L'effet de serre dans l'atmosphère de notre planète est causé par le fait que le flux d'énergie dans la gamme infrarouge du spectre, s'élevant de la surface de la Terre, est absorbé par les molécules de gaz atmosphériques et renvoyé dans différentes directions , en conséquence, la moitié de l'énergie absorbée par les molécules de gaz à effet de serre retourne à la surface de la Terre, provoquant son réchauffement. A noter que l'effet de serre est un phénomène atmosphérique naturel (Fig. 5). S'il n'y avait pas du tout d'effet de serre sur Terre, la température moyenne sur notre planète serait d'environ -21 ° C, et donc, grâce aux gaz à effet de serre, elle est de + 14 ° C. Par conséquent, purement théoriquement, l'activité humaine, associée au rejet de gaz à effet de serre dans l'atmosphère terrestre, devrait conduire à un réchauffement supplémentaire de la planète. Les principaux gaz à effet de serre, par ordre d'impact estimé sur le bilan thermique de la Terre, sont la vapeur d'eau (36-70%), le dioxyde de carbone (9-26%), le méthane (4-9%), les halocarbures, l'oxyde nitrique.

Riz.

Les centrales électriques au charbon, les cheminées d'usine, les pots d'échappement des voitures et d'autres sources de pollution d'origine humaine émettent ensemble environ 22 milliards de tonnes dans l'atmosphère. gaz carbonique et d'autres gaz à effet de serre par an. L'élevage, l'application d'engrais, la combustion du charbon et d'autres sources produisent environ 250 millions de tonnes de méthane par an. Environ la moitié de tous les gaz à effet de serre émis par l'humanité restent dans l'atmosphère. Environ les trois quarts de toutes les émissions anthropiques de gaz à effet de serre au cours des 20 dernières années ont été causées par l'utilisation du pétrole, du gaz naturel et du charbon (figure 6). Une grande partie du reste est causée par des modifications du paysage, principalement la déforestation.

Riz.

vapeur d'eau est aujourd'hui le gaz à effet de serre le plus important. Cependant, la vapeur d'eau est également impliquée dans de nombreux autres processus, ce qui rend son rôle loin d'être univoque dans différentes conditions.

Tout d'abord, lors de l'évaporation de la surface de la Terre et de la condensation ultérieure dans l'atmosphère, jusqu'à 40 % de toute la chaleur pénétrant dans l'atmosphère est transférée aux couches inférieures de l'atmosphère (troposphère) par convection. Ainsi, la vapeur d'eau lors de l'évaporation abaisse quelque peu la température de surface. Mais la chaleur dégagée par la condensation dans l'atmosphère est utilisée pour la réchauffer, et plus tard, pour réchauffer la surface de la Terre elle-même.

Mais après la condensation de la vapeur d'eau, des gouttelettes d'eau ou des cristaux de glace se forment, qui sont intensément impliqués dans les processus de diffusion. lumière du soleil, partie réfléchissante énergie solaire retour dans l'espace. Les nuages, qui ne sont que des accumulations de ces gouttelettes et cristaux, augmentent la fraction d'énergie solaire (albédo) réfléchie par l'atmosphère elle-même vers l'espace (et d'autres précipitations des nuages ​​peuvent tomber sous forme de neige, augmentant l'albédo de surface).

Cependant, la vapeur d'eau, même condensée en gouttelettes et en cristaux, possède toujours de puissantes bandes d'absorption dans la région infrarouge du spectre, ce qui signifie que le rôle des mêmes nuages ​​est loin d'être univoque. Cette dualité est particulièrement visible dans les cas extrêmes suivants - lorsque le ciel est couvert de nuages ​​par temps d'été ensoleillé, la température à la surface diminue, et si la même chose se produit une nuit d'hiver, alors, au contraire, elle augmente. La position des nuages ​​affecte également le résultat final - à basse altitude, les nuages ​​puissants reflètent beaucoup d'énergie solaire, et l'équilibre peut être en faveur de l'effet anti-serre dans ce cas, mais à haute altitude, les cirrus raréfiés laissent beaucoup d'énergie solaire vers le bas, mais même les nuages ​​raréfiés sont un obstacle presque insurmontable au rayonnement infrarouge et, et ici, nous pouvons parler de la prédominance de l'effet de serre.

Une autre caractéristique de la vapeur d'eau - l'atmosphère humide contribue dans une certaine mesure à la liaison d'un autre gaz à effet de serre - le dioxyde de carbone, et son transfert par les précipitations à la surface de la Terre, où il peut être utilisé dans la formation de carbonates et de combustibles fossiles comme résultat de processus ultérieurs.

L'activité humaine a très peu d'effet direct sur la teneur en vapeur d'eau dans l'atmosphère - uniquement en raison de l'augmentation de la superficie des terres irriguées, des changements dans la superficie des marécages et du travail de l'énergie, qui est négligeable par rapport à la fond d'évaporation de toute la surface de l'eau de la Terre et de l'activité volcanique. De ce fait, bien souvent peu d'attention y est portée lorsque l'on considère le problème de l'effet de serre.

Cependant, l'effet indirect sur la teneur en vapeur d'eau peut être très important, en raison des rétroactions entre la teneur en vapeur d'eau atmosphérique et le réchauffement causé par d'autres gaz à effet de serre, que nous allons maintenant considérer.

On sait qu'avec une augmentation de la température, l'évaporation de la vapeur d'eau augmente également, et pour chaque tranche de 10 ° C, la teneur possible en vapeur d'eau dans l'air double presque. Par exemple, à 0 °C, la pression de vapeur saturante est d'environ 6 mb, à +10 °C - 12 mb et à +20 °C - 23 mb.

On peut voir que la teneur en vapeur d'eau dépend fortement de la température, et lorsqu'elle diminue pour une raison quelconque, d'une part, l'effet de serre de la vapeur d'eau elle-même diminue (en raison de la teneur réduite), et d'autre part, la condensation de la vapeur d'eau se produit, qui, bien sûr, ralentit considérablement la baisse de température due au dégagement de chaleur de condensation, mais après condensation, la réflexion de l'énergie solaire augmente, à la fois de l'atmosphère elle-même (diffusion sur les gouttelettes et les cristaux de glace) et de la surface (chutes de neige ), ce qui abaisse encore la température.

Lorsque la température augmente, la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère augmente, son effet de serre augmente, ce qui amplifie l'augmentation initiale de la température. En principe, la nébulosité augmente également (plus de vapeur d'eau pénètre dans les régions relativement froides), mais elle est extrêmement faible - selon I. Mokhov, environ 0,4% par degré de réchauffement, ce qui ne peut pas affecter considérablement la croissance de la réflexion de l'énergie solaire.

Gaz carbonique- le deuxième plus grand contributeur à l'effet de serre aujourd'hui, ne gèle pas lorsque la température baisse et continue à créer un effet de serre même aux températures les plus basses possibles dans des conditions terrestres. Probablement, c'est précisément grâce à l'accumulation progressive de dioxyde de carbone dans l'atmosphère due à l'activité volcanique que la Terre a pu sortir de l'état des glaciations les plus puissantes (quand même l'équateur était recouvert d'une puissante couche de glace) , dans lequel il est tombé au début et à la fin du Protérozoïque.

Le dioxyde de carbone est impliqué dans un puissant cycle du carbone dans le système lithosphère-hydrosphère-atmosphère, et le changement du climat terrestre est principalement associé à un changement dans l'équilibre de son entrée dans l'atmosphère et de son évacuation.

En raison de la solubilité relativement élevée du dioxyde de carbone dans l'eau, la teneur en dioxyde de carbone dans l'hydrosphère (principalement les océans) est désormais de 4x104 Gt (gigatonnes) de carbone (désormais, des données sur le CO2 en termes de carbone sont données), y compris en profondeur couches (Putvinsky, 1998). L'atmosphère contient actuellement environ 7,5x102 Gt de carbone (Alekseev et al., 1999). La teneur en CO2 dans l'atmosphère était loin d'être toujours faible - par exemple, dans l'Archéen (il y a environ 3,5 milliards d'années), l'atmosphère était composée de près de 85 à 90% de dioxyde de carbone, à une pression et une température nettement plus élevées (Sorokhtin, Ushakov , 1997). Cependant, le flux d'importantes masses d'eau vers la surface de la Terre à la suite du dégazage de l'intérieur, ainsi que l'émergence de la vie, ont assuré la liaison de la quasi-totalité de l'atmosphère et d'une partie importante du dioxyde de carbone dissous dans l'eau sous forme de carbonates (environ 5,5x107 Gt de carbone sont stockés dans la lithosphère (rapport GIEC, 2000)) . De plus, le dioxyde de carbone a commencé à être converti par les organismes vivants en diverses formes de minéraux combustibles. De plus, une partie du dioxyde de carbone a été séquestrée du fait de l'accumulation de biomasse, dont les réserves totales de carbone sont comparables à celles de l'atmosphère, et compte tenu des sols, qu'elle dépasse plusieurs fois.

Cependant, nous nous intéressons avant tout aux flux qui assurent l'entrée du dioxyde de carbone dans l'atmosphère et l'en retirent. La lithosphère fournit désormais un très faible flux de dioxyde de carbone entrant dans l'atmosphère principalement en raison de l'activité volcanique - environ 0,1 Gt de carbone par an (Putvinsky, 1998). Des flux significativement plus importants sont observés dans les systèmes océan (avec les organismes qui y vivent) - atmosphère, et biote terrestre - atmosphère. Environ 92 Gt de carbone pénètrent dans l'océan chaque année à partir de l'atmosphère et 90 Gt retournent dans l'atmosphère (Putvinsky, 1998). Ainsi, environ 2 Gt de carbone sont en plus retirées de l'atmosphère par l'océan chaque année. Dans le même temps, environ 100 Gt de carbone par an pénètrent dans l'atmosphère dans les processus de respiration et de décomposition des êtres vivants terrestres morts. Dans les processus de photosynthèse, la végétation terrestre élimine également environ 100 Gt de carbone de l'atmosphère (Putvinsky, 1998). Comme nous pouvons le voir, le mécanisme d'entrée et de sortie de carbone de l'atmosphère est assez équilibré, fournissant des flux à peu près égaux. La vie humaine moderne inclut dans ce mécanisme un flux supplémentaire de plus en plus important de carbone dans l'atmosphère dû à la combustion de combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon, etc.) - selon des données, par exemple, pour la période 1989-99, une moyenne d'environ 6,3 Gt par an. En outre, le flux de carbone dans l'atmosphère augmente en raison de la déforestation et de la combustion partielle des forêts - jusqu'à 1,7 Gt par an (rapport du GIEC, 2000), tandis que l'augmentation de la biomasse qui contribue à l'absorption du CO2 n'est que d'environ 0,2 Gt par an. au lieu de près de 2 Gt par an. Même en tenant compte de la possibilité d'absorber environ 2 Gt de carbone supplémentaires par l'océan, il reste encore un flux supplémentaire assez important (actuellement, environ 6 Gt par an), qui augmente la teneur en dioxyde de carbone dans l'atmosphère. De plus, l'absorption de dioxyde de carbone par l'océan pourrait diminuer dans un proche avenir, et même le processus inverse est possible - la libération de dioxyde de carbone des océans. Cela est dû à une diminution de la solubilité du dioxyde de carbone avec une augmentation de la température de l'eau - par exemple, avec une augmentation de la température de l'eau de seulement 5 à 10 ° C, le coefficient de solubilité du dioxyde de carbone dans celui-ci diminue d'environ 1,4 à 1,2 .

Ainsi, le flux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère causé par l'activité économique n'est pas important par rapport à certains flux naturels, cependant, sa non-compensation conduit à une accumulation progressive de CO2 dans l'atmosphère, ce qui détruit l'équilibre des entrées et sorties de CO2, ce qui a formé au cours de milliards d'années d'évolution de la Terre et de la vie sur celle-ci.

De nombreux faits du passé géologique et historique témoignent de la relation entre le changement climatique et les fluctuations de la teneur en gaz à effet de serre. Dans la période allant de 4 à 3,5 milliards d'années, la luminosité du Soleil était d'environ 30 % inférieure à celle d'aujourd'hui. Cependant, même sous les rayons du jeune Soleil "pâle", la vie s'est développée sur Terre et des roches sédimentaires se sont formées : au moins sur une partie de la surface terrestre, la température était supérieure au point de congélation de l'eau. Certains scientifiques suggèrent qu'à cette époque l'atmosphère terrestre contenait un axe 1000 fois plus grand gaz carbonique qu'elle ne l'est maintenant, et cela a compensé le manque d'énergie solaire, car une plus grande partie de la chaleur rayonnée par la Terre est restée dans l'atmosphère. L'augmentation de l'effet de serre pourrait être l'une des raisons exclusivement climat chaud plus tard - à l'ère mésozoïque (l'ère des dinosaures). Selon l'analyse des restes fossiles sur la Terre à cette époque, il faisait 10 à 15 degrés de plus qu'aujourd'hui. Il convient de noter qu'alors, il y a 100 millions d'années et plus tôt, les continents occupaient une position différente de celle de notre époque, et la circulation océanique était également différente, de sorte que le transfert de chaleur des tropiques vers les régions polaires pouvait être plus important. Cependant, les calculs d'Eric J. Barron, maintenant à l'Université de Pennsylvanie, et d'autres montrent que pas plus de la moitié du réchauffement mésozoïque pourrait être lié à la géographie paléocontinentale. Le reste du réchauffement s'explique facilement par une augmentation du dioxyde de carbone. Cette hypothèse a été avancée pour la première fois par les scientifiques soviétiques A. B. Ronov de l'Institut hydrologique d'État et M. I. Budyko de l'Observatoire géophysique principal. Les calculs à l'appui de cette suggestion ont été effectués par Eric Barron, Starley L. Thompson du National Center for Atmospheric Research (NCAR). À partir d'un modèle géochimique développé par Robert A. Berner et Antonio C. Lazaga de l'Université de Yale et feu Robert. Les champs du Texas se sont transformés en désert après une sécheresse qui a duré un certain temps en 1983. Une telle image, selon des calculs de modèles informatiques, peut être observée dans de nombreux endroits si le réchauffement climatique réduit l'humidité du sol dans les régions centrales des continents, où la production céréalière est concentré.

M. Garrels de l'Université de Floride du Sud, il s'ensuit que du dioxyde de carbone pourrait être libéré lors d'une activité volcanique exceptionnellement forte sur les dorsales médio-océaniques, où le magma ascendant forme un nouveau fond océanique. La preuve directe d'un lien entre les gaz à effet de serre atmosphériques et le climat pendant les glaciations peut être "extraite" des bulles d'air incrustées dans la glace antarctique, qui s'est formée dans les temps anciens par le compactage des chutes de neige. Une équipe de chercheurs dirigée par Claude Lauriu du Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de Grenoble a étudié une colonne de glace de 2000 m de long (correspondant à une période de 160 mille ans) obtenue par des chercheurs soviétiques à la station Vostok en Antarctique. L'analyse en laboratoire des gaz contenus dans cette colonne de glace a montré que dans l'ancienne atmosphère, les concentrations de dioxyde de carbone et de méthane changeaient de concert et, plus important encore, « dans le temps » avec les changements de la température locale moyenne (elle était déterminée par le rapport des concentrations d'isotopes d'hydrogène dans les molécules d'eau). Au cours de la dernière période interglaciaire, qui a déjà duré 10 000 ans, et de la période interglaciaire qui l'a précédée (il y a 130 000 ans) qui a également duré 10 000 ans, la température moyenne dans cette région était de 10 °C supérieure à celle des glaciations. (Au total, la terre était plus chaude de 5°C pendant les périodes indiquées.) Aux mêmes périodes, l'atmosphère contenait 25% de dioxyde de carbone en plus et 100 070 de méthane en plus que pendant les glaciations. Il n'est pas clair si le changement des gaz à effet de serre était la cause et l'effet était le changement climatique, ou vice versa. Très probablement, la cause des glaciations était des changements dans l'orbite terrestre et la dynamique particulière de l'avancée et du recul des glaciers; cependant, ces fluctuations climatiques peuvent avoir été exacerbées par des modifications du biote et des fluctuations de la circulation océanique, qui affectent la teneur en gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Des données encore plus détaillées sur les fluctuations des gaz à effet de serre et le changement climatique sont disponibles pour les 100 dernières années, au cours desquelles il y a eu une nouvelle augmentation de 25 % du dioxyde de carbone et de 100 % du méthane. "Enregistrements" température moyenne sur le globe au cours des 100 dernières années ont été étudiés par deux équipes de recherche dirigées par James E. Hansen du Goddard Institute for Space Research de la National Aeronautics and Space Administration et T. M. L. Wigley de la division climatique de l'Université d'East Anglia.

La rétention de chaleur par l'atmosphère est la principale composante du bilan énergétique de la Terre (Fig. 8). Environ 30% de l'énergie provenant du Soleil est réfléchie (à gauche) soit par les nuages, soit par les particules, soit par la surface de la Terre ; les 70 % restants sont absorbés. L'énergie absorbée est réémise dans le domaine infrarouge par la surface de la planète.

Riz.

Ces scientifiques ont utilisé des mesures provenant de stations météorologiques dispersées sur tous les continents (l'équipe de la Division Climat a également inclus des mesures en mer dans l'analyse). Parallèlement, des méthodes différentes d'analyse des observations et de prise en compte des « distorsions » ont été adoptées dans les deux groupes, liées par exemple au fait que certaines stations météorologiques se sont « déplacées » vers un autre lieu sur une centaine d'années, et certaines localisées dans les villes ont donné des données « contaminées » » l'influence de la chaleur générée par les entreprises industrielles ou accumulée pendant la journée par les bâtiments et les chaussées. Le dernier effet, conduisant à l'apparition d'« îlots de chaleur », est très sensible dans les pays développés, comme les États-Unis. Cependant, même si la correction calculée pour les États-Unis (elle a été obtenue par Thomas R. Karl du National Climatic Data Center à Asheville, Caroline du Nord, et P.D. Jones de l'Université d'East Anglia) est étendue à toutes les données sur le globe, dans les deux dossiers restera "<реальное» потепление величиной 0,5 О С, относящееся к последним 100 годам. В согласии с общей тенденцией 1980-е годы остаются самым теплым десятилетием, а 1988, 1987 и 1981 гг. - наиболее теплыми годами (в порядке перечисления). Можно ли считать это «сигналом» парникового потепления? Казалось бы, можно, однако в действительности факты не столь однозначны. Возьмем для примера такое обстоятельство: вместо неуклонного потепления, какое можно ожидать от парникового эффекта, быстрое повышение температуры, происходившее до конца второй мировой войны, сменилось небольшим похолоданием, продлившимся до середины 1970-х годов, за которым последовал второй период быстрого потепления, продолжающийся по сей день. Какой характер примет изменение температуры в ближайшее время? Чтобы дать такой прогноз, необходимо ответить на три вопроса. Какое количество диоксида углерода и других парниковых газов будет выброшено в атмосферу? Насколько при этом возрастет концентрация этих газов в атмосфере? Какой климатический эффект вызовет это повышение концентрации, если будут действовать естественные и антропогенные факторы, которые могут ослаблять или усиливать климатические изменения? Прогноз выбросов - нелегкая задача для исследователей, занимающихся анализом человеческой деятельности. Какое количество диоксида углерода попадет в атмосферу, зависит главным образом от того, сколько ископаемого топлива будет сожжено и сколько лесов вырублено (последний фактор ответствен за половину прироста парниковых газов с 1800 г. и за 20070прироста в наше время). И тот и другой фактор зависят в свою очередь от множества причин. Так, на потреблении ископаемого топлива сказываются рост населения, переход к альтернативным источникам энергии и меры по экономии энергии, а также состояние мировой экономики. Прогнозы в основном сводятся к тому, что потребление ископаемого топлива на земном шаре в целом будет увеличиваться примерно с той же скоростью, что и сегодня намного медленнее, чем до энергетического кризиса 1970-х годов. В результате эмиссия (поступление в атмосферу) диоксида углерода в ближайшие несколько десятилетий, будет увеличиваться на 0,5-2070 в год. Другие парниковые газы, такие как ХФУ, оксиды азота и тропосферный озон, могут вносить в потепление климата почти столь же большой вклад, что и диоксид углерода, хотя в атмосферу их попадает значительно меньше: объясняется это тем, что они более эффективно поглощают солнечную радиацию. Предсказать, какова будет эмиссия этих газов - задача еще более трудная. Так, например, не вполне ясно происхождение некоторых газов, в частности метана; величина выбросов других газов, таких как ХФУ или озон, будет зависеть от того, какие изменения в технологии и политике произойдут в ближайшем будущем.

Echange de carbone entre l'atmosphère et les différents "réservoirs" terrestres (Fig. 9). Chaque chiffre indique, en milliards de tonnes, le carbone (sous forme de dioxyde) par an, ou stocké dans un réservoir. Dans ces cycles naturels, dont l'un se "ferme" à la terre et l'autre à l'océan, la quantité de dioxyde de carbone retirée de l'atmosphère est la même qu'elle y pénètre, mais l'activité humaine - la déforestation et la combustion de combustibles fossiles - conduit au fait que la teneur en carbone de l'atmosphère augmente chaque année de 3 milliards de tonnes. Données tirées de Bert Bolin à l'Université de Stockholm

Fig.9

Supposons que nous ayons une prévision raisonnable de l'évolution des émissions de dioxyde de carbone. Quels changements se produiront dans ce cas avec la concentration de ce gaz dans l'atmosphère ? Le dioxyde de carbone atmosphérique est « consommé » par les plantes, ainsi que par l'océan, où il est utilisé pour les processus chimiques et biologiques. Comme la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique change, le taux de "consommation" de ce gaz changera probablement aussi. En d'autres termes, les processus qui provoquent des changements dans la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique doivent inclure une rétroaction. Le dioxyde de carbone est la « matière première » de la photosynthèse des plantes, sa consommation par les plantes est donc susceptible d'augmenter avec son accumulation dans l'atmosphère, ce qui ralentira cette accumulation. De même, étant donné que la teneur en dioxyde de carbone des eaux de surface de l'océan est en équilibre approximatif avec sa teneur dans l'atmosphère, une augmentation de l'absorption de dioxyde de carbone par l'eau de l'océan ralentira son accumulation dans l'atmosphère. Il peut cependant arriver que l'accumulation de dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre dans l'atmosphère déclenche des mécanismes de rétroaction positive qui amplifient l'effet climatique. Par exemple, un changement climatique rapide pourrait entraîner la disparition de parties de forêts et d'autres écosystèmes, ce qui affaiblirait la capacité de la biosphère à absorber le dioxyde de carbone. De plus, le réchauffement peut conduire à une libération rapide du carbone contenu dans le sol entrant dans la composition de la matière organique morte. Ce carbone, deux fois plus élevé que dans l'atmosphère, est constamment transformé en dioxyde de carbone et en méthane par les bactéries du sol. Un temps plus chaud peut accélérer leur « travail », ce qui accélérera la libération de dioxyde de carbone (des sols secs) et de méthane (des zones occupées par les rizières, des décharges et des zones humides). Une grande quantité de méthane est également stockée dans les sédiments sur le plateau continental et sous la couche de pergélisol dans l'Arctique sous la forme de clathrates - des réseaux moléculaires constitués de molécules de méthane et d'eau.Le réchauffement des eaux du plateau et la fonte du pergélisol peuvent entraîner la libération Malgré ces incertitudes, de nombreux chercheurs pensent que l'absorption du dioxyde de carbone par les plantes et l'océan ralentira l'accumulation de ce gaz dans l'atmosphère - au moins dans les 50 à 100 prochaines années. Dans l'atmosphère, environ la moitié restera là. Cela implique qu'un doublement des concentrations de dioxyde de carbone de 1900 (à 600 ppm) se produira entre 2030 et 2080 environ. Cependant, d'autres gaz à effet de serre sont susceptibles de s'accumuler plus rapidement dans l'atmosphère.

La composition de la terre. Air

L'air est un mélange mécanique de divers gaz qui composent l'atmosphère terrestre. L'air est essentiel à la respiration des organismes vivants et est largement utilisé dans l'industrie.

Le fait que l'air soit un mélange et non une substance homogène a été prouvé lors des expériences du scientifique écossais Joseph Black. Au cours de l'une d'entre elles, le scientifique a découvert que lorsque la magnésie blanche (carbonate de magnésium) est chauffée, de «l'air lié», c'est-à-dire du dioxyde de carbone, est libéré et de la magnésie brûlée (oxyde de magnésium) se forme. En revanche, lorsque le calcaire est cuit, «l'air lié» est éliminé. Sur la base de ces expériences, le scientifique a conclu que la différence entre les alcalis carboniques et caustiques est que le premier comprend du dioxyde de carbone, qui est l'un des composants de l'air. Aujourd'hui, nous savons qu'en plus du dioxyde de carbone, la composition de l'air terrestre comprend :

Le rapport des gaz dans l'atmosphère terrestre indiqué dans le tableau est typique de ses couches inférieures, jusqu'à une hauteur de 120 km. Dans ces zones se trouve une région bien mélangée et homogène, appelée l'homosphère. Au-dessus de l'homosphère se trouve l'hétérosphère, caractérisée par la décomposition des molécules de gaz en atomes et ions. Les régions sont séparées les unes des autres par une turbopause.

La réaction chimique dans laquelle, sous l'influence du rayonnement solaire et cosmique, les molécules se décomposent en atomes, s'appelle la photodissociation. Lors de la désintégration de l'oxygène moléculaire, de l'oxygène atomique se forme, qui est le principal gaz de l'atmosphère à des altitudes supérieures à 200 km. A des altitudes supérieures à 1200 km, l'hydrogène et l'hélium, qui sont les gaz les plus légers, commencent à prédominer.

Étant donné que la majeure partie de l'air est concentrée dans les 3 couches atmosphériques inférieures, les modifications de la composition de l'air à des altitudes supérieures à 100 km n'ont pas d'effet notable sur la composition globale de l'atmosphère.

L'azote est le gaz le plus courant, représentant plus des trois quarts du volume d'air terrestre. L'azote moderne a été formé par l'oxydation de l'atmosphère primitive d'ammoniac-hydrogène avec de l'oxygène moléculaire, qui se forme lors de la photosynthèse. Actuellement, une petite quantité d'azote pénètre dans l'atmosphère à la suite de la dénitrification - le processus de réduction des nitrates en nitrites, suivi de la formation d'oxydes gazeux et d'azote moléculaire, qui est produit par des procaryotes anaérobies. Une partie de l'azote pénètre dans l'atmosphère lors des éruptions volcaniques.

Dans la haute atmosphère, lorsqu'il est exposé à des décharges électriques avec la participation d'ozone, l'azote moléculaire est oxydé en monoxyde d'azote :

N2 + O2 → 2NO

Dans des conditions normales, le monoxyde réagit immédiatement avec l'oxygène pour former du protoxyde d'azote :

2NO + O 2 → 2N 2 O

L'azote est l'élément chimique le plus important de l'atmosphère terrestre. L'azote fait partie des protéines, fournit une nutrition minérale aux plantes. Il détermine la vitesse des réactions biochimiques, joue le rôle d'un diluant d'oxygène.

L'oxygène est le deuxième gaz le plus abondant dans l'atmosphère terrestre. La formation de ce gaz est associée à l'activité photosynthétique des plantes et des bactéries. Et plus les organismes photosynthétiques se sont diversifiés et nombreux, plus le processus de teneur en oxygène dans l'atmosphère est devenu important. Une petite quantité d'oxygène lourd est libérée lors du dégazage du manteau.

Dans les couches supérieures de la troposphère et de la stratosphère, sous l'influence du rayonnement solaire ultraviolet (notons-le hν), de l'ozone se forme :

O 2 + hν → 2O

Sous l'action du même rayonnement ultraviolet, l'ozone se désintègre :

O 3 + hν → O 2 + O

O 3 + O → 2O 2

À la suite de la première réaction, de l'oxygène atomique se forme, à la suite de la seconde - de l'oxygène moléculaire. Les 4 réactions sont appelées le mécanisme de Chapman, d'après le scientifique britannique Sidney Chapman qui les a découvertes en 1930.

L'oxygène est utilisé pour la respiration des organismes vivants. Avec son aide, les processus d'oxydation et de combustion se produisent.

L'ozone sert à protéger les organismes vivants du rayonnement ultraviolet, qui provoque des mutations irréversibles. La plus forte concentration d'ozone est observée dans la basse stratosphère au sein de la soi-disant. couche d'ozone ou écran d'ozone se trouvant à des altitudes de 22-25 km. La teneur en ozone est faible : à pression normale, tout l'ozone de l'atmosphère terrestre occuperait une couche de seulement 2,91 mm d'épaisseur.

La formation du troisième gaz le plus répandu dans l'atmosphère, l'argon, ainsi que le néon, l'hélium, le krypton et le xénon, est associée aux éruptions volcaniques et à la désintégration des éléments radioactifs.

En particulier, l'hélium est un produit de la désintégration radioactive de l'uranium, du thorium et du radium : 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (dans ces réactions, le α- particule est un noyau d'hélium, qui dans le processus de perte d'énergie capture des électrons et devient 4 He).

L'argon se forme lors de la désintégration de l'isotope radioactif du potassium : 40 K → 40 Ar + γ.

Le néon s'échappe des roches ignées.

Le krypton est le produit final de la désintégration de l'uranium (235 U et 238 U) et du thorium Th.

La majeure partie du krypton atmosphérique s'est formée aux premiers stades de l'évolution de la Terre à la suite de la désintégration d'éléments transuraniens à demi-vie phénoménale ou venus de l'espace, dont la teneur en krypton est dix millions de fois supérieure à celle de la Terre. .

Le xénon est le résultat de la fission de l'uranium, mais la majeure partie de ce gaz provient des premiers stades de la formation de la Terre, de l'atmosphère primaire.

Le dioxyde de carbone pénètre dans l'atmosphère à la suite d'éruptions volcaniques et lors du processus de décomposition de la matière organique. Sa teneur dans l'atmosphère des latitudes moyennes de la Terre varie fortement selon les saisons de l'année : en hiver, la quantité de CO 2 augmente, et en été elle diminue. Cette fluctuation est liée à l'activité des plantes qui utilisent le dioxyde de carbone dans le processus de photosynthèse.

L'hydrogène se forme à la suite de la décomposition de l'eau par le rayonnement solaire. Mais, étant le plus léger des gaz qui composent l'atmosphère, il s'échappe constamment dans l'espace et, par conséquent, son contenu dans l'atmosphère est très faible.

La vapeur d'eau est le résultat de l'évaporation de l'eau de la surface des lacs, des rivières, des mers et des terres.

La concentration des principaux gaz dans les couches inférieures de l'atmosphère, à l'exception de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone, est constante. En petites quantités, l'atmosphère contient de l'oxyde de soufre SO 2, de l'ammoniac NH 3, du monoxyde de carbone CO, de l'ozone O 3, du chlorure d'hydrogène HCl, du fluorure d'hydrogène HF, du monoxyde d'azote NO, des hydrocarbures, de la vapeur de mercure Hg, de l'iode I 2 et bien d'autres. Dans la couche atmosphérique inférieure de la troposphère, il y a constamment une grande quantité de particules solides et liquides en suspension.

Les sources de particules dans l'atmosphère terrestre sont les éruptions volcaniques, le pollen des plantes, les micro-organismes et, plus récemment, les activités humaines telles que la combustion de combustibles fossiles dans les processus de fabrication. Les plus petites particules de poussière, qui sont les noyaux de condensation, sont à l'origine de la formation des brouillards et des nuages. Sans particules solides constamment présentes dans l'atmosphère, les précipitations ne tomberaient pas sur la Terre.

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LA GESTION

Chaque année, de plus en plus d'attention est accordée au problème du réchauffement climatique. Les experts disent que les émissions de gaz à effet de serre, principalement du dioxyde de carbone, du méthane et d'autres hydrocarbures, entraînent un réchauffement progressif du climat de la planète, qui à son tour conduira à la fonte des glaces polaires et à l'inévitable inondation d'une partie des terres. Néanmoins, dans les médias, parallèlement au scénario "classique" du changement climatique sur notre planète, la voix des scientifiques qui ont leur propre point de vue sur ce problème se fait de plus en plus entendre. Il ne fait aucun doute que le climat est en train de changer.

Des climatologues du British Meteorological Office et de l'Université d'Oxford, utilisant des modèles informatiques, ont découvert que les trois quarts du risque de vagues de chaleur sont dus aux activités humaines. On pense que les activités humaines exacerbent le réchauffement climatique, en particulier, nous parlons de gaz à effet de serre, tels que le dioxyde de carbone - un produit de la combustion de combustibles fossiles. À l'aide de données d'observations météorologiques régulièrement entretenues depuis 1851, les scientifiques ont compilé deux modèles informatiques, dont l'un montrait le changement climatique naturel et le second - ce processus, en tenant compte du facteur humain. Il a été possible de découvrir que l'augmentation de la température sur la planète sous l'influence des émissions de gaz à effet de serre a commencé à se produire au cours des 50 dernières années. réchauffement climatique à effet de serre

Selon une étude publiée dans la revue Nature, plus de la moitié des étés seront plus chauds que l'an dernier d'ici 2040, et l'été 2003 sera considéré comme anormalement froid. En attendant, on sait que l'été 2003 a probablement été le plus chaud des 500 dernières années. Rien qu'au Portugal, les dommages causés par les incendies de forêt ont dépassé le milliard et demi d'euros. En outre, plus de 27 000 personnes sont décédées en Europe à cause de la surchauffe et de ses conséquences associées. Et d'ici 2080, les hivers froids et enneigés en Europe, selon l'Agence européenne pour l'environnement, seront oubliés. Les experts de l'Agence sont convaincus que les Européens doivent s'attendre à la montée du niveau des mers, à la disparition des glaciers alpins et à l'instauration de longues périodes de chaleur aux conséquences meurtrières.

Mais tout le monde n'est pas d'accord avec leur opinion. Ainsi, fin 2004, un avis a été publié selon lequel, en raison de "l'effet de serre" en Europe, ce ne sera pas un réchauffement mais un refroidissement qui se produira. Et quelque chose de similaire s'est déjà produit sur la planète il y a 14 millions d'années. A cette époque, l'Antarctique n'était pas encore recouvert de plusieurs kilomètres de glace. Il existe de nombreuses théories pour expliquer la glaciation soudaine d'un continent entier, et récemment une nouvelle leur a été ajoutée - un changement des courants océaniques qui a coupé l'Antarctique de la chaleur tropicale. L'eau s'est rapidement refroidie et l'Antarctique est devenu ce que nous avons l'habitude de voir aujourd'hui.

Mais la plus grande préoccupation des scientifiques était le fait que le changement des courants était précédé d'une augmentation de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Par conséquent, les scientifiques craignent qu'une augmentation de la concentration de dioxyde de carbone ne provoque à nouveau des perturbations dans le fonctionnement des courants océaniques, en particulier le Gulf Stream chaud qui baigne l'Europe. Et dans ce cas, l'Europe peut s'attendre au sort de l'Antarctique. La revue Science a publié des informations selon lesquelles, en raison du changement climatique, la superficie des champs de glace dans l'océan Arctique continue de se réduire. Une analyse des données de surveillance par satellite de l'Université du Colorado à Boulder a montré qu'en 2004, la couverture de glace était de près de 14 % inférieure à la moyenne. Et si nous extrapolons une telle tendance, alors d'ici 2070, la glace polaire disparaîtra complètement en été.

L'étude des photographies de la Terre prises depuis l'espace par les satellites scientifiques de la NASA et l'utilisation de la modélisation informatique ont permis aux scientifiques américains de tirer une conclusion sur la menace de forts tremblements de terre provoqués par la fonte des glaciers dans le sud de l'Alaska. Selon le géophysicien du Goddard Space Flight Center Gene Sauber et le chercheur de l'USGS Bruce Lightning, les glaciers de l'Alaska ont rétréci d'au moins 10 % au cours des cent dernières années. Cela a atténué la pression sur les plaques tectoniques et leur a permis de se déplacer plus librement dans différentes directions, ce qui conduit à l'oscillation de la surface terrestre. Et les tremblements de terre sous-marins dans la région de l'Alaska, comme vous le savez, peuvent provoquer un tsunami qui peut atteindre les îles hawaïennes. Si l'on suit les conclusions sur les dangers des gaz à effet de serre et leur impact sur le changement climatique de la planète, il serait tout à fait logique de limiter ces émissions. Cela utilise une variété de méthodes : de l'encouragement à l'introduction de nouvelles technologies à faibles émissions de gaz à effet de serre à une interdiction drastique de l'utilisation de technologies obsolètes.

Un groupe de chercheurs dirigé par Wilfrid Post du Laboratoire national américain d'Oak Ridge a publié un rapport dans lequel il propose une autre méthode pour réduire la concentration de gaz à effet de serre dans l'atmosphère - agricole. Selon les chercheurs, la séquestration du dioxyde de carbone par les plantes pourrait être tout aussi rentable et efficace pour lutter contre le réchauffement climatique que la réduction des émissions et le stockage du dioxyde de carbone dans les vides souterrains. Wilfrid Post et ses collègues ont examiné diverses pratiques agricoles qui augmentent l'absorption de dioxyde de carbone par le sol en le convertissant en composés organiques. Et ils sont arrivés à la conclusion tout à fait logique que de nouvelles terres arables et des plantations forestières peuvent être un complément important aux autres mesures prises par l'humanité pour réduire la charge technogénique sur la nature.

Et si la pollution atmosphérique n'aggravait pas la situation avec le climat, mais atténuait ses conséquences ? C'est la question posée par le professeur Andrea Meinrath du Max Planck Institute dans le Maine. Et il est arrivé à la conclusion que si les efforts de la communauté mondiale pour réduire la pollution portent leurs fruits, alors la Terre peut se réchauffer encore plus vite. Selon le professeur, les aérosols (minuscules particules, généralement de soufre ou de carbone présentes dans l'air) aident la planète à se refroidir. Ces aérosols proviennent à la fois de sources naturelles (volcans) et artificielles. En absorbant ou en diffusant le rayonnement, ils peuvent chauffer ou refroidir la troposphère. De plus, ils sont capables de modifier les nuages ​​et d'affecter le niveau des précipitations. Le professeur Andrea soutient que l'effet de refroidissement « l'emporte » sur le réchauffement créé par les gaz à effet de serre.

Une théorie encore plus audacieuse a été avancée par un groupe de scientifiques britanniques et américains qui ont réfuté la théorie moderne du climat. Un groupe de spécialistes de l'Institut George Marshall affirme que l'impact des activités humaines sur la teneur en dioxyde de carbone dans l'atmosphère ne peut pas être établi de manière fiable et que les processus naturels sont très probablement la cause du réchauffement. Quant au concept de réchauffement climatique, il est qualifié de fiction d'hommes politiques qui ont fait des déclarations sur l'impact néfaste de l'homme sur le climat pour leur propre bénéfice. Et les scientifiques suisses et allemands de l'Institut Max Planck pour l'étude du système solaire à Göttingen ont blâmé non seulement l'humanité, mais aussi le Soleil pour le réchauffement. À leur avis, la Terre se réchauffe en raison du fait que le Soleil brille plus fort qu'à tout moment au cours des 1000 dernières années. Et, enfin, un autre groupe de scientifiques assure que si les gens n'interviennent pas, le climat de la terre ne changera pas de manière significative au cours des 15 000 prochaines années. De telles conclusions ont été tirées après des études sur le plus ancien échantillon de glace. Cet échantillon de glace antarctique appartient à la dernière période interglaciaire et présente des caractéristiques très similaires à la glace moderne. Les scientifiques s'accordent sur une chose - si aujourd'hui nous ne prenons pas soin de notre maison commune, il sera de plus en plus difficile d'y vivre chaque année (www.kommentator.ru).

Ainsi, le but des travaux est d'étudier les problèmes d'accumulation des gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

CHAPITRE 1.EFFET DE SERRE

L'idée du mécanisme de l'effet de serre a été énoncée pour la première fois en 1827 par Joseph Fourier dans l'article "Note sur les températures du globe et des autres planètes", dans lequel il envisageait divers mécanismes de formation du climat terrestre, tandis que il a considéré comme des facteurs affectant le bilan thermique global de la Terre (échauffement par le rayonnement solaire, refroidissement dû au rayonnement, chaleur interne de la Terre), ainsi que des facteurs affectant le transfert de chaleur et les températures des zones climatiques (conductivité thermique, circulation atmosphérique et océanique ).

Considérant l'influence de l'atmosphère sur le bilan radiatif, Fourier a analysé l'expérience de M. de Saussure avec un récipient noirci de l'intérieur, recouvert de verre. De Saussure a mesuré la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur d'un tel récipient exposé à la lumière directe du soleil. Fourier a expliqué l'augmentation de la température à l'intérieur d'une telle « mini-serre » par rapport à la température extérieure par l'action de deux facteurs : le blocage des transferts de chaleur par convection (le verre empêche la sortie d'air chauffé de l'intérieur et l'entrée d'air frais de l'extérieur ) et la transparence différente du verre dans le visible et l'infrarouge.

C'est ce dernier facteur qui a reçu le nom d'effet de serre dans la littérature ultérieure - en absorbant la lumière visible, la surface se réchauffe et émet des rayons thermiques (infrarouges); Le verre étant transparent à la lumière visible et quasiment opaque au rayonnement thermique, l'accumulation de chaleur conduit à une telle élévation de température que le nombre de rayons thermiques traversant le verre est suffisant pour établir l'équilibre thermique.

Fourier a postulé que les propriétés optiques de l'atmosphère terrestre sont similaires aux propriétés optiques du verre, c'est-à-dire que sa transparence dans le domaine infrarouge est inférieure à la transparence dans le domaine optique.

L'essence de l'effet de serre est la suivante : la Terre reçoit de l'énergie du Soleil, principalement dans la partie visible du spectre, et émet elle-même principalement des rayons infrarouges dans l'espace.

Cependant, de nombreux gaz contenus dans son atmosphère - vapeur d'eau, CO 2, méthane, protoxyde d'azote, etc. - sont transparents aux rayons visibles, mais absorbent activement les infrarouges, retenant ainsi une partie de la chaleur dans l'atmosphère.

Au cours des dernières décennies, la teneur en gaz à effet de serre dans l'atmosphère a considérablement augmenté. De nouvelles substances, auparavant inexistantes, avec un spectre d'absorption « à effet de serre », sont également apparues, principalement des fluorocarbures (Luknin, 2001).

Les gaz à l'origine de l'effet de serre ne sont pas uniquement le dioxyde de carbone (CO 2 ). Ils comprennent également le méthane (CH 4), le protoxyde d'azote (N 2 O), les hydrofluorocarbures (HFC), les perfluorocarbures (PFC), l'hexafluorure de soufre (SF 6). Or, c'est la combustion des hydrocarbures, accompagnée du dégagement de CO 2 , qui est considérée comme la principale cause de pollution (Karnaukhov, 2002).

La raison de la croissance rapide des gaz à effet de serre est évidente : l'humanité brûle aujourd'hui autant de combustible fossile en une journée qu'elle s'est formée au cours de milliers d'années lors de la formation des gisements de pétrole, de charbon et de gaz. A partir de cette "poussée", le système climatique s'est "déséquilibré" et l'on assiste à un plus grand nombre de phénomènes négatifs secondaires : surtout des journées chaudes, des sécheresses, des inondations, des changements brusques de temps, et c'est ce qui cause le plus de dégâts.

Les chercheurs prédisent que si rien n'est fait, les émissions mondiales de CO 2 quadrupleront au cours des 125 prochaines années. Mais il ne faut pas oublier qu'une partie importante des futures sources de pollution n'est pas encore construite. Au cours des cent dernières années, la température dans l'hémisphère nord a augmenté de 0,6 0 C. L'augmentation de température prévue au siècle prochain sera de 1,5 à 5,8 0 C. L'option la plus probable est de 2,5 à 3 0 C (Alekseev et al ., 1999).

Cependant, le changement climatique ne se limite pas à la hausse des températures. Les changements s'appliquent également à d'autres phénomènes climatiques. Non seulement la chaleur intense, mais aussi les fortes gelées soudaines, les inondations, les coulées de boue, les tornades, les ouragans s'expliquent par les effets du réchauffement climatique. Le système climatique est trop complexe pour s'attendre à des changements uniformes et égaux dans toutes les parties de la planète. Et les scientifiques voient aujourd'hui le principal danger précisément dans la croissance des écarts par rapport aux valeurs moyennes - des fluctuations de température importantes et fréquentes.

Les preuves paléontologiques suggèrent que le climat de la Terre n'a pas été constant. Les périodes chaudes ont été remplacées par des périodes glaciaires froides. Pendant les périodes chaudes, la température annuelle moyenne des latitudes arctiques est passée à 7 - 13 ° C et la température du mois de janvier le plus froid était de 4 à 6 degrés, c'est-à-dire. les conditions climatiques de notre Arctique différaient peu du climat de la Crimée moderne. Les périodes chaudes ont été tôt ou tard remplacées par des périodes de refroidissement, au cours desquelles la glace a atteint les latitudes tropicales modernes.

L'homme a également été témoin d'un certain nombre de changements climatiques. Au début du deuxième millénaire (11-13 siècles), les chroniques historiques indiquent qu'une grande partie du Groenland n'était pas recouverte de glace (c'est pourquoi les navigateurs norvégiens l'ont surnommée "terre verte"). Ensuite, le climat de la Terre est devenu plus rude et le Groenland était presque entièrement recouvert de glace. Aux XVe-XVIIe siècles, les hivers rigoureux atteignirent leur apogée. La rigueur des hivers de cette époque est attestée par de nombreuses chroniques historiques, ainsi que par des œuvres d'art. Ainsi, le célèbre tableau de l'artiste néerlandais Jan Van Goyen "Skaters" (1641) représente le patinage de masse le long des canaux d'Amsterdam ; à l'heure actuelle, les canaux de Hollande ne sont pas gelés depuis longtemps. Pendant les hivers médiévaux, même la Tamise en Angleterre a gelé. Au XVIIIe siècle, un léger réchauffement est noté, qui atteint son maximum en 1770. Le XIXe siècle est à nouveau marqué par une nouvelle vague de froid, qui se poursuit jusqu'en 1900, et dès le début du XXe siècle, un réchauffement assez rapide s'est déjà amorcé. Déjà en 1940, la quantité de glace dans la mer du Groenland avait diminué de moitié, dans la mer de Barents de près d'un tiers, et dans le secteur soviétique de l'Arctique, la superficie totale de glace avait diminué de près de moitié (1 million de km2). Pendant cette période, même des navires ordinaires (pas des brise-glaces) ont navigué calmement le long de la route maritime du nord, de l'ouest à l'est du pays. C'est alors qu'une augmentation significative de la température des mers arctiques a été enregistrée, un recul important des glaciers dans les Alpes et le Caucase a été noté. La superficie totale de glace du Caucase a diminué de 10% et l'épaisseur de la glace a diminué par endroits jusqu'à 100 mètres. L'augmentation de la température au Groenland était de 5°C, tandis qu'au Svalbard elle était de 9°C.

En 1940, le réchauffement a été remplacé par un refroidissement à court terme, qui a rapidement été remplacé par un autre réchauffement, et depuis 1979, une augmentation rapide de la température de la couche superficielle de l'atmosphère terrestre a commencé, ce qui a provoqué une nouvelle accélération de la fonte de la glace dans l'Arctique et l'Antarctique et une augmentation des températures hivernales dans les latitudes tempérées. Ainsi, au cours des 50 dernières années, l'épaisseur de la glace arctique a diminué de 40% et les habitants de plusieurs villes sibériennes ont commencé à constater par eux-mêmes que les fortes gelées appartiennent depuis longtemps au passé. La température hivernale moyenne en Sibérie a augmenté de près de dix degrés au cours des cinquante dernières années. Dans certaines régions de Russie, la période sans gel a augmenté de deux à trois semaines. L'habitat de nombreux organismes vivants s'est déplacé vers le nord suite à l'augmentation des températures hivernales moyennes. De vieilles photographies de glaciers témoignent particulièrement clairement du changement climatique mondial.

En général, au cours des cent dernières années, la température moyenne de la couche superficielle de l'atmosphère a augmenté de 0,3 à 0,8 ° C, la superficie de la couverture de neige dans l'hémisphère nord a diminué de 8% et le niveau de la L'océan mondial a augmenté en moyenne de 10 à 20 centimètres. Ces faits sont quelque peu préoccupants. Que le réchauffement climatique s'arrête ou que la nouvelle augmentation de la température annuelle moyenne sur Terre se poursuive, la réponse à cette question n'apparaîtra que lorsque les causes des changements climatiques en cours seront précisément établies.

Tous les processus climatiques en cours sur la planète dépendent de l'activité de notre luminaire - le Soleil. Par conséquent, même les plus petits changements dans l'activité du Soleil affecteront certainement le temps et le climat de la Terre. Il existe des cycles d'activité solaire de 11 ans, 22 ans et 80-90 ans (Gleisberg).

Il est probable que le réchauffement climatique observé soit dû à la prochaine augmentation de l'activité solaire, qui pourrait décliner à nouveau dans le futur.

L'astronome yougoslave Milanković a suggéré que les changements climatiques cycliques sont en grande partie dus à un changement de l'orbite de la rotation de la Terre autour du Soleil, ainsi qu'à un changement de l'angle d'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport au Soleil. De tels changements orbitaux dans la position et le mouvement de la planète provoquent une modification du bilan radiatif de la Terre, et donc de son climat. Milankovitch, guidé par sa théorie, a calculé assez précisément les heures et la durée des périodes glaciaires dans le passé de notre planète. Les changements climatiques provoqués par une modification de l'orbite terrestre se produisent généralement sur des dizaines, voire des centaines de milliers d'années. Le changement climatique relativement rapide observé à l'heure actuelle résulte apparemment de l'action de certains autres facteurs.

L'océan mondial est un énorme accumulateur inertiel d'énergie solaire. Il détermine en grande partie la direction et la vitesse de déplacement des masses océaniques et atmosphériques chaudes sur Terre, ce qui affecte considérablement le climat de la planète. À l'heure actuelle, la nature de la circulation de la chaleur dans la colonne d'eau de l'océan a été peu étudiée. On sait donc que la température moyenne des eaux océaniques est de 3,5°C et que la surface terrestre est de 15°C, de sorte que l'intensité des échanges de chaleur entre l'océan et la couche superficielle de l'atmosphère peut entraîner des changements climatiques importants. De plus, une grande quantité de CO2 (environ 140 000 milliards de tonnes, soit 60 fois plus que dans l'atmosphère) et un certain nombre d'autres gaz à effet de serre sont dissous dans les eaux océaniques ; à la suite de certains processus naturels, ces gaz peuvent pénétrer l'atmosphère, affectant de manière significative le climat de la Terre (Basov, 1999).

L'activité volcanique est une source d'aérosols d'acide sulfurique et d'une grande quantité de dioxyde de carbone pénétrant dans l'atmosphère terrestre, ce qui peut également affecter de manière significative le climat de la Terre. Les grandes éruptions s'accompagnent initialement d'un refroidissement dû à l'entrée d'aérosols d'acide sulfurique et de particules de suie dans l'atmosphère terrestre. Par la suite, le CO2 dégagé lors de l'éruption provoque une augmentation de la température moyenne annuelle sur Terre. La diminution à long terme de l'activité volcanique qui s'ensuit contribue à une augmentation de la transparence de l'atmosphère, et donc à une augmentation de la température sur la planète.

Dans l'expression "Système solaire", le mot "système" n'est pas mentionné en vain, et dans tout système, comme vous le savez, il existe des connexions entre ses composants. Par conséquent, il est possible que la position relative des planètes et du Soleil puisse affecter la distribution et la force des champs gravitationnels, de l'énergie solaire et d'autres types d'énergie. Toutes les connexions et interactions entre le Soleil, les planètes et la Terre n'ont pas encore été étudiées et il est possible qu'elles aient un impact significatif sur les processus se produisant dans l'atmosphère et l'hydrosphère terrestres.

La planète Terre est un système si vaste et complexe avec un grand nombre d'éléments structurels que ses caractéristiques climatiques globales peuvent changer de manière significative sans aucun changement dans l'activité solaire et la composition chimique de l'atmosphère. Différents modèles mathématiques montrent qu'au cours d'un siècle, les fluctuations de la température de la couche d'air de surface (fluctuations) peuvent atteindre 0,4°C. A titre de comparaison, on peut citer la température corporelle d'une personne en bonne santé, qui varie au cours de la journée et même des heures.

Le taux élevé de changement climatique qui s'est produit au cours des dernières décennies peut en effet s'expliquer par l'intensification toujours croissante de l'activité anthropique, qui a un effet notable sur la composition chimique de l'atmosphère de notre planète dans le sens d'une augmentation de la teneur en gaz à effet de serre qu'il contient (Karnaukhov, 2002).

CHAPITRE 2GAZ À EFFET DE SERRE

L'effet de serre dans l'atmosphère de notre planète est causé par le fait que le flux d'énergie dans la gamme infrarouge du spectre, s'élevant de la surface de la Terre, est absorbé par les molécules de gaz atmosphériques et renvoyé dans différentes directions , en conséquence, la moitié de l'énergie absorbée par les molécules de gaz à effet de serre retourne à la surface de la Terre, provoquant son réchauffement. A noter que l'effet de serre est un phénomène atmosphérique naturel (Fig. 5). S'il n'y avait pas du tout d'effet de serre sur Terre, la température moyenne sur notre planète serait d'environ -21 ° C, et donc, grâce aux gaz à effet de serre, elle est de + 14 ° C. Par conséquent, purement théoriquement, l'activité humaine, associée au rejet de gaz à effet de serre dans l'atmosphère terrestre, devrait conduire à un réchauffement supplémentaire de la planète. Les principaux gaz à effet de serre, par ordre d'impact estimé sur le bilan thermique de la Terre, sont la vapeur d'eau (36-70%), le dioxyde de carbone (9-26%), le méthane (4-9%), les halocarbures, l'oxyde nitrique.

Riz. - Schéma de l'effet de serre

Les centrales électriques au charbon, les cheminées d'usine, les pots d'échappement des voitures et d'autres sources de pollution d'origine humaine émettent ensemble environ 22 milliards de tonnes de dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre par an. L'élevage, l'application d'engrais, la combustion du charbon et d'autres sources produisent environ 250 millions de tonnes de méthane par an. Environ la moitié de tous les gaz à effet de serre émis par l'humanité restent dans l'atmosphère. Environ les trois quarts de toutes les émissions anthropiques de gaz à effet de serre au cours des 20 dernières années ont été causées par l'utilisation du pétrole, du gaz naturel et du charbon (figure 6). Une grande partie du reste est causée par des modifications du paysage, principalement la déforestation.

Riz. - Ratio des émissions de gaz à effet de serre des pays brûlant le plus de pétrole en 2000.

vapeur d'eau est aujourd'hui le gaz à effet de serre le plus important. Cependant, la vapeur d'eau est également impliquée dans de nombreux autres processus, ce qui rend son rôle loin d'être univoque dans différentes conditions.

Tout d'abord, lors de l'évaporation de la surface de la Terre et de la condensation ultérieure dans l'atmosphère, jusqu'à 40 % de toute la chaleur pénétrant dans l'atmosphère est transférée aux couches inférieures de l'atmosphère (troposphère) par convection. Ainsi, la vapeur d'eau lors de l'évaporation abaisse quelque peu la température de surface. Mais la chaleur dégagée par la condensation dans l'atmosphère est utilisée pour la réchauffer, et plus tard, pour réchauffer la surface de la Terre elle-même.

Mais après la condensation de la vapeur d'eau, des gouttelettes d'eau ou des cristaux de glace se forment, qui participent intensivement à la diffusion de la lumière solaire, renvoyant une partie de l'énergie solaire dans l'espace. Les nuages, qui ne sont que des accumulations de ces gouttelettes et cristaux, augmentent la fraction d'énergie solaire (albédo) réfléchie par l'atmosphère elle-même vers l'espace (et d'autres précipitations des nuages ​​peuvent tomber sous forme de neige, augmentant l'albédo de surface).

Cependant, la vapeur d'eau, même condensée en gouttelettes et en cristaux, possède toujours de puissantes bandes d'absorption dans la région infrarouge du spectre, ce qui signifie que le rôle des mêmes nuages ​​est loin d'être univoque. Cette dualité est particulièrement visible dans les cas extrêmes suivants - lorsque le ciel est couvert de nuages ​​par temps d'été ensoleillé, la température à la surface diminue, et si la même chose se produit une nuit d'hiver, alors, au contraire, elle augmente. La position des nuages ​​affecte également le résultat final - à basse altitude, les nuages ​​puissants reflètent beaucoup d'énergie solaire, et l'équilibre peut être en faveur de l'effet anti-serre dans ce cas, mais à haute altitude, les cirrus raréfiés laissent beaucoup d'énergie solaire vers le bas, mais même les nuages ​​raréfiés sont un obstacle presque insurmontable au rayonnement infrarouge et, et ici, nous pouvons parler de la prédominance de l'effet de serre.

Une autre caractéristique de la vapeur d'eau - l'atmosphère humide contribue dans une certaine mesure à la liaison d'un autre gaz à effet de serre - le dioxyde de carbone, et son transfert par les précipitations à la surface de la Terre, où il peut être utilisé dans la formation de carbonates et de combustibles fossiles comme résultat de processus ultérieurs.

L'activité humaine a très peu d'effet direct sur la teneur en vapeur d'eau dans l'atmosphère - uniquement en raison de l'augmentation de la superficie des terres irriguées, des changements dans la superficie des marécages et du travail de l'énergie, qui est négligeable par rapport à la fond d'évaporation de toute la surface de l'eau de la Terre et de l'activité volcanique. De ce fait, bien souvent peu d'attention y est portée lorsque l'on considère le problème de l'effet de serre.

Cependant, l'effet indirect sur la teneur en vapeur d'eau peut être très important, en raison des rétroactions entre la teneur en vapeur d'eau atmosphérique et le réchauffement causé par d'autres gaz à effet de serre, que nous allons maintenant considérer.

On sait qu'avec une augmentation de la température, l'évaporation de la vapeur d'eau augmente également, et pour chaque tranche de 10 ° C, la teneur possible en vapeur d'eau dans l'air double presque. Par exemple, à 0 °C, la pression de vapeur saturante est d'environ 6 mb, à +10 °C - 12 mb et à +20 °C - 23 mb.

On peut voir que la teneur en vapeur d'eau dépend fortement de la température, et lorsqu'elle diminue pour une raison quelconque, d'une part, l'effet de serre de la vapeur d'eau elle-même diminue (en raison de la teneur réduite), et d'autre part, la condensation de la vapeur d'eau se produit, qui, bien sûr, ralentit considérablement la baisse de température due au dégagement de chaleur de condensation, mais après condensation, la réflexion de l'énergie solaire augmente, à la fois de l'atmosphère elle-même (diffusion sur les gouttelettes et les cristaux de glace) et de la surface (chutes de neige ), ce qui abaisse encore la température.

Lorsque la température augmente, la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère augmente, son effet de serre augmente, ce qui amplifie l'augmentation initiale de la température. En principe, la nébulosité augmente également (plus de vapeur d'eau pénètre dans les régions relativement froides), mais elle est extrêmement faible - selon I. Mokhov, environ 0,4% par degré de réchauffement, ce qui ne peut pas affecter considérablement la croissance de la réflexion de l'énergie solaire.

Gaz carbonique- le deuxième plus grand contributeur à l'effet de serre aujourd'hui, ne gèle pas lorsque la température baisse et continue à créer un effet de serre même aux températures les plus basses possibles dans des conditions terrestres. Probablement, c'est précisément grâce à l'accumulation progressive de dioxyde de carbone dans l'atmosphère due à l'activité volcanique que la Terre a pu sortir de l'état des glaciations les plus puissantes (quand même l'équateur était recouvert d'une puissante couche de glace) , dans lequel il est tombé au début et à la fin du Protérozoïque.

Le dioxyde de carbone est impliqué dans un puissant cycle du carbone dans le système lithosphère-hydrosphère-atmosphère, et le changement du climat terrestre est principalement associé à un changement dans l'équilibre de son entrée dans l'atmosphère et de son évacuation.

En raison de la solubilité relativement élevée du dioxyde de carbone dans l'eau, la teneur en dioxyde de carbone dans l'hydrosphère (principalement les océans) est désormais de 4x104 Gt (gigatonnes) de carbone (désormais, des données sur le CO2 en termes de carbone sont données), y compris en profondeur couches (Putvinsky, 1998). L'atmosphère contient actuellement environ 7,5x102 Gt de carbone (Alekseev et al., 1999). La teneur en CO2 dans l'atmosphère était loin d'être toujours faible - par exemple, dans l'Archéen (il y a environ 3,5 milliards d'années), l'atmosphère était composée de près de 85 à 90% de dioxyde de carbone, à une pression et une température nettement plus élevées (Sorokhtin, Ushakov , 1997). Cependant, le flux d'importantes masses d'eau vers la surface de la Terre à la suite du dégazage de l'intérieur, ainsi que l'émergence de la vie, ont assuré la liaison de la quasi-totalité de l'atmosphère et d'une partie importante du dioxyde de carbone dissous dans l'eau sous forme de carbonates (environ 5,5x107 Gt de carbone sont stockés dans la lithosphère (rapport GIEC, 2000)) . De plus, le dioxyde de carbone a commencé à être converti par les organismes vivants en diverses formes de minéraux combustibles. De plus, une partie du dioxyde de carbone a été séquestrée du fait de l'accumulation de biomasse, dont les réserves totales de carbone sont comparables à celles de l'atmosphère, et compte tenu des sols, qu'elle dépasse plusieurs fois.

Cependant, nous nous intéressons avant tout aux flux qui assurent l'entrée du dioxyde de carbone dans l'atmosphère et l'en retirent. La lithosphère fournit désormais un très faible flux de dioxyde de carbone entrant dans l'atmosphère principalement en raison de l'activité volcanique - environ 0,1 Gt de carbone par an (Putvinsky, 1998). Des flux significativement plus importants sont observés dans les systèmes océan (avec les organismes qui y vivent) - atmosphère, et biote terrestre - atmosphère. Environ 92 Gt de carbone pénètrent dans l'océan chaque année à partir de l'atmosphère et 90 Gt retournent dans l'atmosphère (Putvinsky, 1998). Ainsi, environ 2 Gt de carbone sont en plus retirées de l'atmosphère par l'océan chaque année. Dans le même temps, environ 100 Gt de carbone par an pénètrent dans l'atmosphère dans les processus de respiration et de décomposition des êtres vivants terrestres morts. Dans les processus de photosynthèse, la végétation terrestre élimine également environ 100 Gt de carbone de l'atmosphère (Putvinsky, 1998). Comme nous pouvons le voir, le mécanisme d'entrée et de sortie de carbone de l'atmosphère est assez équilibré, fournissant des flux à peu près égaux. La vie humaine moderne inclut dans ce mécanisme un flux supplémentaire de plus en plus important de carbone dans l'atmosphère dû à la combustion de combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon, etc.) - selon des données, par exemple, pour la période 1989-99, une moyenne d'environ 6,3 Gt par an. En outre, le flux de carbone dans l'atmosphère augmente en raison de la déforestation et de la combustion partielle des forêts - jusqu'à 1,7 Gt par an (rapport du GIEC, 2000), tandis que l'augmentation de la biomasse qui contribue à l'absorption du CO2 n'est que d'environ 0,2 Gt par an. au lieu de près de 2 Gt par an. Même en tenant compte de la possibilité d'absorber environ 2 Gt de carbone supplémentaires par l'océan, il reste encore un flux supplémentaire assez important (actuellement, environ 6 Gt par an), qui augmente la teneur en dioxyde de carbone dans l'atmosphère. De plus, l'absorption de dioxyde de carbone par l'océan pourrait diminuer dans un proche avenir, et même le processus inverse est possible - la libération de dioxyde de carbone des océans. Cela est dû à une diminution de la solubilité du dioxyde de carbone avec une augmentation de la température de l'eau - par exemple, avec une augmentation de la température de l'eau de seulement 5 à 10 ° C, le coefficient de solubilité du dioxyde de carbone dans celui-ci diminue d'environ 1,4 à 1,2 .

Ainsi, le flux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère causé par l'activité économique n'est pas important par rapport à certains flux naturels, cependant, sa non-compensation conduit à une accumulation progressive de CO2 dans l'atmosphère, ce qui détruit l'équilibre des entrées et sorties de CO2, ce qui a formé au cours de milliards d'années d'évolution de la Terre et de la vie sur celle-ci.

De nombreux faits du passé géologique et historique témoignent de la relation entre le changement climatique et les fluctuations de la teneur en gaz à effet de serre. Dans la période allant de 4 à 3,5 milliards d'années, la luminosité du Soleil était d'environ 30 % inférieure à celle d'aujourd'hui. Cependant, même sous les rayons du jeune Soleil "pâle", la vie s'est développée sur Terre et des roches sédimentaires se sont formées : au moins sur une partie de la surface terrestre, la température était supérieure au point de congélation de l'eau. Certains scientifiques suggèrent qu'à cette époque l'atmosphère terrestre contenait un axe 1000 fois plus grand gaz carbonique qu'elle ne l'est maintenant, et cela a compensé le manque d'énergie solaire, car une plus grande partie de la chaleur rayonnée par la Terre est restée dans l'atmosphère. L'effet de serre croissant pourrait devenir l'une des raisons du climat exceptionnellement chaud plus tard - à l'ère mésozoïque (l'ère des dinosaures). Selon l'analyse des restes fossiles sur la Terre à cette époque, il faisait 10 à 15 degrés de plus qu'aujourd'hui. Il convient de noter qu'alors, il y a 100 millions d'années et plus tôt, les continents occupaient une position différente de celle de notre époque, et la circulation océanique était également différente, de sorte que le transfert de chaleur des tropiques vers les régions polaires pouvait être plus important. Cependant, les calculs d'Eric J. Barron, maintenant à l'Université de Pennsylvanie, et d'autres montrent que pas plus de la moitié du réchauffement mésozoïque pourrait être lié à la géographie paléocontinentale. Le reste du réchauffement s'explique facilement par une augmentation du dioxyde de carbone. Cette hypothèse a été avancée pour la première fois par les scientifiques soviétiques A. B. Ronov de l'Institut hydrologique d'État et M. I. Budyko de l'Observatoire géophysique principal. Les calculs à l'appui de cette suggestion ont été effectués par Eric Barron, Starley L. Thompson du National Center for Atmospheric Research (NCAR). À partir d'un modèle géochimique développé par Robert A. Berner et Antonio C. Lazaga de l'Université de Yale et feu Robert. Les champs du Texas se sont transformés en désert après une sécheresse qui a duré un certain temps en 1983. Une telle image, selon des calculs de modèles informatiques, peut être observée dans de nombreux endroits si le réchauffement climatique réduit l'humidité du sol dans les régions centrales des continents, où la production céréalière est concentré.

M. Garrels de l'Université de Floride du Sud, il s'ensuit que du dioxyde de carbone pourrait être libéré lors d'une activité volcanique exceptionnellement forte sur les dorsales médio-océaniques, où le magma ascendant forme un nouveau fond océanique. La preuve directe d'un lien entre les gaz à effet de serre atmosphériques et le climat pendant les glaciations peut être "extraite" des bulles d'air incrustées dans la glace antarctique, qui s'est formée dans les temps anciens par le compactage des chutes de neige. Une équipe de chercheurs dirigée par Claude Lauriu du Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de Grenoble a étudié une colonne de glace de 2000 m de long (correspondant à une période de 160 mille ans) obtenue par des chercheurs soviétiques à la station Vostok en Antarctique. L'analyse en laboratoire des gaz contenus dans cette colonne de glace a montré que dans l'ancienne atmosphère, les concentrations de dioxyde de carbone et de méthane changeaient de concert et, plus important encore, « dans le temps » avec les changements de la température locale moyenne (elle était déterminée par le rapport des concentrations d'isotopes d'hydrogène dans les molécules d'eau). Au cours de la dernière période interglaciaire, qui a déjà duré 10 000 ans, et de la période interglaciaire qui l'a précédée (il y a 130 000 ans) qui a également duré 10 000 ans, la température moyenne dans cette région était de 10 °C supérieure à celle des glaciations. (Au total, la terre était plus chaude de 5°C pendant les périodes indiquées.) Aux mêmes périodes, l'atmosphère contenait 25% de dioxyde de carbone en plus et 100 070 de méthane en plus que pendant les glaciations. Il n'est pas clair si le changement des gaz à effet de serre était la cause et l'effet était le changement climatique, ou vice versa. Très probablement, la cause des glaciations était des changements dans l'orbite terrestre et la dynamique particulière de l'avancée et du recul des glaciers; cependant, ces fluctuations climatiques peuvent avoir été exacerbées par des modifications du biote et des fluctuations de la circulation océanique, qui affectent la teneur en gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Des données encore plus détaillées sur les fluctuations des gaz à effet de serre et le changement climatique sont disponibles pour les 100 dernières années, au cours desquelles il y a eu une nouvelle augmentation de 25 % du dioxyde de carbone et de 100 % du méthane. Les "records" des températures mondiales moyennes au cours des 100 dernières années ont été étudiés par deux équipes de chercheurs dirigées par James E. Hansen du Goddard Institute for Space Research de la National Aeronautics and Space Administration et T. M. L. Wigley de la division climat de l'Université d'Europe de l'Est. .L'Angleterre.

La rétention de chaleur par l'atmosphère est la principale composante du bilan énergétique de la Terre (Fig. 8). Environ 30% de l'énergie provenant du Soleil est réfléchie (à gauche) soit par les nuages, soit par les particules, soit par la surface de la Terre ; les 70 % restants sont absorbés. L'énergie absorbée est réémise dans le domaine infrarouge par la surface de la planète.

Riz. - Rétention de chaleur par l'atmosphère

Ces scientifiques ont utilisé des mesures provenant de stations météorologiques dispersées sur tous les continents (l'équipe de la Division Climat a également inclus des mesures en mer dans l'analyse). Parallèlement, des méthodes différentes d'analyse des observations et de prise en compte des « distorsions » ont été adoptées dans les deux groupes, liées par exemple au fait que certaines stations météorologiques se sont « déplacées » vers un autre lieu sur une centaine d'années, et certaines localisées dans les villes ont donné des données « contaminées » » l'influence de la chaleur générée par les entreprises industrielles ou accumulée pendant la journée par les bâtiments et les chaussées. Le dernier effet, conduisant à l'apparition d'« îlots de chaleur », est très sensible dans les pays développés, comme les États-Unis. Cependant, même si la correction calculée pour les États-Unis (elle a été obtenue par Thomas R. Karl du National Climatic Data Center à Asheville, Caroline du Nord, et P. D. Jones de l'Université d'East Anglia) est étendue à toutes les données du globe , dans les deux dossiers restera "<реальное» потепление величиной 0,5 О С, относящееся к последним 100 годам. В согласии с общей тенденцией 1980-е годы остаются самым теплым десятилетием, а 1988, 1987 и 1981 гг. - наиболее теплыми годами (в порядке перечисления). Можно ли считать это «сигналом» парникового потепления? Казалось бы, можно, однако в действительности факты не столь однозначны. Возьмем для примера такое обстоятельство: вместо неуклонного потепления, какое можно ожидать от парникового эффекта, быстрое повышение температуры, происходившее до конца второй мировой войны, сменилось небольшим похолоданием, продлившимся до середины 1970-х годов, за которым последовал второй период быстрого потепления, продолжающийся по сей день. Какой характер примет изменение температуры в ближайшее время? Чтобы дать такой прогноз, необходимо ответить на три вопроса. Какое количество диоксида углерода и других парниковых газов будет выброшено в атмосферу? Насколько при этом возрастет концентрация этих газов в атмосфере? Какой климатический эффект вызовет это повышение концентрации, если будут действовать естественные и антропогенные факторы, которые могут ослаблять или усиливать климатические изменения? Прогноз выбросов - нелегкая задача для исследователей, занимающихся анализом человеческой деятельности. Какое количество диоксида углерода попадет в атмосферу, зависит главным образом от того, сколько ископаемого топлива будет сожжено и сколько лесов вырублено (последний фактор ответствен за половину прироста парниковых газов с 1800 г. и за 20070прироста в наше время). И тот и другой фактор зависят в свою очередь от множества причин. Так, на потреблении ископаемого топлива сказываются рост населения, переход к альтернативным источникам энергии и меры по экономии энергии, а также состояние мировой экономики. Прогнозы в основном сводятся к тому, что потребление ископаемого топлива на земном шаре в целом будет увеличиваться примерно с той же скоростью, что и сегодня намного медленнее, чем до энергетического кризиса 1970-х годов. В результате эмиссия (поступление в атмосферу) диоксида углерода в ближайшие несколько десятилетий, будет увеличиваться на 0,5-2070 в год. Другие парниковые газы, такие как ХФУ, оксиды азота и тропосферный озон, могут вносить в потепление климата почти столь же большой вклад, что и диоксид углерода, хотя в атмосферу их попадает значительно меньше: объясняется это тем, что они более эффективно поглощают солнечную радиацию. Предсказать, какова будет эмиссия этих газов - задача еще более трудная. Так, например, не вполне ясно происхождение некоторых газов, в частности метана; величина выбросов других газов, таких как ХФУ или озон, будет зависеть от того, какие изменения в технологии и политике произойдут в ближайшем будущем.

Echange de carbone entre l'atmosphère et les différents "réservoirs" terrestres (Fig. 9). Chaque chiffre indique, en milliards de tonnes, le carbone (sous forme de dioxyde) par an, ou stocké dans un réservoir. Dans ces cycles naturels, dont l'un se "ferme" à la terre et l'autre à l'océan, la quantité de dioxyde de carbone retirée de l'atmosphère est la même qu'elle y pénètre, mais l'activité humaine - la déforestation et la combustion de combustibles fossiles - conduit au fait que la teneur en carbone de l'atmosphère augmente chaque année de 3 milliards de tonnes. Données tirées de Bert Bolin à l'Université de Stockholm

Fig.9 - Echange de carbone entre l'atmosphère et les différents "réservoirs"

Supposons que nous ayons une prévision raisonnable de l'évolution des émissions de dioxyde de carbone. Quels changements se produiront dans ce cas avec la concentration de ce gaz dans l'atmosphère ? Le dioxyde de carbone atmosphérique est « consommé » par les plantes, ainsi que par l'océan, où il est utilisé pour les processus chimiques et biologiques. Comme la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique change, le taux de "consommation" de ce gaz changera probablement aussi. En d'autres termes, les processus qui provoquent des changements dans la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique doivent inclure une rétroaction. Le dioxyde de carbone est la « matière première » de la photosynthèse des plantes, sa consommation par les plantes est donc susceptible d'augmenter avec son accumulation dans l'atmosphère, ce qui ralentira cette accumulation. De même, étant donné que la teneur en dioxyde de carbone des eaux de surface de l'océan est en équilibre approximatif avec sa teneur dans l'atmosphère, une augmentation de l'absorption de dioxyde de carbone par l'eau de l'océan ralentira son accumulation dans l'atmosphère. Il peut cependant arriver que l'accumulation de dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre dans l'atmosphère déclenche des mécanismes de rétroaction positive qui amplifient l'effet climatique. Par exemple, un changement climatique rapide pourrait entraîner la disparition de parties de forêts et d'autres écosystèmes, ce qui affaiblirait la capacité de la biosphère à absorber le dioxyde de carbone. De plus, le réchauffement peut conduire à une libération rapide du carbone contenu dans le sol entrant dans la composition de la matière organique morte. Ce carbone, deux fois plus élevé que dans l'atmosphère, est constamment transformé en dioxyde de carbone et en méthane par les bactéries du sol. Un temps plus chaud peut accélérer leur « travail », ce qui accélérera la libération de dioxyde de carbone (des sols secs) et de méthane (des zones occupées par les rizières, des décharges et des zones humides). Une grande quantité de méthane est également stockée dans les sédiments sur le plateau continental et sous la couche de pergélisol dans l'Arctique sous la forme de clathrates - des réseaux moléculaires constitués de molécules de méthane et d'eau.Le réchauffement des eaux du plateau et la fonte du pergélisol peuvent entraîner la libération Malgré ces incertitudes, de nombreux chercheurs pensent que l'absorption du dioxyde de carbone par les plantes et l'océan ralentira l'accumulation de ce gaz dans l'atmosphère - au moins dans les 50 à 100 prochaines années. Dans l'atmosphère, environ la moitié restera là. Cela implique qu'un doublement des concentrations de dioxyde de carbone de 1900 (à 600 ppm) se produira entre 2030 et 2080 environ. Cependant, d'autres gaz à effet de serre sont susceptibles de s'accumuler plus rapidement dans l'atmosphère.

Comment le climat changerait-il si la quantité de dioxyde de carbone atmosphérique doublait ?

Dans les "archives" historiques disponibles, nous ne trouvons pas la réponse à cette question. Les expériences en laboratoire n'aident pas non plus, car il est impossible de créer en laboratoire une "similarité" du climat - un état déterminé par les interactions complexes de l'atmosphère, de l'océan, de la terre, de la végétation et de la glace polaire. Pour se projeter dans l'avenir, des modèles climatiques mathématiques sont utilisés. De tels modèles ont été développés au Laboratoire de dynamique des fluides géophysiques de l'Université de Princeton, au Goddard Institute for Space Research, au NCAR et ailleurs. Ils sont basés sur les équations des composants en interaction du système océan-atmosphère, ainsi que sur les principes physiques de base qui déterminent le comportement de ce système, tels que les lois des gaz, les lois de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie. En soumettant des données sur le flux d'énergie du Soleil et la composition de l'atmosphère à "l'entrée" du modèle, il est possible d'obtenir le climat à la "sortie" - c'est-à-dire la température, et dans les modèles complexes également la pression, la vitesse du vent, l'humidité, la teneur en humidité du sol et d'autres quantités. Pour que les calculs puissent être effectués sur des ordinateurs, ils sont «liés» à des points individuels sur la carte de la Terre, qui reflète, dans une certaine mesure, le globe réel. Dans les modèles les plus complexes, les modèles de circulation globale (GCM) développés pour la prévision météorologique à longue échéance, l'atmosphère est représentée comme une « grille » tridimensionnelle avec une distance entre « nœuds » de plusieurs centaines de kilomètres horizontalement et plusieurs kilomètres verticalement ; les paramètres climatiques, ou simplement "climat", ne sont calculés qu'en "nœuds". Malgré cette simplification, calculer le changement climatique pendant au moins un an prend de nombreuses heures, même sur les superordinateurs les plus puissants. Afin d'étudier l'effet de l'accumulation de gaz à effet de serre, une quantité supplémentaire de gaz à effet de serre est "introduite" dans le modèle et le résultat est comparé à un calcul de contrôle du climat correspondant à la composition réelle de l'atmosphère. Les résultats des calculs pour le dernier CMH sont à peu près cohérents les uns avec les autres : ils montrent qu'un doublement de la quantité de dioxyde de carbone atmosphérique ou une augmentation équivalente de la teneur en autres gaz à effet de serre entraînera une augmentation de la température sur Terre de 3- 5,5 °C. Un tel réchauffement dans l'histoire de l'humanité n'a pas d'analogues ; il est proche de la quantité de réchauffement qui s'est produite après la dernière glaciation (il y a 18 000 ans), mais prendra 10 à 100 fois moins de temps. Les lacunes des modèles numériques limitent la fiabilité de telles prédictions. De nombreux processus qui affectent le climat mondial sont trop petits pour être capturés par une grille de modèle clairsemée. Les processus importants pour le climat tels que la turbulence atmosphérique, les précipitations ou la formation de nuages ​​n'ont pas des échelles de plusieurs centaines de kilomètres (distance entre les nœuds de la grille dans le MHC), mais de plusieurs kilomètres et plus. moins. Comme de tels processus ne peuvent pas être pris en compte explicitement, il faut chercher des moyens de les relier aux variables prises en compte dans le modèle. Cela se fait en introduisant un paramètre (facteur de proportionnalité) qui relie, par exemple, la nébulosité moyenne dans une maille donnée à l'humidité moyenne et à la température moyenne (variables reproduites par le modèle). Cette technique, appelée paramétrisation, permet de prendre en compte l'effet cumulatif de phénomènes et de processus à petite échelle qui peuvent fournir une rétroaction qui atténue ou amplifie le changement climatique. Les nuages, par exemple, réfléchissent la lumière du soleil vers l'espace (provoquant un refroidissement de la planète), mais ils absorbent également le rayonnement infrarouge de la Terre (provoquant un réchauffement). Lequel de ces effets prédomine dépend de la luminosité des nuages, de la hauteur à laquelle ils se trouvent, de leur répartition dans le ciel et de la zone qu'ils occupent. Des études récentes et des mesures par satellites ont montré que les calculs effectués il y a deux décennies sont corrects : les nuages ​​refroidissent actuellement la surface de la Terre. Autrement dit, sous un ciel sans nuage, la Terre serait plus chaude. Cependant, les changements climatiques peuvent entraîner des changements dans la nature de la couverture nuageuse, ce qui affecte la nature et la force de la rétroaction. Les modèles modernes, qui ne reproduisent approximativement qu'une nébulosité moyenne, ne peuvent en dire que peu sur le mécanisme de rétroaction dû à la nébulosité, ainsi que sur d'autres mécanismes de ce type qui dépendent des processus paramétrés. Une autre lacune importante des modèles actuels est qu'ils ne tiennent pas compte avec précision de l'influence des océans. Les océans influencent et influenceront sans doute le climat à l'avenir. D'énormes masses d'eau dans les océans agissent comme une « éponge thermique » : elles ralentissent la montée en température en évacuant l'excès de chaleur. L'efficacité de ce processus dépend, à son tour, des caractéristiques de la circulation, qui peut être reconstruite dans un climat changeant. En principe, il est aisé de prendre en compte l'interaction de l'atmosphère avec l'océan dans les modèles climatiques, en décrivant ce dernier de manière suffisamment détaillée. Cependant, le volume des calculs augmente tellement que dans la plupart des CMH modernes utilisés pour les calculs de réchauffement à effet de serre, la dynamique des océans est considérée sous une forme simplifiée et calculée avec une résolution spatiale très grossière ou est complètement exclue de l'analyse. En plus de limiter la fiabilité des prévisions globales, la représentation simpliste des océans dans les modèles nous empêche également d'obtenir une réponse à la question de savoir comment le climat va changer dans différentes régions.

Méthane, ce gaz à effet de serre a la capacité d'absorber le rayonnement infrarouge de la surface de la terre beaucoup plus fortement que le dioxyde de carbone (de même masse), sa teneur croît rapidement, et cette croissance peut encore s'accélérer de manière significative. Il convient donc de porter une attention particulière au méthane.

La teneur en méthane dans l'atmosphère depuis le début de l'ère industrielle a augmenté de 150 %. À l'heure actuelle, son contenu dans l'atmosphère est d'environ 5 Gt, et ce contenu est un record depuis au moins les 140 000 dernières années (Bazhin, 2000). Selon certains scénarios élaborés par les experts du GIEC, d'ici 2100 les émissions anthropiques doubleront la teneur en méthane dans l'atmosphère (GIEC, 2001), mais ces prévisions ne prennent pas en compte les effets des rétroactions dans le système climatique, qui peuvent augmenter la teneur de méthane dans l'atmosphère incomparablement plus élevé.

La durée de vie du méthane entrant dans l'atmosphère est d'environ 8 à 12 ans et il est éliminé de l'atmosphère principalement par réaction avec le radical OH (Bazhin, 2000), qui se forme dans l'atmosphère à la suite de réactions photochimiques de l'ozone. De plus, à la suite d'une chaîne de réactions, du dioxyde de carbone est également obtenu à la sortie. En plus de cette méthode, une petite contribution (plusieurs pour cent) à l'élimination du méthane de l'atmosphère est également apportée par son absorption par les bactéries du sol (Bazhin, 2000).

Les flux estimés de méthane provenant de sources anthropiques et de certaines sources naturelles sont en général d'environ 0,48 Gt/an (Bazhin, 2000). Ces sources comprennent les marécages (0,05-0,07 Gt/an), les insectes, principalement les termites (0,02 Gt/an), les rizières (0,12 Gt/an), les animaux domestiques, principalement les ruminants ( 0,08 Gt/an), ainsi que les décharges ( 0,05 Gt/an). Sont également incluses les émissions de méthane provenant de l'extraction du charbon (0,035 Gt/an) et les pertes de la production de gaz (0,034 Gt/an), ainsi que certaines autres sources.

Auparavant, on croyait que le flux de méthane de l'intérieur de la Terre était faible, et il n'était pratiquement pas pris en compte, cependant, certaines estimations modernes de l'apport de méthane provenant du dégazage de l'intérieur, basées sur l'analyse du contenu de divers les isotopes du carbone, qui fait partie du méthane, donnent déjà des chiffres très significatifs de l'ordre de 0,2 Gt par an, voire plus (Valyaev, 1997).

Le flux de méthane dans l'atmosphère peut augmenter de manière significative avec la destruction des soi-disant hydrates de méthane, qui ont été découverts ces dernières décennies dans le pergélisol et dans les profondeurs de l'océan mondial, sous l'influence du réchauffement climatique en cours. Les hydrates de méthane sont en fait la même glace dans laquelle les molécules de méthane sont également présentes dans les structures des molécules d'eau en raison de l'action des forces de van der Waals (il n'y a pas d'interaction chimique). Une partie importante des hydrates de méthane est à l'état métastable et risque de se décomposer avec une légère élévation de température (de l'ordre de un à plusieurs degrés) (Dyadin, Gushchin, 1998). Les réserves de méthane dans les hydrates de méthane sont tout simplement énormes - environ 1019 g (Valyaev, 1997), soit 104 Gt, ce qui est bien plus que ses réserves connues dans les gisements, ainsi que dans les filons de charbon, et est deux mille fois plus élevé que son contenu dans l'ambiance aujourd'hui. Ainsi, la libération de tout ce méthane (même pas une seule fois) est capable de faire monter de beaucoup la température à la surface de la Terre.

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Dans les couches atmosphériques de notre planète, de nombreux phénomènes affectent directement les conditions climatiques de la Terre. Un tel phénomène est considéré comme l'effet de serre, caractérisé par une augmentation de la température des couches atmosphériques inférieures du globe par rapport à la température du rayonnement thermique de notre planète, observable depuis l'espace.

Ce processus est considéré comme l'un des problèmes environnementaux mondiaux de notre époque, car grâce à lui, la chaleur solaire est retenue sous forme de gaz à effet de serre près de la surface de la Terre et crée les conditions préalables au réchauffement climatique.

Gaz à effet de serre affectant le climat de la planète

Les principes de l'effet de serre ont d'abord été éclairés par Joseph Fourier, considérant différents types de mécanismes dans la formation du climat terrestre. Dans le même temps, les facteurs qui affectent les conditions de température des zones climatiques et le transfert de chaleur qualitatif, et les facteurs qui affectent état du bilan thermique global notre planète. L'effet de serre est fourni par la différence de transparence des atmosphères dans l'infrarouge lointain et visible. Le bilan thermique du globe détermine le climat et les températures moyennes annuelles proches de la surface.

Les soi-disant gaz à effet de serre, qui piègent les rayons infrarouges qui réchauffent l'atmosphère terrestre et sa surface, participent activement à ce processus. Selon le degré d'influence et d'impact sur le bilan thermique de notre planète, les types de gaz à effet de serre suivants sont considérés comme les principaux :

• vapeur d'eau
• Méthane

Le principal de cette liste est la vapeur d'eau (humidité de l'air troposphérique), qui contribue principalement à l'effet de serre de l'atmosphère terrestre. Les fréons et l'oxyde nitrique sont également impliqués dans l'action, mais une petite concentration d'autres gaz n'a pas un effet aussi significatif.

Le principe de fonctionnement et les causes de l'effet de serre

L'effet de serre, également appelé effet de serre, est la pénétration du rayonnement à ondes courtes du Soleil vers la surface de la Terre, qui est facilitée par le dioxyde de carbone. Dans ce cas, le rayonnement thermique de la Terre (grandes ondes) est retardé. À la suite de ces actions ordonnées, notre atmosphère est chauffée pendant longtemps.

En outre, l'essence de l'effet de serre peut être considérée comme la possibilité d'augmenter la température globale de la Terre, ce qui peut se produire à la suite de modifications importantes du bilan thermique. Un tel processus peut conduire à une accumulation progressive de gaz à effet de serre dans l'atmosphère de notre planète.

le plus explicite cause de l'effet de serre appelé rejet de gaz industriels dans l'atmosphère. Il s'avère que les résultats négatifs de l'activité humaine (feux de forêt, émissions de voitures, travail de diverses entreprises industrielles et combustion de résidus de carburant) deviennent des causes directes du réchauffement climatique. La déforestation est également l'une de ces raisons, puisque ce sont les forêts qui absorbent le plus activement le dioxyde de carbone.

S'il est normalisé pour les organismes vivants, les écosystèmes et les humains de la Terre devront essayer de s'adapter aux régimes climatiques modifiés. Cependant, la solution la plus raisonnable serait encore de réduire puis de réguler les émissions.

Le problème de l'effet de serre est particulièrement pertinent à notre siècle, lorsque nous détruisons des forêts pour construire une autre usine industrielle, et beaucoup d'entre nous ne peuvent pas imaginer la vie sans voiture. Nous, comme des autruches, nous cachons la tête dans le sable, sans remarquer le mal de nos activités. Pendant ce temps, l'effet de serre s'intensifie et conduit à des catastrophes mondiales.

Le phénomène de l'effet de serre existe depuis l'apparition de l'atmosphère, même s'il n'était pas si perceptible. Néanmoins, son étude a commencé bien avant l'utilisation active des voitures et.

Brève définition

L'effet de serre est une augmentation de la température des basses couches de l'atmosphère de la planète due à l'accumulation de gaz à effet de serre. Son mécanisme est le suivant : les rayons du soleil pénètrent dans l'atmosphère, chauffent la surface de la planète.

Le rayonnement thermique provenant de la surface devrait retourner dans l'espace, mais la basse atmosphère est trop dense pour qu'il puisse y pénétrer. La raison en est les gaz à effet de serre. Les rayons de chaleur s'attardent dans l'atmosphère, augmentant sa température.

Histoire de la recherche sur l'effet de serre

Pour la première fois, ils ont commencé à parler du phénomène en 1827. Puis parut l'article de Jean Baptiste Joseph Fourier "Une note sur les températures du globe et des autres planètes", où il détailla ses idées sur le mécanisme de l'effet de serre et les raisons de son apparition sur Terre. Dans ses recherches, Fourier s'est appuyé non seulement sur ses propres expériences, mais aussi sur les jugements de M. De Saussure. Ce dernier a mené des expériences avec un récipient en verre noirci de l'intérieur, fermé et placé à la lumière du soleil. La température à l'intérieur du navire était beaucoup plus élevée qu'à l'extérieur. Cela est dû à un tel facteur : le rayonnement thermique ne peut pas traverser le verre noirci, ce qui signifie qu'il reste à l'intérieur du conteneur. Dans le même temps, la lumière du soleil pénètre hardiment à travers les murs, car l'extérieur du récipient reste transparent.

Formules multiples

L'énergie totale du rayonnement solaire absorbée par unité de temps par une planète de rayon R et d'albédo sphérique A est égale à :

E = πR2 ( E_0 sur R2) (1 – A),

où E_0 est la constante solaire et r est la distance au Soleil.

Conformément à la loi de Stefan-Boltzmann, le rayonnement thermique d'équilibre L d'une planète de rayon R, c'est-à-dire l'aire de la surface rayonnante 4πR2 :

L=4πR2 σTE^4,

où TE est la température effective de la planète.

causes

La nature du phénomène s'explique par la transparence différente de l'atmosphère aux rayonnements de l'espace et de la surface de la planète. L'atmosphère de la planète est transparente aux rayons du soleil, comme le verre, et ils la traversent donc facilement. Et pour le rayonnement thermique, les couches inférieures de l'atmosphère sont "impénétrables", trop denses pour être traversées. C'est pourquoi une partie du rayonnement thermique reste dans l'atmosphère, descendant progressivement vers ses couches les plus basses. Dans le même temps, la quantité de gaz à effet de serre condensant l'atmosphère augmente.

À l'école, on nous a appris que la principale cause de l'effet de serre est l'activité humaine. L'évolution nous a conduits à l'industrie, nous brûlons des tonnes de charbon, de pétrole et de gaz, nous obtenons du carburant, la conséquence en est la libération de gaz à effet de serre et de substances dans l'atmosphère. Parmi eux se trouvent la vapeur d'eau, le méthane, le dioxyde de carbone, l'oxyde nitrique. Pourquoi ils sont ainsi nommés est compréhensible. La surface de la planète est chauffée par les rayons du soleil, mais elle "rend" nécessairement une partie de la chaleur. Le rayonnement thermique provenant de la surface de la Terre est appelé infrarouge.

Les gaz à effet de serre dans la partie inférieure de l'atmosphère empêchent les rayons de chaleur de retourner dans l'espace, les retardant. En conséquence, la température moyenne de la planète augmente, ce qui entraîne des conséquences dangereuses.

N'y a-t-il vraiment rien qui puisse réguler la quantité de gaz à effet de serre dans l'atmosphère ? Bien sûr que c'est possible. L'oxygène fait bien ce travail. Mais voici le problème - le nombre de la population de la planète augmente inexorablement, ce qui signifie que de plus en plus d'oxygène est absorbé. Notre seul salut est la végétation, en particulier les forêts. Ils absorbent l'excès de dioxyde de carbone, émettent beaucoup plus d'oxygène que les humains n'en consomment.

Effet de serre et climat terrestre

Quand on parle des conséquences de l'effet de serre, on comprend son impact sur le climat de la Terre. Le premier est le réchauffement climatique. Beaucoup assimilent les concepts d'"effet de serre" et de "réchauffement climatique", mais ils ne sont pas égaux, mais interdépendants : le premier est la cause du second.

Le réchauffement climatique est directement lié aux océans. Voici un exemple de deux relations causales.

1. La température moyenne de la planète augmente, le liquide commence à s'évaporer. Cela s'applique également à l'océan mondial: certains scientifiques craignent que dans quelques centaines d'années, il ne commence à «s'assécher».
2. Dans le même temps, en raison des températures élevées, les glaciers et la banquise commenceront à fondre activement dans un proche avenir. Cela conduira à une élévation inévitable du niveau de l'océan mondial.

Nous assistons déjà à des inondations régulières dans les zones côtières, mais si le niveau de l'océan mondial augmente de manière significative, toutes les zones terrestres voisines seront inondées, les cultures mourront.

Impact sur la vie des gens

N'oubliez pas que l'augmentation de la température moyenne de la Terre affectera nos vies. Les conséquences peuvent être très graves. De nombreux territoires de notre planète, déjà sujets à la sécheresse, deviendront absolument non viables, les gens commenceront à migrer en masse vers d'autres régions. Cela conduira inévitablement à des problèmes socio-économiques, au début des troisième et quatrième guerres mondiales. Manque de nourriture, destruction des récoltes - c'est ce qui nous attend au siècle prochain.

Mais faut-il attendre ? Ou est-il encore possible de changer quelque chose ? L'humanité peut-elle réduire les méfaits de l'effet de serre ?

Des actions qui peuvent sauver la Terre

À ce jour, tous les facteurs nocifs qui conduisent à l'accumulation de gaz à effet de serre sont connus, et nous savons ce qu'il faut faire pour arrêter cela. Ne pensez pas qu'une seule personne ne changera rien. Bien sûr, seule toute l'humanité peut obtenir un effet, mais qui sait - peut-être qu'une centaine de personnes supplémentaires lisent un article similaire en ce moment ?

Préservation des forêts

Arrêter la déforestation. Les plantes sont notre salut ! De plus, il est nécessaire non seulement de préserver les forêts existantes, mais aussi d'en planter activement de nouvelles.

Tout le monde devrait comprendre ce problème.

La photosynthèse est si puissante qu'elle peut nous fournir une énorme quantité d'oxygène. Ce sera suffisant pour la vie normale des gens et l'élimination des gaz nocifs de l'atmosphère.

Utilisation de véhicules électriques

Refus d'utiliser des voitures sur le carburant. Chaque voiture émet une énorme quantité de gaz à effet de serre chaque année, alors pourquoi ne pas opter pour un environnement sain ? Les scientifiques nous proposent déjà des véhicules électriques, des voitures écologiques qui ne consomment pas de carburant. Moins la voiture "carburant" - une autre étape vers l'élimination des gaz à effet de serre. Partout dans le monde, ils tentent d'accélérer cette transition, mais jusqu'à présent, les développements actuels de ces machines sont loin d'être parfaits. Même au Japon, où l'on utilise le plus ces voitures, elles ne sont pas prêtes à passer complètement à leur utilisation.

Alternative au carburant hydrocarbure

L'invention des énergies alternatives. L'humanité ne reste pas immobile, alors pourquoi sommes-nous « bloqués » sur l'utilisation du charbon, du pétrole et du gaz ? La combustion de ces composants naturels entraîne l'accumulation de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, il est donc temps de passer à une forme d'énergie respectueuse de l'environnement.

Nous ne pouvons pas complètement abandonner tout ce qui émet des gaz nocifs. Mais nous pouvons contribuer à une augmentation de l'oxygène dans l'atmosphère. Non seulement un vrai homme doit planter un arbre - chaque personne doit le faire !