Парниковый эффект и глобальное потепление планеты.

Введение

Атмосферное явление, вызывающее глобальное потепление

Парниковый эффект возникает, когда парниковые газы в атмосфере планеты изолируют её, препятствуя рассеиванию тепла в космос и повышая температуру поверхности. Нагрев поверхности может происходить за счет внутреннего источника тепла, как в случае с Юпитером, или от звезды, вокруг которой вращается планета, как в случае с Землей. В случае Земли Солнце излучает коротковолновое излучение (солнечный свет), которое проходит сквозь парниковые газы и нагревает земную поверхность. В ответ на это поверхность Земли излучает длинноволновое излучение, которое в основном поглощается парниковыми газами. Поглощение длинноволнового излучения препятствует его уходу в космос, замедляя охлаждение Земли. Без парникового эффекта средняя температура поверхности Земли была бы около -18 °C, что ниже среднего значения за XX век, составлявшего около 14 °C, или более современного среднего значения около 15 °C. Помимо естественных парниковых газов, сжигание ископаемого топлива привело к увеличению концентрации углекислого газа и метана в атмосфере. В результате, со времен промышленной революции произошло глобальное потепление примерно на 1 °C, а глобальная средняя температура поверхности повышается со скоростью 0,2 °C в десятилетие с 1981 года. Все объекты с температурой выше абсолютного нуля излучают тепловое излучение. Длины волн теплового излучения, испускаемого Солнцем и Землей, различаются из-за разницы в их поверхностных температурах. Температура поверхности Солнца составляет около 5500 °C, поэтому он излучает большую часть энергии в виде коротковолнового излучения в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах (как солнечный свет). В отличие от этого, поверхность Земли имеет гораздо более низкую температуру, поэтому она излучает длинноволновое излучение в среднем и дальнем инфракрасном диапазонах, тем самым накапливая энергию и нагревая земную поверхность. Существование парникового эффекта, хотя и не получило такого названия, было предложено еще в 1824 году Жозефом Фурье. Аргументы и доказательства были дополнительно усилены Клодом Пуйе в 1827 и 1838 годах. В 1856 году Юнис Ньютон Фут продемонстрировала, что нагревающее действие солнечного света сильнее для воздуха, содержащего водяной пар, чем для сухого воздуха, и еще сильнее – для воздуха с углекислым газом. Термин "парниковый эффект" впервые был применен к этому явлению Нильсом Густавом Экхольмом в 1901 году.

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.

Определение

Парниковый эффект на Земле определяется как: "Инфракрасный радиационный эффект всех инфракрасно-поглощающих компонентов в атмосфере. Парниковые газы (ПГ), облака и некоторые аэрозоли поглощают земное излучение, испускаемое поверхностью Земли и в других частях атмосферы". Усиленный парниковый эффект описывает тот факт, что увеличение концентрации ПГ в атмосфере (вследствие деятельности человека) усиливает естественный парниковый эффект. В отличие от этого, парниковый эффект удерживает тепло, ограничивая радиационный перенос через воздух и снижая скорость, с которой тепловое излучение уходит в космос. | image2 = 191203 Печи мира Popular Mechanics Глобальное потепление. jpg
| caption2 = Парниковый эффект и его влияние на климат были кратко описаны в этой статье 1912 года в журнале Popular Mechanics, доступной для широкой публики. Существование парникового эффекта, хотя и не называлось таким образом, было предложено еще в 1824 году Жозефом Фурье. Эффект был более полно количественно оценен Сванте Аррениусом в 1896 году, который сделал первое количественное предсказание глобального потепления в результате гипотетического удвоения концентрации углекислого газа в атмосфере. В настоящее время длинноволновое излучение покидает поверхность со средней скоростью 398 Вт/м², но только 239 Вт/м² достигает космоса. Таким образом, парниковый эффект Земли также можно измерить как изменение потока энергии в 159 Вт/м².]] Усиление парникового эффекта за счет дополнительных парниковых газов, образующихся в результате деятельности человека, известно как усиленный парниковый эффект. Это увеличение радиационного воздействия от деятельности человека наблюдается непосредственно и в основном связано с увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере. Углекислый газ образуется при сжигании ископаемого топлива и других видах деятельности, таких как производство цемента и вырубка тропических лесов. Измерения, проводимые на обсерватории Мауна-Лоа, показывают, что концентрации увеличились примерно с 313 частей на миллион (ppm) в 1960 году, превысив отметку в 400 ppm в 2013 году. Наблюдаемое в настоящее время количество углекислого газа превышает геологические максимумы (≈300 ppm), зафиксированные в данных кернов льда. За последние 800 000 лет данные кернов льда показывают, что концентрация углекислого газа колебалась от 180 ppm до доиндустриального уровня 270 ppm. Палеоклиматологи считают изменения концентрации углекислого газа фундаментальным фактором, влияющим на изменения климата в течение этого временного периода.

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.

Приходящее коротковолновое излучение

Более горячая материя излучает более короткие длины волн излучения. В результате Солнце излучает коротковолновое излучение в виде солнечного света, а Земля и её атмосфера – длинноволновое излучение. Солнечный свет включает в себя ультрафиолетовое, видимый свет и ближний инфракрасный спектр, поглощая остальное (240 Вт/м²). Углекислый газ считается причиной провала в спектре исходящего излучения (и связанного с этим усиления парникового эффекта) в районе 667 см⁻¹ (что эквивалентно длине волны 15 микрон). Каждый слой атмосферы, содержащий парниковые газы, поглощает часть длинноволнового излучения, исходящего от нижних слоев. Он также излучает длинноволновое излучение во всех направлениях – как вверх, так и вниз – в равновесии с количеством поглощенного излучения. Это приводит к уменьшению потерь тепла за счет излучения и увеличению температуры у поверхности. Увеличение концентрации этих газов повышает объём поглощения и излучения, что приводит к большему удержанию тепла у поверхности и в нижних слоях атмосферы. Эта температура немного ниже эффективной температуры поверхности, но выше средней эффективной температуры Земли.

Поток энергии

Энергетический поток – это скорость потока энергии на единицу площади. Энергетический поток выражается в единицах Вт/м², что соответствует количеству джоулей энергии, проходящих через квадратный метр в секунду. Большинство потоков, упоминаемых в обсуждениях климата на высоком уровне, являются глобальными значениями, то есть представляют собой общий поток энергии по всей Земле, делённый на площадь поверхности Земли. Потоки излучения, достигающие и покидающие Землю, важны, поскольку радиационный перенос – единственный процесс, способный обмениваться энергией между Землёй и остальной Вселенной. Энергетический дисбаланс Земли – это разница между мощностью входящего солнечного света, поглощаемого поверхностью Земли или атмосферой, и мощностью исходящего длинноволнового излучения, излучаемого в космос. Энергетический дисбаланс – это фундаментальная величина, определяющая температуру поверхности. В презентации ООН говорится: «ЭДЗ – наиболее важный показатель, определяющий перспективы дальнейшего глобального потепления и изменения климата». Энергетический дисбаланс Земли (ЭДЗ) составлял около 0,7 Вт/м² по состоянию примерно на 2015 год, что указывает на то, что Земля в целом накапливает тепловую энергию и нагревается. [[Файл:Выходящее излучение с парниковым эффектом и без него.svg|thumb|upright=2.5|Сравнение восходящего потока длинноволнового излучения Земли в реальности и в гипотетическом сценарии, в котором парниковые газы и облака удалены или теряют способность поглощать длинноволновое излучение, не изменяя альбедо Земли (то есть отражение/поглощение солнечного света). Верхняя часть показывает баланс между нагревом и охлаждением Земли, измеренный на верхней границе атмосферы (TOA). Панель (a) показывает реальную ситуацию с действующим парниковым эффектом. Панель (b) показывает ситуацию сразу после прекращения поглощения; всё длинноволновое излучение, испускаемое поверхностью, достигает космоса; охлаждение (через длинноволновое излучение, излучаемое в космос) будет больше, чем нагрев (от солнечного света). Этот дисбаланс привел бы к быстрому падению температуры. Панель (c) показывает конечное стабильное стационарное состояние, после того как поверхность остынет настолько, чтобы излучать только достаточное количество длинноволнового излучения, соответствующее потоку энергии от поглощённого солнечного света. Суточные колебания температуры уменьшаются с высотой в атмосфере.

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.

Скорость пропуска

В нижней части атмосферы, в тропосфере, температура воздуха уменьшается с увеличением высоты (или наблюдается градиент температуры). Скорость изменения температуры с высотой называется вертикальным градиентом температуры. На Земле температура воздуха в среднем уменьшается примерно на 6,5 °C/км (3,6 °F на 1000 футов), хотя это значение может меняться.

Температура и высота излучения

Температура, при которой было испущено тепловое излучение, может быть определена путем сравнения интенсивности на определенном волновом числе с интенсивностью кривой излучения абсолютно черного тела. На графике температуры излучения варьируются от Tmin до Ts. "Волновое число" – это частота, деленная на скорость света. Парниковые газы делают атмосферу вблизи поверхности Земли преимущественно непрозрачной для длинноволнового излучения. Атмосфера становится прозрачной для длинноволнового излучения только на больших высотах, где воздух менее плотный, содержание водяного пара меньше, а уменьшение уширения линий поглощения давлением ограничивает длины волн, которые могут поглощать молекулы газа. Парниковые газы, которые были в основном прозрачны для входящего солнечного излучения, поглощают большее количество энергии на некоторых длинах волн в этом диапазоне.

Упрощенные модели

Энергия перетекает между космосом, атмосферой и поверхностью Земли, при этом парниковые газы в атмосфере поглощают и излучают тепловое излучение, влияя на энергетический баланс Земли. Данные на 2007 год. Упрощенные модели иногда используются для лучшего понимания механизмов парникового эффекта и его влияния на температуру поверхности.

Модели атмосферных слоев

Парниковый эффект можно рассмотреть на упрощенной модели, в которой воздух рассматривается как единый однородный слой, обменивающийся излучением с поверхностью Земли и космосом. Более сложные модели добавляют дополнительные слои или включают конвекцию.

Эквивалентная высота выброса

Одним из упрощений является рассмотрение всего исходящего длинноволнового излучения как испускаемого с высоты, где температура воздуха равна общей эффективной температуре планетарного излучения. Некоторые авторы называют эту высоту эффективным уровнем излучения (ERL) и предполагают, что с увеличением концентрации ERL должен повышаться для поддержания той же массы воздуха над этим уровнем. Этот подход менее точен, чем учет изменения длины волны излучения в зависимости от высоты излучения. Однако он может быть полезен для упрощенного понимания парникового эффекта. В местах с сильной температурной инверсией, когда воздух теплее поверхности, парниковый эффект может быть обращен, и присутствие парниковых газов может увеличивать скорость радиационного охлаждения в космос. В этом случае скорость теплового излучения в космос превышает скорость теплового излучения от поверхности. Таким образом, локальное значение парникового эффекта становится отрицательным.

Другие тела , кроме Земли

+ Парниковый эффект на различных небесных телах Венера Земля Марс Титан Поверхностная температура, парниковый эффект, GHE; GHE+AGHE Давление 92 атм 1 атм 0.0063 атм 1.5 атм Основные газы (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) Минорные газы , Ar , O, CO H Планетарная эффективная температура, 73 K тропопауза; 82 K стратопауза Парниковый эффект, 16000 Вт/м² 150 Вт/м² 13 Вт/м² 2.8 Вт/м² GHE; 1.9 Вт/м² GHE+AGHE Нормализованный парниковый эффект, 0.99 0.39 0.11 0.63 GHE; 0.42 GHE+AGHE

В Солнечной системе, помимо Земли, парниковый эффект наблюдается как минимум на двух других планетах и одном спутнике.

Венера

Парниковый эффект на Венере особенно силён и приводит к тому, что температура поверхности достигает значений до . Это обусловлено её очень плотной атмосферой, состоящей примерно на 97% из углекислого газа. Из-за высокого давления CO2 в атмосфере Венеры проявляет континуальное поглощение (поглощение в широком диапазоне длин волн) и не ограничивается поглощением в полосах, релевантных для его поглощения на Земле. Эта идея по-прежнему широко признана. Планета Венера пережила неуправляемый парниковый эффект, в результате чего атмосфера состоит на 96% из углекислого газа, а атмосферное давление на поверхности примерно соответствует давлению на глубине под водой на Земле. Возможно, на Венере когда-то существовали океаны воды, но они испарились, когда средняя температура поверхности поднялась до нынешней.

Марс

Марс содержит примерно в 70 раз больше углекислого газа, чем Земля, но испытывает лишь незначительный парниковый эффект. Те же самые расчеты радиационного переноса, которые точно предсказывают потепление на Земле, объясняют температуру на Марсе, учитывая его атмосферный состав. Хотя газы N2 и H2 обычно не поглощают инфракрасное излучение, на Титане они поглощают тепловое излучение из-за столкновений, вызванных давлением, большой массы и толщины атмосферы, а также длинных волн теплового излучения от холодной поверхности. Это означает, что парниковые газы способны поглощать большее количество длин волн в нижней атмосфере, чем в верхней.