CC BY
121
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2003 р. Вип. № 13
УДК 669.1:502
ШамП. И *
ВЛИЯНИЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ НА ПОТЕПЛЕНИЕ КЛИМАТА
Проанализированы сведения, связанные с влиянием углекислого газа атмосферы на потепление климата, и имеющиеся в них противоречия. Обоснована целесообразность определения влияния углекислого газа на изменение температуры воздуха при помощи прямых замеров. Для выполнения таких исследований разработано устройство, использование которого позволило установить, что при сохранении существующей тенденции увеличения содержания углекислого газа в атмосфере не следует ожидать потепления климата, вызванного углекислым газом.
Научно-технический прогресс сопровождается возрастанием загрязнений окружающей среды, которые способны изменять ее показатели и параметры. В этих условиях необходимо изучать влияние различных загрязнений на окружающую среду, оценивать возможные отрицательные экологические последствия и по результатом оценки при необходимости осуществлять локальные или глобальные мероприятия по своевременному их предотвращению.
В последнее десятилетия техногенные выбросы углекислого газа в атмосферу возрастают: в 1970 году они составляли 1;5 . Ю10 т/год [1], в 1980 году - 2,0- Ю10 т/год [2], в 2000 году -
6,0- Ю10 т/год [3], в 2006 году по прогнозу будут составлять 8 • Ю10 т/год [3].
Учитывая, что природные выбросы составляют 7-Ю10 т/год [1], уже сейчас техногенные выбросы примерно такие же, что и природные. Поступление углекислого газа в атмосферу в 2000 году составило 3 % от его содержания в атмосфере [3]. За период с 1958 по 1998 год концентрация углекислого газа в атмосфере Земли возросла с 315- 10~бдо 354- 10~б долей массы [4], т.е. на 12,4 %.
Увеличение выбросов углекислого газа и повышение его концентрации в воздухе изменяет функционирование сложившегося веками углеродного цикла и совместно с другими газами - величину парникового эффекта на Земле, который имеет общую тенденцию возрастания, вызывая потепление климата [4, 5, 6, 7 и др.]. При этом, согласно [4], основным фактором таких изменений в «климатической машине» Земли является увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере. Другие газы, согласно [7], ответственны за это на 1/3; согласно [4] - совокупное влияние других газов приравнивается к повышению концентрации углекислого газа еще на 50 %-100 %.
Согласно [6] потепление климата должно составлять 6 С на каждые 0,1 % увеличения содержания углекислого газа в воздухе. Однако фактически даже под действием всех парниковых газов потепление примерно в 2 раза меньше. Согласно [4] суммарное потепление климата вследствие увеличения в атмосфере всех парниковых газов за 40 лет (1958 по 1998 год) составило только 0,24 С, что на много меньше ожидаемого. Это в [4] объясняется инерцией океана, а влияние других факторов не рассматривается.
Несоответствие результатов связано, по- видимому, с тем, что о влиянии содержания углекислого газа в воздухе на изменение его температуры судят по косвенному показателю - по поглощению углекислым газом различных длин волн солнечного излучения и теплового излучения Земли. Исследования с измерением температуры воздуха прямыми замерами не проводятся и сведения по ним отсутствуют в литературе.
Однако, выявление таких закономерностей имеет решающее значение для определения направлений управления и стабилизации температуры воздуха нижних слоев атмосферы в условиях их загрязнения.
*ПГТУ, канд. техн. наук., доц.
Целью настоящей работы является получение более достоверных сведений по влиянию углекислого газа атмосферы Земли на потепление климата.
Исследования по выявлению влияния углекислого газа, содержащегося в атмосферном воздухе, на изменение его температуры при прохождении солнечной радиации и теплового излучения, характерного для Земли, проводились на устройстве, схема которого представлена на рисунке.
Рис. - Схема устройства
Устройство состоит из двух камер (1, 2), удаленных друг от друга на 100 мм. Их габаритные размеры - 1000x200x200 мм. Одна камера (1) предназначена для заполнения углекислым газом или смесью его с воздухом, другая (2) - воздухом. Для уменьшения влияния нежелательного явления -потерь теплоты газами, находящимися в камерах, ее стенки изготовлены из пеностирола, обладающего высокими теплоизоляционными свойствами. Толщина стенок - 50 мм. Входные (3, 4) и выходные (5, 6) отверстия камер - квадратной формы, размером 100x100 мм, заклеены тончайшей
(1мкм) прозрачной пленкой. Пленка предотвращает утечку газов из камер, максимально пропуская солнечное и тепловое излучения. С внутренней стороны по середине стенки каждой камеры сделаны полусферические полости (7, 8) их радиус - 25 мм, в которых расположены ртутные баллончики термометров ТЛ-4 (9, 10), со шкалой 0 °С- 55 °С, ценой деления 0,1 °С (ГОСТ 215-73). Баллончики термометров расположены так, что на них не могут действовать излучения, проходящие через камеры, и обеспечивается замер температуры газов в камерах. Продольные оси и боковые стенки камер расположены параллельно, их входные и выходные отверстия находятся в одних плоскостях перпендикулярно продольным осям камер. Камеры жестко связаны соединительными планками (11). С двух сторон каждая камера имеет отверстия со вставленными в них стеклянными трубками (12), диаметром 10 мм, через которые в камеры подается и удаляется исследуемый газ.
В камере с воздухом трубки закрыты ватными пробками (13), в другой камере - стеклянными затворами (14), один из которых во время исследования закрывают не герметично для выхода избыточного объема при тепловом расширении газов. На расстоянии 20 мм перед входными и выходными отверстиями камер параллельно их плоскостям расположены защитные экраны (15, 16) из окрашенного в белый цвет картона, жестоко связанные с камерами креплениями (17). Экраны выходят за наружные стенки камер на 100 мм. Этим достигается защита камер от воздействия на их стенки солнечного и теплового излучений. В экранах имеются соосные с входными и выходными отверстиями камер проемы (18) тех же размеров и конфигураций, что и отверстия в камерах, через которые в них входят и выходят излучения. Помимо этого экраны предназначены для обеспечения и контроля необходимой ориентации на Солнце устройства во время выполнения исследования. Если тень от экрана (15) совпадает с очертаниями экрана (16) - устройство ориентировано правильно (продольные оси камер направлены на Солнце); в противном случае положение устройства изменяют до совпадения тени экрана (15) с очертаниями экрана (16). Для изменения положения камер и поддержания их необходимой ориентации по мере изменения положения Солнца на небосводе имеется шарнир (19), позволяющий изменять положения камер относительно опоры (20) от 0° до 360° по горизонтали и от 0° до 90° - по вертикали. Опора (20) предназначена для фиксации устройства на поверхности Земли во время исследований.
В процессе исследования используется также ртутный термометр ТЛ-4 для замера температуры воздуха в тени возле устройства, а также стальная пластина с окисленной поверхностью, толщиной 0,1 мм с прикрепленным к ее поверхности баллончиком ртутного термометра. При исследовании нагрева газов в камерах только солнечным излучением - пластина не используется, при изучении нагрева газов только тепловыми излучениями, характерными для нагретой поверхности Земли, пластину при помощи зажимов закрепляют на экране (15), при исследовании совместного влияния указанных излучений - пластину закрепляют на экране 16.
Из приведенного описания следует, что конструкция устройства создает равные условия для газов в отношении их нагрева исследуемыми излучениями, т. к. обеспечиваются:
одинаковые объемы газов в камерах и геометрические формы газовых полостей; равные условия при прохождении излучений через находящиеся в камерах газы; равные внешние факторы, действующие на камеры.
Таким образом, если в камерах исследуемые газы будут иметь различную температуру, то это будет обусловлено только влиянием состава газов, а разность температур будет показывать, на сколько градусов изменяется температура чистого воздуха по сравнению с другим исследуемым газом, находящимся в устройстве.
Для выявления возможных погрешностей при проведении исследований обе камеры одновременно были продукты атмосферным воздухом. Затем на открытом пространстве по описанной ниже методике было проведено четыре эксперимента, в которых солнечное излучение проходило через камеры. Показатели одного из них представлены в табл.1, в других экспериментах получили аналогичные результаты.
Полученные результаты показывают, что закономерности нагрева воздуха в камерах при прохождении через них излучений одинаковы. Отклонения показателей в большинстве случаев отсутствуют, и только в незначительной части экспериментов (менее 20 % случаев) достигают 0,4 %. Таким образом, если в условиях исследований одна из камер будет заполнена воздухом, а другая - исследуемым газом, то разница температур газов будет количественно характеризовать влияние химического состава на нагрев газов при прохождении через них излучений.
Таблица 1 - Показатели эксперимента
Температура воздуха, °С Разность температур Температура ок-
Время суток, воздуха ружающего
часов-минут В камере 1 В камере 2 в камерах, °С Атмосферного воздуха, °С
13-55 25,8 25,8 0 20,6
14-00 25,9 25,9 0 20,7
14-05 25,8 25,8 0 20,9
14-10 25,8 25,9 0,1 21,8
14-15 26,1 26,1 0 21,2
14-20 26,5 26,5 0 20,7
14-25 26,2 26,2 0 21,5
14-30 27,2 27,2 0 21,4
14-35 27,4 27,3 0,1 20,9
14-40 27,2 27,2 0 21,6
При исследовании влияния повышения содержания углекислого газа в воздухе на увеличение его температуры при прохождении солнечного излучения в полуденное время ясного солнечного дня в затененном пространстве одну камеру устройства заполняют чистым атмосферным воздухом и закрывают отверстия ватой. Другую камеру заполняют углекислым газом, вдувая через один патрубок камеры углекислый газ (или его смесь с воздухом) из баллона и выпуская газ из камеры через второй патрубок до тех пор, пока камера не заполнится углекислым газом (или его смесь с воздухом); затем закрывают вентили. Как только температура газов в камерах будет иметь одинаковое значение, устройство устанавливается на открытом пространстве. При помощи шарнира устройство ориентируют на Солнце и определяют по показаниям приборов время, температуру атмосферного воздуха возле устройства в тени. Постоянно изменяя положение камер их ориентируют по Солнцу поворотом в шарнире и через каждые 5 минут определяют температуру чистого воздуха и углекислого газа (или его смеси с воздухом) в камерах, а также температуру окружающего воздуха возле камер в тени.
При исследовании влияния повышения содержания углекислого газа в воздухе на увеличение его температуры при прохождении через него теплового излучения, характерного для нагретой Солнцем поверхности Земли, а также совместном действии солнечного и теплового излучений, эксперименты проводятся аналогично, но с закреплением пластины в первом случае - на экране (15), во втором - (16). Дополнительно определяется температура нагретой Солнцем пластины.
По описанной методике эксперименты проводились в различные дни мая - июня месяца, в которых температура наружного атмосферного воздуха существенно отличалась. Было проведено 6 экспериментов (№1-№6) по изучению повышения температуры газов в камерах, одна из которых заполнена атмосферным воздухом, а другая - углекислым газом, при прохождении через них солнечного излучения. Результаты двух экспериментов (№2 и №5), имеющих наибольшие отклонения параметров, представлены в табл. 2 (в других исследованиях параметры имели промежуточные значения по сравнению с данными табл.).
Таблица 2 - Показатели экспериментов №2 и №5
Эксперимент №2 Эксперимент № 5
т, час-мин. и, °с и, °с Т со2 ' °с А,°с Т, час-мин. и, °с и, °с 1 °С А,°с
13-30 20,2 20,2 20,2 0 14-10 34,2 34,2 34,2 0
13-35 19,8 24,3 25,2 0,9 14-15 34,1 39,1 40,2 и
13-40 20,3 25,6 26,6 1,0 14-20 33,9 40,2 41,4 1,2
13-45 20,1 25,5 26,4 0,9 14-25 33,9 40,2 41,4 1,2
13-50 20,0 24,8 25,8 1,0 14-30 34,0 40,3 41,5 1,2
13-55 20,2 25,0 26,0 1,0 14-35 34,2 40,4 41,6 1,2
14-00 20,1 24,9 25,8 0,9 14-40 33,9 39,0 41,4 1Д
14-05 19,6 24,6 25,5 0,9 14-45 33,8 39,0 41,4 1Д
14-20 20,5 25,2 26,2 1,0 14-50 33,6 38,9 41,3 1Д
14-15 19,9 25,1 26,0 0,9 14-55 33,5 38,9 41,3 ПД
14-20 20,3 25,2 26,2 1,0 15-00 33,6 38,9 41,3 1Д
В табл. 2: Т - время суток, час-мин; 1;н - температура наружного воздуха, °С; 1:,, - температура воздуха в камере, °С; Хсо^ - температура углекислого газа в камере, °С; А - разность температур углекислого газа и воздуха в камерах, °С;
Проведено 2 эксперимента (№7 и №8) по излучению повышения температуры газов в камерах, одна из которых заполнена атмосферным воздухом, а другая - смесью атмосферного воздуха (50 %) и углекислого газа (50 %).
Результаты экспериментов №7 и №8 представлены в табл. 3
Таблица 3 - Показатели экспериментов №7 и №8
Эксперимент № 7 Эксперимент № 8
т, час-мин. tH, °с tB, °с tc, °С А,°с Т, час-мин. tH, °с tB, °с тС5 °с А,°с
13-00 20,8 20,8 20,8 0 14-20 32,6 32,6 32,6 0
13-05 21,0 25,6 26,0 0,4 14-25 32,6 37,6 38,1 0,5
13-10 21,0 26,3 26,8 0,5 14-30 32,5 38,3 38,9 0,6
13-15 20,9 26,2 26,6 0,4 14-35 32,6 37,9 38,3 0,5
13-20 20,9 26,0 26,4 0,4 14-40 32,7 38,0 38,5 0,5
13-25 21Д 26,0 26,5 0,5 14-45 32,9 38,2 38,7 0,5
14-30 21,2 26,2 26,7 0,5 14-50 33,0 38,4 38,9 0,5
14-35 21,4 26,4 26,9 0,5 14-55 33,0 38,4 38,9 0,5
14-40 20,9 25,8 26,2 0,4 15-00 33,2 38,7 39,3 0,6
14-45 21Д 26,1 26,6 0,5 15-10 33,1 38,6 39,2 0,6
14-50 21,0 26,0 26,5 0,5 15-15 33,2 38,6 39,2 0,6
В табл. 3: 1;с - температура смеси углекислого газа с воздухом, °С; другие обозначения такие же, как в табл. 2.
Данные, приведенные в таблице 2 и 3, показывают, что увеличение (прирост) температуры смеси воздуха с углекислым газом при прохождении через нее солнечной радиации прямопропор-ционально возрастает с увеличением содержания в смеси углекислого газа. Так, при содержании углекислого газа в воздухе 50 % прирост температуры (по сравнению с воздухом) составляет в среднем 0,5 °С, а при содержании углекислого газа 100 % - в два раза больше (1,04 °С).
Проведено 4 эксперимента (№9-№12) по изучению повышения температуры газов в камерах, одна из которых заполнена атмосферным воздухом, а другая - углекислым газом, при прохождении через них теплового излучения от нагретой пластины-излучателя, закрепленной на экране (15). Результаты двух экспериментов (№9 и №10), имеющих наибольшие отклонения параметров, представлены в табл. 4
Таблица 4 - Показатели экспериментов №9 и №10
Эксперимент № 9 Эксперимент № 10
т, час-мин. °с tH, °С т 1 в, °с т со2 ' °с А,°с т, час-мин. г„, °С Тн, °с tB, °С 1со2 ' °с А,°с
13-00 22,2 22,0 22,0 22,0 0 14-30 34,4 34,4 34,4 34,4 0
13-05 38,3 22,0 23,6 23,9 0,3 14-35 56,3 34,3 36,4 36,9 0,5
13-10 38,4 22,3 23,6 24,0 0,4 14-40 56,2 33,7 35,6 36,2 0,6
13-15 38,4 22,4 23,7 24,0 0,3 14-45 56,2 33,7 35,6 36,1 0,5
13-20 38,4 22,4 23,7 24,0 0,3 14-50 56,2 33,5 36,4 35,9 0,5
13-25 38,4 22,3 23,9 24,2 0,3 14-55 56,3 34,2 36,3 36,9 0,6
13-30 38,3 21,7 23,5 23,8 0,3 15-00 56,2 33,8 35,7 36,2 0,5
13-35 38,4 23,1 24,2 24,6 0,4 15-05 56,2 33,6 35,5 36,0 0,5
13-40 38,4 22,5 23,7 24,0 0,3 15-10 56,2 33,6 35,5 36,0 0,5
13-45 38,4 22,3 23,6 23,9 0,3 15-15 56,2 33,6 35,5 36,0 0,5
13-50 38,3 21,8 23,5 23,8 0,3 15-20 56,2 33,8 35,7 36,2 0,5
В табл. 4: Г п - температура пластины-излучателя, °С; другие обозначения такие же, как в табл. 2.
Проведено также 4 эксперимента (№13-16) по изучению повышения температуры газов в камерах, одна из которых заполнена атмосферным воздухом, а другая - углекислым газом, при совместном действии на них солнечного излучения и теплового излучения от пластины-излучателя, закрепленной на экране (16). В этих экспериментах увеличение температуры углекислого газа по сравнению с воздухом колебалось практически в тех же пределах (от 1,2 до 1,7 °С), что и суммарное увеличение температуры при отдельном воздействии на эти газы солнечного и теплового излучений (от 1,3 до 1,8 °С).
Данные, приведенные в табл. 2, 3 и 4, показывают, что при повышении температуры наружного атмосферного воздуха нагретый до более высокой температуры углекислый газ больше поглощает солнечной и тепловой радиации (по сравнению с воздухом) и нагревается в условиях эксперимента незначительно больше. Так, согласно данных таблицы 2, при температурах наружного воздуха 19,6 °С - 20,5 °С прирост температуры составлял в среднем 0,95 °С, а при температурах 33,5 °С - 34,2 °С - на 12 % больше (1,14 °С). Аналогичная тенденция сохраняется в других экспериментах.
Данные, приведенные в табл. 2, 3 и 4 и выполненные по ним расчеты, показывают, что увеличение в смеси с воздухом содержания углекислого газа на 0,1 % в условиях эксперимента приводило к возрастанию ее температуры по сравнению с воздухом не более чем на 0,0012 °С при прохождении солнечной радиации, а при прохождении теплового излучения - не более чем на
0.0006.°С, в сумме увеличение составило около 0,002 °С. Практически такой же расчетный прирост температуры смеси (около 0,002 °С на каждые 0,1 % увеличения содержания в ней углекислого газа) получен в экспериментах №13 - №16 при совместном действии на газы камер солнечного излучения и теплового излучения, характерного для Земли. Следовательно, можно ожидать, что увеличение на 0,1 % содержания углекислого газа в атмосфере (это при существующей тенденции его возрастания может произойти примерно через 100 лет) практически не приведет к изменению климата (потепление может составить примерно 0,002 °С).
Возможно поэтому прогнозы значительного потепления климата из-за увеличения содержания углекислого газа в воздухе не оправдываются. Наблюдаемое в последние годы изменение климата обусловлено, по-видимому, циклическими изменениями солнечной активности и другими явлениями, на которые обращается внимание в работе [8].
Полученные в работе результаты свидетельствуют о том, что необходимы также исследования по уточнению влияния других парниковых газов на климат, что может быть выполнено с использованием изложенной методики и разработанного устройства.
Выводы
1. Существующие теоретические оценки влияния содержания углекислого газа в атмосфере на потепление климата не подтверждаются фактическими данными.
2. Для получения более достоверных сведений по влиянию углекислого газа атмосферы Земли на потепление климата разрабатываю устройство, позволяющее производить оценки по результа-
там прямых замеров температуры воздуха n его смеси с углекислым газом при прохождении через них солнечной радиации и теплового излучения Земли. 3. Исследованием, выполненным с использованием разработанного устройства, установлено, что увеличение содержания газа в смеси с воздухом на 0,1 % в условиях эксперимента приводило к возрастанию температуры смеси по сравнению с чистым воздухом на 0,002 °С, что не может оказывать заметного влияния на потепление климата в течение длительного времени.
Перечень ссылок
1. Newell R. Е. The Globall Circulation of Atmospherik Pollutants /R. E. Newell!I Scintific American. -1971.-№1-V 224
2. Даценко И. И. Воздушная среда и здоровье человека /И. И. Даценко. - Львов: Вища школа, 1981.-104 с.
3. Филантропова В. А. О загрязнении атмосферного воздуха предприятиями черной металлургии / В. А. Филантропова, П. И. ШамИ Вюник Приазов. держ. Техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мариуполь, 2001. Вип.11. - С. 300-303
4. Боков В. А. Общее землепользование /В. А. Боков, Ю. П. Селиверстов,
И. Г. ЧерваневИ - Санкт-Петербург: Издательство Санкт-Петербургского университета, 1998. -467 с.
5. Моисеев П. П. Модели экологии и эволюции /П. П. Моисеев. - М.: Знание, 1983. -64с.
6. Конспект лекцш з курсу "Еколопя та охорона природи" /М А. Голубецъ, В. П. Кучерявий, С. А. Генарук та mmi. - К.: НМК ВО, 1990. - 215с.
7. Наше общее будущее: Доклад Международной комиссии по окружающей среде и развитию (МКОСР): Пер. с англ. /Под ред. С. А. Евтеева и
Р. А. Переплета/ - М.: Прогресс, 1989. - 376с.
8. Парет Л. Ледник - летопись климата /Л. ПаретИ Наука и жизнь - 1971. - №5 - С. 86-87
Статья поступила 27.12.2002
