Полная версия

Главная arrow Прочие arrow АСТРОНОМИЯ. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Понятие о парниковом эффекте.

Как уже указывалось на примере Венеры, парниковым эффектом АТ называется разность между средней температурой поверхности планеты Тс и ее эффективной температурой Те, определяемой из космоса по излучению планеты Е при помощи закона Стефана — Больцмана

Здесь а = 5,67 • 108 Вт/м24 — постоянная Стефана — Больцмана. Определенная с помощью внеатмосферных средств эффективная температура Земли составляет 247—249 К (-26 — 24 °С). В то же время, температура воздуха вблизи земной поверхности, измеренная по всей планете и усредненная за год, дает величину около 288 К (+15 °С). Таким образом, парниковый эффект на Земле равен АТ = 39 °С.

Есть другие методики определения величины парникового эффекта, связанные с разными подходами при определении эффективной температуры. Часть наблюдаемого снаружи излучения Земли представляет собой отраженное от облаков излучение Солнца, которое не достигло поверхности планеты, и поэтому, строго говоря, к излучению самой Земли отношения не имеет. Это значительная величина (сферическое альбедо Земли составляет А = 0,3). С учетом этого, эффективная температура нашей планеты оказывается выше (255 К, или -18 °С), а парниковый эффект — меньше (АГ = +33 °С).

Следует учитывать и еще один фактор. Если бы ось вращения Земли была перпендикулярна плоскости ее орбиты, при усреднении в течение года суммарная продолжительность освещения солнечными лучами всех точек поверхности планеты оказалась бы одинаковой. Но, поскольку ось вращения Земли наклонена на 66°34' к плоскости орбиты, есть участки поверхности, на которые солнечные лучи в течение определенных периодов времени совсем не попадают (зоны полярной ночи). Спустя полгода они оказываются непрерывно освещаемыми (зоны полярного дня). Кроме того, та часть земной поверхности, которая освещается солнечным излучением в течение суток, меняется в течение года. Разумеется, надо учитывать и угол падения солнечных лучей, от которого зависит количество падающей на поверхность планеты энергии. С учетом этих обстоятельств более детальный пересчет эффективной температуры дает еще большую величину (что естественно: измеряемое излучение остается постоянным, хотя нагрев единицы площади со стороны Солнца оказывается меньше). При расчетах по такой методике эффективная температура равна Те = 263,5 К, или -9,5 °С. Тогда величина АТ = 24,5 °С, что уже заметно меньше обычно используемого значения. Таким образом, при обсуждении парникового эффекта следует учитывать, какая из методик определения эффективной температуры Земли использовалась.

Тем не менее при любой методике расчета видно, что парниковый эффект существует: средняя температура в приземном слое оказывается всегда выше эффективной температуры Земли.

Классический механизм эффекта заключается в следующем. Атмосфера планеты оказывается более прозрачной для коротковолновой части солнечного излучения, чем для длинноволнового теплового излучения поверхности. Поэтому излучение Солнца, даже будучи рассеянным на молекулах газа в атмосфере, все-таки проникает к поверхности планеты и, передавая свою энергию, нагревает ее. Нагретая поверхность излучает преимущественно в инфракрасном диапазоне, но это тепловое излучение сильно поглощается сложными молекулами в воздухе (водяной пар, углекислый газ, окись серы и т. п.). Тепловой поток направлен вверх. Вблизи поверхности он сильно поглощается плотными газами, в результате нижние слои атмосферы нагреваются. С увеличением высоты в тропосфере температура падает: ослабляется поток, кроме того, падает плотность газа, а значит, уменьшается поглощение. Понятно, что температурный перепад оказывается тем больше, чем выше атмосферное давление (а значит, и плотность газа) у поверхности планеты, и чем больше относительное содержание атмосферных газов, эффективно поглощающих инфракрасное излучение. В атмосфере Земли основным агентом, отвечающим за парниковый эффект, является водяной пар (его в среднем 0,3 %). Свой вклад вносит и углекислый газ, которого существенно меньше (0,03 %).

Парниковый эффект (в англоязычной литературе он называется greenhouse effect) получил свое название по аналогии с теплицами и парниками, закрытыми сверху стеклянными и полиэтиленовыми крышами. Стекло или полиэтилен в парнике (green house) тоже пропускают коротковолновое (видимое) излучение, но задерживают инфракрасное излучение.

Земля, вид из космоса

Рис. 6.2. Земля, вид из космоса:

видны Антарктида и Африка; снимок со спутника NASA

Более детальное рассмотрение происходящего позволяет уточнить и развить классическую теорию парникового эффекта. Такое дополнение выполнено, в частности, О. Г. Сорохтиным. Согласно развитой им модели, в атмосфере Земли инфракрасное излучение земной поверхности поглощается парниковыми газами (водяным паром и, в меньшей степени, углекислым газом). Энергия излучения передается этим газам, в результате чего воздух разогревается, как и в классической модели. Разогретый газ расширяется, и, становясь легче, поднимается вверх (процесс конвекции). Поскольку, в отличие от теплицы, этому подъему не мешает стеклянная крыша, элемент нагретого газа быстро поднимается к стратосфере. На этих высотах тепло поднимающегося конвективного элемента газа теряется за счет радиационных потерь. Охлажденный газ опускается обратно к поверхности Земли, благодаря чему приповерхностная температура воздуха снова уменьшается.

Конденсация водяных паров в воздухе также приводит к дополнительному его нагреву, поскольку пар, превращаясь в капли жидкости, отдает свое тепло окружающему воздуху. Можно сказать, что в результате конденсации пар возвращает тепло атмосфере: ранее происходил обратный процесс, когда вода на поверхности Земли, поглощая тепло, превращалась в пар.

Заметим, что конденсация воды в тропосфере является мощным регулятором температуры на Земле. Пусть температура в приземном слое по какой-то причине повысилась. В результате должны усилиться процессы испарения влаги с земной поверхности, что, в свою очередь, усиливает процессы образования облаков. Нарастание облачности увеличивает альбедо Земли, наращивая способность планеты отражать обратно в космос солнечное излучение. В результате поступление солнечной энергии на Землю сокращается, и температура земной поверхности снова понижается. В атмосфере Земли работает, таким образом, мощный регулятор (система с отрицательной обратной связью), компенсирующий изменения температуры и обеспечивающий общую стабильность состояния всей климатической машины планеты. Точные расчеты оказываются затруднены в связи с тем, что альбедо Земли в целом и отдельных ее областей существенно меняется со временем. Так, например, альбедо снежной поверхности равно почти 0,7. Таким образом, не только облачность, но и земная поверхность отражает часть падающего солнечного излучения, причем в отдельных случаях значительную его часть.

Расчеты баланса переноса тепла, согласно модели О. Г. Сорохтина, приводит к следующим результатам. Только 8 % приходится на перенос тепла за счет радиационного излучения. Основная доля передачи тепла от земной поверхности воздушным массам падает на конвективные движения в тропосфере — 67 %. 25 % переноса тепла обеспечивается за счет нагрева при конденсации влаги в атмосфере. Расчеты распределения температуры на разных высотах в тропосфере, выполненные в рамках построенной теории, хорошо совпадают с реально измеренными значениями. В частности, показано, что для сухой и влажной атмосфер различаются скорости падения температуры в тропосфере с высотой: для влажной атмосферы градиент составляет 6,5 °С/км, для сухого воздуха — 8,1 °С/км.

Интересно, что модель О. Г. Сорохтина дает несколько неожиданные результаты при воображаемой замене азотно-кислородной атмосферы Земли на углекислотную (как на Венере). Расчеты показывают, что при таком мысленном эксперименте приземная температура окажется равной 281,6 К, т. е. более чем на 6 °С ниже, чем сейчас. Причина заключается в том, что вес моля углекислого газа в 1,5 раза больше, чем у азотно-кислородной смеси, зато теплоемкость С02 в 1,2 раза меньше, чем у атмосферного воздуха. Отсюда делается неожиданный для ортодоксальной экологии вывод: накопление большого количества углекислого газа в атмосфере приводит не к потеплению, как обычно считается, а к похолоданию, а небольшие изменения парциального давления углекислого газа практически не влияют на изменения температуры земной поверхности. Заметим, что теория Сорохтина не является общепризнанной, его выводы активно дискутируются и критикуются.

В последние годы много говорят о так называемом глобальном потеплении — процессе постепенного роста средней температуры Земли по крайне мере на 0,8 °С за последние 120 лет. Основная существующая версия причины этого процесса — антропогенный фактор (выброс в атмосферу углекислого газа в результате сжигания углеводородных топлив). По разным оценкам, в настоящее время в атмосферу ежегодно поступает до 5—7 млрд т углекислого газа, или 1,4—1,9 млрд т чистого углерода. Считается, что С02, как «парниковый» газ, увеличивает парниковый эффект на Земле.

При более тщательном анализе ситуации можно отметить следующее.

Во-первых, изучение по косвенным данным прошлого Земли показывает, что периоды относительно высокой температуры неоднократно бывали и ранее. Так, например, в XIII веке северные моря и северные территории были свободны ото льдов, в Англии росли виноградники. Очевидно, что температурный оптимум тех времен невозможно связать с антропогенным фактором. В прошлом Земли это не единственный «теплый» период. Это означает, что возможны и явно существуют иные причины периодов общего потепления климата, кроме влияния человека.

Во-вторых, неясно, связаны ли между собой потепление и увеличение содержания углекислого газа в атмосфере, а если связаны, то какое из этих явлений причина, а какое — следствие. Большая часть углекислого газа на Земле находится в растворенном состоянии в водах Мирового океана, где его в 60—100 раз больше, чем в атмосфере. Постоянный обмен углекислым газом между океаном и атмосферой сглаживает изменения его концентрации в воздухе. Небольшое повышение средней температуры океана может привести к повышению парциального давления углекислого газа в атмосфере из-за изменения его растворимости в воде.

Расчеты в рамках модели О. Г. Сорохтина показывают, что наблюдаемый рост температуры должен был привести к повышению парциального давления С02 на 6,9 ppm. Выбросы антропогенных газов добавили к этому росту еще 53 ppm, так что суммарное (наблюдаемое) повышение парциального давления С02 достигло приблизительно 60 ppm. Однако по имеющимся данным колебания концентрации С02 при смене ледниковых эпох достигали 150 ppm при отсутствии в ту эпоху антропогенного фактора. Это означает, что в истории нашей планеты наблюдались значительно более заметные, чем сейчас, вариации как концентрации углекислого газа, так и температуры, никак не связанные с деятельностью земной цивилизации.

Если это так, следует искать иные причины глобального потепления, помимо влияния человека. В качестве одной из таких причин называется влияние Солнца. Среди возможных вариантов механизма этого влияния обычно рассматривается воздействие солнечной активности на приход в земную атмосферу энергичных (быстрых) частиц галактического и даже внегалактического происхождения — космических лучей. Исследования показывают, что интенсивность космических лучей зависит от уровня солнечной активности: рост солнечной активности препятствует приходу к Земле космических лучей галактического происхождения. Если считать, что космические лучи, ионизуя воздух, порождают множественные ядра конденсации в воздухе, это должно вызывать усиление облачности и рост альбедо Земли. В итоге общий поток солнечного тепла, попадающего на нашу планету, отражаясь от облаков, уменьшается, и температура должны падать.

Экспериментальные данные, относящиеся к этой проблеме, противоречивы. Есть исследования, в которых подтверждается действие описанного механизма. В то же время выполнен ряд работ, где данный эффект обнаружить не удается. Отмечается, в частности, что в атмосфере, помимо космических лучей, постоянно присутствуют ядра конденсации, порождаемые другими (земными) причинами, и с этой точки зрения вклад космических лучей не должен быть заметным.

Кроме того, существует гипотеза о том, что общий (обычно практически постоянный, судя по прямым измерениям на протяжении последних десятилетий) уровень потока солнечной энергии может медленно и незначительно, но все же меняться с характерными периодами порядка 100, 200 и даже 1200 лет. Но роль этого гипотетического фактора в изменении глобальной температуры Земли пока тоже остается неизвестной.

По-видимому, свой вклад в эффект глобального изменения климата вносят все факторы — разнопериодные природные ритмы, присутствующие в океане и атмосфере, внешние воздействия, включая солнечное, а также влияние человека. Относительный вклад этих факторов пока неясен. К сожалению, надо отметить, что в последние годы вопрос об изменениях климата оказался чрезмерно политизирован, что мешает объективному изучению этого процесса. Очевидно, здесь нужны дальнейшие комплексные исследования проблемы.

Озеро Байкал с высоты 450 км. Снимок космонавта А. А. Иванишина с борта международной космической станции

Рис. 6.3. Озеро Байкал с высоты 450 км. Снимок космонавта А. А. Иванишина с борта международной космической станции

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>