Шахтный метан возникает в процессе трансформации органических остатков в уголь под влиянием высоких давлений и температур. Можно считать, что в глубинах земли происходит пиролиз органических веществ. Растительные остатки содержат большое количество лигнина, в структуре которого имеется много метильных групп. В ходе термической переработки происходит освобождение метильных радикалов, которые затем отрывают атом водорода от органических молекул и превращаются в метан. Добыча 1 т угля сопровождается выделением 13 м3 чистого метана.
Аналогичный механизм образования метана наблюдается и при горении биомассы. Основной источник метана, выделяющегося при горении биомассы, находится в Африке, где широко практикуется сжигание соломы при подготовке почвы для нового урожая. Использование дерева для приготовления пищи и отопления дает незначительный вклад. Величины потоков метана приведены в табл. 1. Видно, что страны бывшего СССР производят около 5—15% от общего потока метана в атмосферу. В качестве источника не включены насекомые, так как количество термитов на территории бывшего СССР было крайне незначительным. Гидраты метана также не включены, так как оценка запасов гидратов метана в мире и странах бывшего СССР пока очень приблизительна. Следует отметить, что и оценка потока метана от гидратов метана приводит пока к незначительной величине.
Вывод: Роль метана в экологических процессах исключительно велика. В настоящее время насущной задачей для многих регионов земного шара, и в том числе для России, являются инвентаризация существующих источников метана, выявление и прогнозирование появления новых источников. Это важно ещё и потому, что при экспериментальных измерениях мощностей отдельных источников выявлена значительно меньшая мощность, чем предполагалось. Потому не исключена возможность, что мы столкнёмся в будущем с проблемой дефицита метана из традиционных источников, который удастся ликвидировать только на основе изучения нетрадиционных источников.
Парниковый эффект
Быстрое развитие промышленности, энергетики, транспорта, животноводства, выращивание риса, добыча газа приводят к выбросу в атмосферу газов, аэрозолей и пыли, вызывающих парниковый эффект, кислотные дожди, озоновые дыры, различные болезни дыхательных путей. В 1998 г. 50 млн россиян из 147 млн дышали воздухом с различными примесями, концентрации которых превышали предельно допустимые параметры (ПДК).
Сущность парникового эффекта состоит в том, что атмосфера почти целиком пропускает излучение Солнца к Земле, но из-за наличия в атмосфере парниковых газов (газов, вызывающих парниковый эффект) заметно задерживает обратное тепловое (инфракрасное) излучение земной поверхности. Парниковые газы образуют как бы «стеклянную крышу парника» над планетой, и большая часть излучаемого Землей тепла возвращается назад. Тепловая энергия накапливается в приповерхностных слоях атмосферы тем интенсивнее, чем больше в них концентрация парниковых газов. Усиление парникового эффекта приводит к повышению температуры на поверхности Земли и потеплению климата. Благодаря существованию парникового эффекта только 20% теплового излучения земной поверхности безвозвратно уходит в космос. Если бы Земля не имела атмосферы с парниковыми газами, то средняя температура ее поверхности была бы на 33° ниже. Сейчас средняя температура планеты 15°С. Главным парниковым газом на Земле является водяной пар. Огромный вклад в парниковый эффект вносят двуокись углерода СО2 (60% вклада) и метан СН4 (20% вклада). К парниковым газам относятся также закись азота N20 (5% вклада), фреон (15% вклада) и озон.
Двуокись углерода поступает в атмосферу в результате сжигания углеродсодержащих видов топлива (каменный уголь, нефть, газ) в промышленности, автомобильных двигателях (на Земле используется около 600 млн автомобилей), теплоэлектростанциях. В настоящее время в атмосфере содержится 2, 6
103 млрд т СО2 и ежегодно выбрасывается в атмосферу 20 млрд т (6 млрд т углерода). 2 млрд т углерода в СО2 перерабатывается зелеными растениями на суше в процессе фотосинтеза, 2 млрд т перерабатывается в океане, оставшиеся 2 млрд т не перерабатываются и концентрация СО2 в атмосфере возрастает. Если до начала интенсивной человеческой деятельности воздух был возобновляемым ресурсом, то теперь он перестал быть таковым.
Последние несколько сотен тысяч лет естественное содержание СО2 в атмосфере колебалось от 180—200 частиц на 1 млн частиц воздуха в периоды оледенений до 280—300 на 1 млн частиц в теплые климатические эпохи. За последние 200 лет концентрация СО2 в воздухе изменилась с 275 до 350 частиц на 1 млн частиц воздуха, т. е. на 25%, а с 1958 по 1990 гг. концентрация СО2 возросла с 315 до 350 частиц на 1 млн.
Никогда за геологическую историю Земли за столь короткое время не менялось в атмосфере на такую большую величину содержание углекислого газа. По расчетам Национальной академии наук США, к 2100 г. ожидается удвоение концентрации СО2, по другим моделям к этому моменту количество СО2 возрастет в 3 раза. Возможно, что удвоение произойдет уже к середине XXIв.
Метан поступает в атмосферу при добыче газа, нефти и угля, производстве биогаза, из-за гниения органических остатков на залитых водой рисовых полях, роста численности крупного рогатого скота (сейчас на Земле 1 млрд голов крупного рогатого скота). Из-за большого количества скота огромное количество метана выбрасывает в атмосферу Новая Зеландия. Концентрация метана в воздухе растет ежегодно на 1, 2-1, 5%. Сейчас его на 60% больше, чем было в доиндустриальную эру. К середине XXI в. ожидается удвоение концентрации метана в атмосфере.
С ростом применения в сельском хозяйстве азотных удобрений и в результате сгорания углеродсодержащих топлив при высоких температурах в ТЭС в атмосферу выбрасывается закись азота N20. Концентрация N20 растет на 0, 3% в год. Концентрация фреонов растет со скоростью 4% в год. В целом к середине следующего столетия парниковое влияние СН4, N2О и фреонов может быть равным эффекту удвоения концентрации СО2 в атмосфере.
По оценкам Международной конференции ЮНЕП, за последнюю сотню лет температура планеты возросла на 0, 5° из-за роста концентрации СО2, а к 2100 г. должно произойти повышение температуры на 1, 5-4, 5°. Для приполярных широт повышение температуры может достигнуть 10°. Уровень Мирового океана может повыситься на 84 - 117 см к 2050 г. и на 56 - 345 см к 2100 г. из-за таяния полярных льдов и теплового расширения воды. При повышении уровня океана на несколько метров будут затоплены такие города, как Нью-Йорк, Лондон, Санкт-Петербург, Амстердам, Шанхай, Токио и густонаселенные прибрежные территории, где проживает от 30 до 50% населения Земли, т. е. миллиарды человек.
С ростом температуры возрастет и количество осадков. Ливни затопят тропики. Засушливые зоны сдвинутся на север. Площади пустынь увеличатся. Урожаи сократятся. Серьезные изменения климата произойдут в Скандинавии, Сибири и на севере Канады.
При глобальном потеплении на 2° зона сплошной многолетней мерзлоты в нашей стране перестанет существовать, а зона лесотундры достигнет побережья Северного Ледовитого океана. Повышение средней температуры на 1-2° в целом может быть благоприятным для сельского хозяйства европейской части нашей страны, так как позволит использовать для теплолюбивых сельскохозяйственных культур обширные территории. Ожидается, что с началом следующего столетия начнется увеличение количества осадков на всей территории нашей страны, включая самые засушливые области.
В 1986 г. Управление по аэрокосмическим исследованиям США (НАСА) опубликовало результаты исследования процессов, определяющих распределение в атмосфере озона и других газов, важных для состояния атмосферы. По этим данным, средняя температура на Земле должна возрасти на 1, 4 - 4, 0° уже к 2030 г. Повышение температуры будет неравномерным: у полюсов больше, чем на экваторе. Если эти прогнозы окажутся правильными, то многие из живущих сегодня людей будут свидетелями самого быстрого из известных в истории Земли повышения температуры: одним из следствий этого потепления будет разрушительное воздействие на обеспечение населения продовольствием (урожай риса может снизиться на 2 - 5%, а кукурузы на 15-24%) и водой. Такие последствия могут стать угрозой для человечества задолго до того, как растают последние льды и поднимется уровень Мирового океана.
Как известно, неточность в прогнозах велика, и исследователям потребуется минимум 10 лет на то, чтобы найти объяснение данным выводам.
Тем не менее, уже совершенно ясно, что человечество бездумно обращается с атмосферой Земли, не представляя себе всех последствий. Мы должны противостоять угрозе крупномасштабного производства СО2 сокращением использования ископаемых топлив и других веществ, влияющих на тепловой баланс.
В 1997 г. на долю США приходилось 20% эмиссии парниковых газов и 25% выбросов СО2. На долю Северной Америки — 35% выбросов СО2, Западной Европы— 26, СНГ— 13, Азии (без СНГ) — 13%. Чтобы уменьшить выброс СО2 надо уменьшить количество сжигаемого углеродсодержащего топлива.
В июне 1988 г. международная конференция в Торонто рекомендовала индустриально развитым странам сократить выброс СО, в атмосферу к 2005г. как минимум на 20%, используя для этой цели АЭС, а также альтернативные источники энергии: ветра, Солнца и др.
В 1992 г. конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро приняла конвенцию об изменении климата. Цель конвенции — добиться стабилизации концентраций парниковых газов в атмосфере на таком уровне, который не допускал бы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему. Стороны договорились к 2000 г. стабилизировать эмиссию этих газов на уровне 1990 г.