Парниковый эффект и его моделирование в условиях лаборатории

VII ГОРОДСКАЯ МЕЖШКОЛЬНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКУ»

Секция «Экология»

«Парниковый эффект

и его моделирование в условиях лаборатории»

Автор: Баженов Олег Александрович,

учащийся 5 «А» класса МОУ СОШ № 102 с углубленным

изучением отдельных предметов Промышленного района г. Самары

Научный руководитель: Баженова Елена Менделевна,

учитель биологии высшей категории

Научный консультант: Семенов Александр Алексеевич,

кандидат биологических наук, доцент кафедры общей

биологии, теории и методики обучения СГПУ

Самара, 2007 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Рост численности населения на планете и интенсификация человеческой деятельности в связи с научно-технической революцией неминуемо приводят к резкому росту антропогенного влияния на природу. В результате на Земле происходят перераспределение водных ресурсов, изменение местного климата, преобразование некоторых черт рельефа.

В последние десятилетия наблюдается резкое повышение температуры, когда зимой вместо отрицательных температур, месяцами стоят оттепели до 5 – 8 градусов тепла, а в летние месяцы – засухи и суховеи, иссушающие почву Земли и ведущие к ее эрозии. Почему это происходит? Такое изменение температуры объясняется учеными тем, что меняется сам климат нашей планеты. Но здесь их мнения расходятся. Одни утверждают, что это всего лишь временное потепление, предшествующее еще одному ледниковому периоду (как предполагается, за время существования земли их было несколько), другие настаивают, что за потеплением последует похолодание, но не на- столько сильное, чтобы угрожать жизни человечества. Данные наблюдений не подтверждают теории глобального потепления, особенно это касается наземных наблюдений в Арктике и результатов спутникового дистанционного зондирования. Но, тем не менее, большинство ученых сходятся во мнении, что начинается глобальное потепление. Причинами называются и естественное колебание средней температуры, и солнечная активность, и параметры орбиты Земли, и парниковые газы. Последние лежат в основе парникового эффекта [6].

Нас заинтересовали вопросы глобального потепления на Земле, и мы решили ознакомиться с сутью парникового эффекта, смоделировав его в условиях школьной лаборатории.

В задачи исследования входило:

1) изучить сущность понятия «парниковый эффект»;

2) выявить отрицательные и положительные последствия парникового эффекта;

3) определить пути решения проблемы глобального потепления Земли;

4) построить модель, демонстрирующую парниковый эффект;

5) доказать, что повышение концентрации углекислого газа, способствует увеличению парникового эффекта.

1. ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ЕГО ПОСЛЕДСТВИЯ

    И ПУТИ РЕШЕНИЯ

1.1. Сущность парникового эффекта. Парниковые газы

В результате хозяйственной деятельности человека изменяется газовый состав и запыленность нижних слоев атмосферы. С распаханных земель во время пыльных бурь поднимаются в воздух миллионы тонн частиц почвы. При разработке полезных ископаемых, при производстве цемента, при внесении удобрений и трении автомобильных шин о дорогу, при сжигании топлива и выбросе отходов промышленных производств в атмосферу попадает большое количество взвешенных частиц разнообразных газов. Сейчас в атмосфере Земли углекислого газа стало на 25% больше, чем 200 лет назад [6]. Эти газы накапливаются в атмосфере и задерживают часть отраженного поверхностью Земли солнечного излучения, что приводит к возрастанию температуры (так называемый парниковый эффект) (рис. 1).

Рис. 1. Схема парникового эффекта [6]

Еще С. Аррениус выдвинул гипотезу: поскольку углекислый газ поглощает тепловое излучение, то естественно предположить, что чем больше его в атмосфере, тем теплее становится на Земле. С повышением концентрации углекислого газа в воздухе связан парниковый эффект, который проявляется в нагреве внутренних слоев атмосферы Земли. Это происходит потому, что атмосфера пропускает основную часть излучения Солнца. Часть лучей поглощается и нагревает земную поверхность, а от нее нагревается атмосфера. Другая часть лучей отражается от поверхности планеты и это излучение поглощается молекулами углекислого газа, что способствует повышению средней температуры планеты. Действие парникового эффекта аналогично действию стекла в оранжерее или парнике (от этого возникло название "парниковый эффект") [1]. Под ним понимают возможное повышение глобальной температуры планеты в результате изменения теплового баланса, обусловленное постепенным накоплением парниковых газов в атмосфере. К последним относятся СО2, СН4, NО2, фреоны [5].

Основным парниковым газом является диоксид углерода. Его вклад в парниковый эффект составляет от 50 до 60%. Углекислый газ постоянно образуется в природе при окислении органических веществ: гниении растительных и животных остатков, дыхании, сжигании топлива. Парниковый эффект происходит из-за нарушения человеком круговорота углекислого газа в природе. Его основным источником служат процессы сжигания органического топлива (уголь, газ, нефть и продукты ее переработки, горючие сланцы, дрова). Все эти вещества состоят в основном из углерода и водорода. Поэтому их еще называют органическим, углеводородным топливом. За счет их сжигания в атмосферу поступает до 80%  двуокиси углерода.

При горении, как известно, поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Вследствие этого процесса, каждый год человечество выбрасывает в атмосферу 7 миллиардов тонн углекислого газа! Одновременно с этим на Земле вырубаются леса – один из самых главных потребителей углекислого газа, причем, вырубаются со скоростью 12 гектаров в минуту! Вот и получается, что углекислого газа в атмосферу поступает все больше и больше, а потребляется растениями все меньше и меньше.

Поэтому одним из самых важных результатов, привлекающих к себе внимание ученых и широко обсуждаемых в литературе, является повышение концентрации углекислого газа в атмосфере [5].

1.2. Положительные и отрицательные последствия парникового эффекта

Глобальное потепление климата и обусловленное им повышение уровня Мирового океана многими учеными рассматривается как величайшая катастрофа не только для отдельных экосистем, но и биосферы в целом [2, 5].

В случае повышения уровня океана на 1,5 – 2 м под затопление попадет около 5 млн. кв. км земель, причем наиболее плодородных и густозаселенных. На них проживает около 1 млрд. человек и собирается почти треть урожая многих сельскохозяйственных культур.

Повышение температуры на Земле может вызвать поднятие уровня моря, так как вода, нагреваясь, становится менее плотной и расширяется, расширение морской воды приведет к общему повышению уровня моря; повышение температуры может растопить часть многолетних льдов, покрывающих некоторые районы суши, например, Антарктиду или  высокие горные цепи. Образовавшаяся вода в конечном итоге стечет в моря, повысив их уровень. Ледяной покров Арктики представляет собой огромный слой плавучего льда. Подобно Антарктиде, Арктика также окружена множеством айсбергов. Климатологи подсчитали, что если растают гренландские и антарктические ледники, уровень Мирового океана повысится на 70-80 м.

Помимо подъема уровня океана потепление климата будет сопровождаться увеличением степени неустойчивости погоды, смещением границ природных зон, ростом числа штормов и ураганов.

Уменьшение различий температуры на полюсах и экваторе (в основном за счет более сильного потепления полюсов) вызовет, в свою очередь, подтаивание вечномерзлых почв, высвобождение из них огромных количеств метана, что усилит парниковый эффект.

Нарушится водно-солевой баланс океанов, а также изменятся траектории движения циклонов и антициклонов.

Изменение климата может оказать негативное влияние на здоровье людей, как следствие усиления теплового стресса в южных районах, так из-за распространения многих видов заболеваний.

Если температура на Земле повысится, многие животные не смогут адаптироваться к климатическим изменениям. Многие растения погибнут от недостатка влаги, и животным придется переселиться в другие места в поисках пищи и воды. Если повышение температуры приведет к гибели многих растений, то вслед за ними вымрут и многие виды животных.

Кроме отрицательных последствий глобального потепления, можно отметить несколько положительных. Глобальное потепление может улучшить климат юга России. Оно может привести к тому, что в Калмыкии, Ставропольском крае, Астраханской и Ростовской областях и других южных регионах произойдет перемена восточного направления ветра на западное, которое принесет большее количество осадков. Изменение направления ветра также будет способствовать очищению атмосферы. Господствующий в настоящее время восточный ветер приносит на юг России загрязняющие вещества антропогенного и природного характера, а западный, наоборот, увеличивает приток свежего и чистого воздуха. Климат станет мягче – не будет перепадов температуры и резкой смены погоды [6].

1.3. Пути решения проблемы парникового эффекта

В настоящее время обсуждаются различные меры, которые могли бы воспрепятствовать нарастающему "антропогенному перегреву" Земли. Существует предложение извлекать избыток СО2 из воздуха, сжижать и нагнетать в глубоководные слои океана, используя его естественную циркуляцию. Другое предложение заключается в том, чтобы рассеивать в стратосфере мельчайшие капельки серной кислоты и уменьшать тем самым приход солнечной радиации на земную поверхность [3].

Решение проблемы СО2 должно осуществляться путем восстановления почвенного и растительного покрова с максимальными запасами органического вещества всюду, где это возможно.

Одновременно должен быть усилен поиск, направленный на замену ископаемого топлива другими источниками энергии, в первую очередь экологически безвредными, не требующими расхода кислорода, шире использовать водную, ветровую, солнечную энергию. Но для начала надо просто уменьшить потребление ископаемого топлива. Резко сократить использование угля и нефти, которые выделяют на 60% больше диоксида углерода на единицу производимой энергии, чем любое другое ископаемое топливо в целом; использовать вещества (фильтры, катализаторы) для удаления диоксида углерода из выброса дымовых труб углесжигающих электростанций и заводских топок, а также автомобильных выхлопов; повысить энергетический коэффициент полезного действия; требовать, чтобы в новых домах использовались более эффективные системы отопления и охлаждения; удалить с прибрежных территорий резервуары для хранения опасных веществ; расширить площади существующих заповедников и парков; создавать законы, обеспечивающие предупреждение глобального потепления; выявлять причины глобального потепления, наблюдать за ними и устранять их последствия.

Пути решения проблемы чистого воздуха вполне реальны. Первый – борьба с сокращением растительного покрова Земли, планомерное увеличение в его составе специально подобранных пород, очищающих воздух от вредных примесей. Большое место в борьбе с загрязнением атмосферы принадлежит орошению пустынь и организации тут культурного земледелия, созданию мощных лесозащитных полос. Предстоит провести огромную работу по уменьшению и полному прекращению выброса в атмосферу дыма и других продуктов сгорания.

Все более неотложными становятся поиски технологии для "беструбных" промышленных предприятий, работающих по замкнутой технологической схеме – с использованием всех отходов производства [3].

Надеемся, что гений человечества способен решить эту грандиозную задачу.

2. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В основу работы была положена методика по моделированию парникового эффекта, представленная в книге известного американского ученого Бернарда Небела «Наука об окружающей среде: Как устроен мир» [4].

Для создания модели брали аквариум объемом на 10 л воды. На дно аквариума насыпали слой почвы толщиной 2 – 3 см, увлажняли ее с помощью пульверизатора. На поверхности грунта ставили комнатный термометр шариком вверх. Прямо над аквариумом в 20 см устанавливали настольную лампу так, чтобы свет падал на шарик термометра. Выключив ее, давали температуре упасть до комнатной. Записывали эту температуру. Закрывали аквариум стеклом. Включали лампу и записывали температуру каждую минуту в течение 20 минут (рис. 2). После этого выключали лампу, давали температуре упасть до комнатной, на дно аквариума помещали чашку Петри, клали в нее небольшие кусочки мела и мрамора, добавляли немного соляной кислоты. В результате химической реакции выделялся углекислый газ. Аквариум закрывали стеклом, включали лампу и опыт повторяли еще раз (рис. 3).

Рис. 2. Проведение опыта в обычных условиях (фото Е.М. Баженовой)

Рис. 3. Проведение опыта с увеличением концентрации углекислого газа (фото Е.М. Баженовой)

Затем каждый из проделанных опытов повторили еще по 2 раза. Значения, полученные для каждой минуты, суммировали и находили средние арифметические, по которым в результате построили график (рис. 4).

Рис. 4. Изменение температуры в ходе моделирования парникового эффекта при обычных условиях (А) и при увеличении концентрации углекислого газа (Б)

Из графика видно, что температура на протяжении всего эксперимента постепенно увеличивается. Это можно объяснить тем, что лучи, исходящие от лампы, проходят сквозь стекло внутрь аквариума, достигают уровня почвы и нагревают ее, а от нее нагревается воздух. Другая часть лучей отражается от поверхности аквариума, задерживается стеклом, что приводит к постепенному повышению температуры с 19 до 27 °С.

При увеличении концентрации углекислого газа в атмосфере аквариума отражающиеся лучи задерживаются не только стеклом, но и поглощаются молекулами углекислого газа, удерживают тепло внутри модели и способствуют увеличению температуры воздуха в среднем на 1 °С.

Таким образом, увеличение концентрации углекислого газа способствует повышению температуры и приводит к усилению величины парникового эффекта.

ВЫВОДЫ

1. Парниковый эффект – это возможное повышение глобальной температуры планеты в результате изменения теплового баланса, обусловленное постепенным накоплением парниковых газов в атмосфере.

2. Последствиями глобального потепления может стать затопление низменных областей планеты, увеличение осадков, тяжести и частоты чрезвычайных ситуаций; перемещение климатических зон к полюсу; учащение жарких периодов; нехватка продовольствия и голод; ухудшение качества воды; бурное развитие патогенных организмов.

3. Основным путем решения проблемы парникового эффекта является сокращение и регулирование выбросов (поставщиков) "парниковых" газов.

4. Парниковый эффект можно смоделировать в условиях школьной лаборатории.

5. Использование модели объясняет сущность парникового эффекта.

6. Повышение концентрации углекислого газа способствует повышению степени парникового эффекта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Астапенко П.Д. Вопросы о погоде. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 240 с.
2. Борисенков Е.П. Изменение климата и человек. М.: Знание, 1990. 64 с.
3. Лосев К.С. Климат вчера, сегодня ... и завтра? Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 176 с.
4. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир. Т 2. М.: Мир, 1993. 336 с.
5. Экология: Учебное пособие. / Под ред. проф. В.В. Денисова. М.: ИКЦ «Март», 2004. 672 с.
6. http://ref.by/refs/97/22478/! .html