ЖУРНАЛ «ПРИРОДА»
№ 6, 2003 г.

© 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