Проблема СО2 не единственная. Фреоны также способны создавать парниковый эффект. Как уже говорилось, фреоны поступают в атмосферу в процессе их применения в различных промышленных и бытовых установках (рефрижераторы, холодильники, системы кондиционирования воздуха и т. п.). Они выбрасывают в атмосферу и при использовании различных товаров широкого потребления. Это различные аэрозольные парфюмерные и косметические товары, инсектицидные препараты, лаки, краски и т. п. Примерно 85–87 % всех произведенных фреонов попадает в атмосферу. Поскольку фреоны в атмосфере живут десятки лет, они там накапливаются. Это и создает опасность. Если бы они быстро выводились из атмосферы, то эффект от них был бы значительно меньше.
Фреоны, выброшенные в атмосферу, опасны прежде всего тем, что в химических реакциях разрушают молекулы озона, а значит и озонный слой. Последствия этого разрушения очевидны, поскольку озонный слой защищает биосферу и всех нас в том числе от губительного действия ультрафиолетового излучения Солнца. Кроме того, озон обладает способностью создавать парниковый эффект. Такой же способностью обладают N2O, CH4, CCl2 F2, NH3, водяной пар и др.
Способность поглощать инфракрасное излучение у фреонов в несколько раз больше, чем у углекислого газа. Если бы их концентрация была такой же, как концентрация СО2, то последствия от создаваемого ими парникового эффекта были бы катастрофическими. В настоящее время концентрация фреонов недостаточна для создания такого катастрофического парникового эффекта. Но она весьма ощутима в смысле разрушения озонного слоя.
В принципе надо рассматривать действие малых составляющих атмосферы не по отдельности, а совокупно, всех вместе и одновременно. Ведь некоторые из них не повышают температуру атмосферы, а, наоборот, компенсируют влияние других малых составляющих. Прежде всего надо рассматривать азотный цикл в атмосфере, который функционирует в результате сжигания топлива, ядерных взрывов, а также внесения азотных удобрений и др. В этих процессах образуются азотные соединения, которые играют очень важную роль в фотохимии озона, а также в поглощении коротковолнового солнечного излучения. Необходимо анализировать и сернистый цикл. Речь идет главным образом о двуокиси серы, которую человек выбрасывает в атмосферу в результате различных технологических процессов. При этом сера окисляется в H2SO4 и в конце концов переходит в аэрозоль. Влияет на климат стратосферный мелкодисперсный аэрозоль, который состоит из соединений серы. Серная кислота, которая образуется при соединении двуокиси серы с водой, попадает в облака. С осадками она переносится в почву и окисляет ее. Попадает она и в водоемы со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Оценено, что к 2025 году в атмосферу за счет сжигания угля и нефти будет выброшено 1362 миллионов тонн окислов серы. Окислы серы в основном выделяются при сжигании угля. В каменном угле содержится до 3 % серы, тогда как в нефти ее меньше — до 2 %. Состав как угля, так и нефти зависит от того, где они добываются. Имеются источники угля, в некоторых всего 0,71 % серы. В некоторых местах добывают нефть, в которой содержится всего 0,14 % серы.
В настоящее время над городами и городскими районами содержится в среднем не менее 100 мг аэрозоля в каждом кубическом метре воздуха. За пределами городских зон аэрозоля примерно в пять раз меньше. Аэрозоль оказывает влияние на биосферу и здоровье людей. Мы здесь рассмотрим только его влияние на климат.
В нижней части атмосферы — тропосфере сосредотачивается в основном аэрозоль, состоящий из крупных частиц. Его называют крупнодисперсной фракцией аэрозоля. Дело в том, что более мелким, а значит, и более мелким частицам легче подняться вверх, в верхние слои атмосферы. А крупные частицы аэрозоля в тропосфере вымываются осадками. Поэтому эти частицы находятся в атмосфере относительно недолго — от нескольких дней до недель. Редко они задерживаются здесь в течение месяца. Выше тропосферы в стратосферу добираются мелкие частицы аэрозоля (мелкодисперсный аэрозоль). Здесь очищения воздуха осадками нет. Стратосфера очень устойчива, и этот мелкий аэрозоль здесь сохраняется от нескольких месяцев до 1–2 лет. Одновременно здесь идут химические реакции, поэтому состав аэрозоля меняется во времени. Так, поднятая в стратосферу сера со временем превращается в CaSO4, а затем и в серную кислоту H2SO4 — благо, здесь достаточно влаги, чтобы обеспечить такое превращение. Капельки H2SO4 очень мелкие. Они образуют мелкодисперсный аэрозоль. Ясно, что долгоживущий стратосферный аэрозоль намного эффективнее влияет на климат, чем крупный аэрозоль внизу — в тропосфере, который там долго не задерживается.
Аэрозоль неравномерно распределен по высоте. Имеется некоторая высота, на которой его больше всего. Поэтому говорят об аэрозольном слое, где концентрация аэрозольных частиц значительно больше, чем на других высотах, — как ниже, так и выше. Во многих районах Земли ведутся наблюдения за аэрозольным слоем. Изучается не только его высота и концентрация частиц, но и распределение частиц по размерам, их физическая и химическая природа и т. д. В этих исследованиях широко используются лазерные установки, позволяющие по рассеянному излучению получать указанную информацию об аэрозолях.
Все свойства атмосферы зависят от широты. На экваторе они не такие, как в средних широтах, и тем более на полюсах. Естественно, что и аэрозольный слой на разных широтах занимает разную высоту. Над тропиками аэрозольный слой сосредоточен на высотах 15–20 км и несколько выше. Это уже стратосфера. Радиус частиц здесь составляет примерно 0,3 мкм. Причем ими являются в основном соединения серы. Здесь сосредоточен аэрозоль, образующийся в результате извержения вулканов. Но сюда же поднимаются частицы аэрозоля, которые выбрасываются в атмосферу в результате техногенной деятельности человека.
В аэрозольном слое в стратосфере содержится примерно 0,2 миллиона тонн аэрозольных частиц. Рядом с этими частицами (в основном серой) находится около 2,6 миллиона тонн водяного пара. Этого количества воды вполне достаточно для того, чтобы сера и ее соединения, например CaSO4, превращались в серную кислоту H2SO4.
Как измеряют массу аэрозоля? Косвенным путем. Измеряют интенсивность коротковолнового солнечного излучения, которое пробралось через аэрозольный слой и достигло земли. Сколько должно прийти излучения — известно. По тому, сколько ее застряло (поглотилось и рассеялось) в аэрозольном слое, оценивают количество частиц и массу всех частиц, которые встретились на пути солнечного излучения. Экспериментально (эмпирически) устанавливается связь между общей массой аэрозольных частиц и уменьшением солнечного коротковолнового излучения в процентах, а именно: если это уменьшение излучения (в процентах) умножить на 5, то получим общую массу аэрозольных частиц в тропосфере. Масса при этом выражается в миллионах тонн. Для стратосферы надо умножить не на 5, а на 1,1. Отличие в этом плане тропосферы и стратосферы состоит в том, что эффективность поглощения и рассеяния солнечного излучения зависит от размеров частиц, а в стратосфере они мельче, чем в тропосфере. Аэрозольные частицы в тропосфере более крупные и рассеивают солнечное излучение менее эффективно, чем более мелкие частицы выше — в стратосфере. Но одновременно идет и процесс поглощения солнечного излучения.
Если размеры (радиус) частиц в аэрозольном слое в стратосфере равны 0,3 мкм, то при реальной их концентрации они ослабят коротковолновое солнечное излучение примерно на 0,2 %. Результаты этого расчета были подтверждены прямыми измерениями оптической прозрачности атмосферы во время извержения вулкана Агунг в 1963 году, когда было выброшено в стратосферу большое количество аэрозоля. При крупных извержениях вулканов (например, вулкана Кракатау) в тропосферу выбрасывается примерно 100 миллионов тонн или около того. В стратосферу при этом поднимается примерно в пять раз меньше частиц (по их общей массе), то есть около 20 миллионов тонн. Солнечное коротковолновое излучение при этом ослабляется примерно на 20 %, что в сто раз больше ослабления его нормальным аэрозольным слоем (в спокойных условиях).