Парниковий ефект

1. Кількісне визначення парникового ефекту [ правити | правити код ]
2. Вплив парникового ефекту на клімат планет [ правити | правити код ]
3. Парниковий ефект і клімат Землі [ правити | правити код ]

Парниковий ефект - підвищення температури нижніх шарів атмосфери планети порівняно з ефективною температурою , Тобто температурою теплового випромінювання планети, спостережуваного з космосу.

Ідея про механізм парникового ефекту була вперше викладена в 1827 році Жозефом Фур'є в статті «Записка про температурах земної кулі і інших планет», в якій він розглядав різні механізми формування клімату Землі, при цьому він розглядав як фактори, що впливають на загальний тепловий баланс Землі (нагрів сонячним випромінюванням, охолодження за рахунок випромінювання, внутрішнє тепло Землі), так і чинники, що впливають на теплоперенос і температури кліматичних поясів (теплопровідність, атмосферна і океанічна циркуляція) [1] [2] .

При розгляді впливу атмосфери на радіаційний баланс Фур'є проаналізував досвід Ф. де Соссюра з зачернённим зсередини посудиною, накритим склом. Де Соссюр вимірював різницю температур всередині і зовні такого судини, виставленого на пряме сонячне світло. Фур'є пояснив підвищення температури всередині такого «міні-парника» в порівнянні з зовнішньою температурою дією двох чинників: блокуванням конвективного теплопереносу (скло запобігає відтік нагрітого повітря зсередини і приплив прохолодного зовні) і різної прозорістю скла в видимому і інфрачервоному діапазоні.

Саме останній фактор і отримав в пізнішій літературі назву парникового ефекту - поглинаючи видиме світло, поверхня нагрівається і випромінює теплові (інфрачервоні) промені; оскільки скло прозоро для видимого світла і майже непрозоро для теплового випромінювання, то накопичення тепла веде до такого зростання температури, при якому кількість проходять через скло теплових променів досить для встановлення рівноваги.

Фур'є постулював, що оптичні властивості атмосфери Землі аналогічні оптичними властивостями скла, тобто її прозорість в інфрачервоному діапазоні нижче, ніж прозорість в діапазоні оптичному, проте кількісні дані по поглинанню атмосфери в інфрачервоному діапазоні довгий час були предметом дискусій.

У 1896 році Сванте Арреніус , Шведський фізико-хімік, для кількісного визначення поглинанні атмосферою Землі теплового випромінювання проаналізував дані Семюела Ленглі про Болометрична світності Місяця в інфрачервоному діапазоні [3] . Арреніус порівняв дані, отримані Ленглі при різних висотах Місяця над горизонтом (тобто при різних величинах шляху випромінювання Місяця через атмосферу), з розрахунковим спектром її теплового випромінювання і розрахував як коефіцієнти поглинання інфрачервоного випромінювання водяною парою і вуглекислим газом в атмосфері, так і зміни температури землі при варіаціях концентрації вуглекислого газу. Арреніус також висунув гіпотезу, що зниження концентрації в атмосфері вуглекислого газу може бути однією з причин виникнення льодовикових періодів [4] .

Кількісне визначення парникового ефекту [ правити | правити код ]

Сумарна енергія сонячного випромінювання, що поглинається в одиницю часу планетою радіусом R {\ displaystyle R} і сферичним альбедо A {\ displaystyle A} дорівнює:

E = π R 2 E 0 r 2 (1 - A) {\ displaystyle E = \ pi R ^ {2} {E_ {0} \ over r ^ {2}} (1-A)} ,

де E 0 {\ displaystyle E_ {0}} - сонячна постійна , І r {\ displaystyle r} - відстань до Сонця.

Відповідно до законом Стефана - Больцмана рівноважний теплове випромінювання L {\ displaystyle L} планети з радіусом R {\ displaystyle R} , Тобто площею поверхні, що випромінює 4 π R 2 {\ displaystyle 4 \ pi R ^ {2}} :

L = 4 π R 2 σ T ¯ E 4 {\ displaystyle L = 4 \ pi R ^ {2} \ sigma {\ bar {T}} _ {E} ^ {4}} ,

де T ¯ E {\ displaystyle {\ bar {T}} _ {E}} - ефективна температура планети.

Кількісно величина парникового ефекту Δ T ¯ {\ displaystyle \ Delta {\ bar {T}}} визначається як різниця між середньою приповерхностной температурою атмосфери планети T ¯ S {\ displaystyle {\ bar {T}} _ {S}} і її ефективною температурою T ¯ E {\ displaystyle {\ bar {T}} _ {E}} . Парниковий ефект суттєвий для планет з щільними атмосферами, що містять гази , Що поглинають випромінювання в інфрачервоної області спектра, і пропорційний щільності атмосфери . Наслідком парникового ефекту є також згладжування температурних контрастів як між полярними і екваторіальними зонами планети, так і між денними і нічними температурами.

1. ↑ Температури дані в Кельвінах , T ¯ m a x {\ displaystyle {\ bar {T}} _ {max}} - середня максимальна температура опівдні на екваторі , T ¯ m i n {\ displaystyle {\ bar {T}} _ {min}} - середня мінімальна температура.

Парниковий ефект атмосфер обумовлений їх різною прозорістю у видимому і далекому інфрачервоному діапазонах. На діапазон довжин хвиль 400-1500 нм у видимому світлі і ближньому інфрачервоному діапазоні припадає 75% енергії сонячного випромінювання, більшість газів не поглинають випромінювання в цьому діапазоні; релєєвськоє розсіювання в газах і розсіювання на атмосферних аерозолях не перешкоджають проникненню випромінювання цих довжин хвиль в глибини атмосфер і досягненню поверхні планет. Сонячне світло поглинається поверхнею планети і її атмосферою (особливо випромінювання в ближній УФ- і ІЧ-областях) і розігріває їх. Нагріта поверхня планети і атмосфера випромінюють в далекому інфрачервоному діапазоні: так, в разі землі при T ¯ S {\ displaystyle {\ bar {T}} _ {S}} рівному 300 K , 75% теплового випромінювання доводиться на діапазон 7,8-28 мкм , для Венери при T ¯ S {\ displaystyle {\ bar {T}} _ {S}} рівному 700 K - 3,3-12 мкм .

Атмосфера, що містить багатоатомні гази (двоатомні гази діатермічне - прозорі для теплового випромінювання), які поглинають в цій області спектра (т. Зв. парникові гази - H2O , CO2 , CH4 та ін. - див. Рис. 1), істотно непрозора для такого випромінювання, спрямованого від її поверхні в космічний простір, тобто має в ІК-діапазоні велику оптичну товщину . Внаслідок такої непрозорості атмосфера стає гарним теплоізолятором, що, в свою чергу, призводить до того, що переизлучение поглиненої сонячної енергії в космічний простір відбувається у верхніх холодних шарах атмосфери. В результаті ефективна температура Землі як випромінювача виявляється нижчою, ніж температура її поверхні.

У формуванні парникового ефекту дуже велика і мало вивчена роль хмар в атмосфері, особливо вночі і взимку в помірних і полярних широтах [5] .

Вплив парникового ефекту на клімат планет [ правити | правити код ]

Ступінь впливу парникового ефекту на приповерхневі температури планет (при оптичної товщині атмосфери <1) залежить від оптичної щільності парникових газів, хмар в атмосфері планети [5] , І, відповідно, їх парціального тиску у поверхні планети. Таким чином, парниковий ефект Δ T ¯ {\ displaystyle \ Delta {\ bar {T}}} найбільш виражений у планет з щільною атмосферою, складаючи у Венери ~ 500 K.

Разом з тим слід зазначити, що величина парникового ефекту залежить від кількості парникових газів в атмосферах і, відповідно, залежить від хімічної еволюції і змін складу планетарних атмосфер.

Парниковий ефект і клімат Землі [ правити | правити код ]

За ступенем впливу на клімат парникового ефекту Земля займає проміжне положення між Венерою і Марсом: у Венери підвищення температури приповерхневої атмосфери в ~ 13 разів вище, ніж у Землі, в разі Марса - в ~ 5 разів нижче; ці розбіжності є результатом різної щільності і складів атмосфер цих планет.

при незмінності сонячної постійної і, відповідно, потоку сонячної радіації, середньорічні приповерхневих температури і клімат, визначаються тепловим балансом Землі. Для теплового балансу виконуються умови рівності величин поглинання короткохвильового радіації і випромінювання довгохвильової радіації в системі Земля-атмосфера. У свою чергу, частка поглиненої короткохвильового сонячної радіації визначається загальним (поверхню і атмосфера) альбедо Землі. На величину потоку довгохвильової радіації, що йде в космос, істотно впливає парниковий ефект, в свою чергу, залежить від складу і температури земної атмосфери і хмарного покриву в атмосфері [5] .

Основними парниковими газами, в порядку їх оцінюваного впливу на тепловий баланс землі , є водяна пара , вуглекислий газ , метан і озон [7]

Основні парникові гази атмосфери Землі Газ
Формула
внесок
(%) Водяна пара H2O 36 - 72% Діоксид вуглецю CO2 9 - 26% Метан CH4 4 - 9% Озон O3 3 - 7%

Головний внесок у парниковий ефект земної атмосфери вносить водяна пара або вологість повітря тропосфери , Вплив інших газів набагато менш істотно через їхню малу концентрації. Також істотний внесок вносить хмарний покрив в атмосфері Землі [5] .

Разом з тим концентрація водяної пари в тропосфері істотно залежить від приповерхневої температури: збільшення сумарної концентрації «парникових» газів в атмосфері повинне привести до посилення вологості і парникового ефекту, викликаного водяною парою, який в свою чергу призведе до збільшення приповерхневої температури.

При зниженні приповерхностной температури концентрація водяної пари падає, що веде до зменшення парникового ефекту, і, одночасно з цим при зниженні температури в приполярних районах формується сніжно-крижаний покрив, що веде до підвищення альбедо і, спільно, зі зменшенням парникового ефекту, що викликає зниження середньої приповерхневої температури.

Таким чином, клімат на Землі може переходити в стадії потепління і похолодання в залежності від зміни альбедо системи Земля - ​​атмосфера і парникового ефекту.

Кліматичні цикли корелюють з концентрацією вуглекислого газу в атмосфері : протягом середнього і пізнього плейстоцену , Що передують сучасному часу, концентрація атмосферного вуглекислого газу знижувалася під час тривалих льодовикових періодів і різко підвищувалася під час коротких межледниковий .

Протягом останніх десятиліть спостерігається зростання концентрації вуглекислого газу в атмосфері .

1. ↑ Joseph Fourier. Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires p.97-125 Mémoires de l'Académie royale des sciences de l'Institut de France, t. VII, p.570 à 604. Paris, Didot; 1827 // Gallica-Math: Œuvres complètes (неопр.) (Недоступна посилання). Дата звернення 23 травня 2008. Читальний зал 6 грудня 2008 року.
2. ↑ Тепло, що виділяється в результаті людської активності Жозеф Фур'є не розглядав як значимого фактора.
3. ↑ Samuel P. Langley (and Frank W. Very). The Temperature of the Moon, Memoir of the National Academy of Sciences, vol. iv. 9th mem. 193pp (1890)
4. ↑ «On the Influence of Carbonic Acid in the Air Upon the Temperature of the Ground» , Philosophical Magazine and Journal Science, Series 5, Volume 41, pages 237-276 (англ.)
5. ↑ 1 2 3 4 Олександр Чернокульскій. Клімат як відображення хмар // Наука і життя . - 2017. - № 10. - С. 70-77.
6. ↑ Порівняльні значення для трьох планет земної групи без урахування тиску водяної пари, температури наведені в Кельвінах .
7. ↑ : Kiehl, JT; Kevin E. Trenberth (1997-02). "Earth's Annual Global Mean Energy Budget" . Bulletin of the American Meteorological Society. 78 (2): 197-208. DOI : 10.1175 / 1520-0477 (1997) 078 <0197: EAGMEB> 2.0.CO; 2 . ISSN 0003-0007 .