Чтение онлайн

Упоминание о метане (CH4) у большинства людей обычно ассоциируется со взрывами и человеческими жертвами на угольных шахтах. «Явление метана народу», т. е. атмосфере, происходит по многим каналам. В их череде «шумный» выход метана на поверхность по стволам угольных шахт – канал, пожалуй, самый эпатажный, но совершенно не типичный. Как вскоре убедится читатель, метан предпочитает просачиваться в атмосферу без лишнего шума, тихой сапой. Между тем данные измерений свидетельствуют о том, что с начала индустриальной эпохи (около 1750 г.) содержание в атмосфере метана увеличилось в 2,5 раза (для сравнения: концентрация CO2 за тот же период возросла примерно на 30 %).

Замахнуться на гегемонию CO2 в обозримом будущем ему едва ли по силам, но тем не менее…

Чтобы сократить темпы глобального потепления, резонно попытаться замедлить рост концентрации этого газа (как, впрочем, и других парниковых газов) в атмосфере. В этой связи насущно необходимо познакомиться с ним поближе.

Рис. 17. Шаростержневая модель молекулы метана

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 СН4 происходит 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 СН4 с О(1D) в фотохимическом стоке метана относительно невелика. Разрушение молекул СН4 солнечными 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.

Рис. 18. Характерное содержание метана, ppbv (parts per billion by volume, 10–9 молекул 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 СН4 отсутствуют, 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 СН4 (целая бочка!) в сутки.

Все источники метана обычно делят на две большие группы: естественные и антропогенные. К первым относят потоки СН4 с 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 СН4, 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 СН4 с разных увлажненных территорий будут заметно различаться, а организация регулярных измерений потока СН4 в 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 СН4 измеренным. 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 СН4 с поверхности заболоченных территорий. Его величина оценивается экспертами в 110 Мт/год (1 Мт = 106 т) 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 СН4 (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.

Подсчитано, что крупный рогатый скот продуцирует 80 Мт СН4 в год. (В 2000 г. насчитывалось чуть больше 1 млрд голов, из них 314 млн – в Индии, 150 – в Бразилии, 130 – в Китае и около 100 млн – в США.)

Ежегодный поток СН4 в атмосферу с рисовых плантаций оценивается в 60 Мт, еще около 30 Мт СН4 в год попадает в атмосферу при других способах землепользования; при накоплении и переработке мусора – 57 Мт в год. Географическое распределение этих потоков напрямую зависит от экономического развития страны, численности и плотности населения, отчасти от национальных традиций. Примерно вдвое меньше, 25 Мт СН4 в год, обеспечивает очистка сточных вод.

В итоге из антропогенных источников в атмосферу попадает около 360 Мт/год (от 259 до 537) СН4 при общем его объеме в 560 Мт/год (от 360 до 892).