Парниковый эффект

Парниковый  эффект.

Садоводы хорошо знакомы  с этим физическим явлением. Внутри парника всегда теплее, чем снаружи, и это помогает выращивать растения, особенно в холодное время года. Вы можете почувствовать аналогичный  эффект, когда находитесь в автомобиле. Причина его состоит в том, что Солнце с температурой поверхности около 5000°С излучает главным образом видимый свет — часть электромагнитного спектра, к которой чувствительны наши глаза. Поскольку атмосфера в значительной степени прозрачна для видимого света, солнечное излучение легко проникает к поверхности Земли. Стекло также прозрачно для видимого света, так что солнечные лучи проходят внутрь парника, и их энергия поглощается растениями и всеми объектами, находящимися внутри. Далее, согласно закону Стефана—Больцмана, каждый объект излучает энергию в какой-либо части электромагнитного спектра. Объекты с температурой около 15°С — средней температурой у поверхности Земли — излучают энергию в инфракрасном диапазоне. Таким образом, объекты в парнике испускают инфракрасное излучение. Однако инфракрасное излучение не может легко проходить сквозь стекло, поэтому температура внутри парника повышается.

Планета с устойчивой атмосферой, такая как Земля, испытывает практически  такой же эффект — в глобальном масштабе. Чтобы поддерживать постоянную температуру, Земле необходимо самой излучать столько же энергии, сколько она поглощает из видимого света, излучаемого в нашу сторону Солнцем. Атмосфера служит как бы стеклом в парнике — она не столь прозрачна для инфракрасного излучения, как для солнечного света. Молекулы различных веществ в атмосфере (важнейшие из них — углекислый газ и вода) поглощают инфракрасное излучение, действуя как парниковые газы. Таким образом, инфракрасные фотоны, излучаемые земной поверхностью, не всегда уходят прямо в космос. Некоторые из них поглощаются молекулами парниковых газов в атмосфере. Когда эти молекулы вторично излучают энергию, которую они поглотили, они могут излучать ее как в сторону космоса, так и внутрь, обратно к поверхности Земли. Присутствие таких газов в атмосфере создает эффект укрывания Земли одеялом. Они не могут прекратить утечку тепла наружу, но позволяют сохранить тепло около поверхности более долгое время, поэтому поверхность Земли значительно теплее, чем была бы в отсутствие газов. Без атмосферы средняя температура поверхности составляла бы —20°С, что намного ниже точки замерзания воды.

Важно понимать, что парниковый эффект на Земле был всегда. Без парникового эффекта, обусловленного наличием углекислого газа в атмосфере, океаны давно бы замерзли, и высшие формы жизни не появились бы. В настоящее время научные дебаты о парниковом эффекте идут по вопросу глобального потепления: не слишком ли мы, люди, нарушаем энергетический баланс планеты в результате сжигания ископаемых видов топлива и прочей хозяйственной деятельности, добавляя при этом излишнее количество углекислого газа в атмосферу? Сегодня ученые сходятся во мнении, что мы ответственны за повышение естественного парникового эффекта на несколько градусов.

Парниковый эффект имеет  место не только на Земле. В действительности самый сильный парниковый эффект, о котором мы знаем, — на соседней планете, Венере. Атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, и в результате поверхность планеты разогрета до 475°С. Климатологи полагают, что мы избежали такой участи благодаря наличию на Земле океанов. Океаны поглощают атмосферный углерод, и он накапливается в горных породах, таких как известняк — посредством этого углекислый газ удаляется из атмосферы. На Венере нет океанов, и весь углекислый газ, который выбрасывают в атмосферу вулканы, там и остается. В результате мы наблюдаем на Венере неуправляемый парниковый эффект.

Парниковые  газы и атмосферные аэрозоли.

Любой газ, имеющий полосы поглощения (а значит и излучения) в инфракрасном диапазоне, и практически не имеющий  их в диапазоне видимого света (либо имеющий слабые полосы в этом диапазоне  по сравнению с инфракрасным), будет парниковым в условиях Земли. Несмотря на то что в самой атмосфере происходит перенос тепла разными путями, и участвуют  в нем разные газы,  эффективно излучать энергию в инфракрасном диапазоне, а значит и участвовать в отводе энергии из самой атмосферы в космос могут практически только парниковые газы, основная масса которых сконцентрирована в нижних слоях атмосферы – тропосфере (речь идет прежде всего о водяном паре, который вымораживается на больших высотах, но который дает основной вклад в современный парниковый эффект).

Cамым главным парниковым  газом в земной атмосфере на  сегодняшний день является водяной пар, что связано с высоким содержанием его в атмосфере и наличием у него широких и мощных полос поглощения в инфракрасной области спектра. Кроме того, у водяного пара присутствуют и полосы поглощения в ближней инфракрасной области спектра и даже в красной области видимого спектра  (т.е. захватывается и крайняя часть спектра солнечного излучения), однако эти последние полосы довольно слабы. Вклад водяного пара в общий парниковый эффект составлет ныне около 20,6 °С (4).

Второй по вкладу в общий парниковый эффект сейчас – это углекислый газ. Его вклад составляет сейчас около 7,2 °С (4). Однако, как раз на содержание этого газа в атмосфере человечество влияет непосредственно и очень сильно, и современное повышение температуры обусловлено прежде всего повышением именно его концентрации в атмосфере. За последние два с половиной столетия (т.е. с начала индустриальной эпохи) его содержание в атмосфере выросло приблизительно на 30% (5), причем наиболее интенсивно этот рост происходит в последние десятилетия, что вполне понятно – интенсивно растет потребление энергии человечеством, большую часть которой дает сжигание угля и углеводородов. Как и другие парниковые газы, кроме водяного пара, двуокись углерода не вымораживается при низких температурах, и продолжает оказывать влияние на парниковый эффект постоянно на больших высотах, и в высоких широтах. Особенно важно это было во времена глобальных оледенений, происходивших в истории Земли.

Еще один парниковый газ  – озон, который взаимодействует как с ультрафиолетовым, так и с инфракрасным излучением. Его вклад в парниковый эффект составляет сейчас около 2,4 °С (4). Однако благодаря человеческой деятельности его содержание в атмосфере, в общем, понизилось за последние десятилетия (в стратосфере заметно понизилось, но в тропосфере повысилось), благодаря чему его парниковый эффект оказался ниже, чем мог бы быть, на несколько десятых долей градуса. Несмотря на весьма малое содержание озона в атмосфере, его способность поглощать инфракрасное излучение намного выше чем у углекислого газа, что объясняет столь значимый вклад в общий парниковый эффект. Однако озон поглощает и ультрафиолетовое излучение, что снижает приток энергии от Солнца к земной поверхности, поэтому влияние озона на баланс рассматриваемых потоков энергии довольно неоднозначно.

Закись азота дает сейчас около 1,4 °С в общий парниковый эффект (4). Ее концентрация тоже растет благодаря человеческой деятельности (за счет сжигания различных отходов прежде всего), но не столь быстро, как у углекислого газа. Повышение ее концентрации за всю индустриальую эру составило около 17% (5). Как и у озона, способность поглощать инфракрасное излучение у закиси азота значительно выше, чем у углекислого газа (в 310 раз), что объясняет ее заметный вклад в парниковый эффект при значительно меньших концентрациях в атмосфере.

Однако наиболее пристальное  внимание стоит обратить на метан, хотя пока еще его вклад в общий парниковый эффект составляет около 0,8 °С (4). Его способность поглощать инфракрасное излучение больше чем у углекислого газа в 21 раз (на единицу массы). При этом его концентрация растет очень быстро – с начала индустриальной эпохи она выросла на 150% (причем в основном в последние десятилетия) (5). За счет этого его вклад в происходящее ныне потепление весьма высок – радиационный форсинг (это фактически рост приходящего к поверхности потока энергии, подробнее см. ниже) от изменения концентрации метана в атмосфере к 2000 году составил около 0,5 Вт/м² (5), т.е. треть от радиационного форсинга углекислого газа (1,5 Вт/м²). В связи с активизацией многочисленных положительных обратных связей о которых будет сказано ниже, его вклад в потепление может возрасти очень сильно, возможно даже катастрофически сильно.

Удельное поглощение земного инфракрасного излучения  очень велико и у фреонов – в 3 – 13 тыс. раз выше чем у углекислого газа той же массы. Фреоны, а также закись азота, метан и озон закрывают остающийся после действия паров воды и углекислого газа очень важный островок прозрачности в инфракрасном спектре поглощения земной атмосферы – в области 900-1200 см^-1(3), который расположен вблизи максимума в спектре излучения Земли. Однако содержание фреонов в атмосфере еще очень мало для мощного парникового эффекта, и навряд ли вырастет сильно в ближайшем будущем – природных источников фреонов не существует, все производство и выделение их в атмосферу обусловлено только человеческим фактором, потребности же в них вырастут в обозримом будущем довольно незначительно. К тому же сейчас происходит замена использовавшихся типов фреонов на новые, которые обладают значительно меньшим временем жизни в атмосфере и будут довольно быстро из нее выводиться, практически не накапливаясь.

Кроме парниковых газов, на баланс потоков энергии, проходящих через атмосферу, как уже было упомянуто выше, серьезно влияют и атмосферные аэрозоли, которые несмотря на небольшое свое содержанияе в атмосфере (всего около 60 млн. тонн (4)), довольно сильно влияют на ее оптические свойства. Солнечное излучение проходя через атмосферу к поверхности, испытывает рассеяние на частицах аэрозолей и молекулах газов, что ослабляет доходящий до поверхности поток и возвращает часть его назад в космос.

Аэрозоли оказывают  своеобразный антипарниковый эффект – они довольно сильно рассеивают излучение в видимой области спектра, прежде всего в ее коротковолновой области (рассеяние весьма сильно зависит от частоты, пропорционально четвертой степени ее). А в инфракрасной области аэрозоли взаимодействуют с излучением значительно слабее, хотя у них и встречаются полосы поглощения в этой области спектра, например, у сульфатных аэрозолей, которые, однако, за счет своих оптических свойств в видимой области спектра вносят основной вклад в антипарниковый эффект. Радиационный форсинг от современного изменения содержания аэрозолей в земной атмосфере отрицателен, и по своей величине составляет около 0,7 Вт/м².

Сильного увеличение концентрации сульфатных аэрозолей  в будущем произойти не должно. Поступление этих аэрозолей происходит из двух источников, выбрасывающих  соединения серы в атмосферу –  от вулканической деятельности и промышленных выбросов. Однако ожидать кардинального усиления вулканической деятельности не приходится, а с промышленными выбросами соединений серы развитые страны начали серьезно бороться. Дело в том, что эти содинения серы, взаимодействуя с водяными парами, образуют серную кислоту. Знаменитые выпадения кислотных дождей, разрушающих природу в индустриальных странах – это как раз проявление увеличившегося за последние пару столетий содержания серной кислоты в атмосфере.  В дальнейшем, промышленные выбросы соединений серы будут только снижаться, либо в крайнем случае, лишь ненамного вырастут.

Частички сажи в атмосфере тоже относят к аэрозолям. Находясь на разных выстотах, они по-разному влияют на радиационный баланс поверхности Земли. Они интенсивно поглощают излучение непрерывного спектра в широкой области (и видимой и инфракрасной), в дальнейшем переизлучая его в инфракрасной области. Находясь, в нижних слоях атмосферы и выпадая на поверхность, они способствуют их разогреву, а вот находясь в верхних слоях атмосферы, они фактически преграждают путь части солнечной радиации. Знаменитые расчеты «ядерной зимы» как раз и основаны на предположении, что в результате военного столкновения большие массы сажевых частиц попадут в верхние слои атмосферы.

Следует заметить, что антипарниковый эффект отнюдь не уменьшает действие парникового эффекта так сильно, как это можно было бы подумать. Парниковый эффект действует в любое время суток, а антипарниковый эффект только днем. К тому же парниковый эффект достаточно равномерно распределен по земному шару, а антипарниковый эффект от промышленных выбросов сульфатных аэрозолей привязан в основном к северному полушарию – мировая промышленность, основная часть которой сосредоточена именно в северном полушарии, выбрасывает аэрозоли в тропосферу, а время жизни их в тропосфере невелико (порядка недели, а то и меньше), и достигнуть другого полушария они часто не упевают.