Объяснение: парниковые газы

Услышав слова «парниковый газ», большинство людей сразу же думают об углекислом газе. Это действительно парниковый газ, который в настоящее время оказывает наибольшее влияние на быстро меняющийся климат Земли. Но он далеко не единственный, и для смягчения последствий изменения климата важно иметь возможность сравнивать воздействие различных газов, способствующих потеплению планеты.

Но это нелегко сделать.

Парниковые газы различаются не только их источниками и мерами, необходимыми для их контроля, но также тем, насколько интенсивно они улавливают солнечное тепло, как долго они сохраняются после того, как они находятся в атмосфере, и как они реагируют с другими газами и в конечном итоге вымываются. воздуха. Различия делают невозможным то, что больше всего хотят сделать исследователи и политики: придумать простой коэффициент преобразования, чтобы можно было провести точное сравнение между ними.

Давайте рассмотрим самый крайний случай: хлорфторуглероды (ХФУ). По сравнению с двуокисью углерода фреоны могут производить более чем в 10 000 раз больше тепла, фунт за фунтом, когда они находятся в воздухе. К счастью, ХФУ были запрещены международным соглашением под названием Монреальский протокол в 1987 году — не из-за их значительного потенциала потепления, хотя в то время это была второстепенная причина, а потому, что было обнаружено, что они являются основной причиной быстро растущих разрушений. озонового слоя Земли, который защищает планету от опасного, вызывающего рак уровня ультрафиолетового излучения.

Вне поля зрения

ХФУ «к настоящему времени могли бы сыграть важную роль» в глобальном потеплении, если бы их не прекратили постепенно, говорит Сьюзан Соломон, профессор экологических исследований Массачусетского технологического института Ли и Джеральдин Мартин. К настоящему времени, если бы они по-прежнему использовались с той же скоростью, что и до поэтапного отказа, вклад ХФУ в парниковый эффект Земли составлял бы примерно одну треть от того, что составляет углекислый газ, который остается самым большим вкладчиком, говорит она.

Для сравнения, говорит она, Киотский протокол (теперь замененный Парижским соглашением 2015 года), предусматривавший ряд мер по сокращению выбросов парниковых газов во всем мире, привел к общему сокращению выбросов в «углеродном эквиваленте» примерно на 2 гигатонны. в год, в то время как поэтапный отказ от ХФУ уже устранил в пять раз больше — примерно 10 гигатонн углеродного эквивалента газа в год.

Сегодня вторым по величине источником антропогенных парниковых эффектов является метан, основной компонент природного газа. При первоначальном выбросе метан примерно в 100 раз сильнее, чем углекислый газ, но его время жизни в атмосфере намного короче — около десятилетия, в отличие от времени пребывания углекислого газа в веках. При усреднении за 20-летний период «эквивалентность парниковых газов» метана примерно в 72 раза выше, чем у двуокиси углерода, но при рассмотрении на временной шкале в 100 лет эта эквивалентность падает всего до 25 раз.

Метан поступает из нескольких источников, некоторые из которых относительно трудно измерить. Например, существенным источником является утечка природного газа из скважин, хранилищ и распределительных систем. Но поскольку такие утечки сильно варьируются и зависят от таких факторов, как методы строительства скважин и системы обслуживания инфраструктуры, которые в некоторых случаях являются конфиденциальной информацией, было много споров по поводу масштабов таких утечек. Другие источники, такие как выбросы, связанные с водно-болотными угодьями, обезлесением и животноводством, трудно точно измерить.

Учет динамики

Джессика Транчик, адъюнкт-профессор отдела развития карьеры Atlantic Richfield в области энергетических исследований в Институте данных, систем и общества Массачусетского технологического института, говорит, что из-за совершенно другой динамики метана в атмосфере по сравнению с углекислым газом может ввести в заблуждение полагаться на обычные однофакторные сравнения, которые часто используются.Вместо этого она и ее сотрудники предложили в исследовательском документе 2014 года — и далее расширили эту идею в 2016 году — что следует использовать меру относительного воздействия различных газов на основе конкретных целей по смягчению последствий изменения климата, например, где временной горизонт для сравнения основывается на конкретной цели стабилизации.

Обычный способ сравнения парниковых газов заключается в использовании одного коэффициента преобразования, называемого потенциалом глобального потепления, который использует несколько произвольно выбранный временной горизонт в 100 лет. Для метана это обычно дается в 25 раз (то есть метан в 25 раз сильнее, чем углекислый газ). Но Транчик полагает, что более целесообразно использовать «метрики, основанные на цели», которые включают различное время пребывания различных газов в течение промежутка времени, который зависит от того, когда происходят выбросы по отношению к цели смягчения последствий: мгновенное воздействие на климат (ICI). и кумулятивное воздействие на климат (CCI). Она говорит, что то, какое значение придается различным факторам, «сводится к тому, насколько вы заботитесь о скорости изменений в краткосрочной перспективе, а не о равновесном состоянии», к которому в конечном итоге установится климат — которое может быть недостижимо. на века.

Недавно проведенное Соломоном исследование показало, что некоторые эффекты парниковых газов могут сохраняться в течение столетий, даже после того, как газы, вызвавшие эти изменения, больше не выбрасываются. В частности, расширение воды по мере ее нагревания в сочетании с таянием полярных и ледниковых льдов может привести к значительному повышению уровня моря, которое будет продолжаться веками, даже если все новые выбросы парниковых газов будут полностью остановлены. Это потому, что эти газы останутся в атмосфере и продолжат удерживать тепло еще долго после того, как их источники будут устранены — факт, который иногда упускают из виду при обсуждении смягчения последствий изменения климата.Соломон и ее соавторы обнаружили, что если все выбросы углекислого газа будут устранены к 2050 году, половина выбросов все еще будет находиться в воздухе 750 лет спустя и по-прежнему нагревать планету.

«Нет никаких сомнений в том, что углекислый газ является самым большим фактором антропогенного изменения климата, — говорит Транчик, — поэтому усилия по смягчению последствий сосредоточены на нем. Но есть и ряд других, не менее важных. Эти выбросы, не связанные с двуокисью углерода, часто происходят из-за какой-либо утечки в системе подачи, в отличие от прямых выбросов двуокиси углерода, возникающих в результате сжигания углеродосодержащих ископаемых видов топлива. Есть возможности очистить эти системы, чтобы уменьшить утечку, хотя это не всегда легко».

Кроме того, по ее словам, «сложно понять время жизни в атмосфере всех этих парниковых газов и то, как радиационное воздействие меняется при изменении концентрации. Существуют интерактивные эффекты, которые изменяют эффективность излучения всех этих газов».

Не только газы способствуют возникновению парникового эффекта: черный углерод, также известный как сажа, а также некоторые другие твердые частицы также могут играть роль. Но такие материалы имеют еще более короткое время пребывания, обычно всего несколько дней или недель, поскольку они, как правило, вымываются из воздуха при следующем дожде.

Что подводит нас к самому большому парниковому газу из всех: водяному пару. Нет никаких сомнений в том, что водяной пар вызывает большее потепление, чем любой другой компонент атмосферы. Но поведение водяного пара зависит от климата, так что это не движущая сила изменения климата, а скорее усиливающая обратная связь, поскольку круговорот воды является постоянной частью атмосферной циркуляции. По мере того, как воздух становится теплее, он может удерживать больше водяного пара, поэтому потепление климата приводит к увеличению количества пара в воздухе, обеспечивая эффект обратной связи и потенциально приводя к резким изменениям в характере осадков. Но водяной пар остается только до следующего дождя.«Водяной пар — раб климатической системы, а не хозяин», — говорит Соломон.

Поэтому, когда дело доходит до изменения климата планеты, углекислый газ действительно является фактором номер один — и останется таковым в обозримом будущем, даже если все выбросы прекратятся прямо сейчас. Большая часть углекислого газа, выброшенного за последнее столетие, останется там и через столетия — и по-прежнему будет нагревать планету и вызывать повышение уровня моря. «Некоторое количество нашего углекислого газа останется там и через 1000 лет», — говорит Соломон. Таким образом, для всех практических целей, говорит она, в человеческом масштабе выброс углекислого газа в воздух приводит к «необратимости потепления, вызванного углекислым газом».

Изображение в центре внимания — кредит: Массачусетский технологический институт

Изображение левой боковой панели — эта диаграмма из отчета Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) за 2011 г. показывает относительную важность различных факторов, вызывающих изменение климата, — через их влияние на радиационное воздействие атмосферы, показатель количества поступающего тепла от Солнце, которое поглощается Землей, а не излучается обратно в космос. Углекислый газ (верхняя полоса) является самым большим фактором. Вторая полоса включает метан (CH4), закись азота (N2O) и галогенуглероды, такие как хлорфторуглероды (CFC). Другие факторы имеют более слабое влияние. Изображение из сводного отчета Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) 2014 года.