Введение
Атмосферный феномен, вызывающий планетарное охлаждение. Антипарниковый эффект – это процесс, при котором энергия от солнца небесного тела поглощается или рассеивается верхней атмосферой этого тела, не давая этой энергии достичь поверхности, что приводит к её охлаждению – в отличие от парникового эффекта. В идеальном случае, когда верхняя атмосфера поглощает весь солнечный свет и почти прозрачна для инфракрасного (теплового) излучения с поверхности, температура поверхности снизится на 16%, что является существенным охлаждением. Этот эффект был обнаружен на спутнике Сатурна Титане. В стратосфере Титана туман, состоящий из органических аэрозольных частиц, одновременно поглощает солнечное излучение и почти прозрачен для инфракрасного излучения с поверхности Титана. Это уменьшает количество солнечной энергии, достигающей поверхности, и способствует уходу инфракрасного излучения в космос, охлаждая поверхность Титана. На Титане существуют как парниковый, так и антипарниковый эффекты, конкурирующие друг с другом. Парниковый эффект нагревает Титан на 21 К, а антипарниковый эффект охлаждает его на 9 К, поэтому общее потепление составляет 12 К (= 21 К – 9 К). Предполагается, что Земля могла иметь подобный туман в архейском эоне, вызывая антипарниковый эффект. Существует теория, что этот туман способствовал регулированию и стабилизации климата ранней Земли. Ядерные осадки.
The anti greenhouse effect is a process that occurs when energy from a celestial object's sun is absorbed or scattered by the object's upper atmosphere, preventing that energy from reaching the surface, which results in surface cooling – the opposite of the greenhouse effect. In an ideal case where the upper atmosphere absorbs all sunlight and is nearly transparent to infrared (heat) energy from the surface, the surface temperature would be reduced by 16%, which is a significant amount of cooling. This effect has been discovered to exist on Saturn's moon Titan. In Titan's stratosphere, a haze composed of organic aerosol particles simultaneously absorbs solar radiation and is nearly transparent to infrared energy from Titan's surface. This acts to reduce solar energy reaching the surface and lets infrared energy escape, cooling Titan's surface. Titan has both a greenhouse and an anti greenhouse effect which compete with one another. The greenhouse effect warms Titan by 21 K while the anti greenhouse effect cools Titan by 9 K, so the net warming is 12 K (= 21 K 9 K). It has been suggested that Earth potentially had a similar haze in the Archean eon, causing an anti greenhouse effect. It is theorized that this haze helped to regulate and stabilize early Earth's climate. nuclear fallout,
Энергетический баланс
Чтобы понять, как антипарниковый эффект влияет на планету или крупный спутник, с их звездой в качестве внешнего источника энергии, можно рассчитать энергетический бюджет, подобно тому, как это делается для Земли. Для каждого компонента системы приток энергии должен равняться оттоку энергии, чтобы соблюдался закон сохранения энергии и поддерживалась постоянная температура. Если один вклад в энергию превышает другой, возникает энергетический дисбаланс, и температура объекта изменится, чтобы восстановить равновесие. При расчете энергетического баланса необходимо учитывать источники энергии во всем электромагнитном спектре. Например, в случае Земли, равновесие достигается между входящим коротковолновым излучением от Солнца и исходящим длинноволновым излучением от поверхности и атмосферы. После определения энергетического баланса компонента можно вычислить его температуру.
Идеальный антипарниковый эффект
В самом крайнем случае, предположим, что верхняя атмосфера планеты содержит дымку, поглощающую весь солнечный свет, который не отражается обратно в космос, но при этом почти прозрачную для инфракрасного длинноволнового излучения. Согласно закону Кирхгофа, поскольку дымка плохо поглощает инфракрасное излучение, она также плохо его излучает и будет излучать небольшое количество в этой части спектра как в космос, так и к поверхности планеты. Согласно закону Стефана-Больцмана, планета излучает энергию, прямо пропорциональную четвертой степени температуры поверхности. На поверхности энергетический баланс выглядит следующим образом, где – постоянная Стефана-Больцмана, – температура поверхности, а – исходящее длинноволновое излучение от дымки в верхних слоях атмосферы. Поскольку дымка плохо поглощает это длинноволновое излучение, можно предположить, что оно полностью проходит в космос. Входящая солнечная энергия должна быть скорректирована с учетом количества энергии, теряемой при отражении в космос, поскольку она не остается в системе планеты и ее атмосферы. В верхних слоях атмосферы энергетический баланс выглядит следующим образом: где – входящий поток солнечной энергии, – планетарное альбедо (т.е. отражательная способность), а – эффективная средняя температура излучения. Входящий солнечный поток делится на четыре для учета временного и пространственного усреднения по всей планете, а фактор – это доля солнечной энергии, поглощаемой дымкой. Заменяя на во втором уравнении, получаем, и отношение равно или 0,84. Это означает, что температура поверхности снижается на 16% по сравнению с эффективной средней температурой излучения, что является потенциально значительным охлаждающим эффектом. Это уже не современное понимание термина, который акцентирует внимание на охлаждении поверхности из-за поглощения солнечного излучения на большой высоте.
where is the Stefan–Boltzmann constant, is the surface temperature, and is the outgoing longwave radiation from the haze in the upper atmosphere. Since the haze is not a good absorber of this longwave radiation, it can be assumed to all pass through out to space. The incoming solar energy must be scaled down to account for the amount of energy that is lost by being reflected to space since it is not within the planet atmosphere system. In the upper atmosphere, the energy balance is as follows,
where is the incoming solar energy flux, is planetary albedo (i. e., reflectivity), and is the effective mean radiating temperature. The incoming solar flux is divided by four to account for time and spatial averaging over the entire planet and the factor is the fraction of the solar energy that is absorbed by the haze. Replacing with in the second equation, we have,
and the ratio equals or 0.84. This means that the surface temperature is reduced from the effective mean radiating temperature by 16%, which is a potentially significant cooling effect. This is no longer the current usage of the term, which emphasizes surface cooling due to high altitude absorption of solar radiation.
Сравнение с отрицательным парниковым эффектом
Отрицательный парниковый эффект – это явление, которое может вызывать локальное, а не планетарное охлаждение. В то время как антипарниковый эффект подразумевает общую температурную инверсию в стратосфере, отрицательный парниковый эффект проявляется в локальной температурной инверсии в тропосфере. Оба эффекта увеличивают исходящее тепловое излучение – локально в случае отрицательного парникового эффекта и глобально в случае антипарникового эффекта.
На Титане
Органическая дымка в стратосфере Титана. В идеальном антипарниковом случае, описанном выше, максимальное влияние органической дымки на Титан составляет (1 – 0,84) * 82 К = 13 К. Это превышает 9 К, зафиксированные на Титане. Органическая дымка формируется в результате полимеризации продуктов фотолиза метана и нитрилов, то есть продукты соединяются в более длинные цепи и крупные молекулы. Эти полимеры, образованные из метана, могут состоять из полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и полиацетилена. Однако распределение этих полимеров в атмосфере Титана не является вертикально однородным. Полимеры нитрилов и полиацетилена образуются в верхних слоях атмосферы, а полимеры ПАУ – в стратосфере. Эта гипотеза возникла в результате попыток разрешить парадокс слабого молодого Солнца, когда снижение солнечной активности в прошлом необходимо согласовать с существованием жидкой воды на Земле в то время. Чтобы объяснить, как вода могла оставаться в жидком состоянии, было предположено, что парниковые газы помогали поддерживать температуру Земли достаточно высокой, чтобы предотвратить её полное замерзание. В то время как одна гипотеза утверждает, что за дополнительное тепло отвечал только углекислый газ, другая включает в себя присутствие как углекислого газа, так и метана. Одна из моделей показала, что метан в постбиотическом архейском периоде мог существовать в концентрации 1000 ppm и выше, при этом концентрация углекислого газа могла быть не более 5000 ppm, чтобы предотвратить замерзание Земли – примерно в 12 раз больше, чем в 2022 году. Однако при таком соотношении метана к углекислому газу 0,2, продукты фотолиза метана могут полимеризоваться, образуя длинноцепочечные молекулы, которые могут агрегироваться в частицы, формируя антипарниковую органическую дымку.
Настоящее
В современном состоянии атмосферы Земли существует несколько источников анти-парникового эффекта. Предполагается, что стратосферный озон и термосфера Земли создают частичный антипарниковый эффект благодаря их низкой тепловой непрозрачности и высоким температурам. Все эти источники приводят к формированию температурной структуры, при которой горячий верхний слой располагается над холодной поверхностью, что и характеризует антипарниковый эффект.
На других планетах
Были дискуссии о слабом антипарниковом эффекте на Марсе, где штормы поднимают пыль в верхние слои атмосферы. Подтверждение этого эффекта было получено на основе измерений, сделанных аппаратом Viking 1 в 1976–77 годах, когда после глобального шторма средняя дневная температура у поверхности снизилась на 5 градусов Цельсия. Исследования с использованием компьютерного моделирования изучали влияние фотохимических дымок на тепловую структуру экзопланет. Применив эту модель к горячим юпитерам, ученые обнаружили, что учет дымки для HD 189733 b привел к расширению атмосферы, что помогает объяснить наблюдаемую резкую особенность в кривой прохождения (транзите) в электромагнитном спектре. Также модель для HD 209458 b предсказала наличие как фотохимической дымки, так и объектов, подобных облакам.