общего количества CO2, образующегося при сжигании ископаемого топлива.

Производство электроэнергии и тепла

Сжигание угля, газа и нефтепродуктов для производства электроэнергии и отопления составляет почти 50% CO2.

Обрабатывающая и строительная промышленность

В совокупности эта промышленная деятельность дает почти 20% CO2, образующегося при сжигании ископаемого топлива.

лесные пожары

Лесные пожары также вызваны деятельностью человека и ежегодно выбрасывают в атмосферу миллионы тонн парниковых газов.

Свалки отходов

Накопление отходов и происходящие процессы ферментации, а также сжигание указанных отходов являются источником парниковых газов.

сельское хозяйство

В результате сельскохозяйственной деятельности в атмосферу ежегодно попадает более 3 миллионов метрических тонн метана. Среди культур, которые вносят наибольший вклад в этот процесс, является рис.

В случае риса вклад метана исходит от экосистемы, создаваемой его системой выращивания. Это потому, что рис высаживают в лист с водой, создавая искусственное болото.

В болотах бактерии разрушают органические вещества в анаэробных условиях с образованием метана. Эта культура может вносить до 20% метана, попадающего в атмосферу.

Еще одна культура, при выращивании которой образуются парниковые газы, - сахарный тростник, поскольку он сжигается перед сбором урожая и производит большое количество CO2.

Жвачные животные

Жвачные животные, такие как коровы, потребляют волокнистую траву в процессе ферментации, осуществляемой бактериями в их пищеварительной системе. При такой ферментации ежедневно для каждого животного в атмосферу выделяется от 3 до 4 литров метана.

Только с учетом крупного рогатого скота оценивается вклад, эквивалентный 5% парниковых газов.

- Цепная реакция

Повышение глобальной температуры, вызывающее увеличение количества парниковых газов, вызывает цепную реакцию. По мере повышения температуры океанов выброс CO2 в атмосферу увеличивается.

Точно так же таяние полюсов и вечной мерзлоты высвобождает CO2, который был там задержан. Также при более высоких температурах окружающей среды чаще возникают лесные пожары и выделяется больше CO2.

Парниковые газы

Некоторые газы, такие как водяной пар и CO2, участвуют в естественном процессе парникового эффекта. Со своей стороны, в антропный процесс помимо СО2 вовлечены и другие газы.

Кривые глобального тренда накопления различных парниковых газов. Источник: Gases_de_efecto_invernadero.png: DouglasGreen производная работа: Ortisa (обсуждение) производная работа: Ortisa

Киотский протокол предусматривает выбросы шести парниковых газов, включая двуокись углерода (CO2) и метан (CH4). Аналогичным образом закись азота (N2O), гидрофторуглерод (HFC), перфторированный углеводород (PFC) и гексафторид серы (SF6).

Водяной пар

Водяной пар - один из самых важных парниковых газов из-за его способности поглощать тепло. Однако равновесие возникает, потому что вода в жидком и твердом состоянии отражает солнечную энергию и охлаждает Землю.

Углекислый газ (CO2)

Углекислый газ является основным долгоживущим парниковым газом в атмосфере. Этот газ ответственен за 82% увеличения парникового эффекта, произошедшего в последние десятилетия.

В 2017 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что глобальная концентрация CO2 составляет 405,5 частей на миллион. Это представляет собой увеличение на 146% по сравнению с уровнями, оцененными до 1750 года (доиндустриальная эпоха).

Метан (CH

Метан является вторым по значимости парниковым газом, на который приходится около 17% потепления. 40% метана производится из природных источников, в основном из водно-болотных угодий, а оставшиеся 60% генерируются в результате деятельности человека.

Эти виды деятельности включают разведение жвачных животных, выращивание риса, использование ископаемых видов топлива и сжигание биомассы. В 2017 году концентрация CH4 в атмосфере достигла 1859 частей на миллион, что на 257% выше, чем доиндустриальный уровень.

Оксиды азота (NOx)

NOx способствуют разрушению стратосферного озона, увеличивая количество ультрафиолетового излучения, проникающего через Землю. Эти газы образуются при промышленном производстве азотной и адипиновой кислоты, а также при использовании удобрений.

К 2017 году концентрация этих газов в атмосфере достигла 329,9 частей на миллион, что эквивалентно 122% от уровня, рассчитанного для доиндустриальной эпохи.

Гидрофторуглероды (ГФУ)

Эти газы используются в различных промышленных приложениях для замены CFC. Однако ГФУ также влияют на озоновый слой и имеют очень высокую активную постоянство в атмосфере.

Перфторированный углеводород (ПФУ)

ПФУ производятся на мусоросжигательных установках в процессе плавки алюминия. Как и ГФУ, они обладают высокой стойкостью в атмосфере и влияют на целостность стратосферного озонового слоя.

Гексафторид серы (SF6)

Этот газ также отрицательно влияет на озоновый слой, а также обладает высокой стойкостью в атмосфере. Он используется в высоковольтном оборудовании и при производстве магния.

Хлорфторуглероды (ХФУ)

ХФУ - мощный парниковый газ, который разрушает стратосферный озон и регулируется Монреальским протоколом. Однако в некоторых странах, таких как Китай, он все еще используется в различных промышленных процессах.

Что такое парниковый эффект для живых существ?

- Граничные условия

Как мы знаем, жизнь невозможна при температуре выше определенного уровня. Только некоторые термофильные бактерии способны жить в средах с температурой выше 100 ° C.

Жизненная температура

Как правило, амплитуда колебаний температуры, обеспечивающая большую часть активного срока службы, колеблется от -18 ºC до 50 ºC. Точно так же формы жизни могут существовать в латентном состоянии при температурах от -200 ° C до 110 ° C.

Большинство видов животных и растений имеют еще более ограниченные пределы устойчивости к комнатной температуре.

- Динамический баланс температуры

Парниковый эффект - это положительный естественный процесс для жизни на планете, поскольку он гарантирует жизненно важный диапазон температур. Но это так до тех пор, пока сохраняется правильный баланс между поступлением солнечной энергии и выходом инфракрасного излучения.

Баланс

Баланс гарантирован, потому что природа производит почти столько же парниковых газов, сколько удерживает. Океан производит около 300 гигатонн CO2, но поглощает немного больше.

Точно так же растительность производит около 440 гигатонн CO2, в то же время устанавливая около 450.

Последствия парникового эффекта из-за загрязнения

Антропное загрязнение способствует увеличению количества парниковых газов, нарушая естественный динамический баланс. Хотя эти суммы намного меньше, чем те, которые генерируются природой, их достаточно, чтобы нарушить этот баланс.

Это имеет серьезные последствия для планетарного теплового баланса и, в свою очередь, для жизни на Земле.

Глобальное потепление

Увеличение концентрации парниковых газов вызывает повышение средней глобальной температуры. Фактически, средняя глобальная температура, по оценкам, поднялась на 1,1 ° C с доиндустриальной эпохи.

С другой стороны, было указано, что период с 2015 по 2019 год был самым жарким за всю историю наблюдений.

Таяние льда

Повышение температуры приводит к таянию полярных льдов и ледников во всем мире. Это подразумевает повышение уровня моря и изменение морских течений.

Изменение климата

Хотя нет полного согласия в отношении процесса изменения климата в результате глобального потепления, реальность такова, что климат планеты меняется. Об этом свидетельствует, среди прочего, изменение морских течений, ветров и осадков.

Несбалансированность населения

Изменение среды обитания из-за повышения температуры влияет на популяцию и биологическое поведение вида. В некоторых случаях есть виды, которые увеличивают свою популяцию и расширяют ареал распространения.

Однако те виды, у которых очень узкий диапазон температур для роста и размножения, могут значительно сократить свои популяции.

Снижение производства продуктов питания

Во многих сельскохозяйственных и животноводческих районах производство сокращается, потому что на эти виды влияет повышение температуры. С другой стороны, экологические изменения приводят к распространению сельскохозяйственных вредителей.

Здравоохранение

Трансмиссивные болезни

С повышением средней планетарной температуры некоторые животные-переносчики болезней расширяют свой ареал. Таким образом, случаи тропических болезней выходят за пределы их естественного ареала.

шок

Повышение температуры может вызвать так называемый тепловой удар или тепловой удар, который подразумевает сильное обезвоживание. Эта ситуация может вызвать серьезную недостаточность органов, особенно у детей и пожилых людей.

Профилактика и решения

Чтобы предотвратить усиление парникового эффекта, необходимо снизить выбросы газов, которые его вызывают. Это требует мер, которые варьируются от повышения осведомленности общественности через национальное и международное законодательство до технологических изменений.

Однако, по мнению Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC), этого недостаточно для сокращения выбросов. Кроме того, необходимо снизить текущую концентрацию парниковых газов в атмосфере, чтобы остановить глобальное потепление.

В этом смысле решение состоит в увеличении растительного покрова, чтобы зафиксировать атмосферный CO2. Другой - внедрение технологических систем фильтрации воздуха для извлечения СО2 и его фиксации в промышленных продуктах.

Пока попытки достичь таких международных соглашений, как Киотский протокол, не достигли своих целей. С другой стороны, технологические разработки по извлечению атмосферного CO2 находятся только на уровне прототипов.

профилактика

Чтобы не допустить усиления парникового эффекта, необходимо снизить производство парниковых газов. Это подразумевает ряд действий, которые включают в себя развитие гражданского сознания, законодательные меры, технологические изменения.

осведомленность

Граждане осознают проблему глобального потепления, вызванного усилением парникового эффекта. Таким образом оказывается необходимое социальное давление, чтобы правительства и экономические власти принимали необходимые меры.

Правовые рамки

Основным международным соглашением по решению проблемы образования парниковых газов является Киотский протокол. Однако до сих пор этот правовой инструмент не был эффективным в снижении уровня выбросов парниковых газов.

Некоторые из основных промышленно развитых стран с более высокими уровнями выбросов не подписали продление протокола на второй срок. Следовательно, для достижения реального эффекта необходимы более строгие национальные и международные правовые рамки.

Технологические изменения

Для сокращения выбросов парниковых газов требуется реинжиниринг производственных процессов. Точно так же необходимо поощрять использование возобновляемых источников энергии и сокращать использование ископаемого топлива.

С другой стороны, важно уменьшить образование загрязняющих отходов в целом.

Решения

По мнению экспертов, недостаточно снизить выбросы парниковых газов, необходимо также снизить текущие концентрации в атмосфере. Для этого были предложены различные альтернативы, в которых можно использовать очень простые или сложные технологии.

Поглотители углерода

Для этого рекомендуется увеличить покрытие лесов и джунглей, а также реализовать такие стратегии, как зеленые крыши. Растения фиксируют атмосферный CO2 в своих структурах растений, извлекая его из атмосферы.

Насосы для откачки углерода

До сих пор извлечение CO2 из атмосферы было дорогостоящим с энергетической точки зрения и было связано с высокими экономическими затратами. Однако исследования по поиску эффективных способов фильтрации воздуха и удаления CO2 продолжаются.

Одно из этих предложений уже находится на стадии пилотного производства и разрабатывается университетами Калгари и Карнеги-Меллона. Это растение использует раствор гидроксида калия в качестве водоотделителя и едкий кальций, через который фильтруется воздух.

В этом процессе СО2, содержащийся в воздухе, удерживается, образуя карбонат кальция (CaCO3). Впоследствии карбонат кальция нагревается и выделяется CO2, в результате чего очищенный CO2 используется в промышленности.

Библиографические ссылки

1. Болин Б. и Дус Б.Р. Парниковый эффект.
2. Кабальеро, М., Лозано, С. и Ортега, Б. (2007). Парниковый эффект, глобальное потепление и изменение климата: перспективы науки о Земле. Университетский цифровой журнал.
3. Кармона, Дж. К., Боливар, Д. М. и Хиральдо, Лос-Анджелес (2005). Метан в животноводстве и альтернативы для измерения его выбросов и снижения его воздействия на окружающую среду и производство. Колумбийский журнал наук о животноводстве.
4. Элсом, Д.М. (1992). Загрязнение атмосферы: глобальная проблема.
5. Мартинес, Х. и Фернандес, А. (2004). Изменение климата: взгляд из Мексики.
6. Шнайдер, SH (1989). Парниковый эффект: наука и политика. Наука.