Текст книги "Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?"

«Первый парень на деревне»: углекислый газ

Наука дышит лишь одним воздухом – кислородом фактов. Новые исследовательские методы – это те деревья, что очищают ее атмосферу от углекислоты неточных выводов и насыщают ее кислородом впервые открытых, увиденных и понятых явлений.

В. В. Парин, советский физиолог, академик АН СССР и АМН СССР

Каждый вдыхает кислород, а выдохнуть норовит всякую гадость!

Из миниатюры А. И. Райкина

В конце 1970-х гг. в адрес ЦК КПСС пришло письмо от учительницы физики одной из станиц Краснодарского края. Оно начиналось словами: «Недавно довелось прочитать…». Как вы думаете, какая информация настолько поразила педагога, что она поспешила обратиться, по сути, в высшую инстанцию на шестой части суши? А информация эта была по поводу… массы кислорода, содержащегося в атмосфере. Увидев соответствующее массе число – около 10¹⁵ т, автор письма вооружилась медицинским справочником, из которого извлекла величину еще одной массы кислорода – на сей раз вдыхаемого взрослым человеком в течение одних суток. Умножив последнюю на количество жителей планеты, она получила суточную потребность в кислороде населения Земли. Заключительным аккордом вычислений стало деление общей массы атмосферного кислорода на только что найденную суточную потребность. И тут (о, ужас!) выяснилось, что кислорода «осталось» всего-навсего на 50 лет! Именно об этой надвигающейся катастрофе бдительная учительница и поставила в известность высший партийный орган, сопроводив информацию настоятельной просьбой принять незамедлительные меры. В соответствии с заведенной тогда процедурой, письмо было переадресовано в научную организацию, занимающуюся изучением атмосферы, с требованием дать оперативный исчерпывающий ответ на тревожный сигнал «из глубинки». Так письмо оказалось в наших руках.

Успокоить встревоженную женщину не составило большого труда: достаточно было лишь напомнить, что с расходом кислорода и образованием углекислого газа при дыхании людей и животных конкурирует не менее эффективный процесс фотосинтеза в растениях, в результате которого молекулы углекислого газа оказываются связанными водой и образуются кислород и ряд сложных органических молекул. В упрощенном виде сказанное можно записать следующим образом:

настоящее время доминирующую роль в поддержании определенной концентрации кислорода в атмосфере играют доступность и высокая скорость реакций с органическим материалом углекислого газа (CO₂), а значит, самим фактом существования люди обязаны наличию именно его в атмосфере. Однако подаривший нам жизнь «благодетель» в последнее время ее и серьезно осложняет.

Как уже говорилось, CO₂ – важнейший парниковый газ. На нем, по современным оценкам, лежит примерно 60 % ответственности за усиление парникового эффекта (рис. 14).

Рис. 14. Модель молекулы углекислого газа (слева); сухой лед – углекислый газ в твердом виде (справа)

Его главная полоса поглощения приходится на длину волны λ = 15 мкм. Интересно, что именно на этой же длине волны находится и максимум интенсивности излучения поверхности Земли при вышеупомянутой среднегодовой среднеглобальной температуре поверхности 14 °C. Это обстоятельство еще более повышает значимость CO₂ в парниковом эффекте. Это ли не повод поговорить о нем.

Углеродный цикл – один из основных природных циклов как на Земле, так и во Вселенной, в частности, углекислый газ обнаружен в составе атмосферы Марса и Венеры. Основной запас углерода сосредоточен в недрах Земли, и лишь небольшая его доля («обменный резервуар») участвует в обмене с другими геосферами. Схема цикла углерода на Земле представлена на рис. 11 цв. вклейки.

На ранних стадиях формирования нашей планеты CO₂ образовывался в результате процессов окисления как естественный компонент атмосферного воздуха. Позже бо́льшая часть изначального количества CO₂ в форме известняка CaCO₃ и других карбонатов (солей угольной кислоты) была захвачена литосферой.

И в современную эпоху львиная доля поступающего в атмосферу углекислого газа имеет естественное происхождение, а вклад человека (при сжигании им углеродосодержащих веществ – топлива) во второй половине 1970-х гг. оценивался всего лишь в 4 %.

Атмосферный резервуар углекислого газа во многом определяется биосферой суши с короткоживущей (трава и листва деревьев) и долгоживущей (гумус почвы) составляющими. В целом, по весьма приблизительным оценкам, перегнивание органического материала обусловливает ежегодный выброс 220 миллиардов тонн углекислого газа, еще 330 миллиардов тонн дает океан, вклад вулканов составляет 130–230 миллионов тонн CO₂.

Главный атмосферный источник CO₂ – дыхание растений (в основном ночью). Снижение же его концентрации происходит в результате фотосинтеза в зеленых частях растений (днем). Поэтому в областях с богатой растительностью (в лесах) максимальная концентрация CO₂ бывает рано утром и в конце зимы, а минимальная – в конце дня летом и осенью. При этом отклонение от среднего ее значения (амплитуда колебаний) составляет 10–15 %. Значительный источник CO₂ в атмосфере – гниение растительности (в частности, опавших листьев) и других органических остатков составляющих углеродного цикла. Таким образом, в лесах, неспроста называемых «легкими планеты», углекислый газ не только разрушается, но и образуется.

Вклад в продукцию CO₂, наряду с сезонным листопадом, вносят процессы старения и деградации лесных массивов, болезни растений, а также выгорание лесов в результате пожаров. Следовательно, бесперебойность «дыхания» планеты напрямую зависит от состояния ее «зеленого моря» (неслучайно 2011 г. был объявлен ООН Международным годом защиты лесов). В первую очередь это относится к вечнозеленым тропическим и субтропическим лесам, однако и вклад растительности России также достаточно весом (приблизительно 20–30 %).

Важную роль в углеродном цикле играют болота и зоны вечной мерзлоты, которые аккумулируют углерод в торфе и мерзлом грунте, но высвобождают CO₂ при осушении болот и таянии мерзлоты. Нельзя не упомянуть о других «носителях» углерода. Среди несметного их числа выделим метан (о нем наш рассказ впереди) и монооксид углерода СО (угарный газ). Антропогенные выбросы СО примерно в 1,5 раза превосходят его естественную эмиссию, при этом около 60–80 % такого угарного газа обусловлены автомобильным транспортом. Как метан, так и монооксид углерода, вступая в химические реакции с OH-радикалами, окисляются в атмосфере до CO₂.

Сам же углекислый газ химически малоактивен, лишь в стратосфере его молекулы разрушаются под действием ультрафиолетового излучения, но процесс этот протекает настолько вяло, что им обычно пренебрегают. Последнее обстоятельство решающим образом определяет характерное время пребывания молекулы CO₂ в атмосфере («время жизни»): по современным оценкам, оно близко к ста годам.

Океанический резервуар CO₂ пополняется при растворении углекислого газа в воде с образованием угольной кислоты и продуктов ее диссоциации (распада). Растворимость CO₂ в воде увеличивается с уменьшением ее температуры и, наоборот, падает с ее увеличением (наглядный тому пример – появление пузырьков газа на стенках стакана с газированной водой при ее согревании – знаком, несомненно, каждому). Поэтому на зиму углекислый газ «отправляется погостить» из атмосферы в океан через холодные моря и реки Севера и возвращается в атмосферу летом из теплых вод и южных рек. Много углекислого газа выбрасывает Тихий океан при явлениях Эль-Ниньо. Растворимость CO₂ зависит также от состава воды и от уровня ее кислотности (pH). Часть оказавшегося в морской воде углерода связывается, образуя соли угольной и серной кислот, и в последующем участвует в гидрохимических преобразованиях. В морской воде мелкие и мельчайшие водоросли (фитопланктон) поглощают растворенный CO₂ в процессе фотосинтеза, затем по пищевым цепочкам углерод переходит в зоопланктон и в организмы морских животных, а в дальнейшем выпадает на дно океана с их отмершими частями и продуктами жизнедеятельности. Молекулы карбоната кальция (CaCO₃) из донных отложений при некоторых условиях могут снова переходить в воду и участвовать в гидрохимических процессах. Кроме того, карбонатные породы литосферы при выветривании горных пород способны растворяться в воде, создавая значительный по величине потенциальный источник CO₂, замыкая круговорот углерода в природе.

Обратите внимание, что наш рассказ об углекислом газе почти не содержит количественных оценок, характеризующих обсуждаемые процессы, и тем более – их взаимосвязь. Это, безусловно, не случайность, а отражение уровня современных знаний об углеродном цикле. Проблемы, возникающие при его изучении, те же, что и при исследовании климатической системы в целом. О них мы говорили выше, и повторяться нет особого смысла. Однако к тому, чтобы численно охарактеризовать изменения концентрации CO₂ в воздухе, нет никаких препятствий.

На рис. 15 и 16 видно, как изменялась концентрация CO₂ в различные эпохи истории Земли (на врезке – за последнее тысячелетие) и за последние 50 лет. Важно отметить, что за четыре последних ледниковых и межледниковых периода она не превосходила 300 ppm (англ. рarts per million, или «частей на миллион», т. е. молекул CO₂ на миллион молекул воздуха), а именно: 270–290 ppm в межледниковые и 190–200 ppm в ледниковые периоды.

В настоящее время средняя по земному шару концентрация CO₂ достигает 392 ppm, а в доиндустриальный период она находилась на уровне межледниковой (около 280 ppm) и была почти на треть ниже современной.

Концентрация эта, вследствие химической пассивности CO₂, почти не зависит ни от географических координат точки на земном шаре, ни от высотного уровня. Поэтому в большинстве исследований она принимается одинаковой во всей атмосфере Земли.

Рис. 15. Изменения концентрации углекислого газа в палеоэпохи

Даже беглого взгляда на рис. 15 достаточно, чтобы отметить ускоренный рост концентрации CO₂, за последние 50 лет: ежегодно в среднем на 1 ppm или приблизительно на 0,3 % в год в 1960–1980-х гг., а с конца 2000-х – до 2,2 ppm или 0,6 %. Считается, что небывалый рост связан с интенсификацией антропогенной деятельности, хотя существуют и другие версии. Согласно имеющимся версиям, подобное можно объяснить:

а) уменьшением содержания углекислого газа в поверхностных водах или уменьшением поглощения CO₂ поверхностью океана (например, из-за увеличения температуры);

б) вызванным чем-то ускорением окисления отмершей растительности;

в) вызванным чем-то сокращением скорости фотосинтеза или усилением дыхания растений;

г) увеличением масштабов окисления углерода из-за сжигания человеком углеродсодержащего топлива.

Рис. 16. Изменения концентрации углекислого газа за последние 50 лет

Выше отмечалось, что доля антропогенного фактора в углеродном цикле исчисляется лишь немногими процентами, но, согласитесь, и ежегодное увеличение концентрации CO₂ на 0,3–0,6 % по темпам вполне соизмеримо с размером антропогенного фактора (вышеупомянутыми 4 %). В пользу последней версии говорят следующие соображения. Во-первых, в биосфере Земли последний век не отмечен какими-либо глобальными изменениями, способными заметно повлиять на интенсивность процессов, упомянутых в версиях б и в. Во-вторых, наблюдаемого в течение ХХ века увеличения температуры воды в океане недостаточно для объяснения (в соответствии с физическими законами для жидкостей и газов) столь значительного роста атмосферной концентрации CO₂. В-третьих, методы современного анализа позволяют оценить вклад сжигаемого топлива в общем изменении содержания углекислого газа в атмосфере с помощью соотношения изотопов¹²Си ¹⁴С, благодаря тому, что изотоп ¹⁴С практически не входит в состав ископаемого топлива.

Проведенная оценка показывает сопоставимость темпов роста потребления топлива и увеличения содержания CO₂ в атмосфере.

Упомянем еще об одной проблеме, связанной с увеличением содержания CO₂, – биологической. Растворение дополнительной массы углекислого газа в морской воде влечет за собой увеличение уровня ее кислотности, а это, в свою очередь, представляет большую опасность для существования многих живых организмов. Так, лабораторные исследования показали, что увеличение кислотности морской воды губительно сказывается на раковинах моллюсков, известковых скелетах коралловых полипов, которые буквально разъедаются угольной кислотой.

Итак, увеличение атмосферной концентрации CO₂ в ХХ столетии – непреложный, доказанный измерениями факт. И где-то на ²/3 глобальное потепление обусловлено именно этим фактом.

Как ни печально, но приходится признать, что сколь-нибудь существенно воздействовать на природный углеродный цикл мы не в состоянии, а, значит, контролировать содержание CO₂ в атмосфере нам не по силам.

По большому счету, что-либо сделать можно лишь с теми самыми 4 % из «зоны нашей ответственности», но и эта задача, ой, как непроста: нужно повсеместно отказаться или хотя бы значительно сократить промышленное использование ископаемого топлива в ближайшие десятилетия. Такая цель поставлена, но вряд ли может быть осуществлена, поскольку требует глобальной и затратной модернизации мировой экономики, а также энергичных согласованных действий. Это путь, который еще только предстоит пройти. А пока зададимся вопросом: нет ли других путей, если не альтернативных, то дополняющих данный? Для этого рассмотрим другие парниковые газы.

Многоликий метан: второй по значимости парниковый газ

Природный газ – это кислород экономики, перекрывающий кислород экологии.

Л. С. Сухоруков – писатель, мастер афоризма

Упоминание о метане (CH4) у большинства людей обычно ассоциируется со взрывами и человеческими жертвами на угольных шахтах. «Явление метана народу», т. е. атмосфере, происходит по многим каналам. В их череде «шумный» выход метана на поверхность по стволам угольных шахт – канал, пожалуй, самый эпатажный, но совершенно не типичный. Как вскоре убедится читатель, метан предпочитает просачиваться в атмосферу без лишнего шума, тихой сапой. Между тем данные измерений свидетельствуют о том, что с начала индустриальной эпохи (около 1750 г.) содержание в атмосфере метана увеличилось в 2,5 раза (для сравнения: концентрация CO₂ за тот же период возросла примерно на 30 %).

Повышенного внимания к себе метан заслужил благодаря его сегодняшнему вкладу в усиление парникового эффекта, оцениваемому в 20 %. Конечно, это не 60 %, вносимые углекислым газом, но, согласитесь, тоже немало – «твердое» второе место.

Замахнуться на гегемонию CO₂ в обозримом будущем ему едва ли по силам, но тем не менее…

Молекула СН₄ (рис. 17) в десятки раз эффективнее поглощает инфракрасное излучение, чем молекула CO₂. Главенствущая же роль последнего достигается лишь тем, что количество молекул углекислого газа в атмосфере примерно в 200 раз превышает число молекул метана. Но поскольку концентрация СН₄ в индустриальную эпоху росла гораздо быстрее концентрации CO₂, очевидно, что при сохранении существующей тенденции уже в недалеком будущем вклад метана в усиление парникового эффекта будет еще более весомым.

Чтобы сократить темпы глобального потепления, резонно попытаться замедлить рост концентрации этого газа (как, впрочем, и других парниковых газов) в атмосфере. В этой связи насущно необходимо познакомиться с ним поближе.

Рис. 17. Шаростержневая модель молекулы метана

Содержание всякого газа в атмосфере определяется соотношением мощности его источников и стоков (т. е. разрушения в атмосферных химических реакциях и – для некоторых газов – вымывания осадками), а срок пребывания в атмосфере (время жизни) – совокупной скоростью его химического разрушения и механического удаления из атмосферы.

Атмосферная химия метана очень проста и не составляет какой-либо загадки. Молекулы метана не обладают высокой реактивной способностью и взаимодействуют лишь с очень активными радикалами гидроксила ОН* и атомами хлора Cl, а также возбужденного кислорода О(¹D). В тропосфере разрушение СН₄ происходит главным образом в реакции с ОН* (на ~90 %), однако в верхней стратосфере (выше 35 км) с ней успешно конкурирует реакция метана с атомарным хлором. Доля реакции СН₄ с О(¹D) в фотохимическом стоке метана относительно невелика. Разрушение молекул СН₄ солнечными лучами (фотолиз), происходящее в верхней стратосфере, столь незначительно, что в расчетах им часто пренебрегают. Кроме того, метан поглощается почвами в сухих субтропических лесах со скоростью большей, чем во влажных умеренных и тропических.

В результате молекула СН₄, по разным оценкам, живет в атмосфере 8–12 лет.

Рис. 18. Характерное содержание метана, ppbv (parts per billion by volume, 10^–9 молекул на молекулу воздуха). В стратосфере разрушение метана гидроксилом приводит к образованию другого важного парникового газа – водяного пара

Химическим путем метан не образуется, поскольку для синтеза его молекул необходимо большое количество энергии. Поэтому атмосферные источники СН₄ отсутствуют, и поступление метана в атмосфере полностью определяется его потоками с поверхности Земли (рис. 18). Метан возникает и накапливается в недрах Земли в среде, где гниение отмершей растительности происходит при дефиците свободного кислорода. Таким образом, среди источников метана преобладают микробиологические процессы с участием анаэробных метанобразующих бактерий:

Молекулярный водород (Н2) для осуществления этой реакции выделяется бактериями, не синтезирующими метан, но развивающимися в той же самой среде, что и метаногены. Метан продуцируют также жвачные млекопитающие (в первую очередь, крупный рогатый скот), в кишечнике которых создаются оптимальные условия для существования выделяющих метан микроорганизмов. По оценке Н. М. Бажина[14]14
  Бажин Н. М. Метан в атмосфере, http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/958.html.


[Закрыть], «продуктивность» одной коровы составляет 250 л СН₄ (целая бочка!) в сутки.

Все источники метана обычно делят на две большие группы: естественные и антропогенные. К первым относят потоки СН₄ с поверхности заболоченных территорий, пресноводных водоемов, океанической поверхности, а также метан, образующийся в колониях термитов и выделяемый при сжигании огромных объемов биомассы в результате пожаров.

Здесь необходимо небольшое отступление. Определение суммарного количества метана, поступающего в атмосферу от каждого из источников, – несомненно, важная, но вряд ли решаемая инструментальными средствами задача. Поток СН₄, например, с поверхности заболоченных территорий, существенно зависит от температуры поверхности, типа болота (торфяного, сфагнового и др.), характера растительности и ее плотности, наличия или отсутствия воды на поверхности и других факторов. Поскольку заболоченные территории встречаются довольно часто (исключая полярные области), и каждой местности присущи свой климатический режим и своя растительность, величины потока СН₄ с разных увлажненных территорий будут заметно различаться, а организация регулярных измерений потока СН₄ в столь большом количестве мест практически неосуществима. Да и смешно представить каждую корову (лошадь, козу и пр.) с индивидуальным датчиком, замеры которого регулярно собирались бы и аккуратно архивировались. А поэтому мощность каждого источника метана определяется с помощью решения обратной задачи: подбирается значение, которое, будучи подставленным в модель, обеспечивало бы максимальное соответствие расчетных концентраций СН₄ измеренным. Естественно, получаемые оценки зависят от класса и особенностей используемой модели и заметно различаются у разных авторов. Обзор таких экспертных оценок и комментарии к ним приведены в Scientific Assessment of Ozone Depletion, 1994[15]15
  WMO Global Ozone Research and Monitoring Project. Report № 37. Geneva, 1994.


[Закрыть]. Далее мы воспользуемся именно этим источником. Давность указанной публикации не должна смущать читателя. Несомненно, за почти 20 лет, прошедших с момента ее выхода в свет, приведенные оценки как-то изменились, однако с абсолютной уверенностью можно утверждать, что они не вышли за рамки разброса приведенных в этом обзоре значений. В такой ситуации мы не ставим перед собой задачу сообщить читателю «последние известия с метаноносных полей» и призываем рассматривать приведенные ниже числа лишь для получения представления о порядке величины отдельных источников и соотношении между ними. Однако вернемся к обсуждению существующих источников метана.

Среди естественных источников метана наиболее интенсивен поток СН₄ с поверхности заболоченных территорий. Его величина оценивается экспертами в 110 Мт/год (1 Мт = 10⁶ т) с разбросом значений от 55 до 150 Мт/год, причем более половины (около 60 Мт/год) приходится на тропики, а на северные широты почти все оставшееся – 40 Мт/год. На порядок меньше поток с поверхности океана – 10 Мт/год и с пресноводных поверхностей – 5 Мт/год. Ежегодная производительность термитников оценивается в 20 Мт метана. Еще 40 Мт/год поступает в атмосферу в результате сгорания биомассы при пожарах, в большинстве своем происходящих в тропической зоне. Таким образом, ежегодно благодаря естественным источникам в атмосферу попадает около 200 Мт СН₄ (с разбросом оценок от 101 до 355 Мт/год) (рис. 19).

Рис. 19. Мировая эмиссия метана (Мт/год) от естественных (а) и антропогенных (б) источников

В число антропогенных источников входят потоки, попадающие в атмосферу при добыче ископаемого топлива, с мусорных свалок и при последующем сжигании бытовых отходов, очистке сточных вод, расширении сельскохозяйственных угодий (в том числе рисовых плантаций), при разведении крупного рогатого скота.

Совместные усилия угле-, газо– и нефтедобывающих предприятий во всем мире увеличивают эмиссию метана в атмосферу на 100 Мт/год (в природном газе на его долю приходится 77–99 %, в попутных нефтяных – 31–90 %, в рудничном – 34–40 %). Из этих 100 Мт/год промышленной эмиссии примерно 47 дает добыча и сжигание угля, а 37 и 17 Мт/год соответственно – утечка из скважин и при транспортировке газа и нефти.

Подсчитано, что крупный рогатый скот продуцирует 80 Мт СН₄ в год. (В 2000 г. насчитывалось чуть больше 1 млрд голов, из них 314 млн – в Индии, 150 – в Бразилии, 130 – в Китае и около 100 млн – в США.)

Ежегодный поток СН₄ в атмосферу с рисовых плантаций оценивается в 60 Мт, еще около 30 Мт СН₄ в год попадает в атмосферу при других способах землепользования; при накоплении и переработке мусора – 57 Мт в год. Географическое распределение этих потоков напрямую зависит от экономического развития страны, численности и плотности населения, отчасти от национальных традиций. Примерно вдвое меньше, 25 Мт СН₄ в год, обеспечивает очистка сточных вод.

В итоге из антропогенных источников в атмосферу попадает около 360 Мт/год (от 259 до 537) СН₄ при общем его объеме в 560 Мт/год (от 360 до 892).

Следовательно, примерно ²/₃ глобальной эмиссии метана обусловлено деятельностью человека, хотя деление источников на антропогенные и естественные несколько условно – осушаются естественные болота, метан присутствует в продуктах жизнедеятельности не только домашних, но и диких травоядных животных.

Понятно, что основные источники метана размещаются в Северном полушарии, где находится подавляющее большинство экономически развитых государств. К тому же площадь суши, на которой в основном располагаются источники СН₄, здесь значительно больше, чем в Южном полушарии. А что же Россия? Сколь велик наш вклад в глобальную эмиссию метана?

В силу своего географического положения наша страна не является родиной термитов и рис – далеко не главный среди производимых в России зерновых. Поэтому российский вклад в эмиссию СН₄ складывается в основном из потоков метана с поверхности переувлажненных территорий (включая болота, открытые водоемы, тундру и т. д.), его утечек, сопутствующих добыче ископаемого топлива, а также метана, выделяемого в результате жизнедеятельности крупного рогатого скота и при утилизации мусора.

По оценкам, гниение и сжигание российского мусора увеличивает ежегодный поток метана примерно на 2,5 Мт.

В 1990-х годах в России и странах СНГ резко сократилось количество крупного рогатого скота, и к 2000 г. в России насчитывалось лишь 27 млн голов (в 1991 г. в СССР – 57 млн). Как следствие, в данный период уменьшился и выброс СН₄, обусловленный этим источником: в 2000 г. он оценивался в 1,8 Мт/год. Из-за экономического спада 1990-х закрылись шахты в России, на Украине, в Казахстане, значительно сократилась добыча угля. Существующая на этот счет статистика весьма противоречива, что, конечно, осложнило расчеты, поэтому экспертные оценки имеют большой разброс – от 2,5 до 5 Мт СН₄ в год.

Как известно, Россия обладает огромными запасами природного газа, добыча которого – приоритетная отрасль ее экономики. Вопрос о необходимости оценки объема утечки газа неоднократно поднимался российскими и международными природоохранными организациями (по расчетам 1990-х годов, в результате утечки в атмосферу может попадать от 1,42 до 17±13 Мт СН₄ в год).

По нашей оценке, эмиссия СН₄ от российских переувлажненных территорий, расположенных в поясе 30–60° с. ш., составляет около 21 Мт/год. Общие же выбросы СН₄ с территории России можно оценить в 40–45 Мт/год (рис. 20).

Рис. 20. Российские источники выбросов метана (Мт/год) в атмосферу: 1 – болота, тундра, открытые водоемы; 2 – газо– и нефтедобыча; 3 – угледобыча; 4 – мусор; 5 – крупный рогатый скот

Ввиду того, что молекула СН₄ живет в атмосфере 8– 12 лет, а на перемещение воздушных масс из одного полушария в другое достаточно нескольких месяцев, содержание метана в воздухе почти одинаково в разных уголках земного шара.

В частности, средняя концентрация СН₄ в Южном полушарии всего на 6 % ниже, чем в Северном, где, как уже отмечалось, расположены его основные источники. В связи с относительной химической пассивностью метана его содержание в атмосфере не подвержено заметным сезонным изменениям, которые не превышают нескольких процентов, причем самые низкие концентрации СН₄ приходятся на конец лета, а наибольшие – на зиму и весну. Исключение составляют северные высокие широты, там наблюдается резкое увеличение концентрации метана к осени, связанное с освобождением ото льда болотистых почв.

Анализ образцов из ледовых кернов, отобранных в Антарктиде и Гренландии, позволил проследить ход изменения концентрации СН₄ в атмосфере. Во время последнего ледникового максимума (18–20 тыс. лет назад) она составляла в нижней тропосфере 350 ppb (молекул метана на миллиард молекул воздуха), к 1850 г. возросла до 820 ppb, в 1950 г. – уже до 1180 ppb, в 1990 г. – 1694 ppb, в 2000 г. – 1752 ppb и в 2010 г. – около 1850 ppb (рис. 21).

Налицо беспрецедентно быстрый рост концентрации атмосферного метана за последние 60 лет – на 56,8 %.

Рис. 21. Среднегодовое по земному шару содержание метана в приземном воздухе

Как изменится содержание метана в атмосфере в будущем, ближайшем и отдаленном? Вопрос достаточно трудный, ответ на него зависит от множества объективных и субъективных факторов, главный из которых – наши недостаточные знания, в частности о механизме обмена метана между геосферами (недрами Земли, океаном, атмосферой). Например, до сих пор не объяснено наблюдавшееся в начале XX в. резкое, но непродолжительное замедление скорости роста его содержания в атмосфере. Другой важный фактор неопределенности будущего метана – стратегия национальных и мировой экономик, технических и технологических новаций. Так, англичане разработали и успешно внедряют методику консервирования закрытых шахт, надежно препятствующую проникновению метана в атмосферу. Голландцы начинают использовать технологии очистки коровников, предотвращающие утечку метана.

Рост населения ведет к увеличению потребности в продовольствии, а значит, грядет увеличение сельскохозяйственных площадей и поголовья скота. Но площади сельскохозяйственных угодий будут распределяться по-разному, в зависимости от пищевых пристрастий и сбалансированности рациона тех или иных народов: где-то будут увлажняться новые территории под овощеводство, где-то – осушаться под зерновые. Но наряду с этим из-за неумелой ирригации появятся новые болота.

Конечно, отказ от традиционных источников энергии – угля, газа, нефти – в пользу альтернативных, экологически более чистых, вряд ли реален в ближайшем будущем.

Наиболее вероятным представляется умеренный рост содержания метана в ближайшие десятилетия, что подтверждает Межправительственная группа экспертов по изменению климата, разработавшая 35 сценариев возможного изменения концентрации важнейших компонентов атмосферного воздуха. В этих сценариях рассмотрены последствия различных путей развития мировой экономики в XXI в., при этом в большинстве из них рост концентрации метана к 2050 г. оценивается в 40–50 %.

Остается открытым вопрос о глобальных запасах метана в газогидратах – кристаллических образованиях, скрытых под океанической толщей и ледяным покровом в зоне вечной мерзлоты. По немногочисленным измерениям, общее содержание СН₄ в поддонных отложениях в районе Мексиканского залива, в Северном Ледовитом и Тихом океанах оценивается в 1,3 · 10⁷ Мт, масса метана в арктических газовых гидратах – 10⁴–10⁷ Мт, а залежи СН₄ под ледяным покровом – в2,7·10⁶ Мт (правда, с возможной десятикратной (!) ошибкой).

Для сравнения: общее содержание метана в современной атмосфере оценивается примерно в 4600–5000 Мт, т. е. составляет всего несколько сотых процента от его глобальных запасов!

Иногда высказывается опасение (в основном в геологической периодике), что наблюдаемый и прогнозируемый рост температуры окружающей среды может стать причиной полного или частичного высвобождения метана из его резервуаров при изменении интенсивности обмена между донными и вышележащими слоями океана, а также таяния в зонах вечной мерзлоты. При повышении температуры на 1–1,5 °C в таких районах, занимающих ²/₃ территории России, приток метана может увеличиться на 100 млрд м³, или примерно на 70 Мт[16]16
  Yakushev V. S., Chuvilin E. M. Cold Regions Science and Technology. V. 31. 2000. Р. 189–197.


[Закрыть].

В недавней статье в журнале «Science» утверждается, что высвобождение метана из гидратов уже случалось 200 миллионов лет назад. Тогда, по мнению авторов статьи, в атмосферу было выброшено около 12 триллионов тонн СН₄, в результате последовал резкий рост температуры, вызвавший триасово-юрское вымирание, унесшее примерно половину видов живых существ и «расчистившее» дорогу динозаврам.

Интерес к проблеме метана в ближайшие годы наверняка сохранится. Считается, что с помощью именно этого газа можно наиболее эффективно регулировать избыточный парниковый эффект. Действительно, на две трети антропогенная эмиссия СН₄ несравнимо более доступна для контроля, чем источники «гуляющего сам по себе» CO₂. К тому же полный цикл пребывания молекулы метана в атмосфере (8–12 лет) во много раз короче аналогичного для молекулы углекислого газа, а значит, результатов регулирования не придется ждать десятилетиями. Наконец, вклад СН₄ в усиление парникового эффекта – второй по значимости, и если нет возможности регулировать поведение лидера – CO₂, логично остановить свой выбор на метане.