Парніковы эфект

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці
Мал. 1. Празрыстасць атмасферы Зямлі ў бачным і інфрачырвоным дыяпазонах (паглынанне і рассейванне):
1. Інтэнсіўнасць сонечнай радыяцыі (злева) і інфрачырвонага выпраменьвання паверхні Зямлі (справа) — дадзены спектральныя інтэнсіўнасці без уліку і з улікам паглынання
2. Сумарнае паглынанне і рассейванне ў атмасферы ў залежнасці ад даўжыні хвалі 3. Спектры паглынання розных парніковых газаў і рэлеяўскае рассейванне.

Парніковы эфект — павышэнне тэмпературы ніжніх слаёў атмасферы планеты па параўнанні з эфектыўнай тэмпературай, гэта значыць тэмпературай цеплавога выпраменьвання планеты, назіранага з космасу.

Гісторыя даследаванняў[правіць | правіць зыходнік]

Ідэя аб механізме парніковага эфекту была ўпершыню выкладзена ў 1827 Жазефам Фур'е ў артыкуле "Запіска пра тэмпературы зямнога шара і іншых планет", у якой ён разглядаў розныя механізмы фарміравання клімату Зямлі, пры гэтым ён разглядаў як фактары, якія ўплываюць на агульны цеплавы баланс Зямлі (нагрэў сонечным выпраменьваннем, ахалоджванне за кошт выпраменьвання, ўнутранае цяпло Зямлі), так і фактары, якія ўплываюць на цеплаперанос і тэмпературы кліматычных паясоў (цеплаправоднасць, атмасферная і акіянічная цыркуляцыя)[1][2].

Пры разглядзе ўплыву атмасферы на радыяцыйны баланс Фур'е прааналізаваў вопыт М. дэ Сасюра з чорным знутры посудам, накрытым шклом. Дэ Сасюра вымяраў рознасць тэмператур унутры і звонку такога посуду, выстаўленага на прамое сонечнае святло. Фур'е патлумачыў падвышэнне тэмпературы ўнутры такой «міні-шклярніцы» па параўнанні з вонкавай тэмпературай дзеяннем двух фактараў: блакаваннем канвектыўнага цеплапераносу (шкло прадухіляе адток нагрэтага паветра знутры і прыток прахалоднага звонку) і рознай празрыстасцю шкла ў бачным і інфрачырвоным дыяпазоне.

Іменна апошні фактар ​​і атрымаў у пазнейшай літаратуры назва парніковага эфекту — паглынаючы бачнае святло, паверхня награваецца і выпускае цеплавыя (інфрачырвоныя) прамяні; паколькі шкло празрыста для бачнага святла і амаль непразрыста для цеплавога выпраменьвання, то назапашванне цяпла вядзе да такога росту тэмпературы, пры якім колькасць цеплавых прамянёў, што праходзяць праз шкло, дастаткова, каб дасягнуць цеплавой раўнавагі.

Фур'е пастуляваў, што аптычныя ўласцівасці атмасферы Зямлі аналагічныя аптычным уласцівасцям шкла, гэта значыць яе празрыстасць у інфрачырвоным дыяпазоне ніжэй, чым празрыстасць у дыяпазоне аптычным, аднак колькасныя дадзеныя па паглынання атмасферы ў інфрачырвоным дыяпазоне доўгі час з'яўляліся прадметам дыскусій.

У 1896 Свантэ Арэніус, шведскі фізіка-хімік, для колькаснага вызначэння паглынання атмасферай Зямлі цеплавога выпраменьвання прааналізаваў дадзеныя Семюэла Лэнглі аб баламетрычнай свяцільнасці Месяца ў інфрачырвоным дыяпазоне[3]. Арэніус параўнаў дадзеныя, атрыманыя Лэнглі пры розных вышынях Месяца над гарызонтам (гэта значыць пры розных велічынях шляху выпраменьвання Месяца праз атмасферу), з разліковым спектрам яе цеплавога выпраменьвання і разлічыў як каэфіцыенты паглынання інфрачырвонага выпраменьвання вадзяной парай і вуглякіслым газам у атмасферы, так і змены тэмпературы зямлі пры варыяцыях канцэнтрацыі вуглякіслага газу. Арэніус таксама высунуў гіпотэзу, што зніжэнне канцэнтрацыі ў атмасферы вуглякіслага газу можа з'яўляцца адной з прычын узнікнення ледавіковых перыядаў[4].

Колькаснае вызначэнне парніковага эфекту[правіць | правіць зыходнік]

Сумарная энергія сонечнага выпраменьвання, якое паглынаецца ў адзінку часу планетай радыусам \! R і сферычным альбеда \! A роўная:

E = \pi R^2 { E_0 \over r^2} (1 - A),

дзе \! E_0 — сонечная пастаянная, і \! r — адлегласць да Сонца.

У адпаведнасці з законам Стэфана — Больцмана раўнаважнае цеплавое выпраменьванне \! L планеты з радыусам \! R, гэта значыць плошчай выпраменьвальнай паверхні \! 4\pi R^2:

L=4\pi R^2 \sigma \bar T_E^4,

дзе \bar T_E — эфектыўная тэмпература планеты.

Колькасна велічыня парніковага эфекту \Delta \bar T вызначаецца як розніца паміж сярэдняй прыпаверхневай тэмпературай атмасферы планеты \bar T_S і яе эфектыўнай тэмпературай \bar T_E. Парніковы эфект істотны для планет з шчыльнай атмасферы, якія змяшчаюць газы, што паглынаюць выпраменьванне ў інфрачырвонай вобласці спектру, і прапарцыйныя шчыльнасці атмасферы. Следствам парніковага эфекту з'яўляецца таксама згладжванне тэмпературных кантрастаў як паміж палярнымі і экватарыяльнай зонамі планеты, так і паміж дзённымі і начнымі тэмпературамі.

Табліца 1[см 1]
Планета Атм. ціск у паверхні, атм. \bar T_E \bar T_S \Delta \bar T \bar T_{max} \bar T_{min} \Delta T
Венера 90 231 735 504 - - -
Зямля 1 249 288 39 313 200 113
Месяц 0 0 393 113 280
Марс 0,006 210 218 8 300 147 153
  1. Температуры дадзеныя ў Кельвінах, \bar T_{max} — сярэдняя максімальная тэмпература ў поўдзень на экватары, \bar T_{min} — сярэдняя мінімальная тэмпература.

Прырода парніковага эфекту[правіць | правіць зыходнік]

Парніковы эфект атмасфер абумоўлены іх рознай празрыстасцю ў бачным і далёкім інфрачырвоным дыяпазонах. На дыяпазон даўжынь хваль 400-1500 нм у бачным святле і блізкім інфрачырвоным дыяпазоне прыходзіцца 75% энергіі сонечнага выпраменьвання, большасць газаў не паглынаюць у гэтым дыяпазоне; рэлеяўскае рассейванне ў газах і рассейванне на атмасферных аэразолях не перашкаджаюць пранікненню выпраменьвання гэтых даўжынь хваль у глыбіні атмасфер і дасягненню паверхні планет. Сонечнае святло паглынаецца паверхняй планеты і яе атмасферай (асабліва выпраменьванне ў блізкай УФ- і ІК-абласцях) і разагравае іх. Нагрэтая паверхня планеты і атмасфера выпраменьваюць у далёкім інфрачырвоным дыяпазоне: так, у выпадку Зямлі пры \bar T_S роўным 300 K, 75% цеплавога выпраменьвання прыпадае на дыяпазон 7,8-28 мкм, для Венеры пры \bar T_S роўным 700 K — 3,3-12 мкм.

Атмасфера, якая змяшчае мнагаатамныя газы (двухатамныя газы дыятермічныя — празрыстыя для цеплавога выпраменьвання), якія паглынаюць у гэтай вобласці спектру (т. зв. парніковыя газы — H2O, CO2, CH4 і іншыяё — гл Мал. 1), істотна непразрыстая для такога выпраменьвання, накіраванага ад яе паверхні ў касмічную прастору, гэта значыць мае ў ІК-дыяпазоне вялікую аптычную таўшчыню. З прычыны такой непразрыстасці атмасфера становіцца добрым цеплаізалятарам, што, у сваю чаргу, прыводзіць да таго, што перавыпраменьванне паглынутай сонечнай энергіі ў касмічную прастору адбываецца ў верхніх халодных пластах атмасферы. У выніку эфектыўная тэмпература Зямлі як выпраменьвальніка аказваецца больш нізкай, чым тэмпература яе паверхні.

Уплыў парніковага эфекту на клімат планет[правіць | правіць зыходнік]

Ступень уплыву парніковага эфекту на прыпаверхневыя тэмпературы планет (пры аптычнай таўшчыні атмасферы<1) залежыць ад аптычнай шчыльнасці парніковых газаў і, адпаведна, іх парцыяльнага ціску ў паверхні планеты. Такім чынам, парніковы эфект \Delta \bar T найбольш выяўлены ў планет з шчыльнай атмасферай, складаючы ў Венеры ~500 K.

Таблица 2[5]
Планета Атм. ціск
у паверхні, атм.
Канцэнтрацыя
CO2, %
\! P_{CO_2}
атм.
\Delta \bar T
Венера ~ 93 ~ 96,5 ~ 89,8 504
Зямля 1 0,038 0,038 39
Марс ~ 0,007 95,72 ~ 0,0067 8

Разам з тым варта адзначыць, што велічыня парніковага эфекту залежыць ад колькасці парніковых газаў у атмасферы і, адпаведна, залежыць ад хімічнай эвалюцыі і змяненняў складу планетарных атмасфер.

Парніковы эфект і клімат Зямлі[правіць | правіць зыходнік]

Кліматычныя індыкатары за апошнія 0,5 млн гадоў: змена ўзроўню акіяна (сіні), канцэнтрацыя 18O ў марской вадзе, канцэнтрацыя CO2 у антарктычным лёдзе. Дзяленне часовай шкалы - 20 000 гадоў. Пікі ўзроўню мора, канцэнтрацыі CO2 і мінімумы 18O супадаюць з міжледавіковымі тэмпературнымі максімумамі.

Па ступені ўплыву на клімат парніковага эфекту Зямля займае прамежкавае становішча паміж Венерай і Марсам: у Венеры павышэнне тэмпературы прыпаверхневыя атмасферы ў ~13 разоў вышэй, чым у Зямлі, у выпадку Марса — ў ~5 разоў ніжэй; гэтыя адрозненні з'яўляюцца следствам розных шчыльнасцей і складаў атмасфер гэтых планет.

Пры нязменнасці сонечнай сталай і, адпаведна, патоку сонечнай радыяцыі, сярэднегадавыя прыпаверхневыя тэмпературы і клімат, вызначаюцца цеплавым балансам Зямлі. Для цеплавога балансу выконваюцца ўмовы роўнасці велічынь паглынання караткахвалевай радыяцыі і выпраменьвання даўгахвалевай радыяцыі ў сістэме Зямля-атмасфера. У сваю чаргу, доля паглынутай караткахвалевай сонечнай радыяцыі вызначаецца агульным (паверхня і атмасфера) альбеда Зямлі. На велічыню патоку даўгахвалевай радыяцыі, якая сыходзіць у космас, істотны ўплыў аказвае парніковы эфект, у сваю чаргу, які залежыць ад складу і тэмпературы зямной атмасферы.

Асноўнымі парніковымі газамі, у парадку іх уздзеяння на цеплавой баланс Зямлі, з'яўляюцца вадзяной пар, вуглякіслы газ, метан і азон [6]

Асноўныя парніковыя газы атмасферы Зямлі
Газ
 
Формула
 
Уклад
(%)
Вадзяной пар H2O 36 — 72 %  
Дыяксід вугляроду CO2 9 — 26 %
Метан CH4 4 — 9 %  
Азон O3 3 — 7 %  

Галоўны ўклад у парніковы эфект зямной атмасферы ўносіць вадзяной пар ці вільготнасць паветра трапасферы, уплыў іншых газаў значна менш істотна па прычыне іх малой канцэнтрацыі.

Разам з тым канцэнтрацыя вадзянога пару ў трапасферы істотна залежыць ад прыпаверхневыя тэмпературы: павелічэнне сумарнай канцэнтрацыі «парніковых» газаў у атмасферы павінна прывесці да ўзмацнення вільготнасці і парніковага эфекту, выкліканага вадзяной парай, які ў сваю чаргу прывядзе да павелічэння прыпаверхневай тэмпературы.

Пры паніжэнні прыпаверхневыя тэмпературы канцэнтрацыя вадзяной пары падае, што вядзе да памяншэння парніковага эфекту, і, адначасова з гэтым пры зніжэнні тэмпературы ў прыпалярных раёнах фарміруецца снежна-ледзяная покрыва, што вядзе да падвышэння альбеда і, сумесна, з памяншэннем парніковага эфекту, што выклікае паніжэнне сярэдняй прыпаверхневыя тэмпературы.

Такім чынам, клімат на Зямлі можа пераходзіць у стадыі пацяплення і пахаладання ў залежнасці ад змены альбеда сістэмы Зямля-атмасфера і парніковага эфекту.

Кліматычныя цыклы карэлююць з канцэнтрацыяй вуглякіслага газу ў атмасферы: на працягу сярэдняга і позняга плейстацэну, які папярэднічаў сучаснаму часу, канцэнтрацыя атмасфернага вуглякіслага газу зніжалася падчас працяглых ледавіковых перыядаў і рэзка павышалася падчас кароткіх міжледавікоўем.

На працягу апошніх дзесяцігоддзяў назіраецца рост канцэнтрацыі вуглякіслага газу ў атмасферы.

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]

Зноскі

  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
  2. Цяпло, якое выдаткоўваецца ў выніку чалавечай актыўнасці Жазеф Фур'е не разглядаў у якасці значнага фактару.
  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. Параўнальныя значэнні для трох планет зямной групы без уліку ціску вадзяной пары, тэмпературы прыведзеныя ў Кельвінах.
  6. Kiehl, J. T.; 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. http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/1520-0477%281997%29078%3C0197%3AEAGMEB%3E2.0.CO%3B2. Retrieved on 2011-08-15. 

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]

Артыкулы[правіць | правіць зыходнік]

Міжнародныя пагадненні[правіць | правіць зыходнік]