© И.Л. Кароль, А.А. Киселев
Оценка ущерба "здоровью" атмосферы
И.Л. Кароль, А.А. Киселев
Игорь Леонидович Кароль, д.ф.-м.н., проф., зав. лаб.
Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (Санкт-Петербург).
Андрей Александрович Киселев, к.ф.-м.н., с.н.с.
отдела динамической метеорологии той же обсерватории.К концу XX в. стало ясно, что воздействие человека на окружающую среду переросло региональные рамки и носит глобальный характер. В международном сообществе наметился переход от общих деклараций о сокращении наносимого природе ущерба к практическим мерам. В результате было принято несколько регламентирующих производственную деятельность соглашений, среди которых наибольший резонанс получили Монреальский (1987) и Киотский (1997) протоколы, имеющие как ярых сторонников, так и непримиримых противников, поскольку затрагивают интересы не только разных государств, но и отдельных промышленных корпораций. Полемика вокруг этих документов касается целого спектра проблем - политических, экономических, научных [1]. Мы попытаемся здесь рассказать о количественных характеристиках, положенных в основу соглашений, призванных сократить ущерб "здоровью" атмосферы. Это позволит читателю понять, в какой степени обоснованы требования, предъявляемые в них к различным странам, и насколько их выполнение действительно может улучшить ситуацию.
Стоит, видимо, напомнить, что первое международное соглашение - Монреальский протокол, ограничивающий производство и использование фреонов (и полностью их запрещающие с 1996 г. дополнения к этому документу), был ратифицирован почти всеми государствами - производителями этих озоноразрушающих химикатов, в том числе и Россией. Этому предшествовало осознание угрозы озонному щиту от роста выбросов в атмосферу продуктов сгорания двигателей транспортной авиации, а также и хлор- и бромсодержащих соединений (уже упомянутых фреонов и хладонов) [2, 3]. Соглашение было подписано вскоре после открытия в середине 80-х годов антарктической "дыры" - реального доказательства истощения озонного слоя. В большинстве стран рекомендации протокола были выполнены; на многих холодильниках, кондиционерах, аэрозольных баллончиках появились надписи: "Дружественные к озону" ("Ozone friendly"). Измерения почти по всему миру показали прекращение роста, а затем и начало падения содержания в атмосфере наиболее опасных из запрещенных фреонов. Однако процесс этот медленный, и их концентрация в атмосфере приблизится к уровню начала 80-х годов лишь в середине XXI в.
Отклонения общего содержания озона (ОСО), обусловленные выбросами газов 1 и 2. Отсчет времени начинается с момента осуществления залпового выброса. Газ 1 (фреон-11 или -12) вызывает относительно небольшое падение ОСО, но последствия его выброса сказываются достаточно долго. Воздействие газа 2 (фреон-22) - более сильное и кратковременное. Площади фигур, образованных горизонтальной осью и каждой из кривых, отражают суммарный эффект на ОСО от выброса газов 1 и 2 соответственно, а отношение этих площадей, называемое озоноразрушающим потенциалом, показывает, насколько более (или менее) эффективно разрушается атмосферный озон газом 2, чем газом 1.Это, казалось бы, успешное решение озонной проблемы подтолкнуло к принятию в конце 1997 г. в Киото протокола, устанавливающего и регламентирующего снижение выброса в атмосферу парниковых газов (и прежде всего углекислого газа). Каждой из стран-участниц предписано в 2008-2012 гг. снизить выбросы CO2 на "n%" относительно уровня 1990 г. Например, для США это 7%, для Канады и Японии 6%, для стран Европейского Союза 8% и т.д. Однако каждая страна выбрасывает в атмосферу не только СО2, но и другие газы, воздействующие на коротковолновое и тепловое (длинноволновое) излучения и тем самым формирующие парниковое потепление климата.Как же определить вклад того или иного радиационно-активного газа, попадающего в атмосферу? А возвращаясь к разрушающим озон химикатам: какой из них более, а какой менее опасен для него? Очень трудно математически корректно описать многочисленные процессы, присущие такой сложной системе, как Земля-атмосфера (это и химические превращения, и перенос воздушных масс во всех направлениях, и смена фазовых состояний веществ, и испарение, и осадки и т.п.). Еще сложнее удовлетворительно охарактеризовать состояние системы одним или несколькими числами. Для этого из всего комплекса процессов необходимо выделить единственный, подлежащий оценке, который к тому же должен иметь простую и наглядную интерпретацию, понятную неспециалистам, поскольку использовать его предстояло в первую очередь не ученым, а политикам, промышленникам, экономистам. В результате были предложены и одобрены два критерия - озоноразрушающий потенциал (ОРП) и потенциал глобального потепления (ПГП), которые впоследствии легли в основу ограничений, зафиксированных Монреальским протоколом, его дополнениями, и Киотским протоколом. Остановимся на них подробнее.
Озоноразрушающий потенциал
Использовать ОРП для количественной оценки ущерба озонному слою соединениями, содержащими атомы хлора и брома, предложил сотрудник Ливерморской национальной лаборатории им.Лоуренса (США) Д.Уэбблс. Идея заключается в том, чтобы сравнить, во сколько раз эффективнее одна молекула (или один килограмм) исследуемого газа воздействует на атмосферный озон, чем такое же количество фреона-11 (CFCl3). Выбор этого соединения в качестве базисного объясняется тем, что он, наряду с фреоном-12 (CF2Cl2), был в середине 80-х наиболее употребляемым и интенсивно производимым химикатом среди хлорсодержащих газов (первый использовался в аэрозольных баллончиках и в пенопластах, а второй - в холодильниках и кондиционерах).
Для вычисления озоноразрушающего потенциала математическая модель, учитывающая фотохимические, радиационные и циркуляционные процессы, настраивается таким образом, чтобы хорошо воспроизводить современное состояние атмосферы. Затем предполагается, что в атмосферу сделан мгновенный залповый выброс исследуемого газа, после чего он распространяется в атмосфере и разрушается в фотохимических реакциях. При этом из молекул газа выделяются активные по отношению к озону атомы хлора и брома. Общее содержание озона (ОСО) в атмосфере начинает снижаться, в какой-то момент достигает своего минимума и далее постепенно восстанавливается до первоначального значения, соответствующего невозмущенному состоянию атмосферы. При этом сила и время воздействия газа на ОСО зависит от его состава: выброс фреонов-11 и -12 вызывает небольшое, но длительное падение, а озоноразрушителей следующего поколения, например фреона-22 (CHF2Cl), более сильное, но кратковременное.
Причина такой разницы в интенсивности и продолжительности влияния на озон кроется в химических свойствах этих соединений. Известно, например, что фреоны-11 и -12 пассивны в тропосфере, они почти не вступают в какие-либо химические реакции, а разрушаются главным образом под действием солнечного света в стратосфере. Поэтому время жизни их молекул с момента поступления в атмосферу до момента разрушения составляет многие десятки лет. Другие фреоны (как, например, фреон-22), напротив, активно реагируют с атмосферными радикалами (в первую очередь с гидроксилом ОН) и, как следствие, живут годами, месяцами и даже днями. В результате фреоны-11 и -12 являются источниками атомов Cl в атмосфере в течение значительно большего времени, чем фреоны следующего поколения. Напомним, что гибель молекул озона в хлорном каталитическом цикле происходит в паре реакций:
Cl + O3 ® ClO + O2 ClO + O ® Cl + O2
O3 + O ® O2 + O2.
По модельным оценкам, каждый атом хлора за время своей "жизни" успевает уничтожить до миллиона молекул озона. Таким образом, суммарный эффект на его общее содержание непосредственно зависит от количества атомов хлора в молекуле выбрасываемого фреона (так, в молекулах фреонов-11, -12 и
-22 их 3, 2 и 1 соответственно).Отдельного рассмотрения заслуживает, пожалуй, вопрос о величине залпового выброса. В конце 80-х в атмосферу ежегодно попадало больше 300 тыс. т фреона-11. Понятно, что на таком фоне сигнал от выброса килограмма и даже тонны этого вещества выделить невозможно. В то же время атмосферные химические процессы существенно нелинейны, поэтому чрезмерное увеличение размера залпового выброса приведет к несопоставимым результатам для различных фреонов. В качестве компромисса было решено, что его величина, индивидуальная для каждого соединения, должна быть такой, чтобы уменьшение ОСО, вызванное выбросом, не превышало 1%. В этом случае, как показали расчеты, отклик атмосферы с хорошей точностью описывается линейным приближением к величине выброса, другими словами - прямо пропорционален ей.
В итоге в Монреальском протоколе и его дополнениях в раздел запрещенных с 1994 г. соединений попали бромсодержащие галоны с озоноразрушающими потенциалами от 2 до 10, и с 1996 г. - фреоны-11, -12, -113, -114, -115, у которых ОРП лежит в пределах 0.4-1.2. Производство фреона-22 и других соединений с потенциалами меньше 0.1, "замороженное" с 1996 г., должно быть снижено на 90% к 2015 г. и запрещено с 2030 г.
Потенциал глобального потепления
Как известно, система Земля-атмосфера получает солнечную коротковолновую радиацию, а сама в открытый космос излучает длинноволновую (тепловую). При этом в среднем за год количество приходящей и уходящей радиации равно - иначе среднегодовая температура не оставалась бы почти неизменной в течение ряда последних тысячелетий. Земная атмосфера обладает способностью улавливать часть уходящей радиации и направлять ее к Земле (парниковый эффект). Вот почему температура воздуха у поверхности в современных условиях примерно на 33° выше, чем она могла быть при отсутствии атмосферы. Поглощают длинноволновую радиацию молекулы некоторых составляющих атмосферного воздуха, в числе которых водяной пар, углекислый газ, озон, метан, закись азота и др. К этой же группе относятся и фреоны. Многолетние наблюдения показывают, что содержание большинства перечисленных парниковых газов в атмосфере быстро увеличивалось в последние десятилетия. В соответствии с этим усиливался и парниковый эффект, в результате чего среднегодовая приземная температура воздуха сейчас выросла приблизительно на 0.5-1° по сравнению с серединой XIX в. Дальнейший ее рост отнюдь не безобиден, так как повлечет за собой таяние ледников, подъем уровня воды в Мировом океане, затопление прибрежных и низменных участков суши, гибель или миграцию некоторых представителей флоры и фауны, перестройку циркуляции атмосферы и т.д. Отсюда понятно стремление по крайней мере сократить темпы прироста концентрации парниковых газов, поставив, где это возможно, под контроль их выбросы в атмосферу.
Обычно для описания текущего радиационного состояния атмосферы используют разность потоков коротковолнового и длинноволнового излучения на уровне тропопаузы - границы раздела между тропосферой и стратосферой. Эта разность (обозначим ее буквой F) чутко реагирует на различные природные явления и катаклизмы, будь то крупные извержения вулкана или лесные пожары, усиление солнечной активности или массовый выброс в атмосферу парникового газа. Поэтому, рассматривая разность величин F для возмущенного (Fвозм) и невозмущенного (Fневозм) состояний атмосферы, мы получим DF - численную характеристику отклика атмосферы, называемую радиационным форсингом (от англ. forcing - принуждение). Его величина вычисляется с помощью сложных математических моделей, позволяющих рассчитать как концентрации парниковых газов в атмосфере, так и поглощение длинноволнового излучения каждым из газов. На сегодняшний день у разных исследователей совпадают оценки этой характеристики (с погрешностью в несколько процентов). Отметим также и то, что положительный радиационный форсинг свидетельствует о нагреве атмосферы, а отрицательный - о ее выхолаживании. Другими словами, рост концентрации озона способствует увеличению температуры воздуха в тропосфере, но снижение содержания О3 в стратосфере ведет к понижению температуры.
Последствия выбросов парниковых газов могут сказываться в течение многих лет и десятилетий, причем продолжительность воздействия зависит от их времени жизни. Чтобы оценить влияние каждого из парниковых газов на атмосферу и климат в ближайшее время и далекой перспективе, используют понятие "потенциал глобального потепления" (ПГП). Методика его оценки во многом схожа с вычислением озоноразрушающего потенциала. Здесь также моделируется мгновенный залповый выброс изучаемого парникового газа в атмосферу. Затем рассчитывается эволюция вызванного им изменения содержания радиационно активных газов и радиационного форсинга. Как же он изменяется во времени?
Глобальные значения радиационного форсинга, обусловленного увеличением содержания в атмосфере за период 1750-2000 гг. парниковых газов: углекислого газа (СО2), метана (СН4), закиси азота (N2O), фреонов (хлорфторуглеродов, ХФУ), а также озона (О3): стратосферного (стр.) и тропосферного (тр.). Наиболее велик радиационный форсинг (с доиндустриального периода по настоящее время) от роста концентрации СО2, многократно превосходящий влияние всех остальных парниковых газов.В начальный момент, под действием всей массы выброшенного газа, значения радиационного форсинга наиболее велики. В последующем молекулы разрушаются в химических реакциях, оседают, вымываются осадками и т.д., поэтому количество выброшенного газа, а с ним и радиационный форсинг уменьшаются. Но темп убывания зависит от времени жизни данного газа в атмосфере.Методики вычисления озоноразрушающего потенциала и потенциала глобального потепления имеют одно существенное различие. Если первый оценивает эффект выброса газа за весь период его действия, то второй - за предварительно оговоренный промежуток времени (20, 100 и 500 лет). Тем самым соизмеряется "радиационное здоровье" атмосферы в ближайшее время, в обозримом и отдаленном будущем.
Конечно, в выборе промежутков времени допущена некоторая условность (почему, например, именно 20 лет, а не 10 или 25). Дело в том, что действие одного газа достаточно сильное, но короткое (те самые первые 20 лет), а других - гораздо более длительное, и в будущем может оказаться, что эффектом первого можно пренебречь. На практике же для всех нас куда важнее, каким может быть вклад в радиационный баланс атмосферы каждого из газов в ближайшем или хотя бы обозримом будущем. А в этом случае они сравнимы.
Согласно существующим оценкам, приблизительно 60-70% суммарного парникового эффекта в атмосфере обеспечивается углекислым газом. Это обстоятельство объясняет, почему СО2 был выбран в качестве базисного газа при расчетах потенциала глобального потепления. Но даже при беглом знакомстве с его величинами у других парниковых газов (за 20-летний период) видно, что молекула СО2 наименее эффективно поглощает радиацию. Например, у метана он равен 63, у оксида азота - 270, у фреонов-11 и -12 - 4500 и 7100 соответственно, в то время как, по определению, потенциал углекислого газа равен единице. На первый взгляд, налицо явное противоречие, но такое впечатление обманчиво. Дело в том, что этот потенциал соизмеряет воздействие на атмосферу равных масс парниковых газов, в действительности же содержание СО2 многократно превосходит концентрации других: в каждом миллиарде молекул воздуха имеется 365 000 молекул СО2, 1700 - СН4, 300 - N2O и менее одной молекулы фреонов-11 и -12. Поэтому при учете выбросов парниковых газов с территорий стран-участниц Киотского протокола этот учет ведется по выбросу СО2, а выбросы остальных газов имеют дополнительный "вес", равный их ПГП. Например, выброс метана надо умножить на 63 (его потенциал глобального потепления), а фреона-11 - на 4500. Таким образом, "вес" малых масс выбрасываемых газов сильно возрастет.
Пример эволюции радиационного форсинга, обусловленного выбросом газов 1, 2 и 3, живущих в атмосфере несколько сот лет, десятки лет и годы соответственно. Площадь фигуры, ограниченной осями координат, одной из пунктирных линий и одной из кривых 1-3, характеризует величину суммарного эффекта на радиационный баланс атмосферы от выброса соответствующего газа за 20, 100 или 500 лет. Отношение площадей, ограниченных кривыми 2 (или 3) и 1, - потенциал глобального потепления газа 2 (или 3). Кривая 1 соответствует эволюции радиационного форсинга CO2.Являются ли ОРП и ПГП "зеркалом" атмосферы?Теперь, когда мы познакомились со "столпами" Монреальского и Киотского протоколов, самое время задаться вопросом: сколь адекватно они отражают положение дел в реальной атмосфере? Вопрос этот отнюдь не надуман. Начнем с того, что моделируемый залповый выброс, который используется при вычислении потенциалов, не имеет какого-либо аналога в природе, за исключением, может быть, мощного извержения вулкана. Во всех остальных случаях загрязнение атмосферы можно уподобить скорее процессу слияния многочисленных маленьких ручейков в один полноводный поток. Так, хлор- и бромсодержащие соединения попадают в атмосферу в результате повсеместного использования растворителей и распылителей, при выработке ресурса холодильными установками, при тушении пожаров и т.п. Метан просачивается из скважин и шахт, сопутствуя газо- и нефтедобыче. Он же - продукт жизнедеятельности многих видов бактерий, колоний термитов, а также болот и рисовых плантаций. Складывается парадоксальная ситуация: выводы о свойствах реальной атмосферы делаются, исходя из нереальных предположений! Причем эта ситуация усугубляется тем, что величина модельного залпового выброса обычно в несколько раз превосходит величину реального ежегодного выброса.
Существенный источник ошибок при вычислении потенциалов - место, с которого производится залповый выброс. Для каждой климатической зоны (полярной области, умеренных широт, тропиков) характерны свой температурный режим, своя циркуляция воздушных масс, свой уровень и режим освещенности. В соответствии с этим интенсивность фотохимических превращений разнится там на несколько порядков. Это не слишком существенно для газов, живущих десятки лет и более, они приблизительно равномерно распределены в атмосфере, и потому их содержание примерно одинаково в разных частях земного шара. Но для других, существующих в атмосфере только недели, дни и даже часы, выбор места модельного выброса важен, и для унификации полученных оценок необходимы специальные приемы. Видели ли инициаторы введения потенциалов слабые стороны этих характеристик? Скорее всего, да. Однако в сложившейся в те годы ситуации необходимо было срочно количественно оценить степень воздействия на состав атмосферного воздуха и климат и привлечь к результатам внимание мировой общественности.
Как мы упоминали ранее, правомерность применения потенциалов зиждется на линейности отклика атмосферы на заданное возмущение. Судя по всему, такое предположение вполне приемлемо и для ее современного состояния, и для ближайшего будущего. Но для 100-летнего, и тем более 500-летнего, отрезка времени это вовсе не очевидно. Да, одни химикаты заменяются другими, регулярно совершенствуются технологии, однако факт остается фактом: темпы загрязнения природной среды возрастают. В этой ситуации можно с полной уверенностью утверждать, что состав атмосферного воздуха и климатический режим в последующие столетия будут заметно иными, нежели нынешние, а комплексный эффект от этих перемен перешагнет рамки гипотезы линейности относительно современного состояния. Таким образом, используемые индексы удовлетворительно описывают текущее положение дел, но нуждаются в коррекции, когда речь заходит об оценках отдаленной перспективы.
И что же дальше?
Так что же такое международные природоохранные ограничения - политическая игра, инструмент экономического давления или непременное условие выживания? Думается, и одно, и другое, и третье. Для политиков западных государств, где провозглашен приоритет интересов личности, демонстрация заботы о здоровье и благополучии нации - беспроигрышный ход в борьбе за высокий рейтинг. Богатые промышленно развитые страны, пойдя на немалые расходы для создания и внедрения новых технологий, стремятся расширить рынок сбыта, навязав их тем, кто победнее, и покрыть тем самым часть затраченных средств. В то же время даже ярые противники принятых ограничений не рискуют оценивать факт загрязнения среды как положительный. По существу, копья ломаются вокруг единственного вопроса: пренебрежимо ли влияние на эволюцию окружающей среды современного антропогенного загрязнения по сравнению с естественными природными процессами?
В зависимости от ответа можно оставить решение проблемы грядущим поколениям, или, скрепя сердце, что-то предпринимать, руководствуясь девизом: "Если не мы, то кто?"
Возобладала вторая точка зрения, что и привело к заключению международных конвенций. Сегодня накоплен некоторый опыт реализации существующих договоренностей, появились новейшие научные разработки. Но процесс идет трудно. США, чья доля в общемировой эмиссии парниковых газов в атмосферу максимальна и составляет 24%, не согласны выполнить свои обязательства по Киотскому протоколу и отказались от них.
Ряд модельных оценок свидетельствует о том, что даже скрупулезное выполнение всеми странами этого соглашения не даст ощутимого замедления глобального потепления. А коли так, оправданы ли многомиллиардные затраты? Ослабление парникового эффекта связано главным образом с контролем за углекислым газом и отчасти метаном - газами как естественного, так и антропогенного происхождения, содержащимися в мировом океане и недрах Земли. Именно поэтому контроль за ними остается сложной и пока нерешенной задачей. Значительно проще контролировать многочисленные традиционные и вновь создаваемые химикаты, синтезируемые для нужд химической, парфюмерной, холодильной промышленности, сельского хозяйства и т.п.; их массовому производству и продаже предшествует экспертиза, включающая в себя и определение их ОРП и ПГП. Однако вклад таких соединений в парниковый эффект очень мал.
Более благополучно обстоят дела с Монреальским протоколом, требования которого в основном выполняются в течение ряда лет. Однако говорить о его благотворном влиянии, направленном на восстановление озонного слоя, преждевременно. Недавние исследования, проведенные с участием одного из авторов этой статьи, показали, что эволюция озонного слоя в период 1992-2000 гг. почти полностью зависела от текущей метеорологической ситуации и лишь на 1-2% обусловлена эффектом от выполнения соглашений [4].
Человечество лишь в начале поиска и выполнения совместных решений, направленных на охрану окружающей среды в глобальном масштабе. Безусловно, необходимо время, чтобы правильно оценить значимость уже сделанного. Возможно, ограничения протоколов окажутся не такими эффективными, как задумывали их инициаторы. Однако сделаны первые шаги в правильном направлении: исполнение уже принятых соглашений - пробный камень в деле плодотворного международного сотрудничества. Но предстоит приложить немало усилий, чтобы совершенствовать наши знания и научиться искусству отстаивать свои национальные интересы и находить компромисс при выработке последующих конвенций.
Состояние среды нашего обитания слишком важно для человечества, поэтому международные консультации и соглашения наверняка сохранят свою актуальность. Но в дальнейшем, возможно, появятся другие, более совершенные критерии и оценки антропогенного воздействия на "здоровье" атмосферы - работа в этом направлении ведется во многих странах и организациях. Дорогу осилит идущий...
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 02-05-65399.
Литература
1. Иноземцев В.Л. Кризис Киотских соглашений и проблема глобального потепления климата // Природа. 2001. №1. С.20-29.
2. Кароль И.Л., Киселев А.А. Химия атмосферы: спурт длиной в 30 лет // Природа. 2002. №5. С.31-37.
3. Кароль И.Л., Киселев А.А. Нужно ли менять "Боинг" и Ту на ковер-самолет? // Природа. 2001. №5. С.60-66.
4. Егорова Т.А., Розанов Е.В., Кароль И.Л. и др. // Метеорология и гидрология. 2002. №1. С.5-13.
Май 2003