Парниковый эффект возникает, когда парниковые газы в атмосфере планеты задерживают часть тепла, излучаемого поверхностью планеты, повышая ее температуру. Этот процесс происходит потому, что звезды излучают коротковолновое излучение , которое проходит через парниковые газы, а планеты излучают длинноволновое излучение , которое частично поглощается парниковыми газами. Эта разница снижает скорость, с которой планета может остывать в ответ на нагревание от своей родительской звезды. Добавление парниковых газов еще больше снижает интенсивность излучения планеты в космос, повышая среднюю температуру ее поверхности.
Средняя температура поверхности Земли составила бы около -18 ° C (-0,4 ° F) без парникового эффекта, [1] [2] по сравнению со средней температурой Земли в 20-м веке, составлявшей около 14 ° C (57 ° F), или более поздним показателем. в среднем около 15 ° C (59 ° F). [3] [4] Помимо присутствующих в природе парниковых газов, сжигание ископаемого топлива привело к увеличению количества углекислого газа и метана в атмосфере. [5] [6] В результате со времени промышленной революции произошло глобальное потепление примерно на 1,2 °C (2,2 °F) , [7] при этом глобальная средняя приземная температура увеличивалась со скоростью 0,18 °C (0,32 °F). ) за десятилетие с 1981 г. [8]
Длины волн излучения, испускаемого Солнцем и Землей, различаются, поскольку температура их поверхности различна. Температура поверхности Солнца составляет 5500 °C (9900 °F), поэтому большую часть своей энергии оно излучает в виде коротковолнового излучения в ближнем инфракрасном и видимом диапазоне волн (как солнечный свет ). Напротив, поверхность Земли имеет гораздо более низкую температуру, поэтому она излучает длинноволновое излучение в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне (иногда называемое тепловым излучением или излучаемым теплом). [6] Газ является парниковым , если он поглощает длинноволновое излучение . Атмосфера Земли поглощает лишь 23% приходящей коротковолновой радиации, но поглощает 90% длинноволновой радиации, испускаемой поверхностью [9] , накапливая таким образом энергию и нагревая поверхность Земли.
Существование парникового эффекта, хотя и не названное так, было предположено еще в 1824 году Жозефом Фурье . [10] Аргумент и доказательства были дополнительно подкреплены Клодом Пуйе в 1827 и 1838 годах. В 1856 году Юнис Ньютон Фут продемонстрировала, что согревающий эффект Солнца сильнее для воздуха с водяным паром, чем для сухого воздуха, и эффект даже больше. с углекислым газом. [11] [12] Термин «парниковый» впервые был применен к этому явлению Нильсом Густавом Экхольмом в 1901 году. [13] [14]
Парниковый эффект на Земле определяется как: «Инфракрасное радиационное воздействие всех поглощающих инфракрасное излучение компонентов в атмосфере. Парниковые газы (ПГ), облака и некоторые аэрозоли поглощают земное излучение, испускаемое поверхностью Земли и другими частями атмосферы». [15] : 2232
Усиленный парниковый эффект описывает тот факт, что при увеличении концентрации парниковых газов в атмосфере (из-за деятельности человека) естественный парниковый эффект увеличивается. [15] : 2232
Термин «парниковый эффект» происходит от аналогии с парниками . И теплицы, и парниковый эффект работают, сохраняя тепло солнечного света, но способы сохранения тепла у них разные. Теплицы сохраняют тепло главным образом за счет блокировки конвекции (движения воздуха). [16] [17] Напротив, парниковый эффект удерживает тепло, ограничивая перенос излучения через воздух и уменьшая скорость, с которой тепло уходит в космос. [5]
Существование парникового эффекта, хотя и не названное так, было предположено еще в 1824 году Жозефом Фурье . [19] Аргумент и доказательства были дополнительно подкреплены Клодом Пуйе в 1827 и 1838 годах. В 1856 году Юнис Ньютон Фут продемонстрировала, что согревающий эффект Солнца сильнее для воздуха с водяным паром, чем для сухого воздуха, и эффект даже больше. с углекислым газом. Она пришла к выводу, что «атмосфера этого газа придаст нашей Земле высокую температуру…» [20] [21]
Джон Тиндалл был первым, кто измерил поглощение и излучение инфракрасного излучения различных газов и паров. Начиная с 1859 года, он показал, что эффект был обусловлен очень небольшой долей атмосферы, при этом основные газы не оказывали никакого влияния, и в основном был обусловлен водяным паром, хотя небольшой процент углеводородов и углекислого газа имел значительный эффект. [22] Более полно этот эффект был определен количественно Сванте Аррениусом в 1896 году, который сделал первое количественное предсказание глобального потепления из-за гипотетического удвоения содержания углекислого газа в атмосфере. [23] Термин «парниковый» впервые был применен к этому явлению Нильсом Густавом Экхольмом в 1901 году. [24] [25]
Материя излучает тепловое излучение в количестве, прямо пропорциональном четвертой степени ее температуры . Часть радиации, испускаемой поверхностью Земли, поглощается парниковыми газами и облаками. Без этого поглощения средняя температура поверхности Земли составляла бы -18 ° C (-0,4 ° F). Однако из-за того, что часть излучения поглощается, средняя температура поверхности Земли составляет около 15 ° C (59 ° F). Таким образом, парниковый эффект Земли можно измерить как изменение температуры на 33 ° C (59 ° F).
Тепловое излучение характеризуется тем, сколько энергии оно несет, обычно в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ). Ученые также измеряют парниковый эффект, основываясь на том, насколько больше длинноволнового теплового излучения покидает поверхность Земли, чем достигает космоса. [27] : 968 [27] : 934 [28] [29] [30] В настоящее время длинноволновое излучение покидает поверхность со средней скоростью 398 Вт/м 2 , но лишь 239 Вт/м 2 достигает космоса. Таким образом, парниковый эффект Земли также можно измерить как изменение потока энергии на 159 Вт/м 2 . [27] : 968 [27] : 934 Парниковый эффект можно выразить как долю (0,40) или процент (40%) длинноволнового теплового излучения, которое покидает поверхность Земли, но не достигает космоса. [27] : 968 [28] [31]
Независимо от того, выражается ли парниковый эффект в изменении температуры или в изменении длинноволнового теплового излучения, измеряется один и тот же эффект. [28]
Усиление парникового эффекта за счет дополнительных парниковых газов в результате деятельности человека известно как усиленный парниковый эффект . [15] : 2232 Это увеличение радиационного воздействия в результате деятельности человека наблюдалось не только в результате измерений ARGO , CERES и других инструментов на протяжении 21 века, [33] : 7–17 , [34] [35] и обусловлено главным образом повышением уровня углекислого газа в атмосфере. [36]
CO 2 образуется в результате сжигания ископаемого топлива и других видов деятельности, таких как производство цемента и вырубка тропических лесов . [37] Измерения CO 2 обсерваторией Мауна-Лоа показывают, что концентрации увеличились примерно с 313 частей на миллион (ppm) [38] в 1960 году, преодолев отметку в 400 ppm в 2013 году. [39] Текущее наблюдаемое количество CO 2 превышает максимумы геологических записей (≈300 ppm) по данным ледяных кернов. [40]
За последние 800 000 лет [41] данные ледяных кернов показывают, что содержание углекислого газа варьировалось от значений всего в 180 частей на миллион до доиндустриального уровня в 270 частей на миллион. [42] Палеоклиматологи считают, что изменения концентрации углекислого газа являются фундаментальным фактором, влияющим на изменения климата в этом временном масштабе. [43] [44]
Более горячая материя излучает более короткие волны излучения. В результате Солнце излучает коротковолновое излучение в виде солнечного света, а Земля и ее атмосфера излучают длинноволновое излучение . Солнечный свет включает ультрафиолетовое , видимое и ближнее инфракрасное излучение. [15] : 2251
Солнечный свет отражается и поглощается Землей и ее атмосферой. Атмосфера и облака отражают около 23% и поглощают 23%. Поверхность отражает 7% и поглощает 48%. [9] В целом Земля отражает около 30% поступающего солнечного света, [45] [46] и поглощает остальную часть (240 Вт/м 2 ). [27] : 934
Земля и ее атмосфера излучают длинноволновое излучение , также известное как тепловое инфракрасное или земное излучение . [15] : 2251 Неофициально длинноволновое излучение иногда называют тепловым излучением . Исходящая длинноволновая радиация (OLR) — это излучение Земли и ее атмосферы, которое проходит через атмосферу в космос.
Парниковый эффект можно непосредственно увидеть на графиках зависимости исходящего от Земли длинноволнового излучения от частоты (или длины волны). Площадь между кривой длинноволнового излучения, испускаемого поверхностью Земли, и кривой уходящего длинноволнового излучения указывает на величину парникового эффекта. [30]
Разные вещества отвечают за уменьшение энергии излучения, достигающего космоса на разных частотах; для некоторых частот роль играют несколько веществ. [29] Предполагается, что углекислый газ ответственен за падение уходящей радиации (и связанное с этим усиление парникового эффекта) на уровне около 667 см -1 (что эквивалентно длине волны 15 микрон). [47]
Каждый слой атмосферы, содержащий парниковые газы, поглощает часть длинноволновой радиации, излучаемой вверх из нижних слоев. Он также излучает длинноволновое излучение во всех направлениях, как вверх, так и вниз, в равновесии с количеством, которое оно поглотило. Это приводит к меньшим радиационным потерям тепла и большему количеству тепла внизу. Увеличение концентрации газов увеличивает количество поглощения и выбросов и, таким образом, приводит к сохранению большего количества тепла на поверхности и в нижних слоях. [48]
Мощность уходящего длинноволнового излучения, испускаемого планетой, соответствует эффективной температуре планеты. Эффективная температура — это температура, которую должна иметь планета, излучающая однородную температуру ( черное тело ), чтобы излучать такое же количество энергии.
Эту концепцию можно использовать для сравнения количества длинноволнового излучения, излучаемого в космос, и количества длинноволнового излучения, излучаемого поверхностью:
Температура поверхности Земли часто выражается как средняя температура приземного воздуха. Это около 15 °C (59 °F), [4] [50] немного ниже эффективной температуры поверхности. Это значение на 33 ° C (59 ° F) теплее, чем общая эффективная температура Земли.
Поток энергии – это скорость потока энергии на единицу площади. Поток энергии выражается в единицах Вт/м 2 , что представляет собой количество джоулей энергии, проходящих через квадратный метр каждую секунду. Большинство потоков, упоминаемых в обсуждениях климата на высоком уровне, являются глобальными величинами, что означает, что они представляют собой общий поток энергии по всему земному шару, разделенный на площадь поверхности Земли, 5,1 × 10 14 м 2 (5,1 × 10 8 км 2 ; 2,0 × 10 8 квадратных миль). [51]
Потоки радиации, поступающие на Землю и покидающие Землю, важны, поскольку перенос излучения — единственный процесс, способный обмениваться энергией между Землей и остальной частью Вселенной. [52] : 145
Температура планеты зависит от баланса между приходящей и исходящей радиацией. Если приходящая радиация превышает исходящую, планета нагреется. Если исходящая радиация превышает входящую, планета остынет. Планета будет стремиться к состоянию радиационного равновесия , при котором мощность исходящей радиации равна мощности поглощенной приходящей радиации. [53]
Энергетический дисбаланс Земли — это величина, на которую мощность приходящего солнечного света, поглощаемого поверхностью или атмосферой Земли, превышает мощность исходящего длинноволнового излучения, излучаемого в космос. Энергетический дисбаланс — это фундаментальное измерение, которое определяет температуру поверхности. [54] В презентации ООН говорится: «Индекс EEI является наиболее важным показателем, определяющим перспективы дальнейшего глобального потепления и изменения климата». [55] В одном исследовании утверждается: «Абсолютное значение EEI представляет собой наиболее фундаментальный показатель, определяющий состояние глобального изменения климата». [56]
Примерно в 2015 году энергетический дисбаланс Земли (EEI) составлял около 0,7 Вт/м 2 , что указывает на то, что Земля в целом накапливает тепловую энергию и находится в процессе нагревания. [27] : 934
Более 90% сохраняемой энергии уходит на потепление океанов, гораздо меньшие количества идут на нагрев суши, атмосферы и льда. [57]
Простая картина предполагает устойчивое состояние, но в реальном мире дневной/ночной ( суточный ) цикл, а также сезонный цикл и погодные возмущения усложняют ситуацию. Солнечное отопление применяется только в дневное время. Ночью атмосфера несколько охлаждается, но не сильно, поскольку тепловая инерция климатической системы сопротивляется изменениям как днем, так и ночью, а также в течение более длительных периодов времени. [59] Суточные изменения температуры уменьшаются с высотой в атмосфере.
В нижней части атмосферы, тропосфере , температура воздуха снижается (или «падает») с увеличением высоты. Скорость изменения температуры с высотой называется градиентом . [60]
На Земле температура воздуха снижается в среднем примерно на 6,5°C/км (3,6°F на 1000 футов), хотя эта цифра варьируется. [60]
Понижение температуры вызвано конвекцией . Воздух, нагретый поверхностью, поднимается вверх. Поднимаясь вверх, воздух расширяется и охлаждается . Одновременно с этим опускается другой воздух, сжимается и нагревается. Этот процесс создает вертикальный градиент температуры в атмосфере. [60]
Этот вертикальный градиент температуры важен для парникового эффекта. Если бы градиент был равен нулю (так что температура атмосферы не менялась с высотой и была такой же, как температура поверхности), то парникового эффекта не было бы (т. е. его значение было бы равно нулю). [61]
Парниковые газы делают атмосферу вблизи поверхности Земли практически непрозрачной для длинноволновой радиации. Атмосфера становится прозрачной для длинноволнового излучения только на больших высотах, где воздух менее плотный, меньше водяного пара, а расширение линий поглощения под давлением ограничивает длины волн, которые могут поглощать молекулы газа. [62] [52]
Для любой заданной длины волны длинноволновое излучение, достигающее космоса, излучается определенным излучающим слоем атмосферы. Интенсивность испускаемого излучения определяется средневзвешенной температурой воздуха внутри этого слоя. Таким образом, для любой заданной длины волны излучения, испускаемого в космос, существует соответствующая эффективная температура излучения (или яркостная температура ). [63] [52]
Можно также сказать, что данная длина волны излучения имеет эффективную высоту излучения , которая представляет собой средневзвешенное значение высот внутри излучающего слоя.
Эффективная температура излучения и высота зависят от длины волны (или частоты). Это явление можно увидеть, исследуя графики излучения, испускаемого в космос. [63]
Поверхность Земли излучает длинноволновое излучение с длинами волн в диапазоне 4–100 микрон. [64] Парниковые газы, которые были в значительной степени прозрачны для поступающей солнечной радиации, более поглощают некоторые длины волн в этом диапазоне. [64]
Атмосфера у поверхности Земли в значительной степени непрозрачна для длинноволновой радиации, и большая часть потерь тепла с поверхности происходит за счет испарения и конвекции . Однако радиационные потери энергии становятся все более важными в атмосфере, в основном из-за снижения концентрации водяного пара, важного парникового газа.
Вместо того, чтобы думать о длинноволновом излучении, направляющемся в космос, как о исходящем с самой поверхности, более реалистично думать об этом исходящем излучении как об излучении слоя в средней тропосфере , который эффективно связан с поверхностью за счет градиента . Разница в температуре между этими двумя местами объясняет разницу между приземными выбросами и выбросами в космос, т. е. объясняет парниковый эффект. [65] [66]
Парниковый газ (ПГ) — это газ, который способствует улавливанию тепла, препятствуя потоку длинноволнового излучения из атмосферы планеты. Парниковые газы составляют большую часть парникового эффекта в энергетическом бюджете Земли . [15]
Газы, которые могут поглощать и излучать длинноволновое излучение, считаются активными в инфракрасном диапазоне [67] и действуют как парниковые газы.
Большинство газов, молекулы которых имеют два разных атома (например, окись углерода CO ), а также все газы с тремя или более атомами (включая H 2 O и CO 2 ), активны в инфракрасном диапазоне и действуют как парниковые газы. (Технически это происходит потому, что когда эти молекулы вибрируют , эти вибрации изменяют молекулярный дипольный момент или асимметрию в распределении электрического заряда. См. Инфракрасную спектроскопию .) [15]
Газы только с одним атомом (например, аргон, Ar) или с двумя одинаковыми атомами (например, азот, N
2, и кислород, O
2) не являются инфракрасными активными. Они прозрачны для длинноволнового излучения и для практических целей не поглощают и не излучают длинноволновое излучение. (Это потому, что их молекулы симметричны и поэтому не имеют дипольного момента.) Такие газы составляют более 99% сухой атмосферы. [15]
Парниковые газы поглощают и излучают длинноволновое излучение в определенных диапазонах длин волн (организованных в виде спектральных линий или полос ). [15]
Когда парниковые газы поглощают радиацию, они передают полученную энергию окружающему воздуху в виде тепловой энергии (т. е. кинетической энергии молекул газа). Энергия передается от молекул парниковых газов к другим молекулам посредством молекулярных столкновений . [68]
Вопреки тому, что иногда говорят, парниковые газы не «переизлучают» фотоны после их поглощения. Поскольку каждая молекула испытывает миллиарды столкновений в секунду, любая энергия, которую молекула парникового газа получает в результате поглощения фотона, будет перераспределена между другими молекулами, прежде чем появится шанс испустить новый фотон. [68]
В ходе отдельного процесса парниковые газы испускают длинноволновую радиацию, скорость которой определяется температурой воздуха. Эта тепловая энергия либо поглощается другими молекулами парниковых газов, либо покидает атмосферу, охлаждая ее. [68]
Воздействие на воздух: воздух нагревается за счет скрытого тепла ( плавучий водяной пар конденсируется в капли воды и выделяет тепло), термальных источников (теплый воздух поднимается снизу) и солнечного света, поглощаемого атмосферой. [6] Воздух охлаждается радиационно за счет парниковых газов и облаков, испускающих длинноволновое тепловое излучение. В тропосфере парниковые газы обычно оказывают охлаждающее воздействие на воздух, излучая больше теплового излучения, чем поглощая. Потепление и охлаждение воздуха в среднем хорошо сбалансированы, так что атмосфера поддерживает примерно стабильную среднюю температуру. [52] : 139 [69]
Влияние на охлаждение поверхности: Длинноволновое излучение распространяется как вверх, так и вниз за счет поглощения и излучения в атмосфере. Эти компенсирующие потоки энергии уменьшают радиационное охлаждение поверхности (чистый восходящий поток радиационной энергии). Перенос скрытого тепла и термические процессы обеспечивают безызлучательное охлаждение поверхности, которое частично компенсирует это снижение, но чистое снижение охлаждения поверхности все равно происходит для данной температуры поверхности. [52] : 139 [69]
Влияние на энергетический баланс TOA: Парниковые газы влияют на энергетический баланс верхней части атмосферы (TOA), уменьшая поток длинноволнового излучения, испускаемого в космос, при заданной температуре поверхности. Таким образом, парниковые газы изменяют энергетический баланс ТОА. Это означает, что температура поверхности должна быть выше (чем эффективная температура планеты , т. е. температура, связанная с выбросами в космос), чтобы исходящая энергия, излучаемая в космос, уравновешивала поступающую энергию солнечного света. [52] : 139 [69] При рассуждениях о согревающем эффекте парниковых газов важно сосредоточиться на энергетическом балансе верхней части атмосферы (TOA) (а не на балансе приземной энергии). [70] : 414
Облака и аэрозоли обладают как охлаждающим эффектом, связанным с отражением солнечного света обратно в космос, так и согревающим эффектом, связанным с улавливанием теплового излучения.
В среднем облака оказывают сильный охлаждающий эффект. Однако сочетание эффектов охлаждения и потепления варьируется в зависимости от подробных характеристик конкретных облаков (включая их тип, высоту и оптические свойства). [71] Тонкие перистые облака могут привести к общему потеплению. Облака могут поглощать и излучать инфракрасное излучение и, таким образом, влиять на радиационные свойства атмосферы. [72]
Хотя радиационное воздействие, вызванное парниковыми газами, может быть определено с достаточно высокой степенью точности... неопределенности, связанные с радиационным воздействием аэрозолей, остаются значительными и в значительной степени зависят от оценок глобальных исследований моделирования, которые трудно проверить на начальном этапе. настоящее время.
Данный поток теплового излучения имеет связанную с ним эффективную температуру излучения или эффективную температуру . Эффективная температура — это температура, при которой черное тело (идеальный поглотитель/излучатель) должно излучать такое большое количество теплового излучения. [77] Таким образом, общая эффективная температура планеты определяется выражением
где OLR — средний поток (мощность на единицу площади) уходящего длинноволнового излучения, испускаемого в космос, и — постоянная Стефана-Больцмана . Аналогично, эффективная температура поверхности определяется выражением
где SLR — средний поток длинноволнового излучения, испускаемого поверхностью. (OLR — общепринятая аббревиатура. SLR здесь используется для обозначения потока длинноволнового излучения, испускаемого поверхностью, хотя стандартной аббревиатуры для этого не существует.) [78]
По данным МГЭИК , парниковый эффект G составляет 159 Вт/м2 , где G — поток длинноволнового теплового излучения, покидающего поверхность, за вычетом потока уходящего длинноволнового излучения, достигающего космоса: [27] : 968 [28] [ 30] [29]
В качестве альтернативы парниковый эффект можно описать с помощью нормализованного парникового эффекта g̃ , определяемого как
Нормализованный парниковый эффект — это доля теплового излучения, испускаемого поверхностью, которая не достигает космоса . Судя по данным МГЭИК, g̃ = 0,40. Другими словами, в космос достигает на 40 процентов меньше теплового излучения, чем то, что покидает поверхность. [27] : 968 [28] [31]
Иногда парниковый эффект выражается количественно как разница температур. Эта разница температур тесно связана с указанными выше величинами.
Когда парниковый эффект выражается как разница температур, это относится к эффективной температуре, связанной с выбросами теплового излучения с поверхности, минус эффективная температура, связанная с выбросами в космос:
В неофициальных дискуссиях о парниковом эффекте реальную температуру поверхности часто сравнивают с температурой, которая была бы на планете, если бы не было парниковых газов. Однако в официальных технических дискуссиях, когда размер парникового эффекта количественно выражается как температура, это обычно делается с использованием приведенной выше формулы. Формула относится к эффективной температуре поверхности, а не к фактической температуре поверхности, и сравнивает поверхность с верхней частью атмосферы, а не сравнивает реальность с гипотетической ситуацией. [78]
Разница температур показывает, насколько теплее поверхность планеты, чем общая эффективная температура планеты.
Энергетический дисбаланс (EEI) верхней части атмосферы Земли (TOA ) - это величина, на которую мощность приходящего излучения превышает мощность исходящего излучения: [55]
где ASR — средний поток поглощенной солнечной радиации. ASR может быть расширен как
где — альбедо (отражательная способность) планеты, а MSI — среднее солнечное излучение , падающее в верхнюю часть атмосферы.
Температуру радиационного равновесия планеты можно выразить как
Температура планеты будет иметь тенденцию смещаться к состоянию радиационного равновесия, в котором энергетический дисбаланс TOA равен нулю, т.е. Когда планета находится в радиационном равновесии, общая эффективная температура планеты определяется выражением
Таким образом, концепция радиационного равновесия важна, поскольку она указывает, к какой эффективной температуре будет стремиться планета. [79] [58]
Если, помимо знания эффективной температуры, мы знаем величину парникового эффекта, то мы знаем среднюю (среднюю) температуру поверхности планеты.
Вот почему важна величина, известная как парниковый эффект: это одна из немногих величин, которые влияют на определение средней температуры поверхности планеты.
Как правило, планета близка к радиационному равновесию, при этом скорости поступающей и исходящей энергии хорошо сбалансированы. В таких условиях равновесная температура планеты определяется средней солнечной радиацией и планетарным альбедо (сколько солнечного света отражается обратно в космос, а не поглощается).
Парниковый эффект измеряет, насколько теплее поверхность, чем общая эффективная температура планеты. Итак, эффективная температура поверхности , используя определение , равна
Можно также выразить связь между G или g̃ и использовать их .
Итак, принцип, согласно которому больший парниковый эффект соответствует более высокой температуре поверхности, если все остальное (т. е. факторы, определяющие ) остаются неизменными, верен по определению.
Обратите внимание, что парниковый эффект влияет на температуру планеты в целом, наряду с тенденцией планеты двигаться к радиационному равновесию. [80]
Иногда возникают недоразумения относительно того, как действует парниковый эффект и приводит к повышению температуры.
Поверхностное бюджетное заблуждение – распространенная ошибка мышления. [70] : 413 Это предполагает представление о том, что увеличение концентрации CO 2 может вызвать потепление только за счет увеличения нисходящего теплового излучения к поверхности, в результате чего атмосфера станет лучшим излучателем. Если атмосфера у поверхности уже почти непрозрачна для теплового излучения, это будет означать, что увеличение содержания CO 2 не может привести к повышению температуры. Однако было бы ошибкой сосредотачиваться на энергетическом балансе поверхности, а не на энергетическом балансе верхних слоев атмосферы. Независимо от того, что происходит на поверхности, увеличение концентрации CO 2 имеет тенденцию уменьшать тепловое излучение, достигающее космоса (OLR), что приводит к энергетическому дисбалансу TOA, что приводит к потеплению. Более ранние исследователи, такие как Каллендар (1938) и Пласс (1959), сосредоточились на балансе энергии на поверхности, но работа Манабе в 1960-х годах прояснила важность баланса энергии в верхних слоях атмосферы. [70] : 414
Среди тех, кто не верит в парниковый эффект, бытует заблуждение, что парниковый эффект предполагает, что парниковые газы передают тепло из прохладной атмосферы на теплую поверхность планеты, что нарушает Второй закон термодинамики . [81] [82] Однако эта идея отражает недоразумение. Радиационный тепловой поток представляет собой чистый поток энергии после учета потоков излучения в обоих направлениях. [80] Радиационный тепловой поток происходит в направлении от поверхности к атмосфере и космосу, [6] как и следовало ожидать , учитывая, что поверхность теплее, чем атмосфера и космос. Хотя парниковые газы испускают тепловое излучение вниз к поверхности, это часть нормального процесса радиационной теплопередачи . [83] Нисходящее тепловое излучение просто уменьшает поток чистой энергии восходящего теплового излучения (радиационный тепловой поток), т.е. оно уменьшает охлаждение. [68]
Упрощенные модели иногда используются для понимания того, как возникает парниковый эффект и как он влияет на температуру поверхности.
Парниковый эффект можно увидеть в упрощенной модели , в которой воздух рассматривается как единый однородный слой, обменивающийся излучением с землей и космосом. [84] Чуть более сложные модели добавляют дополнительные слои или вводят конвекцию. [85]
Одним из упрощений является рассмотрение всей исходящей длинноволновой радиации как исходящей с высоты, где температура воздуха равна общей эффективной температуре планетарных излучений . [86] Некоторые авторы называют эту высоту эффективным уровнем излучения (ERL) и предполагают, что по мере увеличения концентрации CO 2 ERL должен повышаться, чтобы поддерживать ту же массу CO 2 выше этого уровня. [87]
Этот подход менее точен, чем учет изменения длины волны излучения в зависимости от высоты излучения. Однако это может быть полезно для упрощенного понимания парникового эффекта. [86] Например, его можно использовать для объяснения того, как парниковый эффект усиливается по мере увеличения концентрации парниковых газов. [88] [87] [66]
Общая эквивалентная высота выбросов Земли увеличивается с тенденцией на 23 м (75 футов)/десятилетие, что, как утверждается, соответствует глобальному среднему приземному потеплению на 0,12 °C (0,22 °F)/десятилетие за период 1979–2011 гг. . [86]
Ученые заметили, что временами над некоторыми частями Антарктиды возникает отрицательный парниковый эффект. [89] [90] В местах, где наблюдается сильная инверсия температуры, так что воздух теплее, чем поверхность, парниковый эффект может быть обращен вспять, так что присутствие парниковых газов увеличивает скорость радиационного излучения. охлаждение в космос. В этом случае скорость излучения теплового излучения в космос превышает скорость излучения теплового излучения поверхностью. Таким образом, локальное значение парникового эффекта отрицательно.
В Солнечной системе, помимо Земли, парниковый эффект имеют еще как минимум две планеты и Луна.
Парниковый эффект на Венере особенно велик: температура поверхности достигает 735 К (462 ° C; 863 ° F). Это связано с очень плотной атмосферой, которая на 97% состоит из углекислого газа. [92]
Хотя Венера примерно на 30% ближе к Солнцу, она поглощает (и нагревается) меньше солнечного света , чем Земля, поскольку Венера отражает 77% падающего солнечного света, а Земля отражает около 30%. В отсутствие парникового эффекта можно было бы ожидать, что температура поверхности Венеры составит 232 К (-41 ° C; -42 ° F). Таким образом, вопреки распространенному мнению, близость к Солнцу не является причиной того, что Венера теплее Земли. [94] [95] [96]
Из-за высокого давления CO 2 в атмосфере Венеры демонстрирует непрерывное поглощение (поглощение в широком диапазоне длин волн) и не ограничивается поглощением в полосах, соответствующих его поглощению на Земле. [63]
В течение многих лет предполагалось, что на Венере произошел безудержный парниковый эффект с участием углекислого газа и водяного пара ; [97] эта идея до сих пор широко принята. [98] На планете Венера произошел безудержный парниковый эффект, в результате чего атмосфера на 96% состоит из углекислого газа , а атмосферное давление на поверхности примерно такое же, как на глубине 900 м (3000 футов) под водой на Земле. На Венере могли быть водные океаны, но они выкипели, когда средняя температура поверхности выросла до нынешних 735 К (462 ° C; 863 ° F). [99] [100] [101]
На Марсе примерно в 70 раз больше углекислого газа, чем на Земле, [102] но на нем наблюдается лишь небольшой парниковый эффект, около 6 К (11 °F). [91] Парниковый эффект невелик из-за отсутствия водяного пара и общей разреженности атмосферы. [103]
Те же расчеты переноса излучения, которые предсказывают потепление на Земле, точно объясняют температуру на Марсе, учитывая состав его атмосферы. [104] [105] [78]
Спутник Сатурна Титан обладает как парниковым, так и антипарниковым эффектом . Присутствие азота ( N 2 ), метана ( CH 4 ) и водорода ( H 2 ) в атмосфере способствует парниковому эффекту, повышая температуру поверхности на 21 K (38 °F) по сравнению с ожидаемой температурой тела без эти газы. [92] [106]
Хотя газы N 2 и H 2 обычно не поглощают инфракрасное излучение, эти газы поглощают тепловое излучение на Титане из-за столкновений, вызванных давлением, большой массы и толщины атмосферы, а также длинных волн теплового излучения от холодной поверхности. . [63] [92] [106]
Существование высотной дымки, которая поглощает длины волн солнечного излучения, но прозрачна для инфракрасного излучения, способствует антипарниковому эффекту примерно 9 К (16 ° F). [92] [106]
Конечным результатом этих двух эффектов является потепление на 21 К - 9 К = 12 К (22 ° F), поэтому температура поверхности Титана 94 К (-179 ° C; -290 ° F) на 12 К теплее, чем могла бы быть. было бы, если бы не было атмосферы. [92] [106]
Невозможно предсказать относительные размеры парникового эффекта на различных телах, просто сравнивая количество парниковых газов в их атмосферах. Это связано с тем, что в определении размера парникового эффекта играют роль и другие факторы, помимо количества этих газов.
Общее атмосферное давление влияет на то, сколько теплового излучения может поглотить каждая молекула парникового газа. Высокое давление приводит к большему поглощению, а низкое давление – к меньшему. [63]
Это происходит из-за «давления» спектральных линий . Когда общее атмосферное давление выше, столкновения между молекулами происходят с большей скоростью. Столкновения расширяют ширину линий поглощения, позволяя парниковому газу поглощать тепловое излучение в более широком диапазоне длин волн. [70] : 226
Каждая молекула в воздухе у поверхности Земли испытывает около 7 миллиардов столкновений в секунду. Эта скорость ниже на больших высотах, где давление и температура ниже. [107] Это означает, что парниковые газы способны поглощать больше длин волн в нижних слоях атмосферы, чем в верхних слоях атмосферы. [62] [52]
На других планетах расширение давления означает, что каждая молекула парникового газа более эффективно улавливает тепловое излучение, если общее атмосферное давление высокое (как на Венере), и менее эффективно улавливает тепловое излучение, если атмосферное давление низкое (как на Венере). Марс). [63]
{{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь )Стеклянные стены в теплице уменьшают приток воздуха и повышают температуру воздуха внутри. Аналогично, но посредством другого физического процесса, парниковый эффект Земли нагревает поверхность планеты.
{{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь )На основе отчета Хореля и Гейслера (1996) «Глобальные изменения окружающей среды: атмосферная перспектива».
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )