Жер қызуына себеп болатын атмосфералық құбылыс

Кіріспе

Атмосфералық құбылыс планеталық жылынуға себепші. Парниктік эффект – планетаның атмосферасындағы парниктік газдар планетаны жылуды ғарышқа жоғалтудан сақтап, оның беткі температурасын көтереді. Жер бетінің қызуы ішкі жылу көзінен (мысалы, Юпитерде) немесе оның жұлдызынан (мысалы, Жерде) болуы мүмкін. Жерде Күн қысқа толқынды сәулеленуді (күн сәулесін) шығарады, ол парниктік газдар арқылы өтіп, Жер бетін қыздырады. Жауап ретінде Жер беті көбінесе парниктік газдар сіңіретін ұзын толқынды сәулеленуді шығарады. Ұзын толқынды сәулеленудің сіңірілуі оның ғарышқа жетуіне кедергі келтіреді, соның салдарынан Жердің салқындау қарқыны төмендейді. Жылыжай эффекті болмаса, Жердің орташа беткі температурасы шамамен -18 °C болар еді, бұл Жердің 20 ғасырдағы орташа температурасынан (шамамен 14 °C (57 °F)) немесе соңғы орташа температурасынан (шамамен 15 °C (59 °F)) кем. Табиғи түрде кездесетін парниктік газдардан басқа, жанар майды жағу атмосферадағы көмірқышқыл газы мен метан мөлшерін арттырады. Осының нәтижесінде, Өнеркәсіптік революциядан бері шамамен 1 °C-қа жуық ғаламдық жылыну орын алды, ал 1981 жылдан бері ғаламдық орташа беткі температура он жыл сайын шамамен 0.1 °C-қа артып келеді. Абсолюттік нөлден жоғары температурасы бар барлық денелер жылулық сәулеленуді шығарады. Күн мен Жердің жылулық сәулеленуінің толқын ұзындығы әртүрлі, себебі олардың беткі температуралары әртүрлі. Күннің беткі температурасы 5500 °C болғандықтан, оның энергиясының көп бөлігі қысқа толқынды сәулелену түрінде, инфрақызыл және көрінетін толқын ұзындықтарында (күн сәулесі ретінде) шығарылады. Ал Жер бетінің температурасы әлдеқайда төмен болғандықтан, ол орташа және қашық инфрақызыл толқын ұзындықтарында ұзын толқынды сәулеленуді шығарады, осылайша энергия жинақталып, Жер бетін жылытады. Жылыжай эффектінің бар екендігі, осылай аталмаса да, алғаш 1824 жылы Жозеф Фурье ұсынған. 1827 және 1838 жылдары Клод Пуйель бұл тұжырымды және дәлелдерді нығайтты. 1856 жылы Юнис Ньютон Фут күннің жылыту әсерінің су буы бар ауаға құрғақ ауадан гөрі күштірек әсер ететінін, ал көмірқышқыл газымен әсер одан да күштірек екенін көрсетті. «Жылыжай» терминін бұл құбылысқа алғаш рет 1901 жылы Нильс Густаф Экхолм қолданды.

Atmospheric phenomenon causing planetary warming
the atmospheric phenomenon causing planetary warming

The greenhouse effect occurs when greenhouse gases in a planet's atmosphere insulate the planet from losing heat to space, raising its surface temperature. Surface heating can happen from an internal heat source as in the case of Jupiter, or from its host star as in the case of the Earth. In the case of Earth, the Sun emits shortwave radiation (sunlight) that passes through greenhouse gases to heat the Earth's surface. In response, the Earth's surface emits longwave radiation that is mostly absorbed by greenhouse gases. The absorption of longwave radiation prevents it from reaching space, reducing the rate at which the Earth can cool off. Without the greenhouse effect, the Earth's average surface temperature would be about , which is less than Earth's 20th century average of about 14 °C (57 °F), or a more recent average of about 15 °C (59 °F). In addition to naturally present greenhouse gases, burning of fossil fuels has increased amounts of carbon dioxide and methane in the atmosphere. As a result, global warming of about has occurred since the Industrial Revolution, with the global average surface temperature increasing at a rate of per decade since 1981. All objects with a temperature above absolute zero emit thermal radiation. The wavelengths of thermal radiation emitted by the Sun and Earth differ because their surface temperatures are different. The Sun has a surface temperature of , so it emits most of its energy as shortwave radiation in near infrared and visible wavelengths (as sunlight). In contrast, Earth's surface has a much lower temperature, so it emits longwave radiation at mid and far infrared wavelengths. thus accumulating energy and warming the Earth's surface. The existence of the greenhouse effect, while not named as such, was proposed as early as 1824 by Joseph Fourier. The argument and the evidence were further strengthened by Claude Pouillet in 1827 and 1838. In 1856 Eunice Newton Foote demonstrated that the warming effect of the sun is greater for air with water vapour than for dry air, and the effect is even greater with carbon dioxide. The term greenhouse was first applied to this phenomenon by Nils Gustaf Ekholm in 1901.

Анықтама

Жердегі парниктік эффект мыналай анықталады: "Атмосферадағы инфрақызыл сәулелерді сіңіретін барлық құрамдас бөліктердің инфрақызыл сәулелену әсері. Жылыжай газдары, бұлттар және кейбір аэрозольдер Жер бетінен және атмосфераның басқа бөліктерінен шығатын жылулық сәулеленуді сіңіреді". Күшейтілген парниктік эффект – адам әрекетінің нәтижесінде атмосферадағы жылыжай газдарының концентрациясының артуынан табиғи парниктік эффектің күшеюі. Ал парниктік эффект ауа арқылы сәулеленудің таралуын шектеп, жылулық сәулеленудің ғарышқа таралу жылдамдығын азайту арқылы жылуды сақтап тұрады. | сурет2 = 191203 Әлемнің пештері Popular Mechanics Глобалды жылыну.jpg
| сипаттама2 = 1912 жылғы "Популярлы механика" журналында парниктік эффект және оның климатқа тигізетін әсері айқын түрде сипатталған, бұл мақаланы жалпы оқырмандарға қолжетімді еткен. Жылыжай эффектінің болуы, оның аты аталмаса да, 1824 жылы Жозеф Фурье тарапынан алғаш рет ұсынылған. Бұл эффектті 1896 жылы Сванте Аррениус толыққанды зерттеп, атмосфералық көмірқышқыл газының екі есеге артуына байланысты жаһандық жылынудың алғашқы сандық болжамын жасады. Қазіргі уақытта ұзын толқынды сәулелену жер бетінен орташа есеппен 398 Вт/м жылдамдықпен шығады, бірақ ғарышқа тек 239 Вт/м жетеді. Осылайша, Жердің парниктік эффектісін энергия ағынының 159 Вт/м өзгеруі ретінде де өлшеуге болады. Адам қызметінен туындаған қосымша жылыжай газдарының парниктік эффектіні күшейтуі күшейтілген парниктік эффект деп аталады. Адам әрекетінен туындаған сәулеленудің күшеюі тікелей байқалып, негізінен атмосферадағы көмірқышқыл газы деңгейінің артуымен байланысты. Бұл көмірқышқыл газы отынды жағу және цемент өндірісі сияқты басқа да іс-әрекеттердің нәтижесінде пайда болады, сондай-ақ тропикалық ормандарды жою да осыған себеп болады. Мауна-Лоа обсерваториясының өлшеулері көрсеткендей, 1960 жылы концентрация шамамен 313 миллионнан бір бөлік (ppm) болса, 2013 жылы 400 ppm-нен асып кеткен. Қазіргі уақыттағы байқалатын көмірқышқыл газының мөлшері мұз түйіршіктеріндегі геологиялық рекордтық максимумнан (≈300 ppm) асып түседі. Соңғы 800 000 жыл ішінде мұз түйіршіктеріндегі деректер көмірқышқыл газының 180 ppm-ден 270 ppm-ге дейін өзгеретінін көрсетеді. Палеоклиматологтар көмірқышқыл газының концентрациясының өзгеруін осы уақыт аралығындағы климаттың өзгеруіне әсер ететін маңызды фактор деп санайды.

The greenhouse effect on Earth is defined as: "The infrared radiative effect of all infrared absorbing constituents in the atmosphere. Greenhouse gases (GHGs), clouds, and some aerosols absorb terrestrial radiation emitted by the Earth’s surface and elsewhere in the atmosphere." The enhanced greenhouse effect describes the fact that by increasing the concentration of GHGs in the atmosphere (due to human action), the natural greenhouse effect is increased. In contrast, the greenhouse effect retains heat by restricting radiative transfer through the air and reducing the rate at which thermal radiation is emitted into space. | image2 = 191203 Furnaces of the world Popular Mechanics Global warming. jpg
| caption2 = The greenhouse effect and its impact on climate were succinctly described in this 1912 Popular Mechanics article, accessible for reading by the general public. The existence of the greenhouse effect, while not named as such, was proposed as early as 1824 by Joseph Fourier. The effect was more fully quantified by Svante Arrhenius in 1896, who made the first quantitative prediction of global warming due to a hypothetical doubling of atmospheric carbon dioxide. Currently, longwave radiation leaves the surface at an average rate of 398 W/m, but only 239 W/m reaches space. Thus, the Earth's greenhouse effect can also be measured as an energy flow change of 159 W/m.]] Strengthening of the greenhouse effect through additional greenhouse gases from human activities is known as the enhanced greenhouse effect. this increase in radiative forcing from human activity has been observed directly, and is attributable mainly to increased atmospheric carbon dioxide levels. is produced by fossil fuel burning and other activities such as cement production and tropical deforestation. Measurements of from the Mauna Loa Observatory show that concentrations have increased from about 313 parts per million (ppm) in 1960, passing the 400 ppm milestone in 2013. The current observed amount of exceeds the geological record maxima (≈300 ppm) from ice core data. Over the past 800,000 years, ice core data shows that carbon dioxide has varied from values as low as 180 ppm to the pre industrial level of 270 ppm. Paleoclimatologists consider variations in carbon dioxide concentration to be a fundamental factor influencing climate variations over this time scale.

Кірісетін қысқа толқын сәулелері

Ыстық материя қысқа толқынды сәулеленуді шығарады. Осының салдарынан, Күн қысқа толқынды сәулеленуді күн сәулесі ретінде шығарады, ал Жер мен оның атмосферасы ұзақ толқынды сәулеленуді шығарады. Күн сәулесіне ультракөк сәуле, көрінетін жарық және жақын инфрақызыл сәулелер кіреді және қалғанын сіңіреді (240 Вт/м²). Көмірқышқыл газы шығарылатын сәулеленудің 667 см⁻¹ шамасындағы төмендеуіне (және парниктік эффекттің күшеюіне) жауапты деп есептеледі (бұл 15 микрон толқын ұзындығына тең). Парниктік газдар бар атмосфераның әрбір қабаты төменгі қабаттардан жоғары қарай сәулеленетін ұзақ толқынды сәулеленудің бір бөлігін сіңіреді. Ол сіңірген мөлшерімен тепе-теңдікте барлық бағытта, жоғары да, төмен де ұзақ толқынды сәулеленуді шығарады. Бұл радиациялық жылудың аз жоғалуына және төменде температураның жоғарылауына алып келеді. Газдардың концентрациясын арттыру сіңіру және шығару мөлшерін арттырады, соның салдарынан бетте және төменгі қабаттарда көбірек жылу сақталады, бұл жер бетінің тиімді температурасынан сәл төмен. Бұл мән Жердің жалпы тиімді температурасынан жоғары.

Энергия ағыны

Энергия ағыны – бірлік аудан арқылы энергияның ағын жылдамдығы. Энергия ағыны Вт/м² бірліктерімен өлшенеді, бұл бір секунд ішінде шаршы метрден өтетін энергияның джоуль санына тең. Климаттық жоғары деңгейдегі талқылауларда жиі келтірілетін ағындар – бұл Жердің бүкіл бетінен энергияның жалпы ағыны, Жердің бетінің ауданына шаққандағы мәні. Жерге келіп, одан шығатын сәулелену ағындары маңызды, себебі сәулелену арқылы энергияны алмасу – Жер мен ғарыш арасындағы жалғыз мүмкіндік. Жердің энергиялық тепе-теңдігі – Жердің беті немесе атмосферасы сіңірген күн сәулесінің қуаты, ғарышқа шығарылған ұзақ толқынды сәулелену қуатынан асып түсетін шама. Энергиялық тепе-теңдіктің бұзылуы – жер бетінің температурасын анықтайтын негізгі өлшем. БҰҰ ұсынған мәліметтерде «ЭЭТ – жалғаса беретін жаһандық жылыну мен климаттың өзгеруіне қатысты перспективаларды анықтайтын ең маңызды көрсеткіш» делінген. 2015 жылға жуық шақта Жердің энергиялық тепе-теңдігі (ЭЭТ) шамамен 0,7 Вт/м құрады, бұл Жердің жылу энергиясын жинақтауда және жылыну процесінде екенін көрсетеді. [[Файл:Үйжай әсері бар және жоқ шығыс сәулелену.svg|thumb|upright=2.5|Нақты және гипотетикалық сценарийде Жердің ұзақ толқынды сәулеленуінің жоғары ағынының салыстырылуы, онда парник газдары мен бұлттар Жердің альбедосын өзгертпей ұзақ толқынды сәулеленуді сіңіру қабілетін жоғалтады (яғни, күн сәулесінен шағылысу/сіңіру). Жоғарғы бөлігінде атмосфераның жоғарғы жағында (TOA) өлшенген Жердің жылынуы мен салқындауы арасындағы тепе-теңдік көрсетілген. (a) панелінде белсенді парник әсерімен нақты жағдай көрсетілген. (b) панелінде сіңіру тоқтағаннан кейінгі жағдай көрсетілген; Жер бетінен шығатын барлық ұзақ толқынды сәулелену ғарышқа жетеді; жылынуға қарағанда салқындату көбірек болады (күн сәулесінен). Бұл тепе-теңдіктің бұзылуы температураның күрт төмендеуіне әкеледі. (c) панелінде Жер беті жеткілікті түрде салқындап, сіңірілген күн сәулесінен энергия ағынына сәйкес келетін ұзақ толқынды сәулеленуді шығаратын соңғы тұрақты күй көрсетілген. Атмосфера биіктігімен күндізгі температура өзгерісі төмендейді.

Energy flux is the rate of energy flow per unit area. Energy flux is expressed in units of W/m2, which is the number of joules of energy that pass through a square meter each second. Most fluxes quoted in high level discussions of climate are global values, which means they are the total flow of energy over the entire globe, divided by the surface area of the Earth,
The fluxes of radiation arriving at and leaving the Earth are important because radiative transfer is the only process capable of exchanging energy between Earth and the rest of the universe. Earth's energy imbalance is the amount by which the power of incoming sunlight absorbed by Earth's surface or atmosphere exceeds the power of outgoing longwave radiation emitted to space. Energy imbalance is the fundamental measurement that drives surface temperature. A UN presentation says "The EEI is the most critical number defining the prospects for continued global warming and climate change." Earth's energy imbalance (EEI) was about 0.7 W/m as of around 2015, indicating that Earth as a whole is accumulating thermal energy and is in a process of becoming warmer. [[File:Outgoing radiation with and without Greenhouse effect. svg|thumb|upright=2.5|Comparison of Earth's upward flow of longwave radiation in reality and in a hypothetical scenario in which greenhouse gases and clouds are removed or lose their ability to absorb longwave radiation—without changing Earth's albedo (i. e., reflection/absorption of sunlight). Top shows the balance between Earth's heating and cooling as measured at the top of the atmosphere (TOA). Panel (a) shows the real situation with an active greenhouse effect. Panel (b) shows the situation immediately after absorption stops; all longwave radiation emitted by the surface would reach space; there would be more cooling (via longwave radiation emitted to space) than warming (from sunlight). This imbalance would lead to a rapid temperature drop. Panel (c) shows the final stable steady state, after the surface cools sufficiently to emit only enough longwave radiation to match the energy flow from absorbed sunlight. Diurnal temperature changes decrease with height in the atmosphere.

Ақырғы жылдамдығы

Атмосфераның төменгі қабатында, тропосферада, биіктік артқан сайын ауа температурасы төмендейді (немесе "температура градиенті" болады). Температураның биіктікке қарай өзгеру қарқыны – лапс жылдамдығы деп аталады. Жерде ауа температурасы орташа есеппен шамамен 6,5 °C/км (3,6 °F 1000 футқа) төмендейді, бірақ бұл көрсеткіш өзгереді.

Шығару температурасы мен биіктігі

термиялық сәулеленудің шығарылған температурасы белгілі бір толқын санындағы интенсивтілікті абсолют қара дене сәулелену қисығының интенсивтілігімен салыстыру арқылы анықталуы мүмкін. Диаграммада эмиссия температурасы Tmin мен Ts аралығында өзгереді. "Толқын саны" – жиіліктің жарық жылдамдығына бөлінуі. Жылыжай газдары Жер бетіне жақын атмосфераны ұзақ толқынды сәулеленуге қатысты көбінесе өткізбейді. Атмосфера тек биік қабаттарда ғана ұзақ толқынды сәулеленуге өткізгіш болады, онда ауа тығыздығы төмен, су буы аз және сіңіру сызықтарының қысымдық кеңеюі газ молекулаларының сіңіре алатын толқын ұзындықтарын шектейді. Күн сәулесіне көбінесе өткізгіш болатын жылыжай газдары осы диапазондағы кейбір толқын ұзындықтарын жақсы сіңіреді.

Жайдастырылған үлгілер

thumb|тұғыр=1.35|оң|Ғарыш, атмосфера және Жер беті арасында энергия ағыны жүзеге асады, атмосферадағы жылыжай газдары сәулелі жылуды сіңіріп, шығарып, Жердің энергия тепе-теңдігіне әсер етеді. 2007 жылғы деректер. Жылыжай эффектісінің қалай пайда болатынын және оның жер беті температурасына қалай әсер ететінін түсіну үшін кейде қарапайым модельдер қолданылады.

Атмосфералық қабат үлгілері

Жылыжай эффектісін қарапайым модельде көруге болады, онда ауа жер мен ғарышпен сәуле алмасатын бірыңғай қабат ретінде қарастырылады. Сәл күрделірек модельдер қосымша қабаттар қосады немесе конвекцияны енгізеді.

Эквивалентті эмиссиялық биіктік

Бір оңайлату – барлық шығатын ұзын толқынды сәулеленуді ауа температурасы планеталық эмиссиялардың жалпы тиімді температурасына тең болатын биіктіктен шығарылғандай қарастыру. Кейбір авторлар осы биіктікті тиімді сәулелену деңгейі (ERL) деп атайды және концентрация артқан сайын ERL сол деңгейден жоғарыдағы бірдей массаны сақтау үшін көтерілуі керек деп санайды. Бұл тәсіл сәулелену толқын ұзындығының эмиссия биіктігіне байланысты өзгеруін ескергеннен кем дәл. Дегенмен, бұл парниктік эффектіні жеңілдетілген түсінуді қолдауға көмектеседі. Қатты температура инверсиясы бар жерде, ауаның температурасы жер бетінен жоғары болса, парниктік эффект кері қайтаруы мүмкін, сондықтан парниктік газдардың болуы кеңістікке радиациялық салқындату жылдамдығын арттырады. Бұл жағдайда, кеңістікке жылу сәулеленуінің жылдамдығы жер бетінен жылу сәулеленуінің жылдамдығынан асып түседі. Осылайша, парниктік эффектінің жергілікті мәні теріс болады.

Жерден басқа денелер

+ Парниктік әсер түрлі аспан денелерінде Венера Жер Марс Титан Жер бетінің температурасы, Парниктік әсер, GHE; GHE+AGHE Қысым 92 атм 1 атм 0.0063 атм 1.5 атм Негізгі газдар (0.965) N (0.035) N (0.78) O (0.21) Ar (0.009) (0.95) N (0.03) Ar (0.02) N (0.95) (≈0.05) Көмекші газдар , Ar , O, CO H Планеталық тиімді температура, 73 K тропопауза; 82 K стратопауза Парниктік әсер, 16000 Вт/м² 150 Вт/м² 13 Вт/м² 2.8 Вт/м² GHE; 1.9 Вт/м² GHE+AGHE Нормаланған парниктік әсер, 0.99 0.39 0.11 0.63 GHE; 0.42 GHE+AGHE

Күн жүйесінде Жерден басқа, кем дегенде екі планета мен бір айда да парниктік әсер байқалады.

Венера

Венерадағы парниктік эффект ерекше күшті, ол жер бетінің температурасын дейін көтереді. Бұл оның 97% көмірқышқыл газынан тұратын өте тығыз атмосферасына байланысты. Жоғары қысымның салдарынан Венера атмосферасындағы CO2 үздіксіз сіңіруді (толқын ұзындығының кең диапазонында сіңіруді) көрсетеді және Жерде сіңіруге тән жолақтармен ғана шектелмейді. Бұл идея қазірге дейін басымдылықты құрайды. Венера планетасы қашқын парниктік эффектке ұшырады, нәтижесінде атмосферасының 96% көмірқышқыл газынан тұрады, ал атмосфералық қысым Жердегі теңіз астындағы қысымға шамамен тең. Венерада мұхиттар болған болуы мүмкін, бірақ олар орташа температура қазіргі деңгейге жеткенде буланып кеткен болар еді.

Марс

Марста Жерге қарағанда 70 есе көбірек көмірқышқыл газы бар, бірақ жылыжай эффектісі шамалы ғана. Жердегі жылынуды болжауға арналған сәулелік ауысу есептеулері, Марстағы атмосфера құрамын ескере отырып, температураны дәл түсіндіреді. N2 және H2 газдары әдетте инфрақызыл сәулеленуді сіңірмейді, бірақ Титан атмосферасының үлкен массасы мен қалыңдығы, қысымнан туындаған соқтығысулар және суық беттен шығатын жылу сәулелерінің ұзын толқындарының әсерінен олар жылу сәулеленуді сіңіреді. Бұл, жылыжай газдары атмосфераның төменгі қабаттарында жоғары қабаттарына қарағанда көбірек толқын ұзындықтарын сіңіре алатынын білдіреді.