неделя, 14 август 2011 г.

За промените в земните климати

Слънцето изпуска енергийни кванти (фотони на видимата светлина), които след 8 минути стигат до Земята и 28% от тях се отразяват от облаците. Останалите се поглъщат от повърхността на Земята, тя се нагрява и, като всяко нагрято тяло, започва да излъчва енергията обратно — толкова повече, колкото по-висока е нейната температура. Ако притокът на слънчева топлина не се променя, погълнатата и излъчвана енергия стават еднакви и Земята изпада в топлинно равновесие. Равновесната температура, при която Земята излъчва толкова, колкото поглъща (средно по всички континенти за цялата година) би трябвало да е минус 18°C. В действителност тази средна температура е равна на 15°C, тоест е по-висока с 33°C. Тази жизнено важна разлика в температурите се обезпечава от парниковите газове. Парниковият ефект е бил открит от Жозеф Фурие през 1824 година и за първи път е бил количествено изследван от Сванте Арениус през 1896.

Тъй като земната температура е много по-ниска от температурата на Слънцето, Земята не излъчва във видимата част на спектъра, а в инфрачервената. Тази топлина идват отдолу нагоре, от повърхността на Земята през атмосферата и в нейните долни слоеве (в тропосферата) се сблъскват с молекулите на атмосферните газове. Основните от тези газове — азот и кислород — не поглъщат инфрачервени лъчи. Но в атмосферата има и парникови газове, молекулите на които охотно поглъщат голяма част от тези лъчи. Главни такива газове са четири и техният дял в поглъщането е: водни пари 36-70%, СО2 9-26%, метан 4-9% и озон 3-7%, а в по-незначителна степен - и азотен диоксид. Поглъщайки топлина, молекулите им след известно време я отделят, но вече във всички посоки. Затова някаква част от топлината отива нагоре и се излъчва в космоса, а друга част се връща към Земята. Така заради парниковите газове Земята не може да отдаде цялата топлина, която получава от Слънцето, средната й температура се повишава с цели 33°C (от -18°C до +15°C) и това вече е нейното реално състояние на топлинно равновесие.

Температурните условия на Земята не винаги са били толкова благоприятни. Преди 4-4,5 милиарда години (Ga) Слънцето, още твърде младо, е излъчвало 30% по-малко енергия. Учените разбрали това, изучавайки звезди, подобни на Слънцето, но с различна възраст. Оказало се, че всички такива звезди се разгряват постепенно. Преди 3Ga Земята все още е получавала от Слънцето 20% по-малко енергия, отколкото сега. В такъв случай средната температура на Земята би била минус 36°C. Но палеонтоложките данни говорят, че и по това време на Земята е имало относително мек, а понякога даже горещ климат и са се плискали морета и езера. Първите открити следи от живот на Земята са в по-ранни седименти, отложени преди 4,1 Ga, когато би трябвало да е било още по-студено.

Този „парадокс на слабото младо Слънце” е отбелязан през 1972 година от астрономите Сейгън  и Мюлен. Те предлагат и хипотезата, че в атмосферата на тогавашната Земя, освен сегашните парникови газове е имало още много амоняк и това толкова увеличавало парниковия ефект, че Земята оставала топла даже при „хладно” Слънце.

През 1985 година се появява друга хипотеза, според която Земята тогава допълнително се е загряваля при силния парников ефект отот повишеното съдържание на СО2. Но в древните геоложки образци не са намерени достатъчно следи, които да подсказват за прекомерно високи концентрации на въглероден диоксид.

Трета хипотеза, от 2009 година обяснява всичко с наличие на сулфидни съединения в ранната земна атмосфера.

Всички тези хипотези не отчитат важен фактор, какъвто е азотът. Той не е парников газ, но при изучаването на процесите на биологично свързване на азота от почвените бактерии и последващото „изваждане от обращение” при тектонските движения, се оказва че преди 3-4 Ga азотът в земната атмосфера е бил два пъти повече, отколкото сега. С други думи, ранната земна атмосфера е била много по-плътна и налягането в нея е било много по-високо. А това променя характера на поглъщането на инфрачервени лъчи от газовете. При повишена плътност сблъсъците на газовите молекули една с друга стават много по-чести и тези молекули започват да поглъщат и други лъчи, с близка дължина на вълната. Колкото е по-голямо налягането, толкова по-широк е спектърът на поглъщани от молекулата лъчи.

За разрешаването на парадокса на слабото младо Слънце са предлагани още метанът, геотермалната енергия от първоначално по-горещото земно ядро, по-малкото албедо на древната Земя, живот в по-хладна среда под ледников щит с дебелина 200 метра и дори вариант с променлива гравитационна константа.

За разлика от предишни изследвания по темата, които предлагат възможни обяснения за наличието на течна вода с вулканична дегазация (отделяни в атмосферата парникови газови от изригването на вулканите), през 2016 беше предложена активната бомбардировка на повърхността на планетата от астероиди. Достигащи понякога 100 километра в диаметър, тези небесни тела при сблъсъка със земната повърхност са създавали огромни езера от лава. При охлаждането си те от своя страна са освобождавали достатъчни количества въглероден диоксид, които са затоплили атмосферата. Тези бомбардировки са допринесли за освобождаването на сяра от земните недра, която пък е била необходима за формирането на органичен живот.

Според стара, но непопулярна днес хипотеза в далечното минало Слънцето е било по-масивно. Това е позволявало на младата звезда да свети също толкова ярко, както и сега, и да създаде подходящите условия за развитие на живота на Земята. Възможно е забавянето на въртенето на Слънцето и повечето подобни звезди с течение на времето да се случва заради загуба на маса и в съответствие със закона за запазване на ъгловия момент. Според изчисленията светилото ни е загубило около три процента от първоначалната си маса за първите три милиарда години от съществуването си, но в момента този показател е с два порядъка по-нисък и е несъществен при отчитането на промяната в яркостта на звездата.

Отделно от всички други причини, самата Земя излъчва своя вътрешна топлина – остатъчната от времето на образуването и генерираната постоянно от радиоактивния разпад.

Първите значителни количества кислород в атмосферата на Земята са се появили едва преди 2,4-2,2 Ga в хода на така наречената кислородна катастрофа.

След като изяснихме колко неясно е далечното минало, можем да подхванем въпроса и откъм съвременността. Случвало се е климатът на Земята да се променя за относително кратък интервал от време, като чувствително се е затоплил преди около 12 000 години в края на последния ледников период. Предполага се, че Земята е излязла от ледниковия период за около десетилетие, което включва рязко затопляне и след това продължително топене на леда.

Сегашната атмосферна концентрация на въглероден диоксид и метан се е увеличила съответно с 31% и 149% от 1750 година. За сравнение сегашните нива на СО2 са около 400 части на милион (ppm), а прединдустриалните равнища са около 280 ppm. То е значително по-високо от което и да е друго време през последните 650 000 години – времето, за което може да се извлече надеждна информация от ледените недра. Геоложки доказателства свидетелстват, че стойностите на въглеродния диоксид са били толкова високи преди 24 милиона години (Ma), в края на периода палеоген.

Нивото на въглероден диоксид вероятно е достигало от 900 до 1000 ppm преди около 35 Ma (в края на епохата еоцен, средната епоха на палеогена). Тогава температурите са били значително по-високи от сегашните, особено в полярните региони, въпреки че слънчевата енергия е била малко по-слаба. Тропиците са били с 5-10°C по-горещи, а полярните райони - с около 15-20°C. Средната годишна температура на Земята преди 30-40 Ma е била около 31°C - значително по-висока, отколкото средната температура преди началото на индустриализацията (15°C).

Сериозните температурни наблюдения предоставят данни от края на 19 век. Според данните за миналото столетие средната температура се е увеличила с 0,6°C. За същия период нивото на водата на планетата се е повишило с 10-20 сантиметра.

Специалният доклад по сценариите на емисиите на IPCC ни дава широк спектър на бъдещите концентрации на въглеродния диоксид, вариращи от 541 до 970 ppm до 2100 година. Ако продължава сегашният темп на увеличаване на изгарянето на изкопаеми горива, атмосферните нива на въглероден диоксид се очаква да достигнат около 900 до 1000 ppm в края века.

Учените отбелязват и разминаване в тенденциите на промяна на температурата непосредствено до повърхността на Земята и в тропосферата (долния слой на атмосферата).

Въглеродният диоксид се нагнетява в атмосферата със скорост, за която досега няма опит от миналото и не може да се прецени колко време ще отнеме на планетата пълното загряване. Бързото затопляне прави изключително трудно адаптирането на обществата и екосистемите.

Записът от геоложкото минало на Земята обхваща и по-дългосрочни странични ефекти, най-обезпокоителните са свързаните с рзатопяването на ледовете в полярните области. Един от тях е намаляването на албедото. Свиването на снежното и ледено покритие означава, че по-малко слънчева радиация се отразява обратно в атмосферата. Тя се абсорбира и температа нараства като резултат. Така полярните територии навлизат в етап, когато самите те засилват изменението на климата.

Ако въпросът с албедото е добре известен, отделянето на метан от размразяващите се земи е ново и непроучено явление. Информираността за изтичане на метан от вечните ледове е толкова нова, че не е спомената дори в основния доклад за 2007 г. от Междуправителствената група по изменение на климата. Липсата на данни за по-продължителен период от време дава несигурност по отношение на степента на заплахата. Някои учени смятат, че стопяването на вечната замръзналост може да стане епицентър на изменението на климата. Според тях 1 500 000 милиона т въглерод, заключен в скованите от лед земи е климатична бомба, чакаща да се взриви, ако парниковият газ бъде освободен в атмосферата.

В геоложкия запис на Земята атмосферната концентрация на метан варира между 0,3 до 0,4 ppm през студените периоди и от 0,6 до 0,7 ppm при топло време. Сегашната средна стойност на концентрациите на метан в Арктика е около 1,85 ppm, най-високата от 400 хиляди години. Концентрациите над Източносибирска Арктика са дори по-високи. Просмукващият се метан в арктическите езера в Аляска, Канада и Русия удвоява обема си. Арктика е отговорна за до 9% от глобалните емисии на метан. Други източници на метан са вулканите, а също животновъдството и производството на изкопаеми горива.

Размерът на въглерода в дълбоко замръзналата земя е приблизително двоен на въглерода в атмосферата днес. Общо съхраненият там въглероден диоксид е колкото във всички тропически гори на нашата планета, взети заедно.

Метанът е парников газ по-мощен от въглеродния диоксид около 30 пъти (според други 23 пъти, в зависимост за колко време след отделянето му се измерва, тъй като се окислява в кислородна среда). Той се освобождава от замръзналост по два начина.

Когато органичен материал (основно от последния ледников период) се съхранява в дълбоко замръзналата земя, той започва да се разлага при анаеробни условия и постепенно се отделя метан.

Метанът може да се натрупва и на морското дъно като клатрат (газ хидрат, метан хидрат) и да се изпуска от подводните дълбоко замръзнали утайки. Тези емисии могат да бъдат по-големи и по-резки, отколкото в резултат от разлагане.

Дълбоко замразената земя вече е с признаци за дестабилизация. През лятото почвата се размразява на дълбочина няколко метра, покрива се и с цъфтящи в обширни области треви и диви цветя. Под този тънък слой обаче земята остава замразена, понякога в лед са обвити десетки или дори стотици метри. Тъй като Земята се затопля глобално, лятното размразяване достига по-дълбоко, микроорганизмите атакуват органичните вещества, растителни и животински останки, погребани на недостъпни за кислород дълбочини и в резултат се произвежда метан, който бълбука на повърхността и излита във въздуха. Само от сибирските езера могат да се отприщят повече от 50 милиарда тона, повече от 10 пъти сумата, съдържаща се сега в атмосферата.

Националната океанска и атмосферна администрация на САЩ в доклад за Арктика от 2010 г. заяви, че средната температура на дълбоко замръзналата земя нараства в продължение на десетилетия, но е отбелязано "значително ускорение" в последните пет години на много места по крайбрежието на Арктика. На 6600 км източно от Москва има повишение с около 2°C през последните пет години, до около минус 5°C днес.

Климатичните модели показват, че температурите ще се повишат с още от 3°C до 7°C. В Канада най-горните метри дълбоко замръзнала земя ще се размразят на приблизително една пета от повърхността, обхваната в момента от дълбока замръзналост. Съответното число за Аляска е 57 на сто. Дължината на зимния сезон и снежната покривка в Арктика ще продължават да намаляват и ледниците в областта вероятно ще губят между 10 и 30 на сто от общата си маса. Всичко това - в рамките на този век и с тежки последици за екосистемите, съществуващата инфраструктура и човешките условия на живот.

Едва през XXI век започват проучванията на отделянето на метан от клатрати. Още от 1960-те години е известно, че има някои находища на лед, съдържащ метан, разположени на дъното на океана, където високото налягане и ниската температура ги предпазват от топене. Клатрат или природен газов хидрат е общ термин за газови молекули, уловени от молекулите на водата. Тези съединения са в твърдо агрегатно състояние. Когато молекулите на метана са хванати в тънки решетки от водни молекули, съединението изглежда почти като лед или пресован сняг. Метан хидратите са възможен източник на гориво. Благодарение на структурата си единичният обем на газовия хидрат може да съдържа до 160-180 обема чист газ. Те лесно се разпадат на вода и газ при повишаване на температурата. Хидратите в утайките трябва да бъдат в равновесие с водата около тях - тя трябва да съдържа огромни количества газ, почти същите като общото количество в клатрата. Метановите хидрати (клатрати) се формират в континенталния шелф, а също във вечните ледове на земните полюси. Океанографи са установили замразени парчета метан хидрат в повече от 90 места по целия свят. Огромни находища са разкрити навътре от брега във всички световни океани и в нашето Черно море. Дори някои от езерата в Централна Азия са достатъчно студени, за да поддържат формирането на клатрати. Има около 10000 гигатона въглерод, съхраняван като метан хидрат под водата. Това е два пъти повече въглерод от оценките за конвенционалните изкопаеми горива.

Нови изследвания в Изочносибирския шелф показват увеличено отделяне на метан, поради плитката граница на метан клатрат (50 м) и затоплянето на океана. В Арктика равнищата на метан са обикновено 8-10 процента по-високи от световното ниво, а сега откриват нива на метан с още 5 до 10 процента по-високи от вече повишените нива на Арктика. В дълбоката вода метанът се окислява до въглероден диоксид преди да достигне повърхността. В плитчините на Източносибирския арктически шелф метанът просто не разполага с достатъчно време, за да се окислява и по-голямята част от него се изпуска в атмосферата. Това, в комбинация с количествата метан в региона, може да добави досега некалкулирана променлива в климатичните модели. Пускането в атмосферата на само един процент от метана, съхраняван в плитките хидратни находища, може да промени тежестта на действащия в атмосферата метан до 3-4 пъти.

Освободени големи количества метан в атмосферата в геоложкото минало са предизвиквали бързо изменение на климата. Мащабно отделяне на метан от клатратите, според широко приемано мнение, е причинило два глобални температурни върха, довели до масово измиране на видове преди 250 Ма и вероятно 55 Ма.

В по-малките ширини рискът от опасно освобождаване на метан от морското дъно в атмосферата е минимален, тъй като отделеният газ е по-вероятно да се поеме от бактерии или да се разтвори в морската вода преди да достигне въздуха. Самото загряване става на повърхността и трябва да достигне надолу до дъното. Възможно е да се случи при затопляне с около 4°C, но това е огромно повишение.

Определени рискове съществуват при евентуален промишлен добив. Така след взрива на платформата на компания "Бритиш петролиъм", в Мексиканският залив са се освободили близо 200 000 тона метан. Половината от тях са попаднали дълбоко във водите на залива. Бактериите са успели да погълнат почти всичкия метан, преди той да се издигне от морското дъно и да попадне в атмосферата.

Ако дълбоко замръзналата земя се размрази внезапно, това ще вкара огромно количество въглерод в атмосферата. Ще се чувства затопляне в целия свят. Но това не може да се случи толкова бързо. В зависимост от скоростта на разтопяване на дълбоко замръзналата земя, влиянието върху температурата по целия свят ще бъде различно.

Възможно е растителността, която ще порасне, когато земята се размрази, да поеме много от въглеродния диоксид. Ние все още знаем твърде малко за това. Със знанието, което имаме днес ние не можем да кажем със сигурност дали размразяването на тундрата ще задържа или произвежда повече парникови газове в бъдеще. Ефекти от този вид, така наречените ефекти обратна връзка, са от голямо значение за глобалното затопляне в бъдеще.

1 коментар:

  1. Благодаря за много полезната и актуална статия!

    ОтговорИзтриване