Як виникає парниковий ефект, фізика процесу

Питання зміни клімату у наш час є дуже важливим та актуальними у багатьох країнах. І часто проводять паралель між такими змінами та парниковим ефектом. У статті розберемо з фізичної точки зору цей процес і які наслідки він має для планети в цілому.

Основний потік тепла на Землю поступає від Сонця у вигляді електромагнітного випромінювання, максимум якого припадає на короткі хвилі (видиме світло). Наша атмосфера практично прозора для такої короткохвильової частини спектру. Більш жорстке ультрафіолетове випромінювання поглинається озоном (О₃) на висотах понад 20 км (у так званій озоносфері).

У результаті, переважна частина видимого випромінювання безперешкодно надходить на земну поверхню, нагріваючи її. Деяка частка сонячного випромінювання відбивається назад у космічний простір від верхньої межі хмар, а також від самої земної поверхні (ефект альбедо). Відбивна здатність різних матеріалів значно змінюється. Наприклад, сніг і лід відбивають до 90% всього випромінювання, що надходить, а чорнозем всього 15 - 20%. Середнє альбедо для планети становить близько 0,35 – 0,39. Цей коефіцієнт має безрозмірну величину і може змінюватись у межах від 0 до 1.

Оскільки від усієї сумарної радіації, що надходить на одиницю земної поверхні, відбивається назад лише її частина, решта її йде на нагрівання земної поверхні. Далі відбувається теплообмін між нагрітою земною поверхнею та прилеглою атмосферою за допомогою трьох механізмів: випромінювання, теплопровідність та конвекція. Найбільш вагомий внесок забезпечується конвекцією (образно кажучи, це підйом нагрітих бульбашок повітря вгору та опускання вниз менш нагрітих порцій повітря) та випромінюванням. Саме останній спосіб вважається найефективнішим. Його сенс полягає у тому, що від сонця до нас надходять короткі хвилі, а земна поверхня випромінює вже у діапазоні довших – інфрачервоних хвиль (ІЧ).

Чому ж так відбувається, що спочатку ми отримуємо короткохвильову сонячну радіацію, а віддаємо інфрачервону? А справа полягає в тому, що Сонце набагато гарячіше за Землю. У середньому температура фотосфери, тобто видимої поверхні Сонця, становить близько 5500 °С, а середня температура поверхні Землі приблизно +14,5 °С. Виходить різниця майже у 380 разів! Кожен предмет або тіло має випромінювальну здатність, якщо його температура вище абсолютного нуля (-273,15 °С). Відповідно до закону Віна, чим холодніше тіло, тим максимум випромінювання буде припадати на довші хвилі, які мають меншу енергію. Оскільки Земля набагато холодніша за Сонце, то вона здатна випромінювати тільки в довгохвильовій частині спектру. Його наші очі вже не можуть побачити. Ось саме для такого ІЧ випромінювання наша атмосфера практично непрозора.

Саме за рахунок того, що для коротких хвиль атмосфера прозора, а для довших майже ні, створюється так званий, парниковий ефект. Деякі молекули повітря (парникові гази) влаштовані так, що у них є дипольний заряд, який ніби вступає в резонанс з певною довжиною хвилі, внаслідок чого вони поглинають та перевипромінюють на всі сторони кванти енергії (див рис 1). Поглинання та перевипромінювання відбувається тим інтенсивніше, чим більша концентрація певних газів. З рештою, теплове випромінювання виявляється немов замкнутим у системі Земля – Атмосфера до висоти, де кванти енергії вже здатні вирватися з цього ланцюжка перевипромінювання і залишити межі Землі (висота ефективного випромінювання). Додаючи деяку кількість парникових газів відбувається збільшення висоти рівня ефективного випромінювання. Це призводить, у свою чергу, до випромінювання за більш низької температури. А оскільки випромінювання відбувається за нижчої температури, його енергія стає трохи меншою. Таким чином, якщо ми порахуємо баланс між енергією, що приходить на Землю (↓) і відходить від нашої планети у космічний простір (↑) сумарно за рік, то виявиться, що дуже мала її частина залишається на нашій планеті, що і призводить до її додаткового розігріву . Співвідношення виходить приблизно ↓340/↑339 Вт/м². Виходить, що 1 Вт/м² щорічно накопичується в нашій кліматичній системі. Основне накопичення тепла відбувається у гідросфері Землі. Світовий океан є головним поглиначем тепла, який засвоює до 90% усієї надлишкової кількості енергії. Однак, у міру своєї інертності, рано чи пізно він почне віддавати це тепло назад в атмосферу, і тоді темпи потепління клімату стануть ще помітнішими, а наслідки можуть бути непередбачуваними.

Важливо розуміти те, що антропогенна (людська) діяльність не створила парниковий ефект, а лише трохи його посилила, приблизно на 1 – 3 %. Якби на нашій планеті взагалі не було парникового ефекту, то середня глобальна температура склала близько -18 °С, з урахуванням нинішньої світимості Сонця та відстані до нього. Основними парниковими газами в нашій атмосфері є водяна пара (H₂O), вуглекислий газ (CO₂), метан (CH₄) та меншою мірою закис азоту (N₂O). В наш час головна увага суспільства прикута до підвищення концентрації саме вуглекислого газу та метану, оскільки їхнє зростання відбувається дуже стрімкими темпами. Наприклад, кількість СО₂ в атмосфері станом на 2023 вже досягла 421 ppm (див. рис. 2), що у 1,5 рази вище, ніж у доіндустріальний період (XVII - XVIII століття).

Хоча головним парниковим газом є водяна пара, проте її концентрація істотно не змінюється. Але якщо середня температура на планеті продовжуватиме зростати, то і кількість водяної пари в атмосфері стане також більшою за рахунок зростання випаровуваності на земній поверхні. Тому всі процеси у кліматичній системі тісно взаємопов'язані між собою. І дисбаланс в одній ланці цієї системи призводить до ланцюжка інших змін, які неможливо навіть охопити повністю і змоделювати на суперкомп'ютерах.

Підготував Ігор Кібальчич, кандидат географічних наук, метеоролог.