Антипарниковый эффект

Атмосферное явление, вызывающее планетарное охлаждение

Антипарниковый эффект — это процесс, который происходит, когда энергия от солнца небесного объекта поглощается или рассеивается верхними слоями атмосферы объекта , не давая этой энергии достичь поверхности, что приводит к охлаждению поверхности — противоположность парниковому эффекту . В идеальном случае, когда верхние слои атмосферы поглощают весь солнечный свет и почти прозрачны для инфракрасной (тепловой) энергии с поверхности, температура поверхности будет снижена на 16%, что является значительным количеством охлаждения. ^[1]

Этот эффект был обнаружен на спутнике Сатурна Титане . [ ^{2] [3]} В стратосфере Титана дымка , состоящая из органических аэрозольных частиц, одновременно поглощает солнечное излучение и почти прозрачна для инфракрасной энергии с поверхности Титана. Это снижает количество солнечной энергии, достигающей поверхности, и позволяет инфракрасной энергии выходить, охлаждая поверхность Титана. Титан обладает как парниковым, так и антипарниковым эффектом, которые конкурируют друг с другом. Парниковый эффект нагревает Титан на 21 К, в то время как антипарниковый эффект охлаждает Титан на 9 К, поэтому чистое потепление составляет 12 К (= 21 К - 9 К). ^{[3] [4]}

Было высказано предположение, что на Земле потенциально существовала похожая дымка в архейский эон, вызывающая антипарниковый эффект. ^[5] Предполагается, что эта дымка помогала регулировать и стабилизировать ранний климат Земли. ^[5] Другие атмосферные явления, помимо органических дымок, действуют аналогично антипарниковому эффекту, например, стратосферный озоновый слой Земли ^[4] и термосфера, ^{[3] [4]} частицы, образующиеся и выбрасываемые вулканами, ^[6] радиоактивные осадки , ^{[3] [6]} и пыль в верхних слоях атмосферы Марса. ^[6]

За пределами Солнечной системы были проведены расчеты воздействия этих дымок на тепловую структуру экзопланет. ^[7]

Теория энергетического баланса

Энергетический баланс

Потоки энергии на Титане приводят как к парниковому эффекту , так и к антипарниковому эффекту.

Чтобы понять, как антипарниковый эффект влияет на планету или большую луну с ее звездой-хозяином в качестве внешнего источника энергии, можно рассчитать энергетический бюджет , аналогично тому, как это делается для Земли. Для каждого компонента в системе входящая энергия должна быть равна исходящей энергии, чтобы поддерживать сохранение энергии и оставаться при постоянной температуре. ^[8] Если один источник энергии больше другого, возникает энергетический дисбаланс, и температура объекта изменится, чтобы восстановить баланс. При расчете энергетического баланса необходимо учитывать источники энергии по всему электромагнитному спектру . Например, в случае Земли достигается баланс между входящим коротковолновым излучением от Солнца и исходящим длинноволновым излучением с поверхности и атмосферы. После установления энергетического баланса компонента можно вывести температуру.

Идеальный антипарниковый эффект

Идеальный энергетический баланс, исключающий парниковый эффект, предполагает наличие одного верхнего слоя атмосферы и планетарного альбедо, равного 0. Объяснение символов и сокращений см. в тексте.

В самом крайнем случае предположим, что верхняя атмосфера планеты содержала дымку, которая поглощала весь солнечный свет, который не отражался обратно в космос, но в то же время была почти прозрачной для инфракрасного длинноволнового излучения. По закону Кирхгофа , поскольку дымка не является хорошим поглотителем инфракрасного излучения, она также не будет хорошим излучателем инфракрасного излучения и будет излучать небольшое количество в этой части спектра как в космос, так и к поверхности планеты. По закону Стефана-Больцмана , планета излучает энергию, прямо пропорциональную четвертой степени температуры поверхности. На поверхности энергетический баланс выглядит следующим образом:

${\displaystyle \sigma T_{surf}^{4}=OLR}$

где — постоянная Стефана–Больцмана , — температура поверхности, — исходящее длинноволновое излучение дымки в верхней атмосфере. Поскольку дымка не является хорошим поглотителем этого длинноволнового излучения, можно предположить, что оно все проходит в космос. Поступающая солнечная энергия должна быть уменьшена, чтобы учесть количество энергии, которая теряется при отражении в космос, поскольку она не находится в системе планета-атмосфера. В верхней атмосфере энергетический баланс выглядит следующим образом: ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle T_{surf}}$ ${\displaystyle OLR}$

${\displaystyle {\frac {S}{4}}(1-\alpha )\equiv \sigma T_{e}^{4}=OLR+\sigma T_{surf}^{4}}$

где - входящий поток солнечной энергии, - планетарное альбедо (т.е. отражательная способность), а - эффективная средняя температура излучения . Входящий поток солнечной энергии делится на четыре, чтобы учесть временное и пространственное усреднение по всей планете, а коэффициент - это доля солнечной энергии, которая поглощается дымкой. Заменяя на во втором уравнении, имеем, ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle T_{e}}$ ${\displaystyle 1-\alpha }$ ${\displaystyle OLR}$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle T_{surf}^{4}}$

${\displaystyle \sigma T_{e}^{4}=2\sigma T_{surf}^{4}}$

и отношение равно или 0,84. Это означает, что температура поверхности снижается от эффективной средней температуры излучения на 16%, что является потенциально значительным охлаждающим эффектом. ^[1] Это идеальный случай, который представляет собой максимальное воздействие, которое может оказать антипарниковый эффект, и которое не будет воздействием для реальной планеты или большой луны. ${\displaystyle T_{surf}/T_{e}}$ ${\displaystyle \left(0.5\right)^{1/4}}$

Устаревшая концепция борьбы с парниковым эффектом

Более ранние дискуссии в научном сообществе, предшествовавшие нынешнему определению, установленному доктором Кристофером Маккеем в 1991 году, ссылались на антипарниковый эффект как на предшественника позднего докембрийского оледенения, описывая его скорее как процесс секвестрации углерода . ^[9] Это больше не является текущим использованием термина, который подчеркивает охлаждение поверхности из-за поглощения солнечной радиации на большой высоте.

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 инверсию температуры в стратосфере, отрицательный парниковый эффект подразумевает локализованную инверсию температуры в тропосфере. Оба эффекта увеличивают исходящие тепловые выбросы — локально в случае отрицательного парникового эффекта и глобально в случае антипарникового эффекта. ^{[10] [11]}

На Титане

«Дымка» на Титане

Органическая дымка в стратосфере Титана ^[4] поглощает 90% солнечного излучения , достигающего Титана, но неэффективна в улавливании инфракрасного излучения, генерируемого поверхностью. Это связано с тем, что атмосферное окно Титана находится примерно в диапазоне от 16,5 до 25 микрометров. ^[4] Хотя большой парниковый эффект действительно поддерживает температуру Титана намного выше теплового равновесия , антипарниковый эффект из-за дымки снижает температуру поверхности на 9 К. Поскольку парниковый эффект из-за других атмосферных компонентов увеличивает ее на 21 К, чистый эффект заключается в том, что реальная температура поверхности Титана (94 К) на 12 К теплее эффективной температуры 82 К (которая была бы температурой поверхности при отсутствии какой-либо атмосферы, предполагая постоянное альбедо ). ^{[3] [12]} В идеальном антипарниковом случае, описанном выше, максимальное воздействие органической дымки на Титан составляет (1-0,84) 82 К = 13 К. Это выше, чем 9 К, обнаруженные на Титане. ${\displaystyle \times }$

Органическая дымка образуется в результате полимеризации продуктов фотолиза метана и нитрилов , то есть продукты объединяются в более длинные цепи и более крупные молекулы. Эти полимеры, полученные из метана, могут быть сделаны из полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и полиацетилена. ^[13] Однако распределение этих полимеров в атмосфере Титана не является вертикально равномерным. Полимеры нитрила и полиацетилена образуются в верхних слоях атмосферы, в то время как полимеры ПАУ создаются в стратосфере. ^[13] Затем эти полимеры объединяются, образуя частицы дымки. Непрозрачность для солнечного света этой органической дымки на Титане определяется в первую очередь скоростью образования дымки. Если образование дымки увеличивается, непрозрачность дымки увеличивается, что приводит к большему охлаждению температуры поверхности. ^[3] Кроме того, присутствие этой органической дымки является причиной температурной инверсии в стратосфере Титана. ^[4]

На Земле

Прошлое

Присутствие органической дымки в архейской атмосфере Земли было впервые предложено в 1983 году и могло быть ответственно за антипарниковый эффект. ^{[14] [15]} Эта гипотеза вытекает из попыток разрешить парадокс слабого молодого Солнца , где сниженная солнечная мощность в прошлом должна быть согласована с существованием жидкой воды на Земле в то время. Чтобы объяснить, как вода могла оставаться в жидкой форме, было высказано предположение, что парниковые газы помогали сохранять Землю достаточно теплой, чтобы не допустить полного замерзания воды. В то время как одна гипотеза предполагает, что только углекислый газ был ответственен за дополнительное тепло, другая гипотеза включает присутствие как углекислого газа, так и метана. Одна из моделей показала, что метан в постбиотическом архее мог существовать при соотношении компонентов 1000 ppm или выше, в то время как уровень углекислого газа мог быть всего лишь 5000 ppm, чтобы все еще не допустить замерзания Земли, что примерно в 12 раз больше, чем в 2022 году. ^{[5] [16] [17]} Однако при этом соотношении метана к углекислому газу 0,2 продукты, полученные в результате фотолиза метана, могут полимеризоваться с образованием длинноцепочечных молекул, которые могут объединяться в частицы, образуя антипарниковую органическую дымку. ^[4] Дымка образуется, когда соотношение метана к углекислому газу превышает примерно 0,1. ^{[14] [15]} Предполагается, что органическая дымка позволила создать отрицательную обратную связь для стабилизации климата на архейской Земле. ^[5] Если бы температуры на архейской Земле повысились, производство метана увеличилось бы из-за возможного предпочтения метаногенами более высоких температур (см. термофилы ). ^[5] Повышение температуры также увеличит потери углекислого газа через выветривание из-за предполагаемого увеличения осадков, что приведет к снижению концентрации углекислого газа. Это приведет к более высокому соотношению метана к углекислому газу и будет стимулировать образование органической дымки. Это увеличение образования органической дымки приведет к увеличению непрозрачности атмосферы для солнечного света, уменьшению количества солнечной энергии, достигающей поверхности, и, таким образом, снижению температуры поверхности, тем самым сводя на нет первоначальное повышение температуры поверхности. Одна из оценок антипарникового эффекта на архейской Земле вычислила, что воздействие составит около 20 К при охлаждении поверхности. ^[18]

Подарок

В современном состоянии атмосферы Земли существует несколько источников антипарникового эффекта. Было высказано предположение, что стратосферный озон и термосфера Земли создают частичный антипарниковый эффект из-за их низкой тепловой непрозрачности и высоких температур. ^[3] Кроме того, было высказано предположение, что выброшенная пыль, такая как из вулканов и ядерные осадки после ядерной войны, является типичным примером антипарникового эффекта. ^{[3] [6]} Кроме того, образование стратосферных серных аэрозолей из вулканических выбросов диоксида серы , как было замечено, оказывает охлаждающее действие на Землю, которое длится приблизительно от 1 до 2 лет. ^[19] Все эти источники действуют, создавая температурную структуру, в которой горячий верхний слой лежит над холодной поверхностью, что типично для антипарникового эффекта.

На других планетах

Обсуждается слабый антипарниковый эффект на Марсе, где бури переносят пыль в верхние слои атмосферы. Доказательства этого эффекта были получены из измерений Викинга-1, сделанных в 1976-77 годах, когда после глобального шторма средняя дневная температура над землей упала на 5 градусов по Цельсию. ^[6]

Исследования с использованием компьютерного моделирования изучили влияние фотохимической дымки на тепловую структуру экзопланет. Применив эту модель к горячим юпитерам, ученые обнаружили, что включение дымки для HD 189733 b привело к расширению атмосферы, что помогло объяснить наблюдаемую крутую транзитную сигнатуру в электромагнитном спектре. Кроме того, модель для HD 209458 b предсказала как фотохимическую дымку, так и объекты, подобные облакам. ^[7]

Ссылки

1. Covey, C.; Haberle, RM; McKay, CP; Titov, DV (2013), "Парниковый эффект и климатические обратные связи" (PDF) , Сравнительная климатология планет земной группы , Издательство Университета Аризоны, Bibcode : 2013cctp.book..163C, doi : 10.2458/azu_uapress_9780816530595-ch007, ISBN 978-0-8165-3059-5, OSTI  1240051 , получено 2022-06-02
2. "Титан: теплица и антитеплица". Журнал астробиологии – наука о Земле – эволюция распространение Происхождение жизни Вселенная – жизнь за ее пределами :: Астробиология изучает Землю . Архивировано из оригинала 22 июля 2020 года . Получено 2010-10-15 .{{cite news}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
3. Маккей, Кристофер П.; Поллак, Джеймс Б.; Куртен, Режис (1991-09-06). «Парниковые и антипарниковые эффекты на Титане» (PDF) . Science . 253 (5024): 1118–1121. Bibcode :1991Sci...253.1118M. doi :10.1126/science.11538492. ISSN  0036-8075. PMID  11538492. S2CID  10384331.
4. Кэтлинг, Дэвид К. (2017). Эволюция атмосферы на обитаемых и безжизненных мирах. Джеймс Ф. Кастинг. West Nyack: Cambridge University Press. ISBN 978-1-139-02055-8. OCLC  982451455.
5. Kump, Lee R. (2010). Система Земли. Джеймс Ф. Кастинг, Роберт Г. Крейн (3-е изд.). Сан-Франциско: Prentice Hall. ISBN 978-0-321-59779-3. OCLC  268789401.
6. Куртин, Р.; Маккей, CP; Поллак, Дж. (май 1992 г.). «L'effet de serre dans le systeme Solaire». Ла Поиск . 23 (243): 542–9. Бибкод : 1992Речь...23..542С.
7. Lavvas, P; Arfaux, A (2021-03-04). «Влияние фотохимических дымок и газов на термическую структуру атмосферы экзопланет». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 502 (4): 5643–5657. arXiv : 2102.05763 . doi : 10.1093/mnras/stab456 . ISSN  0035-8711.
8. «Климат и энергетический бюджет Земли». earthobservatory.nasa.gov . 2009-01-14 . Получено 2022-06-03 .
9. Робертс, Дж. Д. (ноябрь 1971 г.). «Позднедокембрийское оледенение: антипарниковый эффект?». Nature . 234 (5326): 216–217. Bibcode : 1971Natur.234..216R. doi : 10.1038/234216a0. ISSN  1476-4687. S2CID  34163139.
10. Шмитхюзен, Хольгер; Нотхольт, Юстус; Кёниг-Лангло, Герт; Лемке, Петер; Юнг, Томас (16.12.2015). «Как увеличение CO2 приводит к усилению отрицательного парникового эффекта в Антарктиде». Geophysical Research Letters . 42 (23). doi : 10.1002/2015GL066749 . ISSN  0094-8276.
11. Sejas, SA; Taylor, PC; Cai, M. (2018). «Разоблачение отрицательного парникового эффекта над Антарктическим плато». npj Clim Atmos Sci . 1 (17): 17. Bibcode : 2018npCAS...1...17S. doi : 10.1038/s41612-018-0031-y. PMC 7580794. PMID  33102742 . 
12. «Парниковый эффект Титана и климат: уроки более холодного родственника Земли» (PDF) . Получено 24 февраля 2017 г.
13. Atreya, Sushil K.; Adams, Elena Y.; Niemann, Hasso B.; Demick-Montelara, Jaime E.; Owen, Tobias C.; Fulchignoni, Marcello; Ferri, Francesca; Wilson, Eric H. (2006-10-01). "Метановый цикл Титана". Планетная и космическая наука . Поверхности и атмосферы внешних планет, их спутников и кольцевых систем по данным Кассини-Гюйгенса. 54 (12): 1177–1187. Bibcode : 2006P&SS...54.1177A. doi : 10.1016/j.pss.2006.05.028. ISSN  0032-0633.
14. Kasting, JF; Zahnle, KJ; Walker, JCG (1983-06-01). "Фотохимия метана в ранней атмосфере Земли". Precambrian Research . Развитие и взаимодействие докембрийской атмосферы, литосферы и биосферы: результаты и проблемы. 20 (2): 121–148. Bibcode :1983PreR...20..121K. doi :10.1016/0301-9268(83)90069-4. hdl : 2027.42/25194 . ISSN  0301-9268.
15. Catling, David C.; Zahnle, Kevin J. (28.02.2020). "Архейская атмосфера". Science Advances . 6 (9): eaax1420. Bibcode : 2020SciA....6.1420C. doi : 10.1126/sciadv.aax1420. ISSN  2375-2548. PMC 7043912. PMID  32133393 . 
16. Хакк-Мисра, Якоб Д.; Домагал-Голдман, Шон Д.; Кастинг, Патрик Дж.; Кастинг, Джеймс Ф. (декабрь 2008 г.). «Пересмотренная, туманная метановая теплица для архейской Земли». Астробиология . 8 (6): 1127–1137. Bibcode : 2008AsBio...8.1127H. doi : 10.1089/ast.2007.0197. ISSN  1531-1074. PMID  19093801.
17. Министерство торговли США, NOAA. "Лаборатория глобального мониторинга - Парниковые газы углеродного цикла". gml.noaa.gov . Получено 2022-06-03 .
18. Arney, Giada; Domagal-Goldman, Shawn D.; Meadows, Victoria S.; Wolf, Eric T.; Schwieterman, Edward; Charnay, Benjamin; Claire, Mark; Hebrard, Eric; Trainer, Melissa G. (ноябрь 2016 г.). «Бледно-оранжевая точка: спектр и обитаемость туманной архейской Земли». Astrobiology . 16 (11): 873–899. arXiv : 1610.04515 . Bibcode :2016AsBio..16..873A. doi :10.1089/ast.2015.1422. ISSN  1531-1074. PMC 5148108 . PMID  27792417. 
19. Стенчиков, Георгий Л.; Киршнер, Инго; Робок, Алан; Граф, Ганс-Ф.; Антунья, Хуан Карлос; Грейнджер, Р.Г.; Ламберт, Алин; Томасон, Ларри (27 июня 1998 г.). «Радиационное воздействие в результате извержения вулкана Пинатубо в 1991 году». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 103 (Д12): 13837–13857. Бибкод : 1998JGR...10313837S. дои : 10.1029/98JD00693 . hdl : 21.11116/0000-0004-ECBD-E .