Наряду с изменениями физических особенностей атмосферы с вытекающими отсюда последствиями, происходят антропогенные изменения ее газового состава. По-видимому, в настоящее время роль человека проявляется сильнее в этой области, и химические трансформации в атмосфере создают ряд серьезных геоэкологических проблем. К их числу надо отнести антропогенное изменение климата и его последствия, нарушение естественного состояния озонового слоя, асидификация, включая кислотные осадки, и локальное загрязнение атмосферы.

Источником энергии погодных и климатических процессов является солнечная радиация. К земной поверхности приходит коротковолновая радиация, в то время как нагреваемая таким образом Земля испускает в атмосферу и далее за ее пределы энергию в виде длинноволнового (инфракрасного, или теплового) излучения.

Некоторые газы в атмосфере, включая водяной пар, отличаются парниковым эффектом, то есть способностью в большей степени пропускать к поверхности Земли солнечную радиацию по сравнению с тепловым излучением, испускаемым нагретой Солнцем Землей. В результате температура поверхности Земли и приземного слоя воздуха выше, чем она была бы при отсутствии парникового эффекта. Средняя температура поверхности Земли равна плюс 15 °C, а без парникового эффекта она была бы минус 18°! Eстественный парниковый эффект – один из механизмов жизнеобеспечения на Земле.

Ведущую роль в парниковом эффекте играет водяной пар, находящийся в атмосфере. Удивительно, что большую роль играют также газы, не отличающиеся высокой концентрацией в атмосфере. К основным парниковым газам относятся: углекислый газ (диоксид углерода) (СО2), метан (СН4), оксиды азота, в особенности N2O, и озон (О3). В эту же категорию следует включить не встречающуюся в природе группу газов, синтезируемых человеком, под общим названием хлорфторуглероды.

Если баланс на верхней границе тропосферы между приходящей коротковолновой и отраженной длинноволновой радиацией не равен нулю, то возникает дополнительный эффект радиационного воздействия на атмосферу, приводящий либо к нагреванию (при перевесе приходящей радиации), либо к охлаждению тропосферы. Атмосфера реагирует на эти изменения, постепенно устанавливая новый радиационный баланс посредством соответствующего повышения или понижения температуры тропосферы и поверхности Земли.

Например, при удвоенной концентрации углекислого газа, по сравнению с концентрацией в начале промышленной революции (1750–1800 гг.), и при отсутствии других факторов эффект радиационного воздействия составил бы 4 вт/м2, а компенсационное повышение температуры было бы около 1°. При более полном учете факторов и обратных связей между ними оказывается, что удвоение концентрации углекислого газа привело бы к повышению температуры на 2,5°. Эффект радиационного воздействия при удвоенной концентрации СО2, равный 4 вт/м2, составляет 1,7 % от величины коротковолновой солнечной радиации, поглощаемой атмосферой и поверхностью Земли и равной в среднем 240 вт/м2. Нарушение баланса приходящей и уходящей радиации всего лишь на 1,7 % приводит, как видим, к очень серьезным изменениям климата! Это также еще один пример высокой степени сбалансированности механизмов жизнеобеспечения экосферы, обеспечивающих ее устойчивость.

Установлено, что многие действия человека за последние 200 лет, и в особенности после 1950 г., привели к продолжающемуся и в настоящее время повышению концентрации в атмосфере газов, обладающих парниковым эффектом (рис. 9). Неизбежно последовавшая за этим реакция атмосферы заключается в антропогенном усилении естественного парникового эффекта. Суммарное антропогенное усиление парникового эффекта оценивается, по состоянию на 1995 г., величиной +2,45 ватт/м2 (Международный Комитет по изменению климата – IPCC).

Парниковый эффект каждого из таких газов зависит от трех основных факторов:

а) ожидаемого парникового эффекта на протяжении ближайших десятилетий или веков (например, 20, 100 или 500 лет), вызываемого единичным объемом газа, уже поступившим в атмосферу, по сравнению с эффектом от углекислого газа, принимаемым за единицу;

б) типичной продолжительности его пребывания в атмосфере;

в) объема эмиссии газа.

Комбинация первых двух факторов носит название «Относительный парниковый потенциал» и выражается в единицах от потенциала СО2. Она является удобным показателем текущего состояния парникового эффекта и используется в международных дипломатических переговорах. Относительная роль каждого из парниковых газов весьма чувствительна к изменению каждого фактора и к их взаимозависимости и потому определяется весьма приближенно.

Рис. 9. Средняя месячная концентрация углекислого газа в атмосфере за 1957–1993 гг. на Гавайских островах (Мауна Лоа) и Южном полюсе

Основные особенности газов с парниковым эффектом в атмосфере по состоянию в основном на 1994 г. приведены в табл. 7.

Таблица 7

Основные особенности газов с парниковым эффектом

* Данные взяты для наиболее типичных для 1995 г. хлорфторуглеродов, как используемых, так и запрещенных к использованию, но еще находящихся в атмосфере.

Для понимания глобального парникового эффекта необходимо понять роль каждого из газов. Как видим, картина отличается большой сложностью и изменчивостью во времени.

Роль водяного пара, содержащегося в атмосфере, в общемировом парниковом эффекте велика, но трудно определима однозначно. Режим водяного пара в атмосфере – главный источник неопределенности изменения климата. При потеплении климата содержание водяного пара в атмосфере будет увеличиваться, тем самым усиливая парниковый эффект.

Диоксид углерода, или углекислый газ (СО2), отличается, по сравнению с другими парниковыми газами, относительно низким потенциалом парникового эффекта, но довольно значительной продолжительностью существования в атмосфере, порядка 50—200 лет, и сравнительно высокой концентрацией. Доля диоксида углерода в парниковом эффекте составляет в настоящее время около 64 %, но эта относительная величина неустойчива, поскольку зависит от изменяющейся роли других парниковых газов.

Концентрация углекислого газа в атмосфере в период с 1000 по 1800 гг. составляла 270–290 частей на миллион по объему (ppmv). Затем она стала неуклонно увеличиваться, с соответствующим возрастанием парникового эффекта. В 1958 г., когда начались постоянные инструментальные наблюдения, она была 315 ppmv, а к концу XX в. она примерно равна 360 ppmv и продолжает расти (рис. 9). Расчеты показывают, что при современном уровне эмиссии углекислого газа концентрация его в атмосфере будет неуклонно увеличиваться, достигнув 500 ppmv к концу XXI в. Стабилизация концентрации может быть достигнута только при значительном сокращении объема выбросов.