Вплив холодильного агента та продукту на навколишнє середовище

5.3. Вплив холодильного агента та продукту на навколишнє середовище .

Питання про вплив атмосферного вуглекислого газу на клімат вивчався у двох циклах досліджень. Перший з них присвячено з'ясуванню зв'язку змін клімату в геологічному минулому з коливаннями концентрації СО2 в атмосфері. Дослідження цього напрямку були розпочаті наприкінці XIX ст. роботами Арреніуса і Чамберлина.

У другому циклі вивчався вплив зростання концентрації вуглекислого газу, зумовленого господарською діяльністю людини, на сучасний клімат. Ці дослідження, розпочаті у 30-х роках нашого століття Коллендером, придбали зараз великого значення в зв'язку з перспективою антропогенного зміни глобального клімату.

До недавнього часу роботи цих двох циклів були мало пов'язані між собою, що обмежувало можливості з'ясування впливу вуглекислого газу на клімат. В останні роки були знайдені шляхи спільного вивчення обох проблем.

Для кількісного пояснення змін клімату необхідно знати його чутливість до коливань зовнішніх кліматоутворюючих факторів. Зокрема, для з'ясування залежності клімату від концентрації СО2 в атмосфері потрібно оцінити чутливість до змін клімату припливу тепла, обумовлених коливаннями прозорості атмосфери для довгохвильової радіації.

До недавнього часу при визначенні чутливості клімату використовувалися головним чином розрахунки за моделями теорії клімату. Так як всі існуючі моделі клімату містять різні спрощення, точність таких розрахунків залишалася неясною, у зв'язку з чим іноді робився висновок про відсутність достатньо надійних оцінок чутливості до змін клімату припливу тепла.

В останні роки В цій області досягнуть значний прогрес у результаті застосування для оцінки чутливості до змін клімату припливу тепла ряду емпіричних методів, заснованих на використанні даних про зміни клімату в геологічному минулому, про сучасні зміни клімату та сезонні зміни метеорологічного режиму. Всі ці різні і абсолютно незалежні підходи дають близькі результати при оцінці параметрів, що характеризують чутливість клімату. Ці результати добре узгоджуються з даними розрахунків чутливості за моделями теорії клімату, включаючи детальні моделі загальної циркуляції атмосфери і схематизовані енергетичні моделі термічного режиму при визначенні їх параметрів за достатньо надійним емпіричним матеріалів.

Із загальних характеристик впливу вуглекислого газу на клімат часто застосовується величина — зміна глобальної середньої температури повітря біля земної поверхні при подвоєнні концентрації СО2 в порівнянні з її значеннями в кінці до індустріальної епохи.

Перша з цих оцінок, отримана в роботі Манабе і Везеролда, відноситься до умов земної кулі в цілому і не включає обліку зворотного зв'язку між полем температури і площею полярного сніжно-крижаного покриву. Так як цей зворотний зв'язок є позитивною, тобто підсилює чутливість термічного режиму до змін припливу тепла, відповідне значення параметра ∆Тс має бути дещо занижена. Дана зворотний зв'язок не врахована також в детальному розрахунку Аугустсона і Раманатана (оцінка 3). Оцінки 2 засновані на розрахунку розподілу середніх широтних температур, виконаного з урахуванням зазначеної зворотного зв'язку. Оцінка 4 отримана Раманатаном та ін. також при обліку цієї зворотного зв'язку.

Оцінки 5 і 7 знайдені в роботах Манабе і Везеролда. У першій з цих робіт виконано розрахунок зміни середніх широтних значень елементів метеорологічного режиму при підвищенні концентрації СО2 в атмосфері, що належить до середнім річним умов. У другій роботі вирішена більш загальна задача, що включає розрахунок як широтних, так і довготних змін метеорологічних елементів при ідеалізованої топографії континентів і океанів. Оцінка 6 отримано в дослідженні Манабе і Стоуфера, де враховано реальний розміщення континентів і океанів і прийнятий до уваги річний хід метеорологічних елементів. У цих роботах використана детальна модель загальної циркуляції атмосфери, що включає облік основних зворотних зв'язків між елементами клімату, в тому числі зворотного зв'язку між термічним режимом і сніжно-крижаним покривом.

Оцінка 8 заснована на аналізі емпіричних даних про сучасні зміни клімату. Оцінки 9-10 отримані за матеріалами про зміну клімату в геологічному минулому, коли ці зміни залежали від додаткових зворотних зв'язків між альбедо земної поверхні і термічним режимом, які не мають істотного значення для сучасного зміни клімату. До числа цих додаткових зв'язків належать зв'язку термічного режиму із змінами площі континентальних зледенінь і альбедо поверхні континентів, зайнятої рослинним покривом, які збільшують чутливість термічного режиму до коливань концентрації СО2. Ця поправка була прийнята до уваги при визначенні значень параметра ∆Тз в останній графі таблиці для забезпечення порівнянності цих оцінок з оцінками, відносяться до умов сучасного зміни клімату.

Середнє значення параметра ∆Тз, визначена різними способами, близько до 3°С, причому максимальне відхилення окремих оцінок від цього значення не перевищує 1 °С. Розрахунок середнього відхилення окремих оцінок від вказаного значення ∆Тс дозволяє припускати, що його ймовірна похибка становить близько 15%. В інших оглядах величина ∆Тз вважалася близькою до 2,5 °С, що лежить у межах зазначеного інтервалу можливої похибки.

Звертаючись до питання про використання емпіричних даних для вивчення впливу зростання концентрації СО2 на клімат, слід зазначити можливість застосування для цієї мети матеріалів про сучасне зміну клімату, про метеорологічному режимі в епоху кліматичного оптимуму голоцену, під час міжльодовикових епох і протягом третинного періоду.

Значення цих матеріалів для вирішення зазначеної задачі неоднаково. Зміна клімату за останнє сторіччя лише частково залежало від зростання концентрації СО2; потепління голоцену і міжльодовикових епох, мабуть, залежали від коливань елементів земної орбіти і нахилу земної осі. Хоча в роботах по теорії клімату встановлено, що зміни припливу тепла до системи Земля—атмосфера, зумовлені різними причинами, що призводять до подібних змін клімату, зазначене відмінність може бути джерелом додаткових похибок при вивченні залежності клімату від концентрації СО2.

З перерахованих вище випадків зміни клімату в минулому найбільш тісно пов'язане з коливаннями концентрації СО2 кайнозойське похолодання, дані про яких мають особливу цінність для вивчення залежності клімату від вмісту вуглекислого газу в атмосфері. Ця цінність значно зростає із-за великого інтервалу зміни середньої температури земної поверхні протягом кайнозойської ери, який становить близько 10 °С. Таке значення, набагато більше діапазонів коливань температури протягом інших перерахованих вище випадків зміни клімату, відповідає зміні концентрації СО2 в інтервалі, який приблизно дорівнює очікуваному зростанню концентрації СО2 під впливом господарської діяльності протягом найближчих століть.

Наведені знайдені у згаданих вище роботах значення концентрації вуглекислого газу в третинному періоді і верхній крейді порівняно з її сучасним значенням. З даних таблиці можна зробити висновок, що в пліоцені концентрація СО2 була більше сучасної майже в два рази, в міоцені — майже в чотири рази. Слід мати на увазі, що зміни концентрації вуглекислого газу за останні сто мільйонів років мали більш складну структуру, яка тільки частково охарактеризовано шістьма наведеними тут середніми значеннями, що належать до тривалих інтервалах часу. Мабуть, у минулому відбувалися неодноразові більш короткочасні коливання концентрації СО2 і термічного режиму.

Найбільш детальні дослідження впливу вуглекислого газу на термічний режим за допомогою моделей загальної циркуляції атмосфери виконані в роботах Манабе і Стоуфера і Манабе і Везеролда. Результати цих робіт не цілком збігаються. Якщо значення параметра ∆Тс, отримані у другій з них, добре узгоджуються з висновками ряду теоретичних і емпіричних робіт, то значення ∆Тз, знайдені Манабе і Стоуфером, дещо менше інших сучасних досліджень. Заслуговує уваги, що дана величина нижче значень параметра ∆Тз, отриманих при відсутності обліку зворотного зв'язку між термічним режимом і сніжно-крижаним покривом, яка, як зазначено вище, збільшує чутливість клімату до значень концентрації СО2.

Представлені різниці між середньою широтної температурою на різних широтах при подвоєнні концентрації СО2 і її сучасним значенням, за Манабе і Везеролду (крива 1), Тут зображено також результати визначення температури для середини пліоцену на різних широтах північної та південної півкуль за матеріалами емпіричних досліджень, узагальнених В. І. Борзенковой, М. В. Муратової та В. А. Суетовой. Середні широтні значення різниці температур в помірних і високих широтах, для яких були групи однорідних даних, представлені кривими 2. Для більш низьких широт використовувалися дані вимірювань температури тільки в чотирьох районах (зображені у вигляді точок). Крива 3 відповідає середньому розподілу температури за емпіричними матеріалів.

З зазначених матеріалів випливає, що середня для земної кулі температура повітря біля земної поверхні в середині пліоцену була вище за сучасну на 2,9 °С. Ця величина майже збігається зі значенням ∆Тз знайденим Манабе і Везеролдом. Відзначимо, що в пліоцені на термічний режим впливала зворотній зв'язок температур з відбивною здатністю континентів, залежить від стану рослинного покриву, яка не була прийнята в увагу в роботі Манабе і Везеролда. Облік цієї зворотного зв'язку збільшує значення параметра ∆Тз приблизно на 0,5 °С, тобто на порівняно невелику величину.

Залежність величини ДГ від широти за емпіричними даними та розрахунку Манабе і Везеролда виявляється дуже подібною. Можна відзначити, що емпіричні матеріали вказують на декілька більш значне збільшення різниці АТ з широтою порівняно з результатом теоретичного розрахунку.

Для з'ясування залежності термічного режиму від змін концентрації СО2 в широкому інтервалі її значень можна використовувати дані про палеотемпературах за останні сто мільйонів років, протягом яких концентрація СО2 зменшилася майже в десять разів. У попередніх роботах з цією метою були застосовані матеріали досліджень В. М. Синіцина, які до недавнього часу були єдиним джерелом, висвітлюють термічний режим значній частині поверхні земної кулі протягом всього фанерозою. Порівняння карт температур повітря, побудованих Синіциним, з матеріалами більш пізніх досліджень дозволяє припускати, що для третинного періоду мезозойської ери Синіцин дещо перебільшив різниці температур минулого та сучасної епохи у високих і середніх широтах і применшив ці різниці в низьких широтах. Однак середні для північної півкулі різниці температур повітря, розраховані при використанні карт Синіцина, виявляються досить достовірними.

На цьому малюнку у вигляді точок дані значення зазначеної вище різниці, знайденої за картками В. М. Синіцина, для пліоцену, міоцену, олігоцену, еоцену — палеоцену і верхньої крейди в залежності від відповідних концентрацій вуглекислого газу.

Емпіричні величини зміни температури можуть бути співставленні з результатами теоретичного розрахунку. У цьому розрахунку прийнято, згідно з результатами декількох сучасних досліджень, що при постійному альбедо подвоєння концентрації СО2 призводить до підвищення середньої температури повітря біля земної поверхні на 2,5 °С. Так як протягом останніх ста мільйонів років альбедо Землі змінювалося, ці зміни повинні бути прийняті до уваги при визначенні температур повітря в геологічному минулому.

Одна з причин зміни альбедо — аридизация континентів, яка сталася в кінці пліоцену і в плейстоцені. Як зазначено вище, це призвело до зниження середньої температури повітря приблизно на 0,5 °С. Інша причина — поява і поступове збільшення площі снігового та льодяного покрову у високих широтах. Хоча вплив цих покривів на термічний режим враховується в більшості сучасних теорій клімату, точність таких розрахунків зазвичай досить обмежена за схематичності параметризації відповідних процесів.

Вплив сніжних і крижаних покривів на термічний режим минулого можна оцінити на основі таких емпіричних даних.

З матеріалів супутникових спостережень випливає, що у високих широтах північної півкулі влітку в області, вільної від льоду, альбедо системи " Земля—атмосфера становить близько 0,40, тоді як середнє альбедо зони з крижаним покривом приблизно дорівнює 0,55. Враховуючи різниця цих значень, беручи до уваги площу постійних і сезонних сніжних і крижаних покривів, а також співвідношення величин радіації в зоні сніжно-крижаного покриву з її середнім глобальним значенням, за даними про чутливості середньої температури до зміни припливу тепла можна знайти, що існуючий зараз сніговий покрив і льоди знижують середню для всієї Землі температуру нижнього шару повітря приблизно на 2°С.

Відомо, що сніжно-крижаний покрив високих широт виник ще в палеогене у формі гірських зледенінь, які займали порівняно невелику площу і не чинили істотного впливу на глобальний клімат. В міоцені цей покрив займав значну частину території Антарктиди, що, як показують розрахунки, могло знизити середню глобальну температуру на 0,2—0,3 °С. Істотне розширення сніжно-крижаного покриву сталося в пліоцені і особливо в кінці пліоцену, коли виникли великі зони морських льодів і розширився сезонний сніговий покрив на континентах.

Зміни температури повітря в низьких широтах при коливаннях клімату порівняно невеликі. Тому для емпіричного дослідження змін клімату велике значення мають дані про підвищенні або зниженні температури в середніх і високих широтах, де коливання температури більше за абсолютною величиною і їх легше достовірно виявити.

Зіставляючи дані, можна відзначити хороше якісне узгодження цих незалежних матеріалів. Так, зокрема, на всіх трьох кривих помітно потепління, що відбулося протягом палеоцену—еоцену. На всіх кривих виявляється різке похолодання в олігоцені, максимум температури в міоцені, похолодання в пліоцені порівняно з міоцені. Деякі відмінності в положенні зазначених максимумів і мінімумів температури, встановлених за матеріалами різних досліджень, пояснюються неповним збігом часових шкал кожного дослідження, точність яких обмежена.

Поряд з головними закономірностями термічного режиму третинного часу з даних, можна знайти більш приватні особливості коливань клімату. Наприклад, на двох кривих після максимуму температури в міоцені помітно порівняно короткочасне друге підвищення температури в неогені. Так як часовий масштаб цього коливання клімату менше тривалості відділів третинного періоду, зіставити зазначена зміна термічного режиму з наявними матеріалами про зміст вуглекислого газу в атмосфері неможливо.

Хороше якісне і кількісне узгодження змін температури, встановлених емпіричними методами і знайдених за матеріалами про коливання концентрації СО2, дозволяє зробити висновок про достатню достовірність даних про концентрації вуглекислого газу, про задовільної точності матеріалів про палеотемпературах і про правильність використаних тут оцінок чутливості термічного режиму до змін кількості СО2 в атмосфері.

Висновок

Список використаних джерел інформації