Игорь Кароль - Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?

Содержание всякого газа в атмосфере определяется соотношением мощности его источников и стоков (т. е. разрушения в атмосферных химических реакциях и – для некоторых газов – вымывания осадками), а срок пребывания в атмосфере (время жизни) – совокупной скоростью его химического разрушения и механического удаления из атмосферы.

Атмосферная химия метана очень проста и не составляет какой-либо загадки. Молекулы метана не обладают высокой реактивной способностью и взаимодействуют лишь с очень активными радикалами гидроксила ОН* и атомами хлора Cl, а также возбужденного кислорода О( 1D). В тропосфере разрушение СН 4происходит главным образом в реакции с ОН* (на ~90 %), однако в верхней стратосфере (выше 35 км) с ней успешно конкурирует реакция метана с атомарным хлором. Доля реакции СН 4с О( 1D) в фотохимическом стоке метана относительно невелика. Разрушение молекул СН 4солнечными лучами (фотолиз), происходящее в верхней стратосфере, столь незначительно, что в расчетах им часто пренебрегают. Кроме того, метан поглощается почвами в сухих субтропических лесах со скоростью большей, чем во влажных умеренных и тропических.

В результате молекула СН 4, по разным оценкам, живет в атмосфере 8–12 лет.

Рис. 18. Характерное содержание метана, ppbv (parts per billion by volume, 10 –9молекул на молекулу воздуха). В стратосфере разрушение метана гидроксилом приводит к образованию другого важного парникового газа – водяного пара

Химическим путем метан не образуется, поскольку для синтеза его молекул необходимо большое количество энергии. Поэтому атмосферные источники СН 4отсутствуют, и поступление метана в атмосфере полностью определяется его потоками с поверхности Земли (рис. 18). Метан возникает и накапливается в недрах Земли в среде, где гниение отмершей растительности происходит при дефиците свободного кислорода. Таким образом, среди источников метана преобладают микробиологические процессы с участием анаэробных метанобразующих бактерий:

Молекулярный водород (Н2) для осуществления этой реакции выделяется бактериями, не синтезирующими метан, но развивающимися в той же самой среде, что и метаногены. Метан продуцируют также жвачные млекопитающие (в первую очередь, крупный рогатый скот), в кишечнике которых создаются оптимальные условия для существования выделяющих метан микроорганизмов. По оценке Н. М. Бажина [14], «продуктивность» одной коровы составляет 250 л СН 4(целая бочка!) в сутки.

Все источники метана обычно делят на две большие группы: естественные и антропогенные . К первым относят потоки СН 4с поверхности заболоченных территорий, пресноводных водоемов, океанической поверхности, а также метан, образующийся в колониях термитов и выделяемый при сжигании огромных объемов биомассы в результате пожаров.

Здесь необходимо небольшое отступление. Определение суммарного количества метана, поступающего в атмосферу от каждого из источников, – несомненно, важная, но вряд ли решаемая инструментальными средствами задача. Поток СН 4, например, с поверхности заболоченных территорий, существенно зависит от температуры поверхности, типа болота (торфяного, сфагнового и др.), характера растительности и ее плотности, наличия или отсутствия воды на поверхности и других факторов. Поскольку заболоченные территории встречаются довольно часто (исключая полярные области), и каждой местности присущи свой климатический режим и своя растительность, величины потока СН 4с разных увлажненных территорий будут заметно различаться, а организация регулярных измерений потока СН 4в столь большом количестве мест практически неосуществима. Да и смешно представить каждую корову (лошадь, козу и пр.) с индивидуальным датчиком, замеры которого регулярно собирались бы и аккуратно архивировались. А поэтому мощность каждого источника метана определяется с помощью решения обратной задачи: подбирается значение, которое, будучи подставленным в модель, обеспечивало бы максимальное соответствие расчетных концентраций СН 4измеренным. Естественно, получаемые оценки зависят от класса и особенностей используемой модели и заметно различаются у разных авторов. Обзор таких экспертных оценок и комментарии к ним приведены в Scientific Assessment of Ozone Depletion, 1994 [15]. Далее мы воспользуемся именно этим источником. Давность указанной публикации не должна смущать читателя. Несомненно, за почти 20 лет, прошедших с момента ее выхода в свет, приведенные оценки как-то изменились, однако с абсолютной уверенностью можно утверждать, что они не вышли за рамки разброса приведенных в этом обзоре значений. В такой ситуации мы не ставим перед собой задачу сообщить читателю «последние известия с метаноносных полей» и призываем рассматривать приведенные ниже числа лишь для получения представления о порядке величины отдельных источников и соотношении между ними. Однако вернемся к обсуждению существующих источников метана.

Среди естественных источников метана наиболее интенсивен поток СН 4с поверхности заболоченных территорий. Его величина оценивается экспертами в 110 Мт/год (1 Мт = 10 6т) с разбросом значений от 55 до 150 Мт/год, причем более половины (около 60 Мт/год) приходится на тропики, а на северные широты почти все оставшееся – 40 Мт/год. На порядок меньше поток с поверхности океана – 10 Мт/год и с пресноводных поверхностей – 5 Мт/год. Ежегодная производительность термитников оценивается в 20 Мт метана. Еще 40 Мт/год поступает в атмосферу в результате сгорания биомассы при пожарах, в большинстве своем происходящих в тропической зоне. Таким образом, ежегодно благодаря естественным источникам в атмосферу попадает около 200 Мт СН 4(с разбросом оценок от 101 до 355 Мт/год) (рис. 19).

Рис. 19. Мировая эмиссия метана (Мт/год) от естественных ( а ) и антропогенных ( б ) источников

В число антропогенных источников входят потоки, попадающие в атмосферу при добыче ископаемого топлива, с мусорных свалок и при последующем сжигании бытовых отходов, очистке сточных вод, расширении сельскохозяйственных угодий (в том числе рисовых плантаций), при разведении крупного рогатого скота.

Совместные усилия угле-, газо– и нефтедобывающих предприятий во всем мире увеличивают эмиссию метана в атмосферу на 100 Мт/год (в природном газе на его долю приходится 77–99 %, в попутных нефтяных – 31–90 %, в рудничном – 34–40 %). Из этих 100 Мт/год промышленной эмиссии примерно 47 дает добыча и сжигание угля, а 37 и 17 Мт/год соответственно – утечка из скважин и при транспортировке газа и нефти.