Парниковые газы – естественная составляющая атмосферы и основная причина богатого биологического разнообразия на планете. Из-за своего молекулярного строения они поглощают инфракрасное солнечное излучение (тепло) и удерживают его, как стекла в парнике. Без этого естественного эффекта средняя температура на Земле была бы ниже на 35 °С. За время существования планеты уровень парниковых газов колебался, но в последние века начал стремительно повышаться. Сегодня научные данные подтверждают, что большей частью этот рост вызван деятельностью человека.
Вклад человека. Усиление парникового эффекта говорит о вкладе человека в глобальное потепление. Парниковые газы попадают в атмосферу в ходе деятельности людей, в том числе сжигания ископаемых видов топлива.
С увеличением количества парниковых газов в атмосфере задерживается больше тепла. Это ускоряет естественный парниковый эффект и повышает температуру на Земле.
Рост концентрации. Основные парниковые газы – водяной пар, углекислый газ, метан и оксид азота. По сравнению с уровнем до промышленной революции количество углекислого газа выросло примерно на треть. Содержание метана увеличилось по меньшей мере в два раза.
Надежное хранилище. Леса задерживают огромное количество углерода. Когда они погибают, углерод попадает в атмосферу в виде С02. Это значит, что обезлесение влияет на повышение концентрации парниковых газов.
Метан. Глобальное потепление на 10 % вызвано метаном, содержащимся в атмосфере. Значительная часть этого мощного парникового газа – результат жизнедеятельности растений и животных. Также он выделяется при гниении мусора.
Поедатели древесины. Из-за термитов каждый год появляется около 18 млн тонн метана. Его вырабатывают бактерии, расщепляющие целлюлозу в их кишечнике.
Такая экологическая ситуация заставляет людей сидеть дома, поскольку выход на улицу в зонах выбросов парниковых газов чреват плохими последствиями. Оставаясь в жилище, жители Земли не скучают, они развлекаются с помощью современных технологий. К тому же недавно появилась игра gravity guy , которая на первый взгляд может показаться обычной бродилкой. Но на самом деле приложение очень отличается от стандартных симуляторов. Главному герою угрожает опасность, однако благодаря своим навыкам он всегда остается в живых. Многие геймеры называют эту игру усовершенствованным Чип и Дейлом для денди.
Животноводство. Во время отрыжки крупный рогатый скот, овцы и козы ежегодно испускают в атмосферу около 90 млн тонн метана.
Заливные поля. Метан в большом количестве попадает в атмосферу с заливных рисовых полей. Это побочный результат жизнедеятельности бактерий в стоячей воде.
В связи с выходом некоторых постановлений, писем и методических указаний природопользователи задают вопросы, касающиеся расчета выбросов парниковых газов, но у контролирующих органов пока нет четких ответов. Тем не менее вопрос активно обсуждается. Начав с базовых знаний и исторической справки о парниковых газах, постараемся осветить данную тему для всех заинтересованных лиц, даже далеких от экологии.
Что такое выбросы парниковых газов и чем они опасны: история вопроса
СЛОВАРЬ
Парниковые газы — это газы высокой прозрачности в видимом диапазоне и с высоким поглощением в дальнем инфракрасном диапазоне. Присутствие таких газов вызывает парниковый эффект — повышение температуры нижних слоев атмосферы планеты.
Для Земли первоочередное значение имеют водяной пар и углекислый газ. Увеличение количества углекислого газа за счет промышленных выбросов в атмосферу приводит к повышению приповерхностных температур, что согласно теории глобального потепления климата приводит к нарушению естественных климатических процессов.
В связи с этой опасностью необходимо снижать выбросы ПГ, и поэтому в 1997 г. было заключено соглашение в г. Киото — Киотский протокол, созданный как дополнительный документ к Рамочной конвенции ООН об изменении климата 1992 г.
В 2015 г. в г. Париже подписано новое соглашение, регулирующее меры по снижению содержания углекислого газа в атмосфере с 2020 г.
Новое соглашение Россией подписано, но не ратифицировано: летом 2016 г. бизнес-сообщество просило президента не утверждать данный документ, т.к. это плохо скажется на экономике. К тому же С. Лавров в своем выступлении на саммите глобального развития в рамках ГА ООН заявил, что Россия перевыполнила свои обязательства по достижению выбросов ПГ ниже уровня 1990 г.
Снижение выбросов парниковых газов в России: план работы
Однако на достигнутом результате мы не остановились. В нашей стране для снижения выбросов ПГ и уменьшения опасности глобального потепления в мире предпринят ряд шагов. В первую очередь разработана законодательная база по данному вопросу.
Ответ редакцииВ понедельник, 30 ноября, на которой ожидается подписание глобального соглашения по снижению странами выбросов парниковых газов. Новое соглашение придёт на смену Киотскому протоколу . Конференция продлится до 11 декабря, в ней принимают участие 150 глав государств и правительств.
О том, что представляют собой парниковые газы, рассказывает АиФ.ru.
Парниковые газы — это группа газообразных соединений, которые входят в состав атмосферы Земли. Они практически не пропускают через себя тепловое излучение, исходящее от планеты. Таким образом, по мнению ряда исследователей, слой парниковых газов сильно воздействует на климат, нагревая атмосферу Земли. Этот процесс также часто называют «парниковым эффектом».
Виды парниковых газов
В список парниковых газов, согласно приложению «А» к Киотскому протоколу, входят следующие соединения:
Водяной пар — самый распространенный парниковый газ. Данных о росте его концентрации в атмосфере нет.
Диоксид карбона (углекислый газ) (СО2) — важнейший источник климатических изменений, на долю которого может приходиться около 64% глобального потепления.
Основными источниками выброса углекислого газа в атмосферу являются:
Закись азота (N2O) — третий по значимости парниковый газ Киотского протокола. На него приходится около 6 % глобального потепления. Выделяется при производстве и применении минеральных удобрений, в химической промышленности, в сельском хозяйстве и т.п.
Перфторуглероды — ПФУ (Perfluorocarbons — PFCs). Углеводородные соединения, в которых фтор частично замещает углерод. Основными источниками эмиссии этих газов является производство алюминия, электроники и растворителей.
Гидрофторуглероды (ГФУ) — углеводородные соединения, в которых галогены частично замещают водород.
Гексафторид серы (SF6) — парниковый газ, использующийся в качестве электроизоляционного материала в электроэнергетике. Выбросы происходят при его производстве и использовании. Чрезвычайно долго сохраняется в атмосфере и является активным поглотителем инфракрасного излучения. Поэтому это соединение, даже при относительно небольших выбросах, обладает потенциальной возможностью влиять на климат в течение продолжительного времени в будущем.
Сокращение выбросов парниковых газов
1. Повышение эффективности использования энергии в соответствующих секторах национальной экономики;
2. Охрана и повышение качества поглотителей и накопителей парниковых газов с учетом своих обязательств по соответствующим международным природоохранным соглашениям; содействие рациональным методам ведения лесного хозяйства, облесению и лесовозобновлению на устойчивой основе;
3. Поощрение устойчивых форм сельского хозяйства в свете соображений, связанных с изменением климата;
4. Содействие внедрению, проведению исследовательских работ, разработка и более широкое использование новых и возобновляемых видов энергии, технологий поглощения диоксида углерода и инновационных экологически безопасных технологий;
5. Постепенное сокращение или устранение рыночных диспропорций, фискальных стимулов, освобождение от налогов и пошлин, субсидий, противоречащих цели Конвенции, во всех секторах-источниках выбросов парниковых газов и применение рыночных инструментов;
6. Поощрение надлежащих реформ в соответствующих секторах в целях содействия осуществлению политики и мер, ограничивающих или сокращающих выбросы парниковых газов;
7. Меры по ограничению и/или сокращению выбросов парниковых газов на транспорте;
Ограничение и/или сокращение выбросов метана путем рекуперации и использования при удалении отходов, а также при производстве, транспортировке и распределении энергии.
Данные положения Протокола носят общий характер и предоставляют Сторонам возможность самостоятельно выбирать и реализовывать тот комплекс политики и мер, который будет в максимальной степени соответствовать национальным обстоятельствам и приоритетам.
Парниковые газы в России
Основной источник выбросов парниковых газов в России это:
- энергетический сектор (71%);
- добыча угля, нефти и газа (16%);
- промышленность и строительство (около 13%).
Таким образом, наибольший вклад в снижение выбросов парниковых газов в России может внести реализация огромного потенциала энергосбережения. В настоящее время энергоемкость экономики страны превышает среднемировой показатель в 2,3 раза, а средний показатель для стран ЕС — в 3,2 раза. Потенциал энергосбережения в России оценивается в 39-47% текущего потребления энергии, и, в основном, он приходится на производство электроэнергии, передачу и распределение тепловой энергии, отрасли промышленности и непроизводительные энергопотери в зданиях.
Киотский протокол — международное соглашение, принятое в Киото (Япония) в декабре 1997 года в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК). Оно обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов.
Парник обеспечивает растения теплом, благодаря тому что стекло пропускает солнечный свет видимой, высокочастотной части спектра, задерживая при этом исходящее от растений низкочастотное, инфракрасное излучение. Тем самым стекло служит ловушкой для нагретого воздуха. Как уже говорилось в гл. 5, поверхность Венеры, Земли и Марса нагревается благодаря атмосфере, действующей в данном случае подобно стеклу парника.
На рис. 1.5 показано взаимодействие излучения с земной поверхностью. Видимый свет от Солнца (1) большей частью проходит сквозь земную атмосферу, и лишь незначительное его количество отражается облаками. Солнечная энергия отчасти поглощается земной поверхностью (2) и отражается от нее (3). Затем молекулы земной поверхности излучают энергию в низкочастотном инфракрасном диапазоне (4). Газы
Рис. 1.5. Взаимодействие излучения с Землей
в атмосфере Земли отражают значительную часть инфракрасного излучения обратно на поверхность (5), тогда как в космос возвращается лишь малая толика (6). В итоге земная поверхность нагревается подобно воздуху внутри парника.
Земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода, которые не отражают инфракрасного излучения обратно на поверхность планеты. Это делают другие атмосферные газы, называемые поэтому парниковыми. Образуемые в атмосфере естественным путем, парниковые газы включают водяные пары, двуокись углерода, метан, закись азота и озон. Промышленность существенно пополняет их число, создавая к тому же не встречающиеся в природе парниковые газы.
На долю двуокиси углерода среди парниковых газов приходится 76%.
Природными источниками углекислого газа служат извержения вулканов, гниющие растения и разлагающиеся трупы животных, морские испарения и дыхание животных. Из атмосферы двуокись углерода удаляется через морскую воду и благодаря фотосинтезу как океанического планктона, так и биомассы на суше, включая леса и луга (именуемые поглотителями - sink). Человеческая деятельность (именуемая антропогенной), сопряженная с выделением углекислого газа в атмосферу, включает сжигание твердых отходов, ископаемого топлива, древесины и деревянных изделий.Метан, составляющий 13% парниковых газов, называют также болотным газом. Метан выделяется при гниении растений, особенно на рисовых полях, бактериями, разлагающими органическое вещество в увлажненной почве и в кишечнике многих животных (вспомним коровью отрыжку). Метан порождается человеческой деятельностью при ведении горных работ и транспортировке ископаемого топлива, разложении твердых отходов на свалках и разведении домашнего скота.
Закись азота составляет 6% парниковых газов и выделяется естественным путем океаном и в результате почвенной деятельности бактерий. Человек привносит закись азота посредством азотных удобрений, установок по очистке сточных вод и выхлопов легковых и грузовых автомобилей.
Примерно 5% парниковых газов поставляются источниками человеческой деятельности. Сюда относятся водород-но-фтористый углерод (HFC), перфторированный углерод (PFC) и шестифтористая сера (SF6) [†††††††††††], используемые в различных промышленных производствах.
Недавние прогнозы по поводу повсеместного потепления пробудили интерес к парниковым газам. Как и в случае с любой общечеловеческой проблемой, здесь имеют место научная, техническая, экономическая и этическая составляющие. Поскольку рассмотрение большей их части выходит за рамки нашей книги, сосредоточим внимание лишь на некоторых научных аспектах, связанных с обсуждением темы погоды в гл. 5.
Сначала рассмотрим рис. 1.6, где приводятся показания температуры за прошлые годы.
На графике видно, что средняя температура у поверхности Земли за последние 100 лет поднялась примерно на 1°F .
Изменения температуры у поверхности Земли
Рис. 1.6. Средняя температура у поверхности Земли
Отступление ледников, таяние ледникового покрова на Северном и Южном полюсах, увеличение испарения и количества осадков и подъем уровня океана служат дополнительными свидетельствами повсеместного потепления в прошлом. Очевидно, Земля становится более теплой.
Но вызван ли такой рост температуры недавним увеличением количества парниковых газов? Взглянем на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Содержание в атмосфере парниковых газов
Финансируемая ООН и состоящая из 2500 ученых Межправительственная комиссия по вопросу изменения климата (1РСС) пришла к заключению, что виной всему парниковые газы (см. узел Всемирной Паутины www.ipcc.ch /). Исходя из значительно большего числа природных источников парниковых газов по сравнению с антропогенными источниками, можно подумать, что рост объемов самих газов обусловлен чем-то иным, помимо деятельности человека. Однако климатологи утверждают, что естественные источники и поглотители примерно уравновешивают друг друга, так что отмеченный рост, вероятно, вызван антропогенными источниками.
Помимо поставки углекислого газа сжиганием ископаемого топлива и древесины большое влияние на состав атмосферы оказывает другой вид человеческой деятельности - вырубка лесов. Заготовка леса и расчистка земли под пашню и пастбища в тропической зоне приводят ежечасно к потере 3500 акров лесных угодий. Углекислый газ поступает в атмосферу при сжигании деревьев, тогда как обезлесение сокращает число имеющихся на Земле поглотителей этого углекислого газа.
Необходимо также изучить долговременный кругооборот атмосферных газов для ответа на вопрос, не носят ли нынешние колебания более длительного характера. На основе изучения осадочных пород выявляются большие циклические изменения в содержании углекислого газа в далеком прошлом, однако данных этих мало и пока неясны причины подобных изменений.
Если тенденция к потеплению продолжится, это приведет ко многим нежелательным последствиям. Помимо очевидного роста уровня океана, что сделает непригодными для обитания некоторые прибрежные районы, а также вызовет увеличение солености пресноводных озер и рек, климат станет более суровым, приведя к человеческим и материальным потерям. Все это отразится на здоровье людей: тропические насекомые и болезни переместятся в умеренную зону; существенно возрастет риск заболевания диабетом, малярией, тепловых ударов, тепловой прострации и одышки.
Как уже говорилось в гл. 5, машинные модели климата содержат много неясного, что связано с трудностями моделирования; изменением солнечной активности; переменчивым характером облачности; сложностью математического аппарата, обусловленной характеризующими климат взаимосвязанными нелинейными переменными, обратной связью; слишком большим размером ячеек [покрывающих синоптический район сетки] и крайне малым количеством данных. Как и в случае с погодой, заключение межправительственной комиссии IPCC основывалось на сборном прогнозе. Предсказывалось неблагоприятное воздействие на здоровье человека, природные экосистемы и земледельческое и приморское население, но с оговоркой ввиду большого числа неучтенных факторов.
Противоположная, достаточно аргументированная точка зрения состоит в том, что нынешнее повсеместное потепление выступает лишь частью некоего более длительного цикла, нам пока не ясного, и любая человеческая деятельность крайне мало отражается на нем.
Долгосрочные действия по уменьшению выброса парниковых газов пока только изучаются, однако неясности научного свойства рисуют перед теми, кто принимает решения, смутную картину - по крайней мере сегодня.
См. узел Американского геофизического общества
www.agu.org/eos_elec/991483.html Для получения самых свежих новостей проводите поиск в Интернете по ключевым словам «парниковые газы» (greenhouse gases) или «глобальное потепление».
В дальнейшем, если развитые страны уменьшат потребление ископаемого топлива и обратятся к возобновляемым источникам энергии типа водяных, ветряных и солнечных, остроту проблемы потепления удастся снять. В Европе используют ядерную энергию, но ее производство и потребление сопряжено с вопросами безопасности и утилизации отходов. Далее, странам третьего мира необходимо снизить уровень рождаемости. Прежде чем проводить в жизнь тот или иной план, следует учесть все этические, экономические и политические факторы.
Метан - наиболее важный представитель органических веществ в атмосфере. Его концентрация существенно превышает концентрацию остальных органических соединений. В 60-е и 70-е годы количество метана в атмосфере возрастало со скоростью 1% в год, и это объяснялось хозяйственной деятельностью человечества.
Увеличение содержания метана в атмосфере способствует усилению парникового эффекта, так как метан интенсивно поглощает тепловое излучение Земли в инфракрасной области спектра на длине волны 7,66 мкм. Метан занимает второе место после углекислого газа по эффективности поглощения теплового излучения Земли. Вклад метана в создание парникового эффекта составляет примерно 30% от величины, принятой для углекислого газа. С ростом содержания метана изменяются химические процессы в атмосфере, что может привести к ухудшению экологической ситуации на Земле. Естественно возникает вопрос об управлении химическими и физическими процессами, в которых принимает участие метан. Если молекулы метана попадают в атмосферу, то они вовлекаются в процессы переноса и вступают в химические реакции, которые хорошо известны как качественно, так и количественно. Управление процессами непосредственно в атмосфере в глобальном масштабе практически исключено. До настоящего времени направленное воздействие на атмосферные процессы удавалось осуществить только путём изменения мощности антропогенных источников. Поэтому важно понимать природу естественных и антропогенных источников метана и оценивать их мощность с достаточной степенью достоверности.
История обнаружения атмосферного метана. История обнаружения атмосферного метана коротка. Присутствие его в атмосфере открыто сравнительно недавно, в 1947 году. Концентрация метана невелика. В атмосферной химии для концентрации обычно используют долевые единицы, что связано с тем, что количество примесных молекул, таких, как метан, невелико. Часто концентрации выражают в частях на миллион или миллиард. Например, если концентрация примеси равна одной части на миллион, то это означает, что в одном моле воздуха присутствует 1(Г 6 молей примеси. Для удобства вводят обозначения типа ррт, что означает количество частей на миллион.
Классификация метана по его происхождению. Источники метана разнообразны. Метан называется биогенным, если он возникает в результате химической трансформации органического вещества. Если метан образуется в результате деятельности бактерий, то он называется бактериальным (или микробным) метаном. Если его возникновение обязано термохимическим процессам, то он называется термогенным. Бактериальный метан образуется в донных отложениях болот и других водоемов, в результате процессов пищеварения в желудках насекомых и животных (преимущественно жвачных). Термогенный метан возникает в осадочных породах при их погружении на глубины 3--10 км, где осадочные породы подвергаются химической трансформации в условиях высоких температур и давлений. Метан, возникший в результате химических реакций неорганических соединений, называется абиогенным. Он образуется обычно на больших глубинах в мантии земли.
Общее содержание метана в атмосфере и его концентрация. В настоящее время концентрация атмосферного метана составляет 1,8 ppm. Общее количество метана в атмосфере оценивают в пределах 4600--5000 Тг (Тг = 1012 г). В южном полушарии концентрация метана несколько ниже, чем в северном полушарии. Такое различие обычно связывают с меньшей мощностью источников метана в южном полушарии: считается, что основные источники метана расположены на континентах, а океаны не вносят заметного вклада в глобальный поток метана. Время жизни метана в атмосфере 8-12 лет.
Метан находится в атмосфере в основном в приземном слое, который называется тропосферой и толщина которого составляет 11-15 км. Концентрация метана мало зависит от высоты в интервале от поверхности Земли до тропопаузы, что обусловлено большой скоростью перемешивания по высоте в пределах 0-12 км (1 месяц) в сравнении со временем жизни метана в атмосфере.
Изменение концентрации метана во времени.
Изменение концентрации метана в атмосфере Земли примечательно тем, что позволяет наглядно представить себе характер и масштаб влияния человеческой деятельности на глобальные процессы. Концентрация метана в 70-е годы увеличивалась в атмосфере со скоростью 0,8--1,2% в год, что эквивалентно увеличению концентрации на 16,5 ppbv (ppbv -- одна часть на миллиард) в год, а прирост его массы в атмосфере составлял 45 Тг/год. Возникает вопрос, всегда ли было так, что концентрация атмосферного метана ежегодно возрастала. Оказывается, можно проследить изменения в концентрации метана на протяжении 150 тысяч лет и более. С этой целью отбирают керны в материковых льдах Антарктиды или Гренландии. В частности, большое число данных получено на российской станции "Восток" в Антарктиде. Лед в кернах имеет разный возраст: чем глубже он расположен, тем он старше. Состав воздуха в пустотах льда на различной глубине соответствует составу атмосферы в момент образования льда.
Изменение концентрации метана в атмосфере Земли за последние 140 тыс. лет представлены на рис. 1. Кривая осадков характеризует оледенения: мало осадков - оледенение, много осадков - потепление. Из рис. 1 видно, что во время оледенений концентрация метана падала и иногда достигала рекордно низких значений (например, 0,35 ppm). Важно отметить, что концентрация метана до новой эры никогда не превышала 0,7 ppm. Естественно, что до новой эры интенсивность хозяйственной деятельности человечества была незначительной и поэтому наблюдаемая концентрация метана обеспечивалась только естественными факторами.
Рис. 1. Зависимость концентрации метана в атмосфере Земли (1) и зависимость осадков от времени, отн. ед. (2) 22 Данные взяты из Соросовского Образовательного журнала, том 6, № 3,. 2000.
Рис. 2. Изменения содержания метана в атмосфере и населения Земли во времени 33 см. там же
Анализы показывают, что от Рождества Христова вплоть до XVII века концентрация метана в атмосфере Земли была практически постоянной и составляла примерно 0,7 ppm Затем концентрация метана стала повышаться и одновременно начался интенсивный рост населения Земли (рис. 2) На рис. 2 видно, что за последние 300 лет концентрация метана возросла на 1,1 ppm. Можно полагать, что этот прирост обусловлен деятельностью человечества. Из данных рис. 2 следует, что в период с начала 60-х годов по настоящее время произошло удвоение прироста концентрации метана, составившее примерно 0,55 ppm и за это же время удвоилось население земного шара.
Интересное событие произошло в 80-90-е годы: прирост концентрации метана начал падать. Причины этого не вполне ясны Высказывалось робкое предположение, что это связано с тем, что Россия смогла починить свои газопроводы и это привело к остановке в росте концентрации метана. Однако простые оценки показывают , что Россия не имеет к этому никакого отношения и что, скорее всего, включились некоторые факторы пока неизвестной природы. Более детальное рассмотрение указанных явлений требует знаний о механизмах поступления метана в атмосферу и о процессах вывода метана из атмосферы.
Стоки метана.
Рассмотрение поведения метана в атмосфере начнем с процессов исчезновения метана. Дело в том, что процессы вывода метана из атмосферы известны в количественном отношении гораздо полнее, чем процессы, обеспечивающие поступление метана в атмосферу. Интенсивность процессов стока метана должна быть примерно равной интенсивности источников метана, что
позволяет более надежно судить о мощности источников метана в атмосфере.
Молекула метана довольно устойчива, и ее нелегко вывести из атмосферы. Метан малорастворим в воде (30 см 3 газа растворяется в одном литре воды), и удаление его из атмосферы с помощью осадков не происходит. Для реального удаления из атмосферы метан необходимо переводить в нелетучие соединения или другие газообразные соединения.
Метан, как и многие другие примеси, исчезает из атмосферы, в основном в реакции с радикалом ОН:
ОН + СН 4 = Н 2 О + СНз
Если концентрация метана в атмосфере не растет, то это означает, что скорость поступления метана в атмосферу равна скорости его вывода. Поэтому количественные характеристики этой реакции между метаном и радикалом ОН чрезвычайно важны, так как ошибка в 25% приведет к ошибке примерно в 25% в расчете мощности источников метана. Параметры этой реакции определялись многократно, и тем не менее последние данные показывают, что 10-15 лет назад скорость реакции определялась завышенной примерно на 25%. Это означает, что поток метана в атмосферу с поверхности Земли составляет примерно 400, а не 500 Тг/год, как считалось ранее. Возникает естественный вопрос об источнике радикалов ОН. Необходимо отметить, что радикал ОН -- одна из наиболее реакционноспособных частиц в химических процессах. Источником радикала ОН в тропосфере является тропосферный озон (Од). Под действием ультрафиолетового света с длиной волны короче 310 нм молекулы тропосферного озона разрушаются с образованием молекулы кислорода и чрезвычайно реакционноспособного атома кислорода в возбужденном электронном состоянии (0(1 D)):
0 3 +hv (310 нм и короче) = О 2 + 0(1 D)
Атомы кислорода отрывают один атом водорода от воды и получается два радикала ОН:
0(1 D) + Н 2 О = 20Н
Итак, реакции в атмосфере, приводящие к выводу метана, таковы:
ОН + СН 4 = Н 2 0 + СНз,
СНз + О 2 СНзО 2 ,
СНзО 2 + NO = СНзО + NO 2 ,
СНзО + 0 2 = СН 2 О + НО 2 ,
HO 2 + NO = OH + NO 2 ,
2,
СН 4 + 40 2 = СН 2 О + Н 2 0 + 20з
Таким образом, в результате многоступенчатого процесса образуются по одной молекуле формальдегида и воды и две молекулы озона. NO и NO 2 (NO х) всегда присутствуют в атмосфере в количествах, достаточных для протекания реакции с их участием.
Из приведенных реакций видно образование нестабильных валентно-ненасыщенных частиц, таких, как СНзО 2 или НО 2 . Эти частицы играют важную роль в процессах в атмосфере. Формально их образование можно представить в процессах отрыва атома водорода от стабильных молекул метилгидроперекиси и перекиси водорода соответственно. Присутствие свободной валентности приводит к высокой реакционной способности, так как эти частицы стремятся к образованию стабильных связей и насыщению валентностей.
Разложение метана до конечных продуктов еще не закончено. Образующиеся молекулы формальдегида начинают участвовать в следующих трех реакциях, которые дают начало новым циклам:
СН 2 О + hv = Н 2 + СО,
СН 2 О + hv = Н + НСО,
СН 2 О + ОН = НСО + Н 2 О
В среднем для атмосферы вероятности протекания этих процессов относятся как 0,5: 0,25: 0,25 соответственно, а вторая и третья реакции дают начало следующим циклам, протекающим в присутствии NO х:
СН 2 О + hv = Н + НСО,
Н + О 2 НО 2 ,
НСО + 0 2 = СО +НО 2 ,
2,
СН 2 О + 40 2 + hv = СО + 20з + 20Н
В результате этого цикла возникают две молекулы озона и два радикала ОН. Таким образом, метан в присутствии NO х претерпевает конверсию в окислитель, каким является озон. Реакция формальдегида с радикалом ОН также приводит к образованию озона:
СН 2 О + ОН = НСО + Н 2 О,
НСО + О 2 = СО +НО 2,
H0 2 + NO = OH + N0 2 ,
NO 2 + hv = NO + О,
0 + 0 2 = 0з,
СН 2 О + 20 2 + hv = СО + Оз + Н 2 0
СО + ОН = СО 2 + Н,
Н + О 2 = НО 2 ,
HO 2 + NO = OH+NO 2 ,
NO 2 + hv = NO + О,
0 + 0 2 = 0з,
СО + 20 2 + hv = СО 2 + Оз
В итоге вместо одной исчезнувшей в атмосфере молекулы метана возникает 3,5 молекулы озона и 0,5 радикала ОН.
Химический сток в атмосфере -- это основной канал вывода метана из атмосферы. Из других стоков некоторое значение имеют поглощение метана почвенными бактериями и уход в стратосферу. Оба стока вносят вклад менее 10% в общий сток метана.
Источники выделения метана
Метан попадает в атмосферу как из естественных, так и из антропогенных источников. Мощность антропогенных источников в настоящее время существенно превышает мощность естественных. К естественным источникам метана относятся болота, тундра, водоемы, насекомые (главным образом термиты), метангидраты, геохимические процессы. К антропогенным - рисовые поля, шахты, животные, потери при добыче газа и нефти, горение биомассы, свалки. Мощность этих источников приведена в табл. 1.
Таблица 1. Мощность естественных и антропогенных источников метана (в Тг/год) Данные взяты из Соросовского Образовательного журнала, том 6, № 3,. 2000.
Из данных табл. 1 видно, что болота, рисовые поля и животные вносят доминирующий вклад в образование общего потока в атмосферу. Природа образования метана в таких источниках, как болота, озера, рисовые поля, жвачные животные, насекомые, свалки, примерно одинакова - ферментативная переработка клетчатки.
Интенсивность выделения метана из болот меняется в широких пределах. Эмиссия метана от западносибирских болот, которые являются достаточно типичным представителем северных болот, определенная с применением методов газовой хроматографии, составляет примерно 9 мг метана в ч/м 2 . В среднем эмиссия метана из сибирских болот может достигать 20 Тг/год, что довольно много в сопоставлении с общим потоком метана от болот (50--70 Тг). Нужно сказать, что точность определения эмиссии метана от болот затруднена большим разбросом величин эмиссии при измерении даже на близко расположенных участках. Например, величина эмиссии метана в западносибирских болотах колебалась в интервале от 0,1 до 40 мг/(м 2 ч). Большой поток метана от рисовых полей обусловлен резким ускорением транспорта метана внутри полостей в стеблях риса, так как диффузия метана происходит в воздушной среде, а не в воде. Поток метана с рисовых полей достигает в среднем 2,3 мг/(м 2 ч).
Количество крупного рогатого скота в мире -- около 1,5 млрд голов. Одна корова производит в сутки около 250 л чистого метана. Этого количества метана хватит, чтобы вскипятить 20 л воды. В развитых странах на свалки вывозится примерно 1,8 кг мусора в день в расчете на одного человека, в России 0,6 кг соответственно. Примерно 10% этой массы может конвертироваться в метан. Следовательно, в России производится 60 г метана в сутки в расчете на одного человека.
Шахтный метан возникает в процессе трансформации органических остатков в уголь под влиянием высоких давлений и температур. Можно считать, что в глубинах земли происходит пиролиз органических веществ. Растительные остатки содержат большое количество лигнина, в структуре которого имеется много метильных групп. В ходе термической переработки происходит освобождение метильных радикалов, которые затем отрывают атом водорода от органических молекул и превращаются в метан. Добыча 1 т угля сопровождается выделением 13 м 3 чистого метана.
Аналогичный механизм образования метана наблюдается и при горении биомассы. Основной источник метана, выделяющегося при горении биомассы, находится в Африке, где широко практикуется сжигание соломы при подготовке почвы для нового урожая. Использование дерева для приготовления пищи и отопления дает незначительный вклад. Величины потоков метана приведены в табл. 1. Видно, что страны бывшего СССР производят около 5--15% от общего потока метана в атмосферу. В качестве источника не включены насекомые, так как количество термитов на территории бывшего СССР было крайне незначительным. Гидраты метана также не включены, так как оценка запасов гидратов метана в мире и странах бывшего СССР пока очень приблизительна. Следует отметить, что и оценка потока метана от гидратов метана приводит пока к незначительной величине.
Вывод: Роль метана в экологических процессах исключительно велика. В настоящее время насущной задачей для многих регионов земного шара, и в том числе для России, являются инвентаризация существующих источников метана, выявление и прогнозирование появления новых источников. Это важно ещё и потому, что при экспериментальных измерениях мощностей отдельных источников выявлена значительно меньшая мощность, чем предполагалось. Потому не исключена возможность, что мы столкнёмся в будущем с проблемой дефицита метана из традиционных источников, который удастся ликвидировать только на основе изучения нетрадиционных источников.