ДонНТУ   Портал магистров

Работа по курсу Методология и методы научных исследований

На первом курсе магистратуры одним из изучаемых предметов был курс Методология и методы научных исследований. В рамках этого курса необходимо было написать научную статью на волнующую тему с разработкой программной модели, характеризующей описанные процессы.

С раннего детства я любил смотреть телеканалы: Discovery, Nat Geo Wild, National Geographic и передачи подобной тематики. Это пробудило во мне интерес к окружающему миру, процессам, протекающим в нём, а так же к глобальным проблемам, которые неизбежно возникают в результате деятельности человека. Именно поэтому, когда стал вопрос, какую бы я хотел выбрать тему для исследования, я, не долго думая, выбрал тему: проблема глобального потепления. В ходе исследования данная тема меня увлекла достаточно сильно. И именно эту статью я хочу предоставить читателям.



ПРОБЛЕМА ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ

М. К. Кравченко
Донецкий Национальный Технический университет,
г. Донецк, Донецкая Народная Республика

Содержание

  1. Аннотация
    2.
  2. Изменения климата на протяжении существования Земли
    3.
  3. Влияние человека на изменения состава воздуха
    4.
  4. Математическое описание изменения температуры в зависимости от концентрации газов
    5.
  5. Моделирование
    6.
  6. Анализ результатов
    7.
  7. Вывод
    8.
  8. Обзор аналогичный работ
    9.
  9. Литература
    10.

Аннотация

В данной работе выполнен анализ постепенного изменения климата Земли. Рассмотрены проблемы значительного ускорения этих изменений в последние десятилетия в связи с изменениями концентрации парниковых газов в атмосфере. Выявлены проблемы, к которым приведут дальнейшие изменения в том же направлении. Разработана математическая модель роста парниковых газов и на её основе реализован алгоритм в среде разработки MATLAB.

Ключевые слова: парниковый эффект, концентрация газов, глобальное потепление, атмосфера, климат.

Изменения климата на протяжении существования Земли

Планета Земля — это сложная система с огромным количеством структурных элементов и процессов. Климат на планете постоянно менялся, теплые периоды сменялись холодными и наоборот. С появлением человека эти изменения не прекратились, а некоторые даже ускорились. Ученые по всему Миру занимаются поиском причин возникновения проблемы глобального потепления и пути её устранения. Предположений очень много, но одним из самых популярных является то, что виной всему человек.

В настоящее время технологический процесс стремительно развивается. Непрерывное увеличение воздействия человека на природу не остается незамеченным. Каждый год в атмосферу Земли выбрасывается миллиарды тон различных веществ, которые изменяют процентное соотношение газов в атмосфере. Ежегодно по всему миру вырубается сотни тысяч квадратных километров лесов. Это приводит к уменьшению «лёгких планеты», что в конечном итоге так же сказывается на изменении состава воздуха. Все эти изменения могут приводить к непрерывному повышению температуры на нашей планете. Проблема глобального потепления начала беспокоить мировую общественность ещё в XX веке. За последние 100 лет средняя температура воздуха возросла примерно на 1 °С. Вопрос, есть ли в этом вина человека, остается актуальным.

Термин Глобальное потепление впервые использовал Уоллес Брокер в своей статье Изменения климата: Находимся ли мы на пороге резкого глобального потепления? , которая была опубликована 8 августа 1975 года. Данная статья была посвящена постепенной смене температур с 1940-х годов и на тот момент не воспринималась в серьез. Общепризнанным термин «глобальное потепление» стал после выступления климатолога НАСА Джеймса Хансена в сенате США в июле 1988 года, где он с уверенностью выделил причинно-следственную связь парникового эффекта и наблюдаемого потепления [2].

В 1994 году был начат международный эксперимент по исследованию и измерению альбедо Земли [8]. Альбедо — характеристика отражательной способности поверхности: процентное отношение потока излучения, рассеянного поверхностью по всем направлениям, к падающему на неё потоку. Эти исследования подтвердили факт роста температуры.

Конечно изменения климата начались не в ХХ веке. Это непрерывный процесс, который происходил на протяжении всего существования нашей планеты. За миллионы лет эволюции поверхность нашей планеты существенно изменялась (рис. 1). Вместе с тем менялся и климат. Холодные периоды сменялись теплыми, некогда пустынные места становились непроходимыми джунглями и наоборот. Донецкая область богата своими угольными запасами. Уголь — это не что иное, как окаменелые растения, некогда густорастущие на данной территории [5]. Исходя из этого становится понятно, что изменения климата происходили за долго до появления первого человека и продолжаются по данный момент.

Рисунок 1 – Этапы формирования Земли

Рисунок 1 — Этапы формирования Земли

Закономерно возникает вопрос, почему эта тема актуальна в наше время. Дело в том, что изменения климата — это достаточно длительный и плавный процесс и существенные изменения происходили на протяжении миллионов лет. Но за последние годы изменения климата сильно ускорились, что обеспокоило мировую общественность. Национальное космическое ведомство NASA ведет учет изменения температур с 1880 года [4]. Аномальное повышение температур по месяцам года увеличилось на 2 °С (рис. 2), а среднегодовая температура повысилась более, чем на 1 °С (рис. 3).

Рисунок 2 – Аномальные изменения по месяцам с 1880-го года

Рисунок 2 — Аномальные изменения по месяцам с 1880-го года

Рисунок 3 – Среднегодовое изменение температуры с 1880-го года

Рисунок 3 — Среднегодовое изменение температуры с 1880-го года

Вместе с температурными изменениями повысилась концентрация СО2 в атмосфере (рис. 4).

Рисунок 4 – Изменение содержания СО<sub>2</sub> в атмосфере на протяжении 400 тысяч лет

Рисунок 4 — Изменение содержания СО2 в атмосфере на протяжении 400 тысяч лет

Исходя из статистических показателей факт глобального потепления становится очевидным. Остается вопрос, происходит ли это по вине человека или это совершенно независимый процесс, который происходил за миллионы лет до первых людей. Ученые давно ведут споры на этот счёт. И нет единой общепризнанной причины глобального потепления. Зато существует множество гипотез, которые доказывают или опровергают эту теорию.

Влияние человека на изменения состава воздуха

В настоящее время воздух подвергается постоянным загрязнениям из-за развития таких производств, как: топливно-энергетическая, металлургическая, нефтехимическая и прочие промышленности. Каждый год в атмосферу выбрасываются десятки мегатонн различных вредных газов. Среди них углекислый газ, метан, закись азота и другие [7].

Одним из самых опасных и предположительно наиболее влияющим на изменение климата является углекислый газ (СО2). За последние 30 лет количеств выбросов СО2 возросло более чем в 2 раза (рис. 5) [3].

Рисунок 5 – Выбросы СО2 по странам в период 1990-2017

Рисунок 5 — Выбросы СО2 по странам в период 1990–2017

Вторым по значению вклада в парниковый эффект идет метан (CH4). В период с начала 60-х годов по настоящее время произошло удвоение прироста концентрации метана, составившее примерно 0,55 частиц на миллиард, и, за это же время, удвоилось население земного шара. Интересное событие произошло в 80-90-е годы: прирост концентрации метана начал падать. Причины этого не вполне ясны [6]. Список основных парниковых газов завершает закись азота (NO2). Средние темпы роста содержания этого газа в атмосфере за последние десять лет составили приблизительно 0,75 частиц на миллиард, в основном, в результате использования азотсодержащих удобрений, включая органические удобрения, которые оказали сильное воздействие на глобальный азотный цикл. Исходя из этого можно произвести расчеты дальнейшего роста концентрации основных парниковых газов в атмосфере и оценить изменения температуры атмосферы Земли.

Математическое описание изменения температуры в зависимости от концентрации газов

Общий вклад парниковых газов составляет около 35 °С. На водяной пар отводится 20,6 °С вклад в глобальное потепление. На остальные газы примерно 14,4 °С [1]. Основными газами, влияющими на парниковый эффект, являются углекислый газ, метан и закись азота. Принимаем 14,4 °С (без водяного пара) за 100% вклад в парниковый эффект. В таблице 1 приведены данные по каждому из основных парниковых газов. Процентный рост в год выбран исходя из количественного увеличения газов за последние десятки лет.

Таблица 1 — Основные показатели парниковых газов

Газ Содержание
(миллионных долей)		 Вклад (%) Вклад (%)
СО2 403,3 70% 0,6
СН4 1,853 18% 1
NО2 0,324 6% 0,23

Исходя из выбранных значений можно узнать вклад в повышения температуры каждого из газов:

Рисунок 6 – Формулы вклада в повышение температуры каждого из газов

Ещё 6% вклада в парниковый эффект отходит на иные газы. Этот вклад аналогичен вкладу NO2 и составляет 0,864 °С. Этот показатель принимаем неизменным, так как его количественное изменение н существенно.

Для удобства вычисления дальнейших вычислений произведен расчет вклада одной миллионной доли каждого из газов:

Рисунок 7 – Формулы расчета вклада одной миллионной доли каждого из газов

Отсюда можно сделать вывод, что потенциал закиси азота примерно вдвое выше потенциала метана и в 100 раз выше, чем у углекислого газа. То есть углекислый газ является основным источником потепления только по причине его количества.

Для того, чтобы посчитать количественное изменение любого газа через определенное количество лет достаточно воспользоваться простой формулой процентного прироста:

Рисунок 8 – Формула процентного прироста

где i — год,

Gas(i) — содержание газа в определенный год,

Gas(i+1) — содержание газа в предыдущем году,

kGas — процентный коэффициент роста газа.

То есть для определения газа в n-ом году берем сумму содержания этого же газа в предыдущем году и прирост за год. Для того, чтобы узнать, как изменится температура с изменением концентрации газов необходимо умножить количество газа на его температурный вклад:

Рисунок 9 – Формула температурного вклада

где Gas — содержание газа,

tGas — температурный коэффициент вклада одной миллионной доли газа в парниковый эффект.

Зная, как определить температурный рост, в зависимости от изменения концентрации парниковых газов, можно построить математическую модель изменения температуры.

Моделирование

В качестве среды моделирования была выбрана среда разработки MATLAB. Для удобства работы были написаны две функции: Rise и TempInYaears. Первая выполняет вычисление роста концентрации переданного во входных параметрах газа, а вторая вызывает первую и вычисляет общий рост температуры. Код функций представлен ниже.

Код функции Rise

function [ mGas ] = Rise( GasStart, kGas, years )
% nGas     - количество газа через years лет
% GasStart - начальное колличество газа ( на 2016 год)
% kGas     - коэфициент роста газа за год (в процентах)
% years    - колличество лет, через которое нужно узнать колличество газа
i = 1;
mGas(i) = GasStart;
while years > 0
    i = i + 1;
    mGas(i) = mGas(i-1)/100*kGas + mGas(i-1);
    years = years - 1;       
end
end

Код функции TempInYaears

function [Temp] = TempInYears(years)
% показатели газа на 2017 год
othersGas = 0.864; % это температурный вклад не рассматриваемых газов
CO2 = 403.3;    kCO2 = 0.6;     vklCO2 = 0.025;
CH4 = 1.853;    kCH4 = 1;       vklCH4 = 1.39881;
NO2 = 0.324;    kNO2 = 0.23;    vklNO2 = 2.66666; 
 
newCO2 = Rise(CO2,kCO2,years);
newCH4 = Rise(CH4,kCH4,years);
newNO2 = Rise(NO2,kNO2,years);
 
i = 0;
while years >= 0
    i = i + 1;
    Temp(i) = newCO2(i)*vklCO2 + newCH4(i)*vklCH4 + newNO2(i)*vklNO2 + othersGas;
    years = years - 1; 
end
x = 1:1:i;
plot(x,Temp,'k');
xlabel('Годы'); ylabel('Температура') 
figure
plot(x,newCO2,'r');
xlabel('Годы'); ylabel('Концентрация CO2') 
figure
plot(x,newCH4,'g');
xlabel('Годы'); ylabel('Концентрация CH4') 
figure
plot(x,newNO2,'b');
xlabel('Годы'); ylabel('Концентрация NO2') 
end

В результате моделирования получены следующие значения (рис. 6):

Рисунок 6 – ВПредполагаемые графики изменения за 100 лет: а) средней температуры воздуха; концентрации: б) СО2; в) CH4; г) NO2

Рисунок 6 — Предполагаемые графики изменения за 100 лет:
а) средней температуры воздуха; концентрации: б) СО2; в) CH4; г) NO2

Графики показывают отношения изменений температуры или концентрации, относительно времени в годах. Нулевое значение на оси Годы — соответствует показаниям на 2017 год. Соответственно значение 20 — соответствует 2037-му году и т. д.

Анализ результатов

Результаты моделирования показывают увеличение концентрации парниковых газов. Концентрация СО2 повысится почти вдвое, CH4 — приблизительно втрое, а NO2 — примерно на 30%. Прогнозируемое повышение температуры примерно на 17 °С. Модель изменения парниковых газов прогнозирует постепенное повышение температуры при условии неизменного коэффициента роста концентрации газов. Данные, полученные в результате моделирования, показывают только общую тенденцию роста и не учитывает многих факторов, которые так же оказывают влияние на изменение температуры. Построение более точной модели требует включения в расчеты уровня поглощения СО2 океаном, таяние ледников, нарушение постоянных течений, изменение альбедо Земли и многое другое. Таким образом полученные результаты не являются точными, а дают лишь оценочное суждение о возможных будущих последствиях роста концентрации парниковых газов.

Вывод

В ходе исследования проведен анализ изменения климата Земли на протяжении её существования, выявлены закономерности в скорости этих изменений и в их периодичности. На основании данных, полученных от метеостанций за последние десятилетия, выявлена средняя скорость роста концентрации парниковых газов и построена математическая модель прогнозирования дальнейших изменений. В ходе исследований изменений за последние годы, и, прогнозируемых далее изменений температуры, можно говорить о том, что существует проблема глобального потепления. Человек в процессе жизнедеятельности оказывает влияние на глобальные процессы Земли, что негативно сказывается на природе и нанесении ей вреда. Если не начать сейчас контролировать человеческую деятельность, то в будущем это приведет к непоправимым последствиям негативного изменения климата.

Обзор аналогичных работ

Проанализировав индивидуальные работы прошлых лет я не нашел точно таких же тем в индивидуаильных разделах. Только одну работу можно выделить схожей с выбранной мною темой:

Но статьи по теме проблема глобального потепления встречается среди публикаци студентов ДонНТУ не в индивидуальном разделе. Среди них наиболее близкие по теме следующие:

Литература

1. Егошин А. В., Глобальное потепление: факты, гипотезы, комментарии // Электронный журнал ECOTECO. — Режим доступа: https://ecoteco.ru/library/magazine/4 /ecology/globalnoe-poteplenie-fakty-gipotezy-kommentarii (дата обращения: 14.09.2018).

2. Термин Глобальное потепление. [Электронный ресурс] // Редакция газеты Московский Комсомолец Электронное периодическое издание MK. — Режим доступа: https://www.mk.ru/science/article/2010 /08/09/521757-termin-quotglobalnoe-potepleniequot-otmetil-35letie.html (дата обращения: 17.09.2018).

3. Выбросы СО2 от сжигания топлива. [Электронный ресурс] // Ежегодник Enerdatа. — Режим доступа: https://yearbook.enerdata.ru/co2-fuel-combustion/CO2-emissions-data-from-fuel-combustion.html (дата обращения: 17.09.2018).

4. GISS Surface Temperature Analysis [Электронный ресурс] // National Aeronautics and Space Administration Goddard Institute for Space Studies. Режим доступа: https://data.giss. nasa.gov/gistemp/graphs/ (Дата обращения: 18.09.2018).

5. Дубов А., Содержание парниковых газов в атмосфере достигло рекордного уровня // Интернет издание N+1. — Режим доступа: https://nplus1.ru/news/2017 /10/30/greenhouse-gas-record/ (дата обращения: 17.09.2018).

6. Бажин М. Н., Метан в атмосфере // Новосибирский государственный университет. — Режим доступа: http://www.pereplet.ru/obrazovanie/ stsoros/958.html (дата обращения: 02.10.2018).

7. Концентрация парниковых газов в атмосфере достигла рекордного уровня [Электронный ресурс] // Международное информационное агентство Россия сегодня (МИА Россия сегодня). — Режим доступа: https://ria.ru/eco/20111121 /494175540.html (дата обращения: 03.10.2018).

8. Губенков А. Н., Фёдорова О. С. Математическое моделирование глобальных процессов: разрешение парадокса альбедо земли и глобального потепления // Вестник Саратовского государственного технического университета. Выпуск №3 (76). Серия Математика и механика. — Саратов, СГТУ имени Гагарина Ю. А. 2014. С. 7–15.