1 2 Antropogeninių veiksnių poveikis klimatui Klimato svyravimai ir hidrosferos pokyčiai Hidrologijos ir klimatologijos katedra Globaliniai: Šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracijos didėjimas (CO 2, CH 4, N 2 O, CO, NO, NO 2, NH 3, SO 2, CCl 4, CFCl 3, CF 2 Cl 2, CHClF 2, CClF 2, CClF, SF 6, HFC s, PFC s ir kt); Regioniniai: antropogeninės kilmės aerozoliai, atmosferos ir hidrosferos šiluminė tarša, paklotinio paviršiaus keitimas, vandens saugyklų kūrimas. Klimato tyrinėtojų dėmesio centre šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracijos didėjimas atmosferoje, daugiausia susijęs su kuro deginimu ir augančiais atmosferos teršimo tempais. Ypač sparčiai atmosferoje daugėja CO 2, CH 4, CO, N 2 O, NO, NO 2, NH 3, CCl 4, CFCL3, CFCl 2, CH 3 Cl ir kt. Šios dujinės priemaišos intensyviai sugeria Žemės skleidžiamą infraraudonąjį spinduliavimą (daugiausia 4 15 µm ilgio bangas) ir taip sustiprina Žemėje šiltnamio efektą. Dėl to jos ir vadinamos termodinamiškai aktyviomis priemaišomis arba šiltnamio dujomis (toliau ŠD). Be to, kai kurie komponentai (freonai, azoto, chloro junginiai) dar chemiškai ardo ozono sluoksnį. Dėl šiltnamio dujų daugėjimo troposferos ir pažemio t-ra kyla, o aukštesnių atmosferos sluoksnių dėl stiprėjančio spinduliavimo ir mažėjančios stratosferinio ozono koncentracijos krinta. Be to, šį efektą sustiprina atsirandantys grįžtamieji klimatosferos ryšiai: pvz., 1) kylant oro temperatūrai, stiprėja garavimas, o vandens garai taip pat sugeria ilgabangę radiaciją; 2) atšylant traukiasi poliariniai ledai ir mažėja Žemės aukštųjų platumų albedas, tai dar labiau spartina atšilimą; ir t.t. 3 WMO Globalus GLOBAL atmosferos ATMOSPHERE monitoringas WATCH (GAW) CO 2 matavimų tinklas Ozono zondavimo tinklas Šiltnamio dujos: (CO 2, CH 4, N 2 O, CFCs) Aerosolis: (optinės, fizinės, cheminės savybės) UV spinduliuotė Ozonas: (vertikalūs profiliai, bendras kiekis, priežeminis kiekis) Reaguojančios dujos: (CO, NOx, lakieji jung., SO 2 ) Kritulių chemija WOUDC - World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre Matavimų vietos WOUDC
4 Svarbiausios antropogeninės kilmės šiltnamio dujos Anglies dvideginis (CO 2 ); Metanas (CH 4 ); Azoto suboksidas (N 2 O); Sieros heksafluoridas (SF 6 ); Hidrofluorangliavandeniliai (HFC s); Perfluorangliavandeniliai (PFC s); Chlorfluorangliavandeniliai (CFC). Poveikis klimatui: stiprina šiltnamio efektą; ardo ozono sluoksnį. Nuo pramonės revoliucijos laikų XIX amžiuje, ŠD koncentracija atmosferoje nuolat auga. CO 2 koncentracija daugiausia padidėjo dėl iškastinio kuro (akmens anglies, dujų, naftos) deginimo energetikos ir transporto sektoriuose, įvairių pramonės technologinių procesų, miškų (t.y. ŠD absorbentų) naikinimo. Metanas išsiskiria išgaunant, transportuojant ir naudojant gamtines dujas ir anglį, gyvulininkystėje, iš ryžių laukų, sąvartynų. Būdingas metano susidarymo šaltinis atlieku tvarkymas: anaerobinės bakterijos skaido atliekų organines medžiagas iki metano. Dėl panašaus pobūdžio procesų metanas išsiskiria ir nuotekų valymo procesuose Azoto suboksidas susidaro naudojant azotines trąšas bei gaminant sintetinį pluoštą. Hidrofluorangliavandeniliai (HFC), perfluorangliavandeniliai (PFC) ir sieros heksafluoridas (SF 6 ) išsiskiria chemijos pramonės procesų metu, naudojami šaldymo įrenginiuose, aerozoliniuose balionuose. Tai alternatyvos ozono sluoksnį ardantiems chlorofluorangliavandeniliams (CFC), kurių pagal Monrealio protokolą turi būti pamažu atsisakoma. Šiltnamio dujų apskaita (inventorizacija) atliekama vadovaujantis TKKK (Tarpvyriausybinės klimato kaitos komisijos) metodologija. Išmetamų šiltnamio dujų kiekis apskaičiuojamas naudojant nustatytus emisijos koeficientus ir atskirų ūkio šakų ar technologijų statistinius duomenis. Apskaičiuojamas ŠD kiekis išmetamas energetikoje, pramoninių procesų metu, naudojant tirpiklius ir kitas lakiąsias medžiagas, žemės ūkio, žemės panaudojimo ir miško pasikeitimo metu, tvarkant atliekas. Šiltnamio dujų šaltinių apskaitos grupės ir pogrupiai: 1. Visa energetika 1.A. Kuro deginimas 1.A.1. Energija ir jos transformavimas 1.A.2. Pramonė 1.A.3. Transportas 1.A.4. Centralizuotai teikiama šiluma 1.A.5. Vietinis šildymas 1.A.6. Žemės ūkis 1.A.7. Kitos sritys 1.B. Lakiosios kuro emisijos 2. Pramonės procesai 2.C. Neorganinės cheminės medž. 2.D. Organinės cheminės medžiagos 2.E. Cemento, kalkių gamyba 2.F. Kitos sritys 3. Tirpikliai ir kitos naudojamos medž. 3.A. Dažai 3.B. Nuriebalinimas ir sausas valymas 3.C. Cheminių medž. gamyba/ naudojimas 3.D. Kitos sritys. 4. Žemės ūkis 4.A. Skrandžio dujų išsiskyrimas 4.B. Gyvulių mėšlas 4.C. Žemės ūkio naudmenos 5. Žemės naudmenų paskirties keitimas ir miškininkystė 5.A. Kitų miško biomasės išteklių pokyčiai 5.B. Miško ir pievų/ganyklų pasikeitimas 5.C. Apleistos žemės 6. Atliekos 6.A. Sąvartynai 6.B. Nuotekos
Šiltnamio efektą stiprinančių dujų šaltiniai Miškininkystė 17.4 % Žemės ūkis 13.5 % Atliekos (sąvartynai, panaudotas vanduo) 2.8 % Energijos gamyba 25,9 % Transportas 13,1 % Kas yra pagrindiniai atmosferos teršėjai? Skaičiuojant visas pasaulio ŠD išlakas pagal ūkio sektorius (tai nustatoma remiantis kiekvienos šalies atliekama ŠD inventorizacija pagal specialią metodiką), paaiškėja, jog daugiausiai jų į atmosferą patenka gaminant energiją (26 %), iš pramonės įmonių (19,4 % ), kertant ir deginant miškus (17,4 %), iš žemės ūkio ir transporto sektorių (maždaug po 13 %). Dar 8 % ŠD išskiria statybų pramonė, ir beveik 3 % sąvartynai ir nutekamųjų vandenų valymo įrenginiai. Pramonė 19,4 % Statybos 7,9 % Pagal Tarpvyriausybinę klimato kaitos komisijos ataskaitą (IPCC, 2007) 6 2012 m. 393,8 ppmv CO 2 ir t-ros kaita per 400 000 m. (pagal Antarktidos ledyno ties Vostok stotimi duomenis) Šiltnamio dujų koncentracija atmosferoje išreiškiama milijoninėmis dalimis (parts per million (ppm)) arba milijardinėmis dalimis (parts per billion (ppb)). Ppm reiškia 1 kubinį centimetrą (cm 3 ) dujų kubiniame metre oro, arba vieną tam tikrų dujų molekulę 1 000 000 visų esamų dujų molekulių. Dideles CO 2 reikšmes atitinka aukšta t-ra CO 2 koncentracija (ppm) atmosferoje per pastaruosius 800 tūkst metų Anglies dvideginio, metano ir azoto suboksido koncentracija pasiekė aukščiausias reikšmes per pastaruosius 800 tūkst metų. Lyginant su 1750 m. šių šiltnamio dujų koncentracija padidėjo atitinkamai 40, 150 ir 20 %. Duomenys gauti išanalizavus Antarktidos ir Grenlandijos daugiau kaip 3000 metrų storio ledynų klodus, nuo 1958 m. pagal matavimus Mauna Loa stotyje. (Observed concentrations of CO 2..., WMO News, 2013 http://www.wmo.int/pages/mediacentre/new s/index_en.html)
7 CO 2, CH 4 ir N 2 O pokyčiai ir jų energetinis poveikis per 20 000 m. (IPCC ATASKAITA, 2007) Paveiksle parodyta šiltnamio dujų koncentracija ir energetinis poveikis: a) CO 2, b) CH 4, c) N 2 O ir d) bendras energetinis poveikis per pastaruosius 20 000 m. (remiantis Grenlandijos ir Antarktidos ledynų bei firno tyrimais). a, b, ir c pav. raudonomis linijomis parodyti tiesioginiai instrumentiniai matavimai. Pilkas stulpelis rodo natūralius svyravimus per pastaruosius 650 000 m. CO 2, CH 4 ir N 2 O energetinis poveikis spinduliuotės balansui teigiamas. Per 1990 2011 m. CO 2 metinė emisija dėl kuro deginimo ir cemento gamybos padidėjo net 54 %. Per industrinę erą padidėjusi atmosferinio CO 2 koncentracija sustiprino jo energetinį poveikį iki +1,66±0,17 W/m 2 (tai stipriausias poveikis iš visų šiltnamio dujų). Dabartinė CH 4 koncentracija 1813 ppb yra daugiau kaip dvigubai didesnė nei priešindustriniame laikotarpyje. Per 10 000 m. iki prasidedant industrinei erai CH 4 koncentracija atmosferoje svyravo tarp 580 ir 730 ppb, bet per pastaruosius du šimtmečius šoktelėjo iki 1000 ppb. Per industrinę erą padidėjusi atmosferinio CH 4 koncentracija sustiprino jo energetinį poveikį iki +0,51 W/m 2 (antra vieta pagal reikšmingumą po CO 2 ). Remiantis cheminiais modeliais nustatyta, kad dėl CH4 oksidacijos stratosferoje padidėja vandens garų, kurių energetinis poveikis gali siekti +0.07±0.05 W/m 2. Šis oksidacijos procesas dar iki galo neištirtas, nes tiksliai nežinomas vandens garų vertikalusis pasiskirstymas ties tropopauze. N 2 O koncentracija 2011 m. buvo 324 ppb - 20% daugiau nei priešindustriniame laikotarpyje. Azoto suboksido daugėja gana tolygiai, maždaug po 0,8 ppb/m. Ledynų duomenys parodė, kad atmosferinė N 2 O koncentracija per 11 500 m. iki prasidedant industrinei erai svyravo tik 10 ppb diapazone. N 2 O energetinis poveikis jau padidėjo iki +0.18 W/m 2 (daugiausiai prie to prisidėjo žėmės ūkis ir žemėnaudos pakeitimai).
SO 4 koncentracija (mg/tonoje Grenlandijos ledo) Dėl žmogaus ūkinės veiklos atmosferoje daugėja ir antropogeninės kilmės aerozolių (pvz., suodžių, SO 4 ). Tačiau suodžiai yra pasiskirstę labai netolygiai, ore išsilaiko tik kelias dienas, todėl jų koncentracija ir cheminė sudėtis nepastovi. Ilgai atmosferoje gali išsilaikyti sieros oksidai, kurių randama net Grenlandijos ir Antarktidos ledynuose. Šiame paveiksle parodyta SO 4 koncentracija ir SO 2 emisija nuo 1600 m. (vulkanų trumpalaikis poveikis eliminuotas). Sulfatų energetinis poveikis radiacijos balansui neigiamas. (IPCC ATASKAITA, 2001) 8 CO 2 kncentracija (ppm) Nuokrypis nuo 1961-1990 m. vidurkio, C CO 2 išlakos, mlrd.t. 2012 m. globalios oro temperatūros anomalija +0,43 C (10 vieta) http://www.cru.uea.ac.uk/cru/info/warming/ CO 2 ir globalios oro t-ros kaita CO 2 matavimai Manua Loa observatorijoje, Havajuose Metinė CO 2 koncentracijos svyravimų amplitudė 5 ppm, kuri susidaro dėl Šiaurės pusrutulio fotosintezės sezoniškumo (min. IX-X mėn.). 2012 m. 393,84 ppmv http://co2now.org/
HFC ir CFC koncentracijos kaita nuo 1992 m. Bendras CFC kiekis po maksimumo jau sumažėjo ~10% http://en.wikipedia.org/wiki/file:ozone_cfc_trends.png Ozoną ardančių medžiagų gamyba mažėja Monrealio protokolu reguliuojamų dujų (hidrofluor- ir chlorofluorangliavandenilių) bendras energetinis poveikis 2005 m. siekė +0.32 ± 0.03 W/m 2. CFC-12 išlieka trečiu pagal reikšmingumą dujiniu komponentu (12% bendro šiltnamio dujų energetinio poveikio). Labiausiai atmosferoje sumažėjo CFC-11, CH 3 CCl 3 ir CFC-113 koncentracija. Kitų ŠD komponenčių (SF 6, HFC s, PFC s ir kt.) koncentracija atmosferoje taip pat sparčiai auga, nes jos yra naudojamos kaip alternatyvos ozono sluoksnį ardantiems chlorofluorangliavandeniliams (CFC), kurių pagal Monrealio protokolą 1 yra palaipsniui atsisakoma. Be to, HFC s, PFC s ir CFC komponenčių iki XX a. amžiaus vidurio atmosferoje apskritai nebuvo, nes tai išimtinai žmogaus veiklos produktas. Jų išlakų į atmosferą atsirado ėmus plėtoti chemijos ir elektronikos pramonę. Tūkst. tonų Sparčiausias augimas per pastaruosius 15 metų nustatytas hidrofluorangliavandenilių HFC-134a, HFC-125 ir HFC-152a, jų koncentracija atmosferoje atitinkamai siekia 35, 3,7 ir 3,9 ppt. Bendras jų energetinis poveikis 2005 m. buvo +0.017 W/m 2. Atmosferoje daugėja ir troposferinio ozono, jo koncentracija pramoniniuose rajonuose jau siekia 100 ppb ir daugiau. Troposferinio ozono energetinis poveikis yra apie +0.35 W/m 2. Dėl antropogeninės veiklos (daugiausia dėl laukų drėkinimo ir kuro deginimo) didėja atmosferoje vandens garų kiekis, bet jų tiesioginis energetinis poveikis klimatui kol kas nėra reikšmingas, nes antropogeninės kilmės vandens garai sudaro tik apie 1% gamtinių vandens garų. 1 Protokolas dėl medžiagų, naikinančių ozono sluoksnį yra Ozono sluoksnio apsaugos konvenciją papildanti tarptautinė sutartis, kuria siekiama apsaugoti ozono sluoksnį, mažinant jį ardančių medžiagų gamybą ir naudojimą. Protokolas buvo pasirašytas 1987 m. rugsėjo 16 d., o įsigaliojo 1989 m. sausio 1 d.
9 Šiltnamio dujų koncentracija, išsilaikymas ir potencialas (pagal WMO Greenhouse Gas Bulletin, no. 8, November, 2012) Rodiklis CO 2 CH 4 N 2 O Ikiindustrinė Koncentracija 1750 m. Koncentracija 391 ppm 2011 m. ir 140% lyg. su 1750 m. Koncentracijos didėjimas per metus (vidut. 2002 2011) Poveikis energijos balansui lyg. su 1750 m. (W/m 2 ) Išsilaikymo trukmė (m.) atmosferoje Šiltnamio efekto kūrimo potencialas lyg. su CO2 280 ppm 700 ppb 270 ppb 1813 ppb 259% 324 ppb 120% 2,0 ppm 3,2 ppb 0,78 ppb +1,8 +0,51 +0,18 5-200 12 114 1 62 275 Šiltnamio dujos Žemės paviršiaus IR spinduliuotę sugeria nevienodai efektyviai. Vienos sugeria įvairių ilgių IR spinduliuotę, kitos gi tik siauro spektro bangas. Be to, šiltnamio dujos labai skiriasi pagal savo išsilaikymo atmosferoje trukmę. Pavyzdžiui, CO 2 atmosferoje gali išbūti 5 200 metų, metanas 12, azoto suboksidas 114, o kai kurių fluoruotų šiltnamio dujų (SF 6, CF 4 ) gyvavimo trukmė gali siekti net kelias dešimtis tūkstančių metų. Todėl viena tona į atmosferą išmestų šiltnamio dujų daro nevienodą poveikį šiltnamio efektui, t.y., turi skirtingą šiltnamio efekto kūrimo potencialą. Jeigu minėtąjį CO 2 potencialą prilyginsim 1, tai per 100 metų (įvertinus išsilaikymo atmosferoje trukmę ir IR spinduliuotės sugėrimo gebą) globalinis metano potencialas bus 23 kartus didesnis už CO 2, azoto suboksido 296 kartus, SF 6 22 200 kartų, įvairių HFC nuo 12 iki 12 000 kartų, PFC 5700 11900 kartų (IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007.). Net jei visame pasaulyje staiga būtų stipriai sumažintos šiltnamio dujų išlakos, prireiktų kelių šimtmečių, kol šių dujų koncentracija ore pasiektų ikipramoninį lygį. Net jei visame pasaulyje staiga būtų stipriai sumažintas išmetamas ŠD kiekis, prireiktų kelių šimtmečių, kol šių dujų koncentracija ore pasiektų priešindustrinį (XIX a. vidurio) lygį. 10 Fotosintezė 120 + 3 Augalų kvėpavimas Augalų biomasė 550 Dirvožemyje 2300 Fosilijos 10000 60 60 10 Žmogaus veikla Mikroorganizmų kvėpavimas ir irimas 90 + 2 Fotosintezė Vandenyno nuosėdos Apykaita tarp oro ir vandens 2 Atmosfera 800 90 Paviršinis vandenynas 1000 Kvėpavimas ir skaidymasis Giluminis vandenynas 37000 Reaguojančios nuosėdos 6000 Čia ppm - milijonosios dalys, ppb - milijardosios dalys, ppt - trilijonosios dalys. Pav. Anglies (C) apytaka Žemėje tarp sausumos, vandenynų ir atmosferos. Raudoni skaitmenys (Gt) rodo žmogaus ūkinės veiklos indėlį anglies apytakoje, o balti gamtinius išteklius ir procesus (pagal Carbon Cycling and Climate. 2012. DOE Genomic Science Program, USA, http://genomicscience.energy.gov/program/i ndex.shtml). Kasmet atmosferoje C kiekis padidėja ~5 mlrd. tonų tai dalis antropogeninės kilmės C (iš ~10 mlrd. tonų), kuri nebuvo įtraukta į globalųjį ciklą. Vandenyje CO 2 virsta kalcio karbonatu ir iškrinta nuosėdų pavidalu: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca 2 + + 2 HCO 3 - Anglies apytakos ciklas biogeocheminių ciklų visuma, apimanti įvairius cheminius, fizinius, geologinius ir biologinius procesus, kuriais anglis juda Žemės biosferoje, geosferoje, hidrosferoje ir atmosferoje. Svarbiausi yra keturi
anglies rezervuarai, tarp kurių ir vyksta anglies judėjimas: atmosfera, biosfera su sausumos vandens telkiniais ir dirvožemiu, vandenynas ir nuosėdinės uolienos (įskaitant naudingąsias iškasenas ir fosilijas). Tikslus grynosios anglies apytakos tarp atmosferos, sausumos ir vandenyno įvertinimas yra būtina sąlyga, siekiant teisingai interpretuoti šiuolaikinius klimato pokyčius bei numatyti jų tendencijas. Daugiausiai anglies yra susikaupę vandenynuose (apie 38 000 gigatonų, Gt 2 ), nuosėdose ir fosilijose apie 16 000 Gt, augalų biomasėje kartu su dirvožemiu 2850 Gt, o atmosferoje mažiausiai tik 800 Gt. Dėl žmogaus ūkinės veiklos per metus į atmosferą patenka iš viso 36,8 Gt anglies dioksido (CO 2 ). Grynosios anglies (C) šiame kiekyje yra 10 Gt. Antropogeninės kilmės anglies į atmosferą patenka daug daugiau, nei sugeba jos absorbuoti ir sukaupti sausuma bei Pasaulio vandenynas. Iš tų 10 Gt anglies tik pusę sudoroja gamtiniai apykaitos procesai (fitoplanktono ir augalų fotosintezė, apykaita tarp atmosferos ir vandenyno), o likusios 5 Gt anglies kasmet pasilieka atmosferoje, čia ji oksiduojama iki CO 2 ir tokiu būdu vis didėja anglies dioksido koncentracija. Anglies apykaita vykstanti tarp atmosferos ir vandenyno kasmet įtraukia apie 182 Gt anglies (668 Gt CO 2 ). Šioje apykaitoje svarbiausi du procesai: pirmasis CO 2 tirpimas vandenyje ir difuzija atgal į atmosferą, antrasis fitoplanktono (dumblių) vykdoma fotosintezė. Anglies dioksidas gerai tirpsta vandenyje, tačiau sugėrimo mastas priklauso nuo paviršinio vandens vertikaliosios sąmaišos spartos, temperatūros ir rūgštingumo. Vandenyje CO 2 virsta kalcio karbonatu ir iškrinta nuosėdų pavidalu. Šaltame vandenyje CO 2 ištirpsta daugiau negu šiltame, todėl vykstant pasauliniam atšilimui vandenyno gebà absorbuoti ir tirpinti CO 2 nuolat mažėja. Svarbios ir kitos antrinės pasekmės. Dėl vandenyje tirpstančio anglies dioksido, vandenyne padidėja vandenilio jono H + koncentracija (rodiklis ph mažėja). Apskaičiuota, kad nuo XIX a. vidurio vandenynų paviršiaus ph sumažėjo apie 0,1 (kadangi ph skalė logaritminė, tai atitinka 25 % H + kiekio padidėjimą). Prognozuojama, kad iki 2100 metų ph sumažės dar 0,3 0,5 vienetais, nes atmosferoje daugėja antropogeninės kilmės CO 2, be to, tirpstant Arkties ledynams plečiasi CO 2 apykaitą vykdantis atviro vandens plotas. Pastarasis ph pokytis (tempas ir dydis) gali būti prilyginamas anksčiau per 300 mln. metų vykusiems pokyčiams. Rūgštėjantis vanduo mažina fitoplanktono produktyvumą, kuris, kaip minėjome, taip pat dalyvauja fotosintezėje. Taigi, susidaro nepalankiai CO 2 apykaitą tarp atmosferos ir vandenyno veikianti vadinamoji uždaroji grandininė reakcija : vienas procesas skatina antrąjį, šis dar vieną, o pastarasis vėl pirmąjį, ir t.t. Anglies apykaitoje tarp atmosferos ir biosferos, įskaitant fotosintezę, augalų, gyvūnų ir mikroorganizmų kvėpavimą bei irimą dalyvauja 243 Gt anglies (892 Gt CO 2 ). Sausumos ekosistemose anglies dioksidą fotosintezei naudoja kerpės ir augalai. Jie asimiliuoja 2/3 viso fotosintezėje sunaudojamo CO 2. Vykstant fotosintezei pasigamina organinės medžiagos, kurios sudaro 90 95 % žaliųjų augalų sausosios masės. Intensyvaus augimo metu 1 ha augalų sausoji masė padidėja 150 500 kg. Kad pasigamintų tiek organinių medžiagų, augalų lapai iš oro turi sugerti apie 1000 kg CO 2 (272 kg grynosios anglies). Remiantis teoriniais samprotavimais augalų vykdoma fotosintezė kylant oro temperatūrai ir didėjant atmosferoje CO 2 koncentracijai turėtų vykti vis intensyviau, tuo pačiu turėtų didėti ir augalų suvartojamas CO 2 kiekis. Deja, dėl žmogaus veiklos (miškų kirtimo, ariamų plotų plėtimo) jo sugėrimo ir kaupimo medienoje bei dirvoje galimybės mažėja. Tokiu būdu žmogaus ūkinė veikla mažina fotosintezės mastus Žemėje ir slopina anglies pasisavinimą biosferoje. Be to, degindamas akmens anglis, naftos produktus, gamtines dujas žmogus šiandien išlaisvina dar ir prieš milijonus metų gyvenusių organizmų susintetintą ir užkonservuotą anglį. Iš viso fotosintezės produktai šiandien duoda apie 96 % įvairiems žmogaus poreikiams, įskaitant maistą, suvartojamos energijos. Todėl visi be išimties klimato modeliai prognozuoja anglies dioksido koncentracijos atmosferoje didėjimą ateityje. Skiriasi tik numatomų pokyčių greitis atsižvelgiant į skirtingas socialinės ir ekonominės žmonijos raidos prognozes. Jose svarbiausieji išmetamų teršalų kiekius lemiantys veiksniai yra gyventojų skaičiaus kaita, šalių ekonominis bei socialinis vystymasis, energijos gamybos balansas ir suvartojimas, technologijų raidos ypatybės. Taip pat svarbu aplinkosaugos politikos įgyvendinimas. Neigiamas žmogaus ūkinės veiklos poveikis fotosintezei gerai matosi apskaičiavus šiltnamio efektą sukeliančių dujų išlakas pagal ūkio sektorius. Miškininkystei čia tenka net 17,4 %. Kaip žinia, miškininkystė yra gamybos sritis, užsiimanti miško želdinimu, gerinimu ir augalinių miško išteklių naudojimu. Be abejo, miško želdinimas, miško buveinių apsauga ir gerinimas prisideda prie vadinamųjų anglies dioksido absorbentų (tai fotosintezę vykdantys ir CO 2 kaupiantys augalai) plėtros. Tad kur glūdi miškininkystės indėlis stiprinant šiltnamio efektą? Pažvelkime, kas slypi po kita miškininkystės veiklos dalimi augalinių miško išteklių naudojimas. Pasaulyje miškų plotai užima 3950 milijonų ha, 42 % iš jų auga atogrąžų platumose, 25 % vidutinių platumų juostoje ir 33 % borealinėje zonoje. XXI a. pirmajame dešimtmetyje, remiantis Tarpvyriausybinės klimato kaitos komisijos duomenimis, miškų buvo iškertama po 12,9 mln. ha per metus. Įskaičius atželdintus ir savaime ataugusius miškų plotus, per metus miškų Žemėje vidutiniškai sumažėja po 7,3 mln. ha. Suprantama, dėl to neišvengiamai sumenksta fotosintezės mastai 2 1 Gt 1 milijardas tonų.
ir CO 2 absorbavimas iš atmosferos. Bendrame antropogeninės kilmės CO 2 balanse tai prilygsta apie 6,4 Gt CO 2 emisijos per metus (arba 17,5 % visos antropogeninės šiltnamio dujų emisijos). Čia verta priminti, kad miškai yra itin svarbus CO 2 absorbentas, nes fotosintezės metu sunaudoja apie 25 30 % visų antropogeninės kilmės CO 2 išlakų. Daugiausiai miškai buvo ir yra kertami tenkinant augančius medienos poreikius (kur mediena naudojama visi puikiai žinome), keičiant miško paskirties žemę į žemės ūkio, plečiant urbanizuotas teritorijas, tiesiant kelius ir pan. Didžiausi miškų nuostoliai Pietų Amerikoje, Afrikoje ir Pietryčių Azijoje, t. y. pusiaujo drėgnųjų miškų buveinėse. O kaip tik šie miškai yra patys produktyviausi (didžiausia metinė biomasės produkcija)! Keičiant žemėnaudą čia miškai neretai tiesiog išdeginami, taip į atmosferą patenka dar daugiau CO 2. Tačiau reikia pripažinti, kad miškų naikinimas šiek tiek lėtėja: XX a. pabaigoje miškų buvo iškertama po 13,1 mln. ha per metus, o miškų praradimai įskaičius atželdintus ir savaime ataugusius miškų plotus, kasmet sudarydavo net 8,9 mln ha. Anksčiausiai drastiškas miškų naikinimas prasidėjo Europoje, maždaug prieš 5000 metų, o kituose žemynuose prieš 300 400 metų. Miškams dar žalos daro dėl klimato atšilimo pasireiškiantis drėgmės stygius. Dėl to dažnėja sausrų ir gaisrų, lėtėja medžių vystymasis ir augimas, plinta kenkėjai. Naikinant miškus daug anglies išlaisvinama dar ir iš dirvožemio. Iš viso pasaulio dirvožemiuose yra sukaupta apie 2300 Gt anglies. Iš dirvožemio daugiausiai anglies į atmosferą patenka vykstant erozijai ir nusausinus pelkes (dirvožemio erozija ir pelkėjimas dažnai prasideda iškirtus mišką). Matydami tik antžeminę augalo dalį, kartais pamirštame, kad ne mažiau svarbūs procesai vyksta dirvožemyje. Šaknys nuolat į dirvą išskiria įvairius organinius junginius, taip maitindamos mikroorganizmus. Tai pagreitina biologinę veiklą dirvoje ir skatina dirvožemio organinės medžiagos susiskaidymą susidaro maistingosios medžiagos, kurių reikia augalų augimui. Kartu vyksta ir priešingas procesas: tam tikrą anglies kiekį iš atmosferos sugeria sunkiai skaidomi organiniai junginiai, kurie prijungia anglį ir saugo ją šimtus metų. Tačiau, kai miškai, pievos ir kitos natūralios augalų buveinės paverčiami ariamąja žeme daug anglies dirva išskiria į atmosferą. Taigi, nuo visų šalių žemėnaudos ir ūkinės politikos priklausys, ar pasaulio dirvožemiai daugiau sugers ar išskirs anglies, ar sugebėsime bent pristabdyti miškų naikinimą, o tuo pačiu ir šiltnamio efekto atmosferoje stiprėjimą Antropogeninės kilmės dalies anglies ciklas (mlrd. tonų) Emisija 2008 m. (kuro deginimas ir cemento gamyba) Kur patenka Poveikis didina atmosferoje CO2 ir kelia temperatūrą didina vandenynų rūgštingumą
Pasaulinė CO 2 emisija deginant iškastinį kurą ir gaminant cementą (mlrd. tonų) Ypač sparčiai CO 2 išlakos didėja per pastaruosius du dešimtmečius. Nuolatinis ekonomikos augimas Kinijoje ir Indijoje bei ekonomikos atsigavimas Europoje ir Šiaurės Amerikoje 2009 2010 m. lėmė rekordinį pasaulio CO 2 emisijų padidėjimą (5,8 %). Atsinaujinančių energijos šaltinių bei branduolinės energijos plėtra nespėja vytis vis augančios energijos bei transporto paklausos. Didžiausia ji yra besivystančiose šalyse. 11 Long-term trend in global CO2 emissions. 2011 report European Union, 2011 CO 2 emisija deginant iškastinį kurą ir gaminant cementą (mlrd. tonų) Pagal CO 2 išlakas pirmauja Kinija, o antroje vietoje JAV. Šios dvi šalys į atmosferą išmeta apie 45 % viso CO 2 kiekio, atitinkamai 9,7 ir 5,4 mlrd. tonų (2011 m. duomenys 3 ). Toliau rikiuojasi Indija (1,97 mlrd. tonų), Rusija (1,83 mlrd. tonų), Japonija (1,24 mlrd. tonų). Europos sąjungos 27 šalys į atmosferą išmeta 3,79 mlrd. tonų CO 2, bet šis skaičius vis dar yra mažesnės, negu buvo prieš ekonomikos krizę 2007 m. (4,19 mlrd. tonų). Šalių top-25 pagal CO 2 emisiją 12 Long-term trend in global CO2 emissions. 2011 report European Union, 2011 CO 2 emisija deginant iškastinį kurą ir gaminant cementą (tonų/1 gyv.) Šalių top-25 pagal CO 2 emisiją Long-term trend in global CO2 emissions. 2011 report European Union, 2011 Skaičiuojant kiek tenka CO 2 išlakų vienam gyventojui per metus nepralenkiamas lyderis išlieka JAV 17,3 tonos. Tai dvigubai daugiau negu ES-27 vidurkis (jis yra 8,1 tonos) ir 3,5 karto daugiau negu Kinijoje (7,2 tonos), ir beveik 11 kartų daugiau negu Indijoje (1,6 tonos). Antroje vietoje Kanada (16,2 tonos), o trečioje Rusija (12,8 tonos). Aukštas šis rodiklis iš dalies parodo ekonomikos potencialą, tačiau kartu tai ir neracionalaus bei neefektyvaus energijos vartojimo indikatorius. Pavyzdžiui, skaičiuojant kiek BVP (JAV doleriais, $) sukuriama vienai tonai CO 2 emisijos, paaiškėja, kad minėtos lyderės atrodo gana kukliai: JAV 2300 $, Kanada 2350 $, Rusija 632 $. 3 European Commission, Joint Research Centre (JRC)/PBL Netherlands Environmental Assessment Agency. Emission Database for Global Atmospheric Research (EDGAR), release version 4.2. 2011. http://edgar.jrc.ec.europe.eu
Pasaulinė CO 2 emisija deginant iškastinį kurą ir gaminant cementą pagal sektorius (mlrd. tonų) Pažangiausiai šioje gretoje atrodo Šveicarija (9300 $), Norvegija (8400 $), Švedija (7800 $) ir Islandija (7540 $). Lietuvoje vienai CO2 tonai tenka apie 2120 dol. BVP. Long-term trend in global CO2 emissions. 2011 report European Union, 2011 13 CO 2 emisija (tonomis) deginant iškastinį kurą ir gaminant cementą 1 BVP vienetui Long-term trend in global CO2 emissions. 2011 report European Union, 2011 14 1991 m. prasidėjus šalies ekonomikos restruktūrizacijai sparčiai ėmė mažėti ir išmetami šiltnamio dujų kiekiai. Nuo 2001 m. šiltnamio dujų emisija ėmė augti, tačiau 2006 m. jie sudarė tik 53% bazinio 1990 m. lygio. prognozuojama, kad 2010 m. šis skirtumas sumažės iki 30%. Pagal Kijoto protokolo reikalavimus 2012 m. šiltnamio dujų emisija Lietuvoje turi būti mažesnė nei 1990 m. 8%. Į atmosferą išmesto šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekio ir BVP kaita 2001-2009 m. Naujausi duomenys: Greenhouse gas emission trends and projections in Europe 2008. http://reports.eea.europa.eu/eea_report_20 08_5/en
Atsižvelgiant į ES-15 šalių patirtį, augant ekonomikai, įprastai didėja ir energijos poreikis, o dėl to didėja ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų, išmetamų į atmosferą, kiekis. Šių procesų atskyrimas vienas svarbiausių Europos Sąjungos šalių narių siekių įgyvendinant darnaus vystymosi principus. Lietuva, kaip ir kitos Europos Sąjungos šalys, siekia mažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekį sukuriamo bendrojo vidaus produkto (BVP) vienetui. Lietuvoje išmetamų į atmosferą šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekis 2000 m. siekė 19,365 mln. tonų ir 2007 m. išaugo iki beveik 25,5 mln. tonų, t. y. beveik trečdaliu, tačiau BVP išaugo daugiau nei dvigubai. 2010 m., Lietuvos ekonomikai augant po 2009 m. sulėtėjimo, išmetamų į atmosferą šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekis buvo apie 7 proc. didesnis nei 2000 m., o BVP tuo metu veikusiomis kainomis vėl ėmė artėti prie ekonomiškai itin sėkmingo 2007 m. laikotarpio lygio ir viršijo 2000 m. BVP daugiau nei dvigubai. Kadangi BVP pokytis pasižymi tam tikru atsilikimu nuo gamybos (atitinkamai ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimo) apimčių pokyčio, tikėtina, kad išmetamų šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekio augimas ir toliau turėtų vis labiau atsilikti nuo sukuriamo BVP apimčių (Aplinkos būklė 2011. TIK FAKTAI. Vilnius, 2012) Šiltnamio dujų emisija (CO 2 ekv.) mln. tonų/1 gyventojui EU27 ir Lietuvoje Duomenų šaltinis: EEA greenhouse gas data viewer: http://dataservice.eea.europa.eu/pivotapp/p ivot.aspx?pivotid=455 Pagrindinis šiltnamio dujų šaltinis Lietuvoje yra energetikos sektorius, kuriame susidaro 27,5% viso šiltnamio dujų kiekio (CO 2 ekv.). Antroje vietoje transportas, trečioje žemės ūkis, ketvirtoje energijos vartojimas, penktoje pramonė. Iš visų ŠD daugiausia sudaro CO 2 (66,5%). Šiltnamio dujų emisija Lietuvoje 2010 m. (pagal sektorius ir pagal dujas) Duomenų šaltinis: Greenhouse gas emission trends and projections in Europe 2012. http://www.eea.europa.eu/publications/ghgtrends-and-projections-2012
Elektros energijos gamyba Lietuvoje Duomenų šaltinis: Lietuvos Aplinkos ministerija Daugiau apie ŠESD: Ilgalaikės pasaulio CO2 emisijų tendencijos. Jungtinio tyrimų centro ir Nyderlandų PBL aplinkos vertinimo agentūros ataskaita (2011). Long-term trend in global CO2 emissions. 2011 report. Pasaulinis atmosferos tyrimų centras (Emissions Database for Global Atmospheric Research - EDGAR) http://edgar.jrc.ec.europa.eu/index.php Aplinkos būklė 2010. TIK FAKTAI. Vilnius, 2011 16 Įvairios kilmės aerozolių koncentracija Dėl žmogaus ūkinės veiklos Sulfatai Pramoniniai raj. atmosferoje daugėja ir antropogeninės kilmės aerozolio dalelių (pavyzdžiui, suodžių, SO 4 ). Tačiau suodžiai yra pasiskirstę labai netolygiai, ore išsilaiko tik kelias dienas, todėl jų koncentracija ir Mineralin s dulk s Dyykumos (ypač cheminė sudėtis nepastovi. Ilgai Sachara) atmosferoje gali išsilaikyti sieros oksidai, kurių randama net Grenlandijos ir Antarktidos ledynuose. Stiprių v jų raj. Troposferinis aerozolis (suodžiai) pramonės rajonuose, dideliuose miestuose, Jūros druskos miškų gaisrų bei dulkių audrų metu gali labai padidinti atmosferos drumstumą Saulės spinduliuotės prietaka sumažėja net Suodžiai Biomas s deginimas 20 %, pakinta ir kiti klimato elementai. Tačiau terminis efektas teigiamas, nes sugeriama ne tik Saulės, bet ir Žemės From Bill Collins et al paviršiaus spinduliuotė. Troposferinio aerozolio klimatinis efektas yra daugiausia lokalaus pobūdžio.
17 18 Troposferinio aerozolio inicijuotas St debesų susidarymas virš jūros ties ŠV JAV krantais Baltos linijos laivų dūmai, pilka spalva St debsys, juoda spalva giedra, melsva spalva Cu debesys. Smogas Žemėnaudos pasikeitimai Miškų kirtimas; Urbanizacija; Dirbamų laukų ir ganyklų plėtimas; Tai sukelia dirvų eroziją, skatina dykumų plitimą; Pažeidžia natūralią ekosistemų pusiausvyrą; Nyksta augalų ir gyvūnų rūšys. Žmogaus ūkinė veikla veikia ne tik atmosferos cheminę sudėtį. Dėl sparčiais tempais besivystančios kuro ir energetikos pramonės didėja atmosferos ir hidrosferos šiluminė tarša, t. y. į orą ir į vandenis tiesiogiai sklinda šiluminė energija. Šiluminė tarša dažniausiai būna vietinio pobūdžio ir yra ryškiausia dideliuose miestuose ir pramonės centruose. Manoma, kad globalinei oro temperatūrai šiluminė tarša per artimiausius dešimtmečius didesnio poveikio neturės, bet kai kuriuose regionuose (Japonijoje, Ruro baseine, JAV rytuose ir kt.), energetinė apkrova jau yra kritinio 3 6 W/m² lygio, t-ra čia pakilusi 2-4 C. Laivų ir lėktuvų išmesti dūmai tarnauja kaip kondensacijos branduoliai, todėl intensyvaus eismo raj. padidėja debesuotumas, keičiasi radiacijos balansas. Paklotinio paviršiaus keitimas yra, ko gero, seniausias antropogeninės veiklos poveikio aplinkai pavyzdys. Iš pradžių buvo kertami miškai, plečiami ariamų žemių ir ganyklų plotai. Vėliau buvo įrengiamos vandens saugyklos, tiesiami keliai, įrengiami atviri karjerai visa tai neišvengiamai keičia vandens apytaką, paviršiaus albedą ir šiurkštumą. Kokie gali būti tokios veiklos padariniai, aiškiausiai atsiskleidžia aridiniuose rajonuose, nes čia, pavyzdžiui, suarus dirvas, padidėja garavimas, dirvožemio pustymas ir prasideda nesustabdomas dykumėjimo procesas. Drėkinamuose žemės plotuose sumažėja paklotinio paviršiaus albedas, iš esmės pasikeičia energijos pasiskirstymas tarp šilumos balanso dedamųjų, susilpnėja terminė konvekcija, nukrinta apatinės troposferos temperatūra. Vandens saugyklų kūrimas daro vietiniam klimatui švelninantį poveikį: mažėja t-ros amplitudės (paros ir metinės), didėja oro drėgnumas. Tačiau galimas vietinės oro cirkuliacijos susidarymas, vėjo sustiprėjimas virš vandens telkinio akvatorijos.
19 Žemėnaudos pakeitimai CO 2 emisija dėl pramonės procesų ir žemėnaudos pakeitimų Pramonės procesai CO 2 emisija mln. tonų Šiaurės Amerika C. Amerika ir Karibų reg. Pietų Amerika Europa Vidurio ir Pietų Afrika Š. Afrika ir Artimieji Rytai Azija Okeanija Žemėnaudos pokyčiai gali turėti trejopą poveikį šiltnamio dujų kiekiui: 1) deginant medieną tiesiogiai išsiskiria CO 2 ; mažėjant miškų plotui mažėja ir anglies dioksido sunaudojimas fotosintezei, todėl šiltnamio dujų kiekis atmosferoje didėja; 2) bemiškėse teritorijose padidėja CO 2 išsiskyrimas iš dirvožemio; 3) naujai išauginami miškai bei dvimetės ir daugiametės žemės ūkio kultūros spartina anglies dioksido šalinimą iš atmosferos. Žemėnaudos keitimo pasekmės labiausiai juntamos besivystančiose Lotynų Amerikos, Pietų ir Pietryčių Azijos bei Centrinės Afrikos šalyse, tačiau aktualios ir išsivysčiusioms šalims. Žemėnaudos pasikeitimai ES23 1990-2000 m. (ha) Dirbtiniai/ urbanizuoti paviršiai Miškai Ganyklos Žemėnauda (%) 2000 m. Nenaudojami ir pliki plotai Šlapžemės Vandens telkiniai Pagrindinės žemėnaudos tendencijos Europos Sąjungoje: dirbtinių ir urbanizuotų teritorijų plėtra (miestų, transporto infrastruktūros ir pramonės augimo pasekmė); dirbamos žemės plotų mažėjimas dėl žemės paskirties keitimo; miškų plotų didėjimas; natūralios augalijos plotų mažėjimas. Duomenų šaltinis: European Environment Agency, 2005. The European environment - State and outlook 2005. Copenhagen Dirbama žemė Iš dalies natūrali augalija Amazonės miškų kirtimas Pražūtingų pasekmių sukelia drėgnųjų tropikų miškų kirtimas: padidėja paklotinio paviršiaus albedas, žemės paviršius atvėsta, sumažėja garavimas, susipilnėja konvekcinė veikla ir krituliodara, slopsta cirkuliacija Hadleys makrogardelėje, vėsta tropikų juostos vidurinė ir viršutinė troposfera, silpnėja pasatai ir t.t. 1975 m. http://visibleearth.nasa.gov/ Randonija, Amazonės baseino centrinė dalis
Amazonės miškų kirtimas 1986 m. http://visibleearth.nasa.gov/ Randonija, Amazonės baseino centrinė dalis Amazonės miškų kirtimas 1992 m. http://visibleearth.nasa.gov/ Randonija, Amazonės baseino centrinė dalis Amazonės miškų kirtimas 2006 m. http://visibleearth.nasa.gov/ Randonija, Amazonės baseino centrinė dalis
Tropinių ir vidutinių platumų tolimieji ryšiai Į šiaurę pasislenka ciklonų keliai Maks. barokliniškumo zona silpnėja ir slenka į šiaurę Vidutinių pl. oras skverbiasi į Arkties regioną Stiprėja poliarinė sraujymė +2-3 atšilimas Pražūtingų pasekmių sukelia drėgnųjų tropikų miškų kirtimas: padidėja paklotinio paviršiaus albedas, žemės paviršius atvėsta, sumažėja garavimas, susipilnėja konvekcinė veikla ir krituliodara, slopsta cirkuliacija Hadley makrogardelėje, silpnėja pasatai, vėsta tropikų juostos vidurinė ir viršutinė troposfera poveikis gali pasireikšti net vidutinėse ir arktinėse platumose (pav. kairėje). Silpnėja subtropinė sraujymė VKZ silpnėja ir slenka į šiaurę Stiprėja šilumos advekcija iš pietų ir vakarų Silpnėja ir persidislokuoja antipasatai Miškų kirtimas susilpnina drėgmės konvekciją Šiltnamio efekto fizika Ties viršutine atmosferos riba 1 m 2 vidutiniškai tenka 342 W/m 2 Saulės energijos. Mūsų planeta sugeria apie 70 % tos energijos (sugėrimas vyksta atmosferoje ir Žemės paviršiuje), o atspindi 30 %. Žemės paviršių pasiekia vos pusė pradinio Saulės energijos kiekio, t.y., apie 170 W/m 2 (1 pav.). Gavęs tokį energijos kiekį Žemės paviršius įšyla ir ima spinduliuoti energiją ilgosiomis infraraudonosiomis (IR) bangomis. 90 % jų vėl grįžta atgal į žemės paviršių, nes atmosferoje esančios ŠD molekulės Žemės paviršiaus IR spinduliuotę sugeria ir neleidžia jai iškart patekti į kosmosą, todėl žemutinių troposferos sluoksnių temperatūra pakyla. Viršutiniai troposferos sluoksniai ir stratosfera energiją į kosmosą išspinduliuoja netrukdomai, todėl visos planetos mastu nusistovi energijos lygsvara: kiek Saulės energijos planetoje per metus buvo sugerta, tiek (239 W/m 2 ) jos išspinduliuojama atgal į kosmosą. Panašus efektas susidaro paprastame daržininkų šiltnamyje (taip ir atsirado terminas šiltnamio efektas ), tik čia šiltnamio dujų vaidmenį atlieka stiklas arba polietileno plėvelė. Į šiltnamio vidų prasiskverbia trumpabangė Saulės spinduliuotė, tačiau ją sugėrusio ir įšilusio dirvožemio spinduliuojami IR spinduliai stogo trumpam sulaikomi šiltnamio viduje oro temperatūra dieną pakyla 4. Jei atmosfera nesukurtų šiltnamio efekto, mūsų planetoje vidutinė metų oro temperatūra prie žemės paviršiaus tesiektų 18 C, o dabar ji yra apie +15 C. Taigi, šiltnam io efekto terminis rezultatas žemutinėje troposferoje plius 33 C. Šiltnamio efekto pirmieji požymiai atsirado jau daugiau kaip prieš 3 milijardus metų, kai susidarė pakankama atmosferos masė. Vėliau ŠD koncentracija atmosferoje nuolat keitėsi, kartu kito ir Žemės klimatas. Akivaizdu, jog augant ŠD koncentracijai, stiprėja šiltnamio efektas, todėl kyla žemutinių troposferos sluoksnių temperatūra. Didžiausią indėlį kuriant šiltnamio efektą įneša vandens garai (21 C), toliau seka anglies diok sidas (7 C), troposferos ir stratosferos ozonas (2 C), azoto sub oksidas (1,4 C), metanas (0,8 C) ir visoms likusiom s šiltnamio dujoms tenka taip pat 0,8 C. Akivaizdu, jog išaugus šiltnamio dujų koncentracijai, stiprėja šiltnamio efektas, kyla žemutinių troposferos sluoksnių temperatūra. Tuo remiantis šiltieji periodai praeityje siejami su didele CO 2 koncentracija Nustatyta, kad atmosferoje CO 2 kiekis per pastaruosius 550 mln. metų mažėjo nuo 5000 ppm iki 250 300 ppm. Todėl Paleozojuje (prieš 543 260 mln. m.) globali temperatūra buvo apie 9 10 C aukštesnė už dabartinę. Dabar jau neabejojama, kad žmogau veiklos sukeltas šiltnamio efekto stiprėjimas yra pagrindinis veiksnys, lemiantis pasaulinį atšilimą: nuo XIX a. vidurio globalioji oro temperatūra žemutinėje troposferoje pakilo apie 0,9 C, o Lietuvoje per tą patį laiką klimatas atšilo 1 1,5 C. Gamtinių veiksnių (pavyzdžiui, sustiprėjusios Saulės spinduliuotės) vaidmuo vykstančiame pasauliniame atšilime nepalyginamai menkesnis ir sudaro mažiau nei 10 %. Šiltnamio dujų į Žemės paviršių nukreipta IR spinduliuotė ne tik pakelia priežeminę oro temperatūrą, bet ir sušvelnina temperatūros paros svyravimus: dieną oras lėčiau įkaista, o naktį lėčiau ir mažiau atvėsta. 4 Tarp šiltnamio efekto Žemės atmosferoje ir daržo šiltnamio visgi yra vienas esminis skirtumas. Polietilenu ar stiklu dengta patalpa yra mechaniškai izoliuojama nuo aplinkos, todėl nevyksta oro apykaita. Įkaitęs oras pasilieka šiltnamio viduje, todėl temperatūra smarkiai pakyla. Atmosferoje tokio neprapučiamo gaubto nėra.
20 Saulė 340 W/m 2 Žemės paviršių pasiekia 240 W/m 2 Šiltnamio efekto fizika Atspindėta spinduliuotė 100 W/m 2 A t m o s f e r a Šiltnamio dujos IR spinduliuotė į kosminę erdvę 240 W/m 2 Šiltnamio dujų molekulės sugeria dalį Žemės paviršiaus IR ir siunčia ją atgal link Žemės paviršiaus Žemės paviršius sugeria 168 W/m 2, įšyla ir spinduliuoja IR Šiltnamio efekto susidarymas ir vidutiniai energijos kiekiai (W/m 2 ) per metus. Svarbiausios šiltnamio dujos: vandens garai; anglies dioksidas (CO 2 ); ozonas (O 3 ); metanas (CH 4 ); azoto suboksidas (N 2 O); sieros heksafluoridas (SF 6 ); hidrofluorangliavandeniliai (HFC s); perfluorangliavandeniliai (PFC s); chlorfluorangliavandeniliai (CFC). IR ifraraudonoji (ilgabangė) spinduliuotė 21 Saulės konstanta: I 0 = 1367 W/m 2 Saulės insoliacija per laiko vienetą Žemės atmosferos paviršiuje: I 0 πr 2, čia πr 2 Žemės rutulio skersinio pjūvio plotas. Ši energija dėl Žemės sukimosi pasiskirsto visame rutulio paviršiuje, kurio plotas 4πR 2. Todėl vidutinė insoliacija ties atmosferos paviršiumi: (πr 2 I 0 ) / (4πR 2 ) = I 0 /4 340 W/m 2. 22 Kadangi Žemės planetos albedas A ž = 0,30, todėl Žemės klimato sistema sugeria radiacijos: (1 A ž )I 0 /4 240 W/m 2. (1) Apatinės troposferos t-ros (T) pasiskirstymą apytikriai galima traktuoti kaip lygsvarą tarp sugertosios Saulės spinduliuotės ir ilgabangės išspinduliuotosios (Ii): I 0 /4(1 A ž ) = Ii =σt e4, (2) čia σ Stefano Bolcmano konstanta, Te emisinė t-ra. Į (2) lygtįįstatę A ž = 0,30, gauname: Te = 258 K = 18 C.
23 Tačiau faktinė globali t-ra ~33 aukštesnė dėl atmosferos kuriamo šiltnamio efekto. Jį kiekybiškai galima išreikšti empirine formule: Š e = A + BT e, (3) Žmonių ūkinė veikla tiesioginio poveikio nedaro tik vandens garų kiekiui, tačiau šylant troposferai vandens garų taip pat daugėja pasireiškia vadinamasis teigiamas grįžtamasis efektas. kur A = a 1 na 2, B = b 1 nb 2, n debesuotumo balas vieneto dalimis; a ir b koeficientai pagalįvairius autorius: a 1 = 222,,,,257 W/m 2, a 2 = 47,,,,91 W/m 2, b 1 = 1,63,,,,2,40 W/(m 2 *K), b 2 = 0,11,,,,1,75 W/(m 2 *K), Remiantis (3) lygtimi Š e = 220 240 W/m 2. Taigi, iš atmosferos gaunama energija apytikriai lygi sugertajai Saulės energijai, žiūr. (1) ir (3). 24 Todėl energijos balansas atmosferos viršuje : I 0 /4(1 A ž ) =σt 4 A =σt e 4. (4) Ties Žemės paviršiumi t-ra yra aukštesnė, nes prisideda atmosferos spinduliavimas. Todėl Žemės paviršiaus energijos balansas: I 0 /4(1 A ž ) +σt 4 A =σt ž 4 σt ž 4 = 2σT e 4 (5)
Pav. GLOBALUS ENERGINIS POVEIKIS (W/m 2 ) ŽEMĖS KLIMATO SISTEMAI 2011 m. LYG. SU 1750 m. (IPCC, 2013) Bendras antropogeninis energinis poveikis yra apie +2 W/m 2 (jis susideda iš šildančio poveikio +4,5 W/m 2, ir vėsinančio -2,5 W/m 2 ). Saulės spinduliuotės (t.y., gamtinis) poveikis vertinamas +0,12 W/m 2. Nuo 2005 iki 2011 m. bendras antropogeninis energinis poveikis sustiprėjo 8 %. Procentine išraiška antropogeninio ir Saulės energetinio poveikio indėlis į atšilimą būtų atitinkamai 93% ir 7%.
Šaltinis: IPCC, 2013 Antropogeninių ir gamtinių faktorių energinio poveikio kaita 1750 2011 m. IPCC, 2013 26 Svarbiausi klimato svyravimų veiksniai šiuolaikiniame pasaulyje antropogeniniai; vulkanizmas; Saulės aktyvumas; Žemės orbitinių parametrų kaita. 27 Globali t-ros kaita 1,5 m aukštyje dėl gamtinių ir antropogeninių priežasčių (nuokrypiai nuo 1881-1920 m. vidurkio) Gamtinės Antropogeninės Pav.: juoda linija - instrumentinių matavimų rezultatai; spalvotos linijos modeliavimo rezultatai (U.K. Hadley centre coupled ocean-atmosphere general circulation model). Iki XX a. pradžios t-ros svyravimus lėmė daugiausia gamtinės priežastys, o vėliau antropogeninės. Visos