Как работает парниковый эффект, физика процесса
© deutsch-sprechen
Вопросы изменения климата сейчас являются наиболее важными и актуальными во многих странах. И часто проводят параллель между такими изменениями и парниковым эффектом. В статье разберём с физической точки зрения данный процесс и какие последствия он имеет для планеты в целом.
Основной поток тепла на Землю поступает от Солнца в виде электромагнитного излучения, максимум которого приходится на короткие волны (видимый свет). Наша атмосфера практически прозрачна для такой коротковолновой части спектра. Более жёсткое ультрафиолетовое излучение поглощается озоном на высотах более 20 км (в так называемой, озоносфере).
В итоге, основная часть видимого излучения беспрепятственно поступает на земную поверхность, нагревая её. Некоторая доля приходящего солнечного излучения отражается обратно в космическое пространство от верхней границы облаков, а также от самой земной поверхности (эффект альбедо). Отражательная способность различных материалов значительным образом меняется. Например, снег и лёд отражают до 90% всего поступающего излучения, а чернозём всего 15 – 20%. Среднее альбедо для нашей планеты составляет около 0,35 – 0,39. Этот коэффициент имеет безразмерную величину и может меняться в пределах от 0 до 1.
Читайте также
Поскольку от всей суммарной радиации, поступающей на единицу земной поверхности, отражается обратно только её часть, то остальное её количество идёт на нагревание земной поверхности. Далее происходит теплообмен между нагретой земной поверхность и прилегающей атмосферой посредством трёх механизмов: излучение, теплопроводность и конвекция. Наиболее весомый вклад обеспечивается конвекцией (образно говоря, это подъём нагретых пузырей воздуха вверх и опускание вниз менее нагретых порций воздуха) и излучением. Именно последний способ считается наиболее эффективным. Смысл заключается в том, что от солнца к нам поступают короткие волны, а земная поверхность излучает уже в диапазоне более длинных – инфракрасных волн (ИК).
Почему же так происходит, что сперва мы получаем коротковолновую солнечную радиацию, а отдаём инфракрасную? А дело состоит в том, что Солнце гораздо горячее, чем Земля. В среднем, температура фотосферы, то есть видимой поверхности Солнца, составляет около 5500 °С, а средняя температура поверхности Земли примерно +14,5 °С. Выходит разница почти в 380 раз! Каждый предмет или тело обладает излучательной способностью, если его температура выше абсолютного нуля (-273,15 °С). Согласно закону смещения Вина, чем холоднее тело, тем максимум излучения будет приходиться на более длинные волны, обладающие меньшей энергией. Поскольку Земля гораздо холоднее Солнца, то она способна излучать только в длинноволновой части спектра. Его наши глаза уже не могут увидеть. Вот как раз для такого ИК излучения наша атмосфера практически непрозрачна.
Именно за счёт того, что для коротких волн атмосфера прозрачна, а для более длинных уже нет, создаётся тот самый парниковый эффект. Некоторые молекулы воздуха (парниковые газы) устроены так, что у них есть дипольный заряд, который как бы вступает в резонанс с определённой длиной волны, в результате чего они поглощают и переизлучают во все стороны кванты энергии (см рис 1). Поглощение и переизлучение происходит тем интенсивнее, чем больше концентрация определённых газов. В итоге, тепловое излучение оказывается как бы замкнутым в системе Земля – Атмосфера до высоты, где кванты энергии уже способны вырваться из этой цепочки переизлучение и покинуть пределы Земли (высота эффективного излучения). Добавляя количество парниковых газов, происходит увеличение высоты уровня эффективного излучения. Это приводит, в свою очередь, к излучению при более низкой температуре. А поскольку излучение происходит при более низкой температуре, то его энергия становится чуть меньше. Таким образом, если мы посчитаем баланс между приходящей на Землю энергией (↓) и уходящей от нашей планеты в космическое пространство (↑) суммарно за год, то окажется, что очень малая её часть остаётся на нашей планете, что и приводит к её дополнительному разогреву. Соотношение получается примерно ↓340/↑339 Вт/м2. Получается, что 1 Вт/м2 ежегодно копится в нашей климатической системе. Основное накопление тепла происходит в гидросфере Земли. Мировой океан является главным поглотителем тепла, который усваивает до 90% всего избыточного количества энергии. Однако, в меру своей инертности, рано или поздно он начнёт отдавать это тепло обратно в атмосферу и тогда темпы потепления климата станут ещё более заметными, а последствия могут быть непредвиденными.
Важно понимать тот факт, что антропогенная (людская) деятельность не создала парниковый эффект, а лишь немного его усилила, примерно на 1 – 3 %. Если бы на нашей планете вообще не было парникового эффекта, то средняя глобальная температура составила около -18 °С, с учётом нынешней светимости Солнца и расстояния до него. Основными парниковыми газами в нашей атмосфере являются водяной пар (H2O), углекислый газ (CO2), метан (CH4) и в меньшей степени закись азота (N2O). В наше время главное внимание общества приковано к повышению концентрации именно углекислого газа и метана, поскольку их рост происходит стремительными темпами. К примеру, количество СО2 в атмосфере по состоянию на 2023 год уже достигло 421 ppm (см. рис. 2), что в 1,5 раза выше, чем в доиндустриальный период (XVII– XVIII века).
Хотя главным парниковыми газом является водяной пар, но его концентрация существенным образом не меняется. Но если средняя температура на планете будет продолжать расти, то и количество водяного пара в атмосфере станет также больше за счёт роста испаряемости на земной поверхности. Поэтому все процессы в климатической системе тесно взаимосвязаны между собой. И дисбаланс в одном конкретном звене этой системы приводит к цепочке других изменений, которые невозможно даже охватить полностью и смоделировать на суперкомпьютерах.
Подготовил Игорь Кибальчич, кандидат географических наук, метеоролог
