Какие излучения должны поглощать газы чтобы возник парниковый эффект: Какое излучение должны поглощать газы, чтобы возник парниковый эффект? а-инфракрасное б-ультрафиолетовое в-рентгеновское г-нормальная

Глобальный «пул» парниковых газов. Интервью с профессором С.М. Семеновым

Каждый день мы замечаем изменения природы: как появляются первые ростки, как реки становятся более полноводными или, наоборот, мелеют, как постепенно Солнце поднимается всё выше и становится теплее, спеет урожай, ветер становится всё «злее», природа «засыпает», вместо дождя идёт снег… Для этого не нужны какие-то специальные сложные приборы. Мы даже можем припомнить, как отличался один сезон от того, что был годом или даже несколькими годами ранее. Был ли он холоднее, засушливее. Но глобальные изменения климата отследить не так просто, в особенности, когда речь идёт о различии всего на 1-2°С. В действительности ли происходит глобальное потепление климата? Как учёные это определили? Какова роль парниковых газов в изменении климата? Об этом – в интервью с научным руководителем Института глобального климата и экологии имени академика Ю.А. Израэля, заслуженным деятелем науки Российской Федерации, профессором Сергеем Михайловичем Семеновым.

Учёные заметили, что климат меняется всё более стремительно, но как мы знаем, в истории уже были значительные изменения климата. Результат одного из них – на Земле больше не осталось мамонтов. Почему климат менялся ранее и почему учёные пришли к выводу, что климатические изменения сегодня – антропогенные?

Давайте для начала определим, что значит ранее, например – за последний миллион лет. В этот миллион лет действовали и продолжают действовать естественные факторы изменения климата. Самые короткие – это внутренние колебания в климатической системе Земли, например, явления типа Эль-Ниньо. Их цикл длится несколько лет. А есть циклические колебания с продолжительностью примерно в сто тысяч лет и чуть больше. Это так называемые циклы Миланковича. Они определяются колебаниями параметров орбиты Земли вокруг Солнца. Это приводит к тому, что возникают колебания потока солнечной энергии, поглощаемой земной системой.  Эти колебания всегда были и всегда будут. Они вызывают естественные колебания климата, но ненаправленные.

Они в среднем ни восходящие, ни нисходящие. Они колебательные, как синус.

Иллюстрация повышения уровня моря с 1993 по 2020 год ежегодно в среднем на 3,29 (+/-0,3) мм. Источник: public.wmo.int

 

Ещё у нас есть, как известно, антропогенные изменения климата. Эти антропогенные изменения климата вызваны экономическим развитием. Они связаны с тем, что в процессе экономического развития мы сжигаем ископаемое органическое топливо – нефть, уголь, газ – и обогащаем атмосферу парниковыми газами. Это однонаправленный, не колебательный процесс. Чем больше мы сжигаем, тем больше теплеет, тем сильнее меняется климат.

Как учёные догадались, что теперешние изменения климата антропогенные? Изменения сегодня – смесь антропогенных и естественных изменений. Если попытаться прогнозировать «задним числом» климат XX столетия только при помощи естественных колебаний и получить некоторую кривую изменений, скажем, средней глобальной температуры, а потом сравнить её с тем, что, фактически, наблюдали на метеорологических станциях, то получатся расхождения.

Эти кривые не будут похожи. А если включить в расчёт антропогенное влияние на климатическую систему, то сходство будет значительное. В общих чертах в этом и состоит обоснование наличия сильного антропогенного влияния на современный климат.

Сергей Михайлович, везде ли наблюдают изменения климата? И зависят ли различия от мест? Может быть, где-то происходят бОльшие изменения?

Да, действительно, изменения климата, в частности, потепление, неоднородно в пространстве. Где-то теплеет быстрее, где-то теплеет медленнее. В некоторых местах даже временно холодает. Происходит это потому, что земная поверхность неоднородна.

Механизм антропогенного потепления из-за обогащения атмосферы парниковыми газами состоит в частности в том, что увеличивается поток инфракрасного излучения от атмосферы к земной поверхности вследствие того, что в атмосфере становится больше парниковых газов. Это – антропогенное усиление парникового эффекта. Поверхность Земли неоднородна, и поэтому та прибавка к поглощенной энергии по-разному расходуется. На суше она в значительной степени расходуется на потепление, нагревание. А в океане она расходуется также и на испарение, и это довольно значительный расход энергии. Поэтому океан теплеет значительно медленнее, чем теплеет суша.

Есть и другие причины. Везде из-за усиления парникового эффекта, из-за обогащения атмосферы парниковыми газами земная поверхность поглощает больше энергии. Но ещё существует перенос энергии внутри климатической системы, скажем, в Северном полушарии – меридиональный перенос из низких широт в высокие. Поэтому в Арктике происходит усиление потепления, перенос дополнительного тепла из низких широт в Арктику. Там больше теплеет, чем в низких широтах. Это – одна из причин большего потепления в высоких широтах.

Неоднородное изменение климата от -0.6 до 2.5 °C. Иллюстрация из презентации С.М. Семенова

 

Имеются и другие причины.  Естественное потепление (или изменение климата) неоднородно в пространстве. В разных регионах существуют несовпадающие друг с другом по фазе потепления, иногда и временное похолодание, как, например, сейчас в Северной Атлантике. То, что мы наблюдаем – это смесь двух процессов: однонаправленного антропогенного потепления и естественных колебаний, которые разные в разных точках земной поверхности.

Например, Северная Атлантика находится под влиянием сильного естественного процесса – переноса тепла с Гольфстримом. Гольфстрим переносит то больше тепла, то меньше. На фоне этих естественных колебаний получается, что сумма естественных и антропогенных факторов то приводит к усилению потепления, то к его замедлению, то даже к временному похолоданию.

А как сейчас животные реагируют на эти изменения. На них влияют климатические изменения?

Наибольшие изменения климата происходят в Арктике, где обитают белые медведи. Из-за таяния льдов белые медведи не могут добраться до мест, где обычно добывают пищу и подходят к местам, где живут люди. В 2019 году 56 медведей подошли к чукотскому поселку Рыркайпий.
Источник фото: gismeteo.kz

 

Конечно, влияют. Разумеется, всё живое на Земле очень сильно зависит от климата. И те процессы, которые происходят, скажем, фотосинтез растений – базовый процесс, в ходе которого образуется первичная продукция, – и распад мёртвого органического вещества, и многие другие процессы зависят от климата. Но биосфера – это очень гибкая система с многочисленными запасными связями, многими дублированиями в силу большого её разнообразия. Из-за изменения климата некоторые экосистемы, особенно находящиеся в уникальных условиях, некоторые виды, особенно редкие, обитающие в уникальных условиях, могут быть утрачены. Но говорить о какой-то угрозе биосфере в целом – не стоит. Я думаю, что она достаточно устойчива и до сих пор имеет достаточные возможности адаптироваться.

То есть человек не рискует остаться в полном одиночестве на планете?

Пока такого риска не наблюдается.

Большое влияние на изменения климата оказывают парниковые газы. У них одинаковая способность изменять климат, или какие-то в этом отношении более эффективны, а какие-то действуют слабее?

Они имеют специфическую эффективность. Парниковые газы, которые в массе выбрасываются в атмосферу в ходе хозяйственной деятельности человека, это, прежде всего, углекислый газ, метан, закись азота. Из них самым «мощным» парниковым газом считают закись азота, затем следует метан, далее – углекислый газ. Это в расчёте на одну тонну выброшенного в атмосферу вещества. Но абсолютный эффект гораздо больше от углекислого газа, поскольку его выбросов больше всего. Вклад остальных газов тоже существенен. Сейчас проблема метана начинает рассматриваться как всё более и более приоритетная.

Один из известнейших поглотителей парниковых газов – лес. Путём объединения спутниковых данных с данными мониторинга на местах исследований ЮНЕСКО совместно с коллегами выявили, что некоторые леса выбрасывают больше углерода, чем поглощают. Как такое возможно?

В каждой лесной экосистеме идут два процесса: первый – поглощение углекислого газа из атмосферы в ходе фотосинтеза и образования первичной продукции. То есть углерод, который был в атмосфере в составе углекислого газа, CO2, постепенно встраивается в ткань растения. Образуются новые листья, ветви, ствол, корни и так далее. Есть второй процесс – отмирание и разложение всего этого. При разложении (при измельчении животными, разложении бактериями) в конце концов получаются вода и углекислый газ. Это – процесс распада.

В докладе ЮНЕСКО сказано, что в 10 из 257 охраняемых лесов выделение углерода оказалось выше, чем поглощение. Причина — засуха и пожары. Чтобы леса работали «эффективно», необходим уход и более быстрое реагирование при пожарах, чтобы они не успевали распространиться.
Источник фото: whc.unesco.org

 

У молодых лесов превалирует процесс поглощения, а распад незначителен. И так происходит до достижения лесами «зрелого» возраста. По достижению «зрелого» возраста, поглощение примерно уравновешено выделением из лесной экосистемы. То есть в год на гектар поглощается примерно столько, сколько выделяется. Затем лес становится старым и происходит процесс распада. Поглощается меньше, а выделяется больше. При этом, если говорить о наших бореальных лесах, там становится много погибших сухих деревьев. Это пожароопасная ситуация. И тогда этот распад может случиться рывком. Во время крупного пожара выделяется очень много углекислого газа. Это и сгоревшая биомасса наземных частей растений, и тот углекислый газ, который выделяется из почвы, когда начинают разлагаться те части растений, которые находились под поверхностью земли. Выделяется при пожарах и метан.

Так что молодые леса могут, в основном, поглощать углекислый газ, а леса «преклонного» возраста, в основном, его выделяют. Причём соотношение этих процессов – температурозависимое.   При повышении глобальной температуры, процесс разложения начинает активизироваться. То есть леса – 70-летние, 100-летние бореальные леса – могут становиться источниками углерода, хотя до сих пор являются поглотителями. 

В таком случае, если есть такая опасность, что леса будут выделять углекислый газ, может быть, легче посадить новые леса, и они будут более эффективны?

У вас замечательная инженерная идея. И она много раз высказывалась. Это возможно при наличии свободных земельных ресурсов, которые есть далеко не во всех странах. Например, где-нибудь в Чехии свободных земельных ресурсов, полагаю, уже просто нет. Вся земля использована с хозяйственными, рекреационными, заповедными целями. В России такие земли пока есть. 

Конечно, можно сажать молодые леса. Эти молодые леса будут поглощать углекислый газ. Мы таким образом организуем сток углекислого газа из атмосферы. Возникает законный вопрос: когда они станут взрослыми, «зрелыми» лесами, куда нам всё это девать? Если мы попробуем это сжечь, то это уловленное CO2 опять выделится в атмосферу. Мы можем попробовать сделать деревянные дома и мебель из этого, но надо ли нам столько деревянных домов и мебели? Это вопрос совершенно неясный.  Поэтому вопрос: как законсервировать выращенную древесину?

Таким образом, идея сажать молодые леса, потом их срубать, древесину консервировать, чтобы оттуда не выделялся углекислый газ, чтобы она не разлагалась, и опять сажать новые леса и так далее сама по себе неплохая. Допустим даже, что это обеспечено финансами и земельными ресурсами. Но как организовать «склады» для срубленных нами деревьев? Без этого CO2 опять будет выделяться в атмосферу. Боюсь, что этот вопрос в инженерном плане пока не решенный. Есть идеи что-то из этой древесины делать, но куда её всю использовать, я пока об этом не слышал.

А если какой-то небольшой лес посадить рядом с заводом, будет ли он эффективно поглощать выбросы, которые завод выделяет, или этого будет недостаточно?

Во-первых, этот лес не обязательно сажать рядом с заводом. Выбросы завода попадают в глобальный «пул» углекислого газа, CO2.  Дело в том, что углекислый газ хорошо перемешивается в атмосфере. Поэтому, если вы выбрасываете в заданной точке тонну углекислого газа, то она быстро «размазывается» по атмосфере Земли. Также, если вы отберете оттуда одну тонну, то уменьшение его количества в атмосфере скажется на всей атмосфере довольно быстро.

Так что это хорошая идея, что завод, который выбрасывает CO2 за это высаживает лес, который в идеале должен забирать из атмосферы столько же углекислого газа, сколько выбрасывает завод. Получается нулевой баланс. Завод работает, атмосфера не обогащается углекислым газом, климат не меняется. Вклад в изменение климата не осуществляется… Но возникает всё та же проблема свободных земель. В некоторых странах, например, в Нидерландах, практически нет свободных земель. Они все либо в частном, либо в государственном владении, используются с какими-то общественными или частными целями. Конечно, можно попробовать сажать лес не у себя в стране, а в другой стране. Но это требует специальных соглашений, договорённости между странами. Поэтому это не такой простой вопрос.

Во-вторых, когда завод осуществит свой план и будет дополнительно сажать тот лес, возникнет вопрос, который я уже затрагивал. Лес постепенно станет не молодым, а «зрелым». Он перестанет поглощать углекислый газ. Его надо бы заменить на молодой. А куда девать тот, который вырос? Что из него делать? Эта проблема остаётся.

Так что теоретически это хорошая мысль, но как её правильно осуществить практически – над этим надо ещё работать.

А что помимо леса может эффективно поглощать парниковые газы?

Углекислый газ эффективно растворяется в океанской воде. Как известно, в океанской воде, в верхнем слое, тоже находятся свои растения. Прежде всего, фитопланктон. Один из основных «стоков» углекислого газа – механизм его поглощения при фотосинтезе фитопланктоном, микроводорослями. Потом эти микроводоросли отмирают, оседают на дно и там, частично, происходит переход их мертвого органического вещества в такую форму, что углерод выделяться оттуда не будет (в обозримом будущем). Но, к сожалению, бОльшая часть отмершей массы микроводорослей, фитопланктона, разлагается с эффективным выделением CO2. То есть ручеек оседающей на океанское дно массы, из которой не выделяется углерод, очень маленький. Для примера могу сказать. Во всём Мировом океане содержится 38 тысяч гигатонн (гигатонна – 1 миллиард тонн) углерода. А «надолго» на дно уходит в год не более одной гигатонны. Представляете, сколько лет подряд нужно выводить углерод из океана, чтобы он весь вывелся? Это сотни тысяч лет! Поэтому, к величайшему сожалению, цикл углерода, связанный с CO2, на таких временах, как наша жизнь, 100-200 лет и даже тысячи лет практически замкнут. Но исторически, конечно, стоит на это смотреть и учитывать это. Проблема в том, что вывод «надолго» CO2 из атмосферы в океан и в наземные системы очень медленный.

Сергей Михайлович Семенов.

Фото: Николай Малахин / Научная Россия

 

Метан выделяется в атмосферу по естественным причинам, скажем, из болот, и по антропогенным причинам, например, при животноводстве.  Нидерланды – крупнейший эмиттер метана, потому что там огромное животноводство. В частности, производство свинины и так далее. 

Метан разрушается в атмосфере в ходе химических реакций. В основном, в нижней атмосфере – тропосфере, на высоте до 10 километров, за счёт реакции с гидроксил-радикалом. Сделать так, чтобы глобально гидроксил-радикала стало больше в атмосфере, инженерными способами мы пока не можем. Поэтому, вопрос о том, как искусственным образом уменьшать содержание метана в атмосфере пока не стоит.

А как сделать так, чтобы меньше выбрасывать метана в атмосферу в ходе хозяйственной деятельности – об этом разговоры идут. При этом, в основном, разговоры идут по той линии, что нужно снижать потребление мяса, поскольку при производстве мяса выделяется много метана за счёт ферментации в желудках животных. Выделяется метан и при лесных пожарах. С лесными пожарами нужно как-то научиться бороться. Пожалуй, это, пока, единственные два пути, которые могут уменьшить антропогенную эмиссию метана в атмосферу.

Что касается эмиссии закиси азота, то основной причиной этой эмиссии является массовое применение азотных удобрений в сельском хозяйстве, внесение их в почву. Здесь, конечно, возникают некие проблемы. А именно, использование азотных удобрений приводит к тому, что сельскохозяйственная продуктивность резко возрастает, и их применение, наряду с применением пестицидов, привело к тому, что, например, и в Индии, и в Китае производство сельскохозяйственной продукции в растениеводстве резко возросло за последние десятилетия. И в Индии, например, почти прекратилось такое явление, как смертность от голодания, что, конечно, очень важно. Поэтому просто призывать прекратить применение азотных удобрений – очень сложно, особенно, в странах с миллиардным населением.

Так что эффективно бороться с выбросами метана и закиси азота возможно: для метана, например, путём сокращения потребления человечеством продукции животноводства, а для закиси азота – лишь путём более эффективного применения азотных удобрений

Не думала, что это что-то научно-обоснованное.

Вообще, всяческая экономия ресурсов, меньшее потребление, как правило,  способствуют сдерживанию выбросов парниковых газов.  Я считаю, что XX век, в особенности вторая половина, – время «безумного потребления» в странах, которые достигли достаточного уровня экономического развития. В принципе, жить более рационально, скромно, во всяком случае, не позволять себе явно лишнего – правильные призывы. В особенности это касается потребления энергии.  Даже простыми способами экономии энергии можно сократить потребление энергии примерно на 10%, и это значительно сократит выбросы парниковых газов.

Что человеку остаётся сделать, чтобы остановить изменения климата, если не прибегать к каким-то жестким мерам по уменьшению производства животноводства, сельского хозяйства? Или остаётся только адаптироваться?

Как я уже говорил, причина современного потепления не на 100%, но в значительной степени, на 90% и чуть более – обогащение атмосферы парниковыми газами в ходе хозяйственной деятельности. Хозяйственная деятельность нам нужна для обеспечения жизни, с этим ничего не сделаешь. Поэтому правильный вопрос – нельзя ли сделать так, чтобы мы в ходе хозяйственной деятельности меньше выбрасывали в атмосферу парниковых газов?

Низкоуглеродный характер атомной энергетики в России могут подтвердить законодательно уже в 2022 году. В Китае атомная энергетика уже официально признана «зеленой», за этот статус для атомной энергетики выступают и представители ряда стран Евросоюза, Англии, США. Источник информации: rosatom.ru. 

Фото: атомная электростанция.  1prime.ru

 

Прежде всего, надо экономить энергию, а также использовать другие, чистые виды энергии, не связанные со сжиганием ископаемого органического топлива. В этом смысле чистыми видами энергии называются возобновляемые источники энергии – ветровая, солнечная энергия, термальная, а также атомная энергия. Как вы знаете, использование атомной энергии связано с некоторыми дополнительными рисками. Существует много публикаций, в которых говорят о том, что современные ядерные реакторы в значительной степени более надёжны, чем те, которые были 40 лет назад. Будем на это надеяться.  Во всяком случае, такие страны, как Россия и Франция, используют ядерную энергию в своей экономике довольно эффективно.

Что касается возобновляемых источников энергии – солнечной, ветровой, термальной и других, то, конечно, это пока используется для очень частных, незначительных нужд. Например, можно сделать такую конструкцию жилого дома, что солнечные лучи будут в бОльшей степени его отапливать. То есть нам не обязательно иметь централизованное отопление в некоторых районах страны. Использование ветряков в некоторых районах, в основном, на морском побережье, где есть ветровые ресурсы, – это возможно. Правда, на арктическом побережье много ветровой энергии, зато мало экономических объектов, на которых можно использовать такую энергию. Возникает также вопрос: ветряки – нерегулярное поступление энергии, ветер то есть, то его нет, т.е. нужны какие-то накопители. Тут очень много проблем.

То, о чём все говорят – электромобили, электробусы вместо автобусов… Эти электробусы имеют аккумуляторы, которые надо заряжать, то есть энергия всё равно нужна. Если эту энергию брать из чистых источников, это замечательно и не приводит к дополнительным выбросам парниковых газов. А если они заряжаются энергией, которая выработана на тех же тепловых электростанциях, то это ничего не даёт. То выбрасывал автомобиль, а то будет выбрасывать тепловая электростанция, которая снабжает энергией этот самый автомобиль. Поэтому нужно всё это тщательно считать, и, к сожалению, возобновляемые источники энергии в ближайшее время не смогут заменить традиционные источники энергии.

Конечно, надо двигаться в этом направлении и что-то пытаться делать. Это задача научная, инженерная, и нужно послушать специалистов-энергетиков в этой области, на какой стадии находятся соответствующие разработки.

Адаптация – лишь приспособление к последствиям изменения климата, но адаптацией нельзя бороться с самими изменениями климата. Есть такие случаи, когда адаптация помочь не может. Например, все понимают, что строительство дамб возможно до определённой высоты. Если будет значительный подъём уровня Мирового океана, дамба как инженерное сооружение, по-видимому, уже не поможет. Она просто не сможет это сдерживать. У адаптации есть свои границы.

Изменение климата – реальная и глобальная проблема. Глобальная, в частности, в том смысле, что её невозможно решить усилиями одной страны. Если немного утрировать, представим, что Швеция захочет решить проблему климата на своей территории только своими усилиями. Скажут: давайте будем ездить только на велосипедах; не будет автомобилей – не будет и соответствующих выбросов парниковых газов. Решит ли это проблему Швеции?  Нет, это ни к чему не приведёт, так как парниковые газы хорошо перемешиваются в атмосфере и из других стран они придут очень быстро, буквально за какой-то месяц, даже меньше. То же самое и Россия. Вклад Российской Федерации в мировые выбросы – около 5%. И, вообще говоря, есть эти 5% или нет, ничего в глобальном климате особо не меняет. Попытка уменьшить потепление в России путём экономии и невыбрасывания этих 5% бессмысленна, поскольку парниковые газы придут с территорий других стран. Глобальный пул углерода, глобальный запас углерода – глобальная проблема. Проблему изменения глобального климата можно решить только усилиями всех стран вместе.

 

Водяной пар — усилитель глобального потепления? Интервью с профессором РАН Дарьей Гущиной

Когда говорят о климатических изменениях, больше внимания уделяют углекислому газу. Однако водяной пар, без сомнения, — самый влиятельный парниковый газ в атмосфере. Газообразная форма H₂О поглощает гораздо больше инфракрасной энергии, излучаемой с поверхности Земли, чем другие парниковые газы, удерживая тем самым больше тепла. Некоторые ученые считают, что водяной пар играет колоссальную роль в усилении разрушительных штормов и ускоряет изменения климата. Так ли это? Рассказывает профессор кафедры метеорологии и климатологии географического факультета МГУ, профессор РАН Дарья Юрьевна Гущина.

Дарья Юрьевна Гущина — профессор кафедры метеорологии и климатологии географического факультета МГУ, профессор РАН.

— В прошлом, 2021 г. весь мир, еще не оправившийся после пандемии, столкнулся с аномальными погодными условиями – разрушительными наводнениями, сильной жарой. Об этом предупреждали климатологи, когда говорили, что в меняющемся климате будет все больше аномалий?

— На самом деле аномалии наблюдались не только в 2021 г. Аномальные погодные условия в целом наблюдаются ежегодно. В своих интервью и лекциях я неоднократно подчеркивала: нужно четко определять то, что мы называем аномалией, поскольку норма в науке — это среднее значение. Например, мы взяли 15 марта значения температуры за 30 лет, сложили и разделили на 30, получив среднюю температуру. Но за эти 30 лет реальная температура 15 марта могла ни разу не совпасть со средним значением. Поэтому строго математически любое отклонение от среднего значения и есть аномалия по определению.

Между тем в жизни наш подход к интерпретации того или иного явления часто субъективный, поэтому аномалией чаще всего называют резкое отклонение от нормы. Но опять-таки все сильно зависит от региона. В районах с океаническим климатом все температурные колебания смягчает океан или другой крупный водный объект, поэтому величина отклонений в прибрежных районах будет меньше, чем во внутриконтинентальных.

Существуют районы, где наблюдается более устойчивая атмосферная циркуляция. Например, в тропиках круглый год дуют знаменитые пассаты — ветры, о которых мы помним по школьным урокам географии. Это, пожалуй, первый метеорологический объект, который открыли и описали мореплаватели еще в XV–XVI вв. Все великие географические открытия основаны на силе пассатов. Почему серфингисты любят районы с пассатным климатом? Потому что они могут приехать в любое время и застать ветер и волны.

А есть районы с неустойчивой погодой, которая чаще всего связана с чередованием южных и северных потоков, приносящих то холодный, то теплый воздух. Поэтому на восточном побережье Северной Америки погода очень переменчивая. Северные ветры проникают до Флориды, и может выпасть снег, а южные ветры проникают до Канады, где даже зимой может пойти дождь, и снежный покров тает.

Поэтому аномалии бывают разные. Климатологи предпочитают говорить об экстремальных явлениях погоды, критерии которых определены достаточно четко. Хотя подходы к экстремальности в разных странах отличаются, пороговые значения все же определены конкретно.

В связи с потеплением климата количество и повторяемость экстремальных явлений увеличиваются. Долгое время этот факт вызывал в научном сообществе бурные споры и дискуссии. Некоторые ссылались на человеческий субъективизм. Согласитесь, сегодня в сознании каждого человека экстремальность климата выросла в разы. Ведь в середине прошлого века о погоде и климате говорили мало, а мировой обмен информацией был на порядки меньше, чем сейчас.

Об экстремальных событиях люди узнавали несколько раз в году, а сегодня — каждый день. При этом в информационном поле складывается интересная ситуация: если не о чем говорить, говорят о погоде; если о чем-то лучше не говорить — тоже говорят о погоде. Поэтому нельзя не учитывать социальные, экономические и политические причины того, что мы стали больше говорить об экстремальности климата.

Но все же объективные научные данные показывают, что повторяемость экстремальных явлений возрастает в связи с изменением климата. Но и в этом случае все сильно зависит от региона. Зимы без снега в Московском регионе бывали и раньше, просто мы обращали на это меньше внимания. Как мне кажется, с развитием цивилизации увеличилась чувствительность человеческого сознания к экстремальным явлениям, новостям и событиям. Мы стали более резко на все реагировать. Я не психолог и ни в коей мере не претендую на научные заключения в этой области, это мое личное восприятие и ощущение.

— Когда говорят о климатических изменениях, упоминают парниковые газы. Какое влияние они оказывают на климат?

— Начну с того, что такое парниковый эффект. Зачастую, особенно в неспециализированных источниках, встречается ложная информация. Но еще больше пугает тот факт, что неверные определения есть даже в школьных учебниках, в которых говорится, что главную опасность для человечества представляют парниковый эффект, кислотные дожди и озоновая дыра. О последних говорить не будем — это отдельные большие темы. Но если бы не было парникового эффекта, средняя температура планеты Земля составляла бы -18° С. Возможно, жизнь могла бы зародиться и в таких условиях, но мы не знаем, какой бы она была. К счастью, средняя температура Земли составляет +15º С. И это как раз следствие парникового эффекта.

Парниковый эффект

Источник: Wikipedia

Как парник полезен для огородников и садоводов, так же парник в виде атмосферы защищает все живое на Земле. Вспомните теплицы в огородах. Парник прозрачен для солнечных лучей, которые проникают внутрь и нагревают землю. Земля поглощает тепло и излучает радиацию, но уже не коротковолновую, как та, что пришла от Солнца, а длинноволновую. Длина волн другая, потому что температура излучающего тела (Земли) намного меньше, чем температура Солнца. Так вот, для длинноволновой радиации парник непрозрачен и тепло остается внутри теплицы.

Если говорить об атмосфере, то здесь роль пленки или стекла играет атмосферный воздух, который пропускает коротковолновую радиацию от Солнца, и не выпускает длинноволновую радиацию, излучаемую Землей.

Атмосферный воздух содержит в себе много разных газов. Среди основных выделяют азот (78%) и кислород (21%). Но эти газы не участвуют в парниковом эффекте, а те, что участвуют, как раз и называются парниковыми газами. При этом концентрации парниковых газов в воздухе очень малы — меньше 1%. У всех на слуху углекислый газ СО₂, метан СН₄, оксид азота NО₂ и другие. При этом самый главный парниковый газ, о котором часто забывают, — водяной пар. Даже в сознании студентов водяной пар почему-то не ассоциируется с газом.

Водяной пар — уникальное вещество в климатической системе, ведь только молекула H₂О может существовать в трех фазовых состояниях — в виде газа (водяного пара), жидкости и льда. Как раз эти фазовые переходы H₂О формируют очень многие обратные связи и процессы в климатической системе, в том числе в контексте изменений климата.

— С чем это связано?

— Важно то, что концентрация водяного пара в атмосферном воздухе постоянно меняется, причем в очень широких пределах. Плюс ко всему она сильно зависит от температуры воздуха, распределения водных источников и суши и, конечно, от поступающей энергии, то есть количества солнечной радиации, необходимой для процесса испарения.

Рост объема водяного пара, переносимого по воздуху

Источник: «В мире науки» № 1-2

Отмечу, что водяной пар — очень мощный парниковый газ.

— Тогда почему больше говорят диоксиде углерода?

— Да, концентрация водяного пара сильно меняется практически ежеминутно, но это колебания, а не тренд. В масштабах сотен лет концентрация водяного пара в среднем по Земле меняется мало, а концентрация углекислого газа — очень существенно. Например, в доиндустриальный период концентрация углекислого газа в атмосфере составляла 280 частей на миллион (ppm), а сегодня — уже 416.

Очевидно, что концентрация СО₂ увеличилась в два раза именно за счет антропогенного воздействия.

Но есть и чисто физические особенности, о которых говорят в меньшей степени. Водяной пар поглощает практически все длины волн, которые испускаются Землей, за исключением интервала от 8 до 12 мкм — так называемого окна прозрачности атмосферы. В этом интервале водяной пар выпускает радиацию, излучаемую Землей, в космос. Но при той температуре земной поверхности, которая фиксируется сегодня, именно на этот интервал приходится максимум излучения. И именно на него попадает полоса поглощения СО₂. Поэтому при очень небольшой концентрации углекислого газа в атмосфере (менее 1%) за счет целого ряда факторов его суммарный вклад, или радиационный форсинг, в увеличение перехвата теплового излучения Земли весьма значителен. Но с точки зрения средних значений парниковый эффект водяного пара в разы больше.

— Есть мнение, что водяной пар играет колоссальную роль в усилении разрушительных штормов и ураганов и в ускорении климатических изменений. Так ли это?

— Здесь все намного сложнее. Попробуем разложить все по полочкам и разобраться. Прежде всего, ураганы как погодное явление правильнее называть тропическими циклонами. Циклон называют ураганом только тогда, когда скорость ветра в нем превышает 33 м/с. Причем термин «ураган» применяют только к циклонам в Атлантическом океане. Разрушительные тропические циклоны, формирующиеся в северо-западной части Тихого океана, называют тайфунами, а у берегов Австралии — вилли-вилли, но суть одна и та же. Речь идет о тропическом циклоне, который развился до третьей стадии, а скорость ветра превысила пороговое значение.

Гигантские градиенты давления, приводящие к штормовым скоростям ветра, и мощнейшая облачность, которая приносит на материк катастрофические осадки, возникают из-за конденсации влаги, поступившей в процессе испарения с теплой поверхности океана. При этом температура поверхности океана должна превышать 27º C. Именно поэтому тропические циклоны не образуются в тропиках восточной Атлантики или в районе западного побережья Южной Америки, которое омывает холодное Перуанское течение.

После испарения большое количество водяного пара поднимается вверх вместе с воздухом. При конденсации выделяется огромное количество энергии, известное как скрытая теплота конденсации. Это тепло представляет собой источник энергии для существования тропического циклона.

Важно, что тропический циклон — сугубо региональное явление. Он формируется в конкретном районе океана при определенных условиях атмосферной циркуляции.

Поэтому говорить, что глобальное увеличение концентрации водяного пара приведет к усилению конкретного урагана, неправильно. Но из-за климатических изменений и повышения температуры Мирового океана площадь, где температура водной поверхности превышает 27º С, будет увеличиваться. А значит, тропические циклоны смогут формироваться в более высоких широтах, то есть область их распространения будет расти.

Ураган Изабель 2003 года, фотография с МКС — можно чётко увидеть характерные для тропических циклонов глаз, стену глаза и окружающие дождевые полосы

Источник: Wikipedia / Mike Trenchard, Earth Sciences & Image Analysis Laboratory, NASA Johnson Space Center

— Станут ли они более разрушительными?

— Сейчас сложно сказать. Согласно некоторым исследованиям, определенные изменения в системе «океан — атмосфера», связанные с природным Атлантическим междекадным колебанием, могут влиять на интенсивность циклонов — увеличивать количество циклонов, которые достигают четвертой и пятой фазы развития; при этом общее количество тропических циклонов меняется мало.

Если говорить о взаимосвязи водяного пара и потепления климата, то и здесь все достаточно сложно и неоднозначно. Действительно, при увеличении температуры возрастает давление насыщения. Проще говоря, это показатель того, сколько водяного пара может вобрать в себя воздух. Напомню, что воздух в зависимости от температуры работает как губка. При этом у каждой губки есть свой предел. В природе показатель впитываемости зависит не от состава воздуха, а от его температуры — чем воздух теплее, тем больше он может вобрать в себя водяного пара. Эта зависимость увеличивается экспоненциально. Если температура воздуха повышается на 3º, то воздух может вобрать в себя водяного пара на 20% больше. Следовательно, абсолютная концентрация водяного пара на Земле при увеличении температуры на 3º станет на 20% больше.

Другой не менее важный показатель — относительная влажность. Она распределена очень неравномерно и при одной и той же температуре может быть совершенно разной. Например, в Крыму или Поволжье климат достаточно сухой, а на побережье Кавказа в Сочи — влажные субтропики. Температуры в этих районах вполне сравнимые, примерно +25º C. Тот, кто сушил полотенце и купальники в этих двух регионах, точно знает, что в Крыму и Поволжье все высыхает значительно быстрее, чем в Сочи, хотя температура одна и та же. Просто в одном случае в воздухе очень мало водяного пара, а в другом — очень много. Разницу между реальным количеством водяного пара в воздухе и количеством, которое он может вобрать, и называют относительной влажностью. Когда воздух содержит максимальное количество пара, которое он может удерживать, его относительная влажность составляет 100%. Например, на западном побережье Южной Америки — в Перу или в Эквадоре — стиральных машинок без сушки попросту не существует. На улице в принципе ничего не сохнет.

Поэтому важно не столько увеличение максимально возможной концентрации водяного пара при росте температуры, сколько реальное изменение его концентрации. И при повышении температуры Мирового океана действительно испарение будет больше, а значит, и в атмосферу будет поступать больше водяного пара.

Согласно последним научным данным, концентрация водяного пара увеличивается, следовательно, парниковый эффект усиливается. Однако необходимо учитывать множество региональных особенностей, связанных с распределением суши и моря, с распределением относительной влажности и источников испарения, а также с эффектом фазовых переходов, облаков и осадков.

— Вы упомянули, что со временем широты тропических циклонов могут быть увеличены. В каких районах, где ранее не наблюдались циклоны, они появятся?

— На самом деле там, где циклонов не было никогда, их и не будет. Речь идет о достаточно узких зонах. Скажем, если сегодня циклоны доходят до 20-го градуса северной и южной широты, то в будущем они смогут образовываться, например, вплоть до 22-го градуса широты.

Но есть интересные особенности взаимодействия между тропическими и внетропическими процессами. Тропический циклон вызывает на побережье ураганы, осадки, наводнения, в океане — штормы. Продвигаясь вглубь континента, он постепенно исчезает вследствие увеличения трения над сушей. Исчезает он и над более холодными водами, когда перемещается в более высокие широты. Но в умеренных широтах есть свои циклоны, которые возникают на атмосферных фронтах. Они менее интенсивны и имеют другой механизм формирования. Но тропический циклон, приближаясь к этим широтам, может слиться с циклоном умеренных широт. Поэтому движение тропического циклона выше 20-го градуса может усилить вероятность регенерации тропических циклонов на полярном фронте.

Карта пути всех тропических циклонов за период 1985 – 2005 годов

Источник: Wikipedia / NASA

— В Европе могут наблюдаться такие слияния?

— Нет. Тропические циклоны выходят на восточные побережья материков, так как они смещаются над океанами в системе пассатного переноса с востока на запад.

Что касается Европы, то здесь реализуются свои явления. Недавно выяснилось, что на Средиземном море образуются циклоны, похожие на тропические. Их назвали «медикейны». Это маленькие, но очень неприятные циклоны, вызывающие интенсивные осадки. Если бы тропический циклон появился в Европе, последствия были бы не менее опасными, чем, например, в Карибском бассейне, но и медикейна с его осадками тоже хватает.

В контексте нашего разговора стоит упомянуть о так называемых обратных связях в климатической системе. Речь идет о каком-то процессе и отклике на него. Отклик может или усилить начальный процесс, и тогда мы говорим о положительной обратной связи, или ослабить — значит, речь идет об отрицательной обратной связи.

В контексте климатических изменений самая известная положительная обратная связь связана с различной отражательной способностью поверхности (альбедо). Проще говоря, при увеличении температуры быстрее тают льды и снега, которые очень сильно отражают приходящую радиацию. При этом увеличивается территория открытой почвы, которая сильнее поглощает радиацию. От нагретой земли нагревается воздух, и температура увеличивается еще больше.

Масса антарктического ледяного щита изменилась за последние десятилетия. Исследования, основанные на спутниковых данных, показывают, что в период с 2002 по 2020 г. Антарктида теряла в среднем 149 млрд тонн льда в год, что способствовало повышению уровня мирового океана. Источник: NASA Climate Change

Но есть и отрицательные обратные связи. Одна из причин потепления климата — увеличение концентрации СО₂. Напомню, что один из главных стоков углекислого газа — Мировой океан. При потеплении климата уровень Мирового океана поднимается, а площадь увеличивается. Гипотетически количество поглощаемого СО₂ должно расти, хотя пока не так много результатов, которые могут это подтвердить. И даже в самых современных климатических моделях учтены далеко не все обратные связи.

Продолжая разговор о водяном паре, отмечу, что сегодня существуют достаточно понятные и логичные теории, связывающие изменение концентрации водяного пара с потеплением климата, но, к сожалению, не все они подтверждаются данными наблюдений. И если учитывать отрицательные обратные связи, то нельзя однозначно сказать, усиливается ли парниковый эффект при увеличении концентрации водяного пара или возможен иной результат, при котором температура будет уменьшаться. Действительно, при испарении водяной пар поступает в приземный слой воздуха. Дальше воздух может подниматься, при этом охлаждаясь. Вспомним, что количество водяного пара, который может содержаться в воздухе, зависит от температуры. Если температура понизилась, водяной пар, который раньше содержался в атмосфере, становится избыточным. Он превращается в капли влаги, формируя облака. Облако постепенно растет, а капли становятся все тяжелее, и в какой-то момент начинают выпадать осадки. При этом только за счет слияния капель осадки не образуются, в лучшем случае — морось. Для того чтобы выпали осадки в виде дождя или снега, в воздухе должны присутствовать ледяные кристаллы. То есть вода должна содержаться в двух фазах — жидкой и твердой.

Идея отрицательной обратной связи состоит в том, что при выпадении осадков воздух иссушается. То есть после того как выпали осадки, воздух под облаками становится суше, вся влага возвращается на Землю, значит, водяного пара в воздухе становится меньше. При потеплении и усилении испарения, поступлении большего количества водяного пара в атмосферу формируются более мощные облака, выпадает больше осадков. Воздух при этом иссушается, то есть содержит меньше водяного пара. А ведь именно он перехватывает излучение Земли. Получается, что поверхность Земли теряет большее количество тепла, а значит, ее температура будет уменьшаться. Идея выглядит вполне логично, но пока данные наблюдений и расчеты не подтверждают того, что этот эффект преобладает или полностью компенсирует увеличение испарения и концентрации водяного пара за счет роста температуры поверхности океана и воздуха.

— Современные климатические исследования строятся на спутниковых данных и на результатах компьютерных вычислений. Вы сотрудничаете с подразделениями МГУ, которые производят расчеты?

— Конечно. Например, заместитель директора Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ В.М. Степаненко — выпускник нашей кафедры. В этом году он получил премию им. И.И. Шувалова.

Наши сотрудники, студенты и аспиранты проводят вычисления на суперкомпьютере «Ломоносов-2». Активно развивается также отечественная климатическая модель, созданная в Институте вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН. Институт сотрудничает с коллегами из НИВЦ и проводит расчеты на суперкомпьютере МГУ. Поэтому сегодня мы работаем в рамках консорциума МГУ, нашей кафедры, НИВЦ, ИВМ РАН, Гидрометцентра и других научно-образовательных и вычислительных центров России.

Работы направлены на развитие отечественной климатической модели, которая входит в международный проект сравнения моделей. На эти цели ежегодно выделяется финансирование. А наши сотрудники и аспиранты активно участвуют в реализации этого проекта.

— Если сравнить период, когда вы начинали изучать климат, и настоящее время, насколько сильно изменилась приборная база?

— Кардинально изменилась. Например, моя однокурсница в 1990-е гг. защищала кандидатскую диссертацию по спутниковым данным. Так вот, ошибка восстановления профиля температуры на разных высотах тропосферы по данным спутников в то время составляла около 7º C, то есть температура могла равняться либо 10º, либо 17º. Сегодня такая ошибка составляет уже меньше градуса. И это колоссальный прогресс.

Появилось огромное количество электрических и ультразвуковых приборов, автоматических метеорологических станций и многое другое. Климатологи и метеорологи активно проводят измерения с помощью беспилотников. Хотя в арсенале остались барометр и традиционный ртутный термометр.

— Над чем вы работаете сегодня?

— Я продолжаю исследование своего любимого явления Эль-Ниньо, о котором мы говорили в прошлый раз. Однако сейчас я исследую отклик на явление Эль-Ниньо, возникающий в умеренных и даже высоких широтах. Вместе с моей студенткой Марией Коленниковой мы рассматривали отклик циркуляции в тропосфере и стратосфере на различные типы Эль-Ниньо, на тот форсинг или сигнал, который поступает из тропических широт. Мы сравнивали Северное и Южное полушария и выяснили, что отклик разный, то есть и стратосфера, и тропосфера по-разному реагируют на два типа Эль-Ниньо в двух полушариях.

Помимо этого, мы получили грант на исследование экстремальных погодных явлений и их связей с колебаниями потоков парниковых газов, в том числе с прицелом на расширение измерительной приборной базы. Вместе с сотрудником кафедры климатологии и метеорологии профессором А.В. Ольчевым мы задались вопросом, какой отклик могут вызывать экстремальные погодные явления в потоках парниковых газов. Работа начата, и я надеюсь, что мы получим интересные результаты.

— Что может сделать один человек, чтобы внести вклад в решение проблемы климатических изменений?

— Разделять мусор, выключать свет, не лить воду попусту. Казалось бы, это мелочи в масштабе нашей ежедневной рутины, однако и это влияет на общую ситуацию.

 

Что такое парниковые газы и кто их поглощает

Весь мир буквально «ударился» в тему климатических изменений и глобального потепления. О выбросах, углекислом газе, метане, таянии мерзлоты, карбоновых фермах и «зеленом» топливе стали говорить не только научные сообщества, но и первые лица государств. «Нервное настроение» климата прочувствовали на себе почти все жители планеты: одни страны страдают от аномальной жары и пожаров, другие – от слишком суровых зим, а третьи – от катастрофических паводков. «Экология России» решила разобраться, откуда берутся парниковые газы и кто может поглотить их, замедлив глобальные климатические процессы.

Невидимая угроза

Определение парниковым газам специально для «Экологии России» дала руководитель Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН Наталья Лукина: 

«Парниковый газ – это газообразная составляющая воздушной оболочки Земли естественного или антропогенного происхождения, поглощающая и отражающая инфракрасное электромагнитное излучение».  

Нагретые газы создают так называемый парниковый эффект – это естественное явление, которое повышает температуру на планете в результате того, что эти газы, как настоящий парник, задерживают тепловую энергию. Когда теплый луч солнца летит к нам из космоса, атмосфера свободно пропускает его. Но как только он отразился от поверхности и полетел обратно, парниковые газы благодаря особым физическим свойствам его задерживают. Большая часть тепла остается здесь, на Земле. 

Сам по себе парниковый эффект – крайне полезное явление для человечества. Можно даже сказать, что без этого свойства атмосферы мы бы не выжили на этой планете. Ведь без него средняя температура на земле не поднималась бы выше -18℃, а значит, все реки и озера были бы вечно замерзшими, а большинство съедобных растений не росли бы и не плодоносили. 

Но все хорошо в меру. Из-за деятельности человека и стремительного технического прогресса парниковый эффект чрезмерно усиливается, а значит, способствует росту средних температур на планете.  

«Самым крупным источником выбросов парниковых газов в результате деятельности человека является сжигание ископаемого топлива для выработки электроэнергии, тепла и транспорта», – продолжила Лукина. 

Какие они, парниковые газы?

Углекислый газ (CO2) – парниковый газ частично антропогенного происхождения. Человек искусственно увеличил его концентрацию в атмосфере. При низких концентрациях он не имеет вкуса и запаха. 

Метан (Ch5) – этого газа меньше в атмосфере, чем углекислого. Но он гораздо опаснее, чем СО2. Естественные источники — болота и термитники. Метан при комнатной температуре и стандартном давлении является бесцветным газом без запаха.

«Метан считается более опасным для климата газом: если сравнивать молекулу к молекуле, то молекула метана в 30-50 раз более опасна. Но концентрация СО2 в 200 раз выше, чем концентрация метана. По оценкам, которые приняты в научном сообществе, вклад метана составляет примерно 30% от вклада СО2. Но зато содержание метана в атмосфере растет с гораздо большей скоростью. Если удвоится метан, то последствия могут быть сопоставимыми», – рассказал «Экологии России» заведующий лабораторией арктических исследований Тихоокеанского океанологического института Дальневосточного отделения РАН Игорь Семилетов. 

В научных кругах есть версии, что изменение климата может привести к 10-кратному увеличению концентрации метана в атмосфере. Огромные залежи «спящего газа» могут быть сконцентрированы в Арктике, под слоем вечной мерзлоты. Лед там активно тает, а значит, залежи опасного газа начинают высвобождаться.

Еще эксперты выделяют в числе газов, оказывающих парниковый эффект: закись азота (N2O), синтетические химические вещества, озон (O3) и водяной пар. 

Герои-поглотители

Лишние газы из атмосферы поглощает растительность. Углекислый газ превращается в органическое вещество (глюкозу) в результате фотосинтеза. Растения поглощают СО2 и выделяют кислород. Тем самым они «укрощают» климат и поддерживают температурный баланс на планете. 

Таким образом, лучшими поглотителями парниковых газов являются леса: сибирские, амазонские, бразильские, лиственные, хвойные. К каким бы категориям и географическим привязкам не относились лесные экосистемы, они будут поглощать углекислый газ. Даже сорняки и вездесущий борщевик Сосновского на самом деле являются поглотителями СО2.

«Все растения (и дикие, и домашние) поглощают углекислый газ. Опад растений постоянно возвращается на поверхность почвы, разлагается животными и микроорганизмами, при разложении выделяется СО2. В экосистемах всегда одновременно идут процессы роста и развития растений и, соответственно, поглощения углекислого газа, и процессы разложения растительного опада (листья, ветви) и отпада (то есть гибели целых деревьев). Важен баланс между этими процессами. Если процессы разложения, к которым также относятся процессы горения в результате лесных пожаров, преобладают, экосистема начинает работать не как поглотитель, а как источник парниковых газов», – отметила Лукина.

Пожары и гигантские по своим масштабам вырубки лесов приводят к негативным последствиям для климата, считает исполнительный директор компании GBM (входит в группу InfraOne) Вячеслав Харламов.

«Лесные экосистемы могут наилучшим образом служить хранилищем (или банком) для углерода тогда, когда антропогенное воздействие на них сведено к минимуму на протяжении всего их существования. В первую очередь, это касается неконтролируемой вырубки и пожаров. Последние, по итогам этого года, вероятно, покажут вклад в выбросы углекислого газа (пусть и не равные, но) сопоставимые с годовыми объемами его поглощения всем лесным фондом России», – отметил эксперт. 

Еще один важный поглотитель – океан. Он аккумулирует двуокись углерода в два этапа: сначала СО2 растворяется в поверхностном слое воды, а затем распределяется в водной массе, перемещаясь во внутренние области. Там он накапливается и хранится. Ученые убеждены, без помощи океанов концентрация СО2 в атмосфере и масштабы изменения климата были бы существенно выше. Океаны (как и любые водоемы) богаты водной растительностью. 

«Водоросли поглощают СО2 и продуцируют кислород. С метаном ситуация хуже, потому что он изымается только в специфических условиях. Он окисляется до СО2, который в 50 раз слабее. С этим мало что можно сделать», – отметил Семилетов. 

Нельзя не отметить и болота. Их еще называют аккумуляторами тепла. Удивительно, но даже в условиях сибирских морозов они не замерзают. За счет сохранения тепла болота регулируют климат, делая его более мягким. Растительность болот поглощает СО2 при жизни, а после она превращается в торф, не выделяя углекислоту в атмосферу. Крупнейший в мире торфяник находится в России – это Васюганские болота. Они помогают решать климатические проблемы всей планеты. Осушать болота нельзя, ведь в таком случае они превращаются из поглотителей в источник выбросов.

Киты и фитопланктон также способны снизить действие парникового эффекта практически до 0. Они (по принципу растений) потребляют огромные объемы углекислого газа и выделяют больше кислорода, чем все остальные источники на планете вместе взятые.

«К поглотителям относятся так называемые продуценты, то есть живые организмы, которые живут за счет поглощения CO2. Все остальные живые организмы, наоборот, потребляют и выделяют углекислый газ. Сама по себе вода является растворителем CO2», – прокомментировала доктор биологических наук, директор Института глобального климата и экологии им. Израэля Анна Романовская. 

Ледники и даже отложения осадочных пород накапливают СО2 и держат его в природных резервуарах. 

В целом углекислый газ вовлечен в важнейшие биологические, химические, геологические и климатические процессы. Нельзя сказать, что СО2 – это «плохое вещество». Однако соблюдать природный баланс и не добавлять в атмосферу сверх меры парниковых газов критично важно, если мы не хотим уже в ближайшие десятилетия иметь дело с климатическим кризисом и множеством неприятных природных явлений, которые такой кризис вызовет.

Фото: Scharfsinn86 – istockphoto.com, hbieser – pisaba.com

Парниковый эффект | Университет Кларксона

• Учебные заметки
• Концепции и стандарты
• Метод
• Практический пример
• Ресурсы

Излучение абсолютно черного тела и парниковый эффект

Тип : интегрированный блок с пятью отдельными интерактивными компьютерными действиями.
Продолжительность  3–4 45-минутные периоды
Область содержания/курс : Науки о Земле, физика и химия
Целевой уровень : 8–12 (адаптируемый)
Необходимые знания/навыки : Общая навигация в Интернете: базовое понимание атмосферных наук
Технологии/веб-ресурсы : Доступ в Интернет, поддержка Java
Развитие мыслительных навыков : Понимание, синтез, оценка
Автор: Суреш Дханияла, Университет Кларксона, август 2011 г.

Учащиеся будут использовать графические инструменты для понимания излучения черного тела, определения различных спектральных диапазонов, изучения взаимодействия атмосферных газов с излучением различных длин волн и признать взаимосвязь между парниковыми газами и средней глобальной температурой. Этот модуль обеспечивает фундаментальное понимание парникового эффекта и его роли в контроле температуры Земли.

Учебные заметки

Уровень : средняя школа, но может быть адаптирован для 8-го класса.

Цели обучения : После завершения этого модуля пользователи смогут:

• Определять важные спектры длин волн, связанные с солнечным и земным излучением
• Свяжите температуры объектов с длинами волн их электромагнитного излучения
• Знать, что разные газы по-разному взаимодействуют с излучением с разными длинами волн
• Связь концентрации парниковых газов с температурой
• Сообщите о своих выводах в устной форме, используя соответствующую лексику в области изменения климата и наук о Земле.

Обоснование : Этот модуль помогает учащимся понять основы парникового эффекта и взаимосвязь между концентрациями парниковых газов и глобальными температурами. Студенты смогут понять терминологию, связанную с солнечной и земной радиацией. Учащиеся смогут распознавать различные парниковые газы и механизм их взаимодействия с земной радиацией.

Учащиеся будут использовать различные веб-инструменты визуализации и Excel для построения графиков данных, полученных с помощью этих инструментов.

Ключевые понятия и словарный запас

• Черное тело:  Конечное тело, поглощающее все падающее электромагнитное излучение.
• Электромагнитное (ЭМ) излучение:  Электромагнитное излучение возникает в результате преобразования внутренней тепловой энергии тела в электромагнитную энергию, т. е. энергию, связанную с движением заряженных частиц. ЭМ излучение ведет себя как поток безмассовых частиц и волн при прохождении через среду.
• Коротковолновое излучение : Обычно относится к электромагнитному излучению в ближнем и видимом диапазоне длин волн (0,3–4 мм), т.е. длинах волн, на которых сосредоточена большая часть солнечной энергии.
• Длинноволновое излучение:  Обычно относится к электромагнитному излучению в инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазонах (более 4 мм), т. е. длинах волн, на которых сосредоточена большая часть радиационной энергии Земли.
• Антропогенные выбросы:  Выбросы в результате деятельности человека.
• Парниковый газ (ПГ):  Газ, поглощающий энергию на длинах волн, соответствующих длинноволновому излучению.
• Парниковый эффект:  Процесс поглощения и повторного излучения энергии парниковыми газами в атмосфере.

Исходная информация

Чтобы понять роль парниковых газов в глобальном изменении климата, важно понимать основы излучения абсолютно черного тела и взаимодействия парниковых газов с длинноволновым излучением Земли.

Все тела излучают энергию в виде электромагнитного (ЭМ) излучения. Энергия Солнца достигает Земли в виде света — формы электромагнитного излучения (рис. 1). Мы чувствуем тепло от камина даже через стеклянную перегородку из-за электромагнитного излучения. Теплый змеевик на плите светится, потому что излучает ЭМ-излучение, а тепло спирали ощущается на расстоянии из-за ЭМ-излучения. Тепло и свет являются формами электромагнитного излучения. К другим формам электромагнитного излучения относятся: рентгеновские лучи, гамма-лучи и радиоволны. Различные формы электромагнитного излучения соответствуют разным энергиям и диапазонам длин волн, как показано на рисунке 1.

Черное тело — это тело, которое поглощает все излучение, которое оно получает, и излучает излучение на всех длинах волн. Чистая интенсивность излучения, испускаемого черным телом, зависит от его температуры (интенсивность пропорциональна T4), при этом более горячие тела излучают большее количество излучения. В то время как черные тела излучают излучение на всех длинах волн, значительная часть излучаемой ими энергии сосредоточена в ограниченном диапазоне длин волн. Длина волны, соответствующая пиковой интенсивности излучения, уменьшается с ростом температуры.

Солнце и Землю можно считать черными телами при анализе их радиационных свойств. ЭМ-излучение от Солнца в основном имеет короткие или видимые длины волн (0,4–0,7 мм), что соответствует высокой температуре Солнца (~ 5777 К), в то время как ЭМ-излучение, связанное с излучением Земли в космос, находится в основном в инфракрасном диапазоне длин волн (1–0,7 мм). 10 мм), что соответствует его более низкой температуре (~ 298 К; рис. 3). Поскольку температура Земли в значительной степени находится в равновесии, входящее коротковолновое излучение должно уравновешиваться исходящим длинноволновым излучением.

Не все длинноволновое излучение Земли уходит в космос. Некоторые газы в атмосфере могут поглощать длинноволновое излучение Земли и нагревать окружающий воздух за счет столкновений с соседними молекулами. Затем нагретый слой может излучать энергию обратно на поверхность Земли. Этот эффект улавливания исходящего длинноволнового излучения и нагревания атмосферы и поверхности Земли называется парниковым эффектом, а газы, которые поглощают длинноволновое излучение и создают парниковый эффект, называются парниковыми газами (ПГ).

Без парниковых газов температура Земли была бы слишком низкой для людей (~ 0°F, а не 60°F, как сейчас). Таким образом, парниковые газы необходимы для поддержания жизни на Земле. Наиболее распространенным парниковым газом в атмосфере является водяной пар. Концентрация водяного пара в атмосфере является следствием температуры Земли, существующей в равновесии с жидкой водой и льдом на поверхности Земли. Концентрация водяного пара в атмосфере напрямую не зависит от антропогенных выбросов.

Некоторые из важных парниковых газов антропогенного происхождения: двуокись углерода (CO2), метан (Ch5) и закись азота (N2O). Концентрации этих газов могут критически контролировать степень длинноволнового излучения Земли, удерживаемого в атмосфере. Антропогенные источники этих газов в основном связаны со сжиганием ископаемого топлива. Концентрации парниковых газов неуклонно росли после промышленной революции. Наблюдается также соответствующее повышение средней глобальной температуры.

Стратегии обучения

Этот модуль состоит из нескольких частей, которые лучше всего выполнять с учащимися в парах или в группах по 3 человека. Группировка позволит учащимся поддерживать друг друга и обсуждать свои выводы по мере изучения различных инструментов. Учащиеся будут использовать инструменты визуализации для определения длин волн, связанных с различными электромагнитными волнами, и определения длин волн первичного излучения Солнца и Земли, а также понимания роли парниковых газов в улавливании длинноволнового излучения и взаимосвязи между глобальными концентрациями ПГ и глобальной температурой.

Результаты этих действий: 

1. Знакомство с электромагнитным (ЭМ) излучением черных тел
2.  Понимание характеристик электромагнитного излучения в зависимости от температуры черного тела
3. Знание взаимодействия электромагнитного излучения с различными молекулами газа и распознавание парниковых газов (ПГ)
4. Роль концентрации парниковых газов в регулировании температуры атмосферы Земли.

Реализация

Упреждающий набор  – Предполагая, что учащиеся уже знакомы с общей лексикой, связанной с изменением климата (например, с парниковыми газами, выбросами парниковых газов, углеродным следом), начните изучение с того, что учащиеся изучат, что является источником энергии Земли и как ее получают. Какие различия в температуре между пасмурными и ясными ночами зимой заметили учащиеся? Как только учащиеся поймут, что Солнце является источником энергии и что «тепло» Земли может уйти в космос, переходите к разделу.

Общая процедура

1. С помощью апплета «Электромагнитный спектр» определите диапазоны длин волн, связанные с УФ, видимым, инфракрасным и микроволновым спектрами. Учащимся должно быть разрешено изучить апплет и ознакомиться с различными терминологиями спектра электромагнитных волн. В частности, важно распознавать диапазон видимых и почти видимых длин волн (УФ, ближний инфракрасный диапазон), а также длины волн, связанные с передачей тепла (инфракрасный, микроволновый).
2. Используя апплет спектра абсолютно черного тела, учащиеся должны уметь определять основные длины волн, соответствующие электромагнитному излучению Солнца и Земли. Учащиеся должны изучить апплет и развить понимание взаимосвязи между температурой абсолютно черного тела и его пиковой длиной волны излучения.

3. а. Используйте апплет, иллюстрирующий зависящее от длины волны взаимодействие между различными химическими соединениями и электромагнитным излучением , чтобы определить, что делает газ парниковым. Студенты должны изучить апплет, выбирая различные типы электромагнитного излучения (УФ, видимое, инфракрасное или микроволновое) и выбирая различные молекулы, чтобы определить для себя, что некоторые молекулы могут взаимодействовать с электромагнитным излучением, испускаемым Землей, т. е. действовать как парниковые газы. (Это больше подходит для 8-го или 9-гоучащиеся 1-го класса).

   ИЛИ

   б. С помощью более сложного апплета (нажмите на ссылку, а затем на изображение в разделе «Столкновительное нагревание CO2 в атмосфере») учащиеся могут подробно изучить характеристики поглощения различных газов в инфракрасном диапазоне длин волн. Они могут изучать различия между различными парниковыми газами в отношении их взаимодействия со спектром излучения Земли. (Это больше подходит для старшеклассников).

4.  Апплет о парниковом эффекте помогает учащимся установить связь между парниковыми газами и температурой Земли. В этом приложении рассматривается взаимодействие идеальной атмосферы с приходящей солнечной радиацией и уходящей земной радиацией. Учащиеся могут варьировать концентрацию парниковых газов в атмосфере и определять результирующую среднюю температуру смоделированной атмосферы. По завершении этого раздела учащиеся должны быть в состоянии объяснить роль парниковых газов в регулировании температуры Земли и последствия более высоких концентраций парниковых газов для будущей температуры Земли.

К концу раздела учащиеся должны осознать важность роли парниковых газов в поддержании достаточного тепла на Земле для выживания людей и понять, что парниковый эффект является результатом поглощения длинноволнового излучения с поверхности Земли некоторыми атмосферные газы. Учащиеся также должны быть в состоянии перечислить несколько основных парниковых газов.

Контекст и стандарты

Концепции обучения

Этот модуль подходит для научных курсов более высокого уровня. В Физике длины волн и концепция электромагнитного излучения могут обсуждаться более подробно. Также было бы уместно включить эти действия в лекцию по химии, связанную с химическими связями, фотохимическими реакциями и т. д. Графическое представление данных и интерпретация графиков могут быть интегрированы в уроки математики в качестве реального применения технологических навыков.

Научные стандарты

Данное подразделение поддерживает следующие стандарты штата Нью-Йорк по математике, науке и технологиям (MST): (http://www.p12.nysed.gov/ciai/standards.html)

Анализ , исследования и проектирование

Учащиеся будут использовать математический анализ, научные исследования и инженерные расчеты, чтобы ставить вопросы, искать ответы и разрабатывать решения.

• Абстракция и символическое представление используются для математической коммуникации.

Физическая среда

Учащиеся будут понимать и применять научные концепции, принципы и теории, относящиеся к физической среде и жизненной среде, и признавать историческое развитие идей в науке.

• Материя состоит из частиц, свойства которых определяют наблюдаемые характеристики материи и ее реакционную способность
• Энергия существует во многих формах, и когда эти формы меняются, энергия сохраняется
• Энергия и материя взаимодействуют посредством сил, которые приводят к изменениям в движении.

Взаимосвязанность: общие темы

Учащиеся поймут отношения и общие темы, которые связывают математику, науку и технологии, и применят эти темы в этих и других областях обучения.

• Модели представляют собой упрощенные представления объектов, структур или систем, используемые в анализе, объяснении, интерпретации или проектировании.
• Равновесие – это состояние стабильности, обусловленное либо отсутствием изменений (статическое равновесие), либо балансом между противодействующими силами (динамическое равновесие).
• Выявление закономерностей изменений необходимо для прогнозирования будущего поведения и условий

Метод

Часть 1: Электромагнитный спектр

1. Нажмите на эту ссылку.
2. Нажмите на шкалу длин волн.
3. Учащиеся могут перечислить все названия спектра длин волн, указанные под шкалой, с примерным диапазоном длин волн для каждого из них. Обратите внимание, что в качестве единиц длины волны лучше использовать нанометры или микрометры (ожидается, что учащиеся смогут перевести метры в эти единицы).
4. Обратите внимание на некоторые примеры, относящиеся к различным диапазонам спектра.

Часть 2. Излучение абсолютно черного тела

1. Откройте апплет излучения черного тела
2. Выберите температуру, перемещая ползунок
3. Нажимайте кнопки увеличения и уменьшения масштаба по осям X и Y, пока не станет виден спектр излучения абсолютно черного тела. Типичные варианты: Солнце: ось X: от 0 до 3 и ось Y: от 0 до 100; Земля: ось X: от 0 до 48 и ось Y: от 0 до 0,0001
4. Обратите внимание на расположение длин волн максимумов кривой спектра излучения.
5. Измените температуру и повторите шаги 3 и 4.
6. Ответьте на вопросы для обсуждения в сводном листе учащегося

Часть 3a: Взаимодействие парниковых газов с электромагнитным излучением (учащиеся средних классов)

1. Откройте приложение парниковый газ и свет
2. Выберите молекулу.
3. Выберите и выберите спектр ЭМ излучения
4. Переместите ползунок на лампе, чтобы запустить поток частиц с энергией, соответствующей выбранному спектру.
5. Обратите внимание, взаимодействует ли молекула с выбранным спектром. Взаимодействие характеризуется возбуждением молекулы за счет поглощения падающей энергии. Когда молекула возвращается в исходное состояние, она повторно испускает излучение. Обратите внимание, что излучение излучается во всех направлениях.
6. Выберите другой спектр электромагнитного излучения
7. Повторите шаги 4 и 5.
8. Повторите шаги 4-7 со всеми другими молекулами.
9. Заполните таблицу, указав взаимодействия между различными молекулами и диапазонами спектра ЭМ-излучения.
10. Ответьте на вопросы для обсуждения в сводном листе учащихся.

Часть 3b: Взаимодействие парниковых газов с электромагнитным излучением (учащиеся старших классов)

1. Открыть ссылку на апплет парниковых газов
2. Нажмите на картинку в разделе «Столкновительное нагревание углекислым газом в атмосфере».
3. Выберите вид газа.
4. Нажмите «Пуск».
5. Теперь в окне будет отображаться инфракрасный (ИК) спектр поглощения выбранной молекулы. Обратите внимание, что молекула поглощает только выбранные длины волн в ИК-диапазоне.
6. В нижней части экрана нажмите ИК-спектр, кривую черного тела и длину волны (нм).
7. Волны/частицы с энергиями, соответствующими выбранной длине волны, будут проходить вблизи выбранной молекулы или сквозь нее. Если длина волны ЭМ излучения соответствует спектру поглощения молекулы, то молекула может поглощать энергию, возбуждаться и переизлучать энергию или терять энергию при взаимодействии с атмосферой (нажмите на кнопку «Атмосфера» в нижней части экрана, чтобы визуализировать столкновительное взаимодействие между возбужденной молекулой и другими молекулами в атмосфере.
8. Обратите внимание на длину волны поглощения выбранной молекулы, соответствующую спектру электромагнитного излучения Земли (кривая черного тела на экране).
9. Повторить для разных молекул газа.
10. Ответьте на вопросы для обсуждения в сводном листе учащихся.

Часть 4. Парниковый эффект

1. Открытие апплета парникового эффекта
2. Установить концентрацию парниковых газов на «нет»
3. Отметьте температуру на термометре.
4. Увеличить концентрацию парниковых газов до 1750 (доиндустриального) уровня.
5. Отметьте температуру на термометре.
6. Наблюдайте за движением солнечного света и инфракрасных фотонов. Обратите внимание, что инфракрасные фотоны направляются вверх от поверхности Земли (излучение черного тела), а также направляются вниз к поверхности Земли (парниковый эффект).
7. Увеличьте концентрации парниковых газов до других значений (ледниковый период и максимум) и запишите связь между концентрациями парниковых газов и температурами.
8. Ответьте на вопросы для обсуждения в сводном листе учащегося.

Практический пример: парниковый эффект

Используя апплет электромагнитного спектра, ответьте на следующие вопросы:

1. Изучите апплет электромагнитного спектра и заполните приведенную ниже таблицу, относящуюся к диапазонам длин волн, связанным с ультрафиолетовым (УФ), видимым, инфракрасным и микроволновым спектрами. Не забудьте указать единицы измерения (преобразование единиц измерения: 1 м = 106 мм = 109нм; 1000 нм = 1 мкм).
2. Какой спектр длин волн связан с тепловым излучением? Знаете ли вы какие-либо устройства, которые полагаются на обнаружение этих длин волн?
3. Тепловое излучение находится в инфракрасном диапазоне длин волн. Инфракрасное обнаружение используется в тепловизионных приборах, очках ночного видения, некоторых бесконтактных термометрах и т. д.
4. Расположите диапазоны спектра — инфракрасный, ультрафиолетовый, микроволновый и видимый — в порядке увеличения длины волны. В порядке увеличения длины волны: ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный, микроволновый

Рабочий лист спектра черного тела

1. Откройте апплет излучения черного тела.
2. Выберите температуру, перемещая ползунок (начните с «Солнце»)
3. Используйте кнопки увеличения и уменьшения масштаба оси x и оси y, пока не станет виден спектр излучения абсолютно черного тела. Типичные варианты пределов оси: (a) Солнце: ось x: от 0 до 3 и ось y: от 0 до 100; (b) Земля: ось x: от 0 до 48 и ось y: от 0 до 0,0001.

С помощью апплета ответьте на следующие вопросы:

1. Используйте апплет спектра абсолютно черного тела, чтобы заполнить таблицу ниже. Обратите внимание, что пиковая длина волны  – это значение по оси x, соответствующее максимуму кривой интенсивности абсолютно черного тела (красная кривая). *5/9; Цельсия (C) в Кельвина (K): K = 273 +C
2. С помощью Excel постройте график зависимости между температурой и длиной волны пика. Не забудьте пометить оси.
3. Какие из вышеперечисленных тел в большей степени излучают свет (т. е. излучают ЭМ-излучение в видимом диапазоне длин волн) и какие тела в основном излучают тепло (т. е. излучают ЭМ-излучение в инфракрасном диапазоне). Вспомните длины волн, связанные с видимым и инфракрасным спектром. Преимущественно светло: Солнце. В основном тепло: Лампочка, Духовка, Земля, Люди
4. Площадь под кривой (т. е. размер пространства под красной кривой) представляет собой чистую энергию, излучаемую черным телом при выбранной температуре. Исследуйте, как изменяется площадь под кривой в зависимости от температуры.
   1. Предполагая , что кривая представляет собой треугольник, вычислите площадь треугольника как произведение  диапазона длин волн  и  пиковой интенсивности . Пиковая интенсивность:  Максимальное значение по оси Y кривой интенсивности абсолютно черного тела. Диапазон длин волн:  Черное тело излучает излучение на всех длинах волн, поэтому не существует конечного диапазона длин волн, связанного с излучением черного тела. Здесь давайте определим диапазон длин волн как ширину кривой интенсивности абсолютно черного тела на половине уровня пиковой интенсивности.
   2. Используя Excel, постройте площадь под кривой как функцию температуры тела. Не забудьте пометить оси.
5. Лампы накаливания (3000 К) излучают больше света или больше тепла? Чистый свет от черного тела пропорционален площади кривой излучения в видимом диапазоне длин волн (400–750 нм). Чистое тепло от черного тела пропорционально площади кривой излучения в инфракрасном режиме (~ 1 – 100 мкм). Для лампы накаливания площадь кривой излучения в инфракрасном режиме больше, чем площадь в видимом режиме, поэтому лампа накаливания выделяет больше тепла, чем света.

Рабочий лист атмосферных газов и электромагнитного излучения

Направления:

1. Откройте апплет парниковых газов и света или перейдите по ссылке http://phet.colorado.edu/en/simulation/molecules-and-light
2. Выберите молекулу (начните с CO2).
3. Выберите спектр ЭМ-излучения (т. е. выберите микроволновую, инфракрасную, видимую или ультрафиолетовую области по желанию).
4. Переместите ползунок на лампе, чтобы запустить поток фотонов с энергией (и длиной волны), соответствующей выбранному спектру.

Используя апплет Атмосферные газы и электромагнитное излучение, ответьте на следующие вопросы:

1. Заполните приведенную ниже таблицу. Напишите «да» или «нет», чтобы указать, взаимодействует ли молекула с фотонами выбранного спектра ЭМ излучения Молекула считается взаимодействующей с фотонами выбранного спектра ЭМ излучения, если она поглощает падающее излучение и возбуждается. Обратите внимание, что когда молекула возвращается в исходное состояние, она повторно излучает излучение во всех направлениях.
2. Вспомните диапазон длин волн, соответствующий радиационному излучению Земли. Какая из перечисленных молекул взаимодействует с электромагнитным излучением Земли? Как мы называем эту группу газов?
3. Радиационное излучение Земли в основном находится в инфракрасном диапазоне. Газы, взаимодействующие с инфракрасным излучением, включают: CO, CO2, h3O, NO2 и O3. Эти газы часто называют парниковыми газами.
4. В апплете выберите молекулу CO2 и спектр длин волн инфракрасного излучения. Поскольку CO2 поглощает инфракрасное излучение и пропускает излучение, видите ли вы, что часть излучения направляется обратно к лампе? Опишите, как это похоже на то, что происходит между поверхностью Земли и ее атмосферой с молекулами CO2.

   Температура Земли такова, что она излучает в основном в инфракрасном диапазоне. Когда инфракрасное излучение с поверхности Земли поглощается молекулами углекислого газа (и другими молекулами парниковых газов) в атмосфере, они возбуждаются, а затем повторно излучают поглощенную энергию в виде инфракрасного излучения. Часть этой повторно излучаемой энергии направляется обратно на поверхность Земли, тем самым увеличивая чистую энергию, полученную на поверхности Земли.

5. Какая из перечисленных выше молекул наиболее активно взаимодействует с микроволнами? Как эти знания используются в повседневной кулинарии? Молекулы воды эффективно поглощают микроволновое излучение, что делает их необходимым ингредиентом для приготовления пищи в микроволновой печи. Вода (добавленная извне или уже существующая в овощах) нагревается за счет поглощения микроволн, а соседние молекулы нагреваются при столкновении с молекулами горячей воды.
6. Взаимодействует ли озон с солнечным излучением? В каком диапазоне длин волн? Насколько это взаимодействие важно для жизни на Земле? Да, озон взаимодействует с солнечным излучением, поглощая УФ-излучение (длина волны менее ~ 350 нм). Это действие озона защищает нас от вредного воздействия УФ-излучения.

Рабочий лист по парниковым газам и электромагнитному излучению

Направления:

1. Открыть ссылку на апплет парниковых газов
2. Если откроется домашняя страница веб-сайта, нажмите на картинку в разделе «Столкновительное нагревание CO2 в атмосфере».
3. Нажмите «Пуск»
4. В нижней части экрана выберите один из следующих вариантов: ИК-спектр и длина волны (нм).
5. Волны/частицы с энергиями, соответствующими выбранной длине волны, будут проходить вблизи выбранной молекулы или сквозь нее.

С помощью приложения «Парниковые газы и электромагнитное излучение» ответьте на следующие вопросы:

1. В разделе «Газ» в строке меню выберите Углекислый газ. Переместите вертикальную черту (с символом ромба в центре) на разные длины волн и обратите внимание на поведение молекулы на этих длинах волн. Как вы думаете, что обозначает красная линия? Как ведет себя молекула при значении красной линии ~ 1 (например, при длине волны 4300 нм)? А когда ~0 (например на длине волны 3333нм).
   1. Красная линия – это инфракрасный (ИК) спектр поглощения выбранной молекулы. Значение ~ 1 указывает на отсутствие поглощения, т. Е. Длины волн, которые проходят через молекулу без изменений. Значение ~ 0 указывает на сильное или полное поглощение энергии на этих длинах волн, т. Е. Эти длины волн не могут проходить через молекулу.
2. Установите алмазную планку на длину волны 4300 нм. Нажмите кнопку «Атмосфера» в нижней части экрана, чтобы визуализировать взаимодействие между возбужденной молекулой и соседними молекулами в атмосфере. Как возбужденная молекула возвращается в исходное состояние?
   1. Тепло от возбужденной молекулы углекислого газа передается соседним молекулам N2 и O2 в атмосфере посредством столкновений молекул. Молекула CO2 в конечном итоге достигает той же температуры, что и фоновая атмосфера. Теплый CO2 и соседние молекулы излучают электромагнитную энергию во всех направлениях, некоторые из которых достигают поверхности Земли.
3. Впишите в таблицу ниже длины волн поглощения, связанные с различными молекулами.
4. Какие из газов на приведенной выше диаграмме имеют длины волн поглощения, соответствующие излучению черного тела Земли? Что это за общепринятая терминология, используемая для обозначения этой группы газов?
5. CO2, h3O и N2O. Эти газы обычно называют парниковыми газами.
6. Какие газы в приведенном выше списке не являются парниковыми? O2 и N2
7. Различные парниковые газы, указанные в таблице выше (CO2, h3O и N2O), поглощают электромагнитное излучение с разными длинами волн. Выберите молекулу CO2 и отобразите кривую излучения черного тела Земли. Учитывая кривую излучения черного тела Земли, какой из режимов поглощения CO2 может быть более важным для определения температуры Земли?
   1. Режим поглощения ближе к пику кривой излучения Земли (т. е. на 15 000 нм) может быть более важным пиком поглощения с точки зрения температуры атмосферы Земли.
8. В этом апплете демонстрируется взаимодействие пакетов ЭМ-излучения с отдельной молекулой. Изменится ли чистая поглощенная энергия, если число молекул увеличить до двух?
   1. Пакеты электромагнитного излучения будут поглощены, если путь молекулы совпал с путем энергетического пакета. Если число молекул увеличить, будет перехвачено больше энергетических пакетов и, следовательно, будет поглощено больше энергии.
9. Учитывая текущие концентрации основных парниковых газов. Обратите внимание, что единицами концентрации являются части на миллион (ppm), части на миллиард (ppb) и части на триллион; 1 ppm = 1000 ppb = 106 ppt), какой парниковый газ может быть наиболее важным для определения температуры Земли?

   Текущие концентрации основных парниковых газов:

   Двуокись углерода (CO2): 389 частей на миллион

   Метан (Ch5): 700 частей на миллиард

   Закись азота (N2O): 270 частей на миллиард

   Тропосферный озон (O3): 25 частей на миллиард

   Поскольку концентрация парникового газа определяет поглощенную чистую энергию, CO2 является наиболее важным парниковым газом в атмосфере Земли.

Рабочий лист «Парниковые газы и температура Земли»

Направления:

1. Откройте апплет парникового эффекта или нажмите http://phet.colorado.edu/en/simulation/greenhouse
2. Установите для параметра «Концентрация парниковых газов» значение «Нет», т. е. выберите концентрацию CO2, равную 0.
3. Отметьте температуру на термометре.
4. Варьируйте концентрации парниковых газов, выбирая разные параметры периода времени (выбирая параметры в разделе «Атмосфера во время»).
5. Обратите внимание на температуру и концентрацию CO2 для различных настроек.
6. Наконец, переместите параметр «Концентрация парниковых газов» на «Много», т. е. выберите «очень высокую» концентрацию CO2.

Используя апплет парниковых газов и температуры Земли, ответьте на следующие вопросы:

1. Что обозначают желтые звезды? Каким основным длинам волн соответствуют желтые звезды?

   Желтые звезды представляют собой фотоны (энергетические частицы) Солнца, достигающие Земли. Эти фотоны являются первичными в видимом диапазоне длин волн.

2. Что обозначают красные звезды? Какой длине волны соответствуют красные звезды?

   Красные звезды обозначают фотоны, испускаемые Землей. Поскольку электромагнитное излучение Земли в основном имеет длину волны более 4 мкм, эти звезды имеют длину волны в инфракрасном диапазоне.

3. В разделе «Атмосфера во время…» нажмите «Ледниковый период». Наблюдайте за движением желтых фотонов. В каком направлении(ах) (вверх или вниз) они движутся?

   Желтые фотоны движутся вниз от Солнца к Земле и поглощаются поверхностью Земли в «коричневых областях» и отражаются обратно к Солнцу в «белых областях», где присутствует лед.

4. В разделе «Атмосфера во время…» нажмите «Сегодня». Наблюдайте за движением красных фотонов. В каком направлении(ах) (вверх или вниз) они движутся?

   Красные фотоны обычно путешествуют с Земли в космос. При наличии парниковых газов электромагнитное излучение Земли поглощается этими газами, а часть инфракрасного излучения теплой атмосферы перенаправляется обратно на Землю.

5. Заполните приведенную ниже таблицу (для сценария «Будущее» (18:00) переместите ползунок парниковых газов на полпути между «Сегодня» и «Много»):
6. С помощью Excel постройте график зависимости температуры (ось Y) от концентрации CO2 (ось X). Не забудьте пометить оси. (Используйте значение 600 ppm для представления «очень высокой» концентрации.)
7. Как количество инфракрасных фотонов, возвращающихся на Землю, связано с концентрацией парниковых газов? Объяснить, почему.

   По мере увеличения концентрации парниковых газов атмосферой поглощается больше электромагнитного инфракрасного излучения Земли, что делает атмосферу более теплой. Более теплая атмосфера излучает более эффективно, что приводит к увеличению повторного излучения инфракрасных фотонов из атмосферы на поверхность Земли.

8. Как добавление облаков влияет на среднюю температуру Земли? (Увеличьте «количество облаков» в правом углу апплета с 0 до 3.) Как слои облаков взаимодействуют с солнечными и инфракрасными фотонами?

   Температура Земли немного снижается из-за отражения солнечного света облаками.

Ресурсы

• Полный урок в формате PDF
• Сводная таблица учащихся
• Лекция о парниковом эффекте
• Апплет спектра черного тела
• Апплет излучения черного тела
• Апплеты общей метеорологии
• Симуляция парникового эффекта
• Концентрации парниковых газов
• Молекулы и моделирование света
• Стандарты МСТ
• Сайт НАСА по изменению климата

ATMO336 — осень 2017 г.

ATMO336 — осень 2017 г.

На предыдущей странице мы рассмотрели поглощение солнечной радиации Землей. Это энергия в планету Земля. Поскольку средняя температура Земля почти постоянна из года в год, используя принцип энергетического баланса, мы знаем, что энергия излучения, излучаемая Землей, должна равняться энергии излучения поглощается Солнцем. Используя законы излучения, мы могли бы вычислить среднюю температуру для планеты Земля, которую мы назвали температурой радиационного равновесия. Как уже упоминалось на предыдущей странице температура радиационного равновесия Земли составляет -15°C (0°F). Этот на самом деле это средняя температура, при которой излучение планеты Земля испускается. Если бы не было атмосферы (и без изменения количества энергии солнечного излучения, поглощаемой планетой), это будет средней температурой на поверхности Земли.

Парниковый эффект

Радиационная равновесная температура планеты Земля (на основе количества энергии излучения что планета излучает в космос) немного холоднее средней температуры поверхности Земли. Это возможно потому, что атмосфера играет большую роль в эмиссии инфракрасного излучения в космос. По сути, это замедляет чистую скорость при котором земная поверхность охлаждается излучением. Это известно как парниковый эффект. Этот документ WORD, описывающий основы парниковый эффект предлагает упрощенное объяснение того, как он работает. Вы должны не торопиться чтобы открыть и изучить документ WORD, прежде чем читать дальше.

Давайте попробуем провести простую аналогию, которая может помочь вам понять, как парниковый эффект атмосферы приводит к более теплая поверхность. Простая аналогия — согреться, укрывшись одеялами. Предположим, что человек тело выделяет внутреннее тепло с постоянной скоростью. (Конечно, это не так, потому что тело использует терморегуляция для поддержания почти постоянной температуры). Выделенное внутреннее тепло вызовет температура поверхности вашего тела, чтобы нагреться до точки, где энергия равна внутренней энергии генерируемая энергия. Это похоже на концепцию температуры радиационного равновесия для Земли. Теперь предположим, что на тело наброшено одеяло. Это снизит чистую скорость потери тепла с поверхности тела, так как часть тепла, выделяемого телом, будет поглощаться одеялом и возвращаться в тело. В результате температура поверхности тела начнет увеличиваться, так как чистая скорость потери тепла (на поверхности тела) теперь меньше, чем тепловложение или внутреннее тепловыделение. Поверхность тела будет нагреваться до тех пор, пока чистая скорость потери тепла снова равна скорости внутреннего тепловыделения. Однако это будет при более высокая температура, чем до надевания одеяла. Таким образом, несмотря на то, что вклад энергии не изменился, поверхность температура тела стала выше, потому что одеяло замедлило чистую скорость потери тепла телом. Где-то на внешней поверхности бланкета температура была бы такой, что соблюдается радиационное равновесие. (энергия, потерянная системой, равна подводимой энергии), но под одеялом на поверхности тела теплее. Это очень похоже на тепличную атмосферу. Парниковые газы замедляют чистую скорость, с которой Поверхность Земли теряет энергию излучения, но при этом позволяет поступающей энергии (от солнца) в основном нагревать поверхность. Таким образом, даже при неизменном потреблении энергии от солнца добавление парниковых газов газы в атмосферу сделают поверхность более теплой, чем если бы не было парниковых газов или парникового эффекта. Добавление большего количества парниковых газов, т. е. усиление парникового эффекта, должно сделать поверхность Земли теплее всего лишь как добавление большего количества одеял будет действовать, чтобы сделать поверхность тела теплее. Большой вопрос, конечно, как намного теплее станет поверхность Земли по мере увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере в результате деятельности человека?

Обзор основ парникового эффекта с добавлением нескольких деталей:

• Газы в атмосфере Земли позволяют большей части солнечного излучения (видимых фотонов) проходить в поверхность, где большая часть его поглощается и идет на нагрев поверхности. Однако облака играют огромную роль, поскольку облака отражают часть солнечной радиации от Земли.
• Атмосфера (особенно молекулы парниковых газов и облачные капли) поглощает большую часть радиации, испускаемой с поверхности Земля (инфракрасные фотоны). Эта энергия не теряется в космосе, поэтому не охлаждает планету.
• Каждый тип молекул газа в атмосфере по-разному взаимодействует с излучением, однако в атмосфере Земли, когда ясно (не облачно) в основном водяной пар и углекислый газ определяют сила парникового эффекта. Это самые важные парниковых газов . Имейте в виду, что водяной пар и углекислый газ являются следовыми газами в атмосфере Земли. Вы также должны понимать, что из двух основных парниковых газов на Земле водяной пар является безусловно, самый важный в общем парниковом эффекте.
• Молекулы наиболее распространенных газов, азота и кислорода, мало взаимодействуют с инфракрасным излучением. излучения и не являются парниковыми газами.
• Облака очень эффективно поглощают инфракрасные фотоны и, по сути, способствуют парниковый эффект. Эффект облака вносит огромный вклад в замедление чистой скорости инфракрасного излучения. потери с поверхности Земли. Ночью это очень заметно. При прочих равных условиях облачно ночи теплее ясных ночей. Примечание. Не совсем правильно говорить, что облака действуют одинаково как парниковые газы. Хотя оба они имеют одинаковое влияние на скорость охлаждения поверхность земли, облака не прозрачны для видимого солнечного излучения, подобно парниковым газам.
• Энергия инфракрасного излучения, поглощаемая парниковыми газами и облаками, нагревает атмосферу. энергия распределяется между всеми молекулами газа путем проводимости, т. е. столкновения между парниковыми газы и непарниковые газы.
• Атмосфера излучает инфракрасное излучение во всех направлениях.
• Энергия излучения в виде инфракрасных фотонов, излучаемый вниз, поглощается поверхностью Земли, еще больше нагревая ее, то есть поверхность Земли получает энергию излучения как от Солнца, так и от атмосферы, и поэтому теплее, чем если бы там не было атмосферы. Другой способ думать об этом состоит в том, что не вся энергия излучения, испускаемая поверхность потеряна для космоса. Большая часть этой энергии поглощается атмосферой, а затем возвращается на поверхность, замедляя общую скорость потери энергии с поверхности, тем самым сохраняя ее теплее.
• Энергия излучения (инфракрасные фотоны), которая излучается вверх, уходит в космическое пространство и охлаждает планету. Это энергия, выделяемая Землей. Однако, поскольку газы и облака в атмосфере имеют более низкую температуру, чем поверхность Земли, излучающая температура планеты холоднее температуры поверхности. Количество энергии излучения, излучаемой Планета земля в пространстве равно тому, что вы бы рассчитали для объекта при температуре -18°C (0°F).
• Опять же, только парниковые газы и облака способны излучать инфракрасное излучение. (ПРИМЕЧАНИЕ: газы (и облачные капли), которые поглощают инфракрасное излучение также испускает инфракрасное излучение. Однако это два отдельных процесса. Когда фотон поглощается, энергия передается поглощающему газу (или облачной капле), и фотон больше не существует. Парниковые газы делят эту энергию с другими молекулами газа. в атмосфере в результате столкновений. В отдельном процессе парниковые газы и облака излучают разные инфракрасные лучи. фотоны. Важно понимать, что эмиссия парниковых газов и облаков в атмосферу занимает место при температуре ниже температуры поверхности Земли. )

Точные детали парникового эффекта довольно сложны. Например, если бы мы искали больше при ближайшем рассмотрении того, как отдельные молекулы газа взаимодействуют с различными типами излучения, это становится очень сложным. Упрощенный приведенного выше объяснения достаточно, чтобы понять основные принципы действия парникового эффекта.

Парниковый эффект и глобальное потепление

Вы должны понимать, что естественный парниковый эффект на Земле — это не плохо. На самом деле это необходимо для жизни, как мы знаем, что она существует. Если бы не было парникового эффекта, температура поверхности Земли была бы 0°F, и большая часть воды была бы заморожена. Озабоченность антропогенным глобальным потепление усиление парникового эффекта , при котором температура поверхности Земля увеличится выше нынешнего значения 59 ° F. Один из способов, которым это может произойти, — увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере. Это факт, что человеческая деятельность добавляет выбросы парниковых газов в атмосферу и увеличение их концентрации в атмосфере.

Позвольте мне попытаться упростить, как дополнительные парниковые газы могут влиять на повышение температуры поверхности:

• Поверхность Земли (суша и океаны) постоянно излучает (или испускает) инфракрасное излучение. Этот процесс направлен на охлаждение поверхности, потому что энергия удаляется с поверхности, когда она испускает излучение.
• Атмосфера (парниковые газы) поглощает часть этой радиационной энергии с поверхности и затем возвращает часть его обратно на поверхность Земли, когда он (парниковые газы) испускает радиацию вниз, который поглощается поверхностью.
• Следовательно, поверхность Земли не остывает так быстро, как если бы не было атмосферы потому что часть излучаемой им энергии излучения возвращается обратно на поверхность.
• Добавление в атмосферу большего количества парниковых газов делает атмосферу более непрозрачной для инфракрасного излучения. излучение, т. е. большая часть энергии излучения, излучаемого земной поверхностью, поглощается по атмосфере.
• Поскольку атмосфера поглощает большую часть энергии излучения, испускаемого поверхностью, следует, что он также будет возвращать большую часть этой энергии обратно на поверхность Земли, в дальнейшем замедление скорости охлаждения поверхности. Или другими словами, утепление поверхности за счет укрепления атмосферный парниковый эффект. Мы стали называть этот эффект антропогенное глобальное потепление . Учитывая только изменения радиации, не вызывает сомнений, что увеличение парниковые газы из-за деятельности человека будут толкать поверхность температура вверх. Теоретически поверхность будет нагреваться до тех пор, пока система не вернется в равновесие. и энергия излучения в Землю равна энергии излучения.
• Приведенная выше последовательность событий предполагает, что любой другой процесс на Земле климатическая система не меняется в ответ на изменения радиации, вызванные добавлением парниковые газы. Как мы увидим, поскольку излучение связано с другими процессами, такими как погодные условия, образование облаков и т. д., изменятся и другие процессы. Общий эффект от все эти связанные изменения (поверхностной температуры, количества осадков или чего-то еще) очень трудно определить, потому что климатическая система Земли так сложно и не до конца понятно. Таким образом, хотя мы ожидаем, что выбросы парниковых газов человеком газы вызовут повышение температуры поверхности, количество потепления и связанные с ними климатические изменения весьма неопределенны.

Облака оказывают большое влияние как на вход солнечного излучения, так и на выход инфракрасного излучения и, таким образом, чрезвычайно важные регуляторы климата Земли

• Облака поглощают и излучают инфракрасное излучение подобно твердой поверхности, т. е. облака неселективные поглотители/излучатели инфракрасного излучения. Нижняя часть облаков излучает непрерывный спектр инфракрасного излучения вниз, а вершины облаков излучают непрерывный спектр инфракрасное излучение вверх. Из-за этого облака способствуют к парниковому эффекту, испуская инфракрасное излучение, нагревающее поверхность. Это очень заметно ночью. При прочих равных условиях облачные ночи теплее ясных.
• Облака отражают большую часть солнечной радиации обратно в космос, что удерживает поверхность Земля кулер. Днем это очень заметно. Если все остальные факторы равны, пасмурные дни холоднее солнечных дней.
• Таким образом, облака имеют как сильное охлаждение (в основном за счет отражения видимого излучения от Солнце) и сильное потепление (в основном за счет парникового эффекта) воздействия на климат. Поэтому любые изменения в количестве облаков или в радиационных свойствах облаков будут привести к изменению климата на планете.
• Очень вероятно, что изменения в концентрации парниковых газов будут влиять на формирование облаков и их свойства. Облако формирование и свойства облаков моделируют климатические модели неточно. Таким образом, предсказания того, как облака могут измениться после увеличения выбросов парниковых газов, весьма неопределенны, что является одной из причин, по которой прогнозы климатических моделей о будущем изменении климата весьма неопределенны.

Парниковый эффект на Венере

Парниковый эффект наблюдается и на других планетах. В зависимости от состава атмосферы парниковый эффект может быть весьма сильный. Например, давайте посмотрим на Венеру:

Планета Венера

• Покрытая густыми облаками планета поглощает 22% энергии поступающего солнечного излучения и отражает 78% поступающей солнечной энергии.
• Несмотря на то, что он ближе к Солнцу, чем Земля, из-за высокого отражения видимого излучение солнца, на самом деле поглощает меньше энергии солнечного излучения, чем Земля. Средняя температура планеты Венера (или ее радиационная равновесная температура) составляет -31°F.
• Но поскольку атмосфера очень плотная и в основном состоит из углекислого газа, она обладает сильным парниковый эффект, а средняя температура поверхности составляет 860°F.

Пример Венеры задуман как интересное сравнение с парниковым эффектом на Земле. Это не подразумевает, что парниковый эффект на Земле станет таким же сильным, как на Венере, из-за антропогенные выбросы парниковых газов.

Сначала добавим уходящее излучение Земли на ту же диаграмму, что и солнечное энерговклад. Все показанные единицы энергии были нормализованы, так что 100 единиц это количество энергии солнечного излучения, достигающее верхних слоев атмосферы. Восходящее длинноволновое (инфракрасное) излучение, испускаемое земной поверхностью, в значительной степени поглощается облаками и атмосферными парниковыми газами. Немного, однако убегает прямо в космос. В нормированных единицах, поверхность Земли излучает вверх 105 единиц инфракрасной энергии. Атмосферные газы (водяной пар, углекислый газ и другие парниковые газы) и облака поглощают 99 из 105 единиц энергии инфракрасного излучения, излучаемого поверхностью Земли, при этом только 6 единиц энергии инфракрасного излучения, испускаемого землей, уходит прямо в космическое пространство. Парниковые газы а облака тоже излучают излучение как вверх (64 единицы) в космос, что охлаждает планету, так и вниз (85 единиц), чтобы нагреть поверхность Земли. Этот поведение обычно называют парниковым эффектом. На рисунке ниже показаны все радиационные обмен энергией в, из и внутри системы Земля-Атмосфера. Для всего планеты, энергия излучения на входе равна энергии излучения на выходе, что определяет температура радиационного равновесия. (Цифры на стрелках, которые указывают из верхней части атмосферы в сумме дают 100, что равняется солнечной энергии. который входит в верхнюю часть атмосферы.) Однако, Обратите внимание, что Поверхность Земли поглощает больше энергии излучения, чем излучает, а атмосфера испускает больше энергии излучения, чем поглощает. Поверхность поглощает 135 ед. энергии излучения, но излучает всего 105 единиц (+30 на излучение), в то время как атмосфера поглощает 119 единиц, но излучает 149 единиц (-30 для радиации). Студенты: Вам не нужно знать детали или запоминать числа из этих диаграмм. Вы должны понимать, что планета Земля (в целом) находится в радиационном равновесии. Следует знать, что поверхность Земли поглощает больше энергии излучения, чем излучает, а атмосфера испускает больше энергии излучения, чем поглощает.

Без каких-либо других видов энергообмена, кроме излучения между поверхностью Земли и атмосферой, можно было бы ожидать, что поверхность Земли будет нагреваться (энергия поступает > энергия уходит), а атмосфера Земли охлаждается. (энергия на выходе > энергия на входе). Этого не происходит, потому что происходит передача энергии от с поверхности в атмосферу за счет скрытого тепла (влажная конвекция) и явного тепла (сухая конвекция и теплопроводность) передает, что уравновешивает энергию на входе и на выходе, так что и поверхность, и атмосфера остаются на одном уровне. почти постоянная средняя температура при усреднении за годовые периоды времени (см. Рисунок ниже). Студенты: Вы должны понимать, что и поверхность, и атмосфера должны быть энергетический баланс. Это достигается за счет передачи энергии от поверхности к поверхности. атмосферу в основном за счет процесса влажной конвекции с меньшей передачей энергии за счет сухой конвекции и теплопроводности.

Обобщение энергетических балансов:

• Планета Земля находится в примерном радиационном равновесии, так как средняя температура мало меняется из года в год. (Однако, поскольку средняя температура Земля менялась на протяжении своей истории, абсолютного радиационного баланса не существует). При усреднении по всей поверхности Земли за целый год энергия в (поглощенное излучение Солнца = 70 единиц) приблизительно равна энергии out (излучение, испускаемое в космос = 70 ед.).
• При усреднении по всей поверхности Земли за целый год поверхность Земли находится в примерном общем энергетическом балансе. Энергия на поверхность Земли (поглощение солнечной радиации плюс поглощение излучения атмосферы = 135 ед. ) равно энергии с поверхности Земли (излучение плюс поток скрытого тепла плюс поток явного тепла = 135 единиц).
• Интересным моментом здесь является то, что поверхность Земли на самом деле получает больше энергии излучения из атмосферы, чем от Солнца. Как это возможно? Именно потому, что излучение атмосфера на поверхность поступает со всех сторон, 24 часа в сутки, а излучение от Солнце на поверхность падает только на половину Земли (день/ночь), и хотя оно довольно интенсивно там, где солнце светит прямо вниз на поверхность, оно гораздо менее интенсивно в периоды, когда солнце не светит прямо над головой.
• При усреднении по всей атмосфере за весь год атмосфера Земли находится в приблизительном энергетическом балансе. Поступление энергии в атмосферу (поглощение излучения с поверхности плюс влажная конвекция плюс поглощение солнечного излучения плюс сухая конвекция и проводимость = 149 единиц) равняется энергии, выходящей из атмосферы (излучение как вверх, так и вниз = 149 ед. ).

Хорошая диаграмма из другого источника

Годовой и глобальный средний энергетический баланс. Из приходящей солнечной радиации 49% (168 Wm -2 ) поглощается поверхностью. Это тепло возвращается в атмосферу в виде явного тепла, эвапотранспирации (скрытого тепла) и как тепловое инфракрасное излучение. Большая часть этого излучения поглощается атмосферой, которая, в свою очередь, испускает излучение как вверх, и вниз. Радиация, теряемая в космос, исходит от вершин облаков и атмосферные области намного холоднее поверхности. Это вызывает парниковый эффект.

Последствия радиационного дисбаланса

Если рассматривать только условия радиации, поверхность Земли поглощает больше энергии излучения, чем он излучает, а атмосфера излучает больше энергии излучения, чем поглощает. Радиационные дисбалансы компенсируется конвекцией и теплопроводностью. Эти радиационные дисбалансы приводят к опрокидыванию циркуляции атмосферы, что по большей части проявляется в образовании облаков и гроз. Другой способ взглянуть на это: нижняя часть атмосферы (там, где она касается поверхности) нагревается излучением. дисбаланс, который имеет место на поверхности Земли (энергия излучения на входе> энергия излучения на выходе), а выше атмосфера охлаждается излучением (радиация энергия на выходе > энергия излучения на входе). Это создает нестабильность (нагрев воздуха ниже охлаждающего воздуха). который готовит почву для вертикального роста движение, образование облаков и бури. На самом деле радиация делает систему нестабильной (нагревая поверхность и охлаждение атмосферы) а когда он становится слишком неустойчивым, происходит опрокидывание, что часто приводит к облакам и осадкам, который передает энергию от поверхности вверх в атмосфера.

Радиационный дисбаланс также вызывает горизонтальную погодную и океаническую циркуляцию, переносящую энергию. из тропиков, где представляет собой избыток энергии излучения (поглощенное солнечное излучение > излучение, испущенное в космос) к полярные регионы, где наблюдается дефицит энергии излучения (солнечная радиация поглощается

ATMO336 — осень 2009 г.

ATMO336 — осень 2009 г.

Энергетический бюджет Земли II — Излучаемая Землей радиация, парниковый эффект и Общий энергетический баланс

На предыдущей странице мы рассмотрели поглощение солнечной радиации Землей. Это энергия в планету Земля. Поскольку средняя температура Земля почти постоянна из года в год, используя принцип энергетического баланса, мы знаем, что энергия излучения, излучаемая Землей, должна равняться энергии излучения поглощается Солнцем. Используя законы излучения, мы могли бы вычислить среднюю температуру для планеты Земля, которую мы назвали температурой радиационного равновесия. Как уже упоминалось на предыдущей странице радиационная равновесная температура Земли равна 0°F. Этот на самом деле это средняя температура, при которой излучение планеты Земля испускается. Если бы не было атмосферы (и без изменения количества энергии солнечного излучения, поглощаемой планетой), это будет средней температурой на поверхности Земли.

Парниковый эффект

Средняя температура планеты Земля (по количеству энергии излучения что планета излучает в космос) немного холоднее средней температуры поверхности Земли. Это возможно потому, что атмосфера играет большой разворот в излучении инфракрасного излучения в космос. По сути, он ограничивает поток инфракрасного излучения в космос. Это известно как парниковый эффект. Упрощенная схема чтобы помочь вам понять основы парникового эффекта, будут распространяться в классе Рекламный проспект.

Основы парникового эффекта:

• Атмосфера пропускает большую часть солнечной радиации (видимого излучения) к поверхность, где большая часть его поглощается и идет на нагрев поверхности.
• Атмосфера поглощает большую часть излучения, испускаемого поверхностью Земля (инфракрасное излучение). Эта энергия не теряется в космосе, поэтому не охлаждает планету.
• Каждый тип молекул газа в атмосфере по-разному взаимодействует с излучением, однако в атмосфере Земли, когда ясно (не облачно) в основном водяной пар и углекислый газ определяют сила парникового эффекта. Это самые важные парниковые газы . Имейте в виду, что водяной пар и углекислый газ являются следовыми газами в атмосфере Земли. Вы также должны понимать, что из двух основных парниковых газов на Земле водяной пар является безусловно, самый важный в общем парниковом эффекте.
• Молекулы наиболее распространенных газов, азота и кислорода, мало взаимодействуют с инфракрасным излучением. излучения и не являются парниковыми газами.
• Облака очень эффективно поглощают инфракрасные фотоны и, по сути, способствуют парниковый эффект. На самом деле облачный эффект вносит огромный вклад в общий парниковый эффект. воздействие на Землю.
• Энергия инфракрасного излучения, поглощаемая парниковыми газами и облаками, нагревает атмосферу. энергия распределяется между всеми молекулами газа путем проводимости, т. е. столкновения между парниковыми газы и непарниковые газы.
• Атмосфера излучает инфракрасное излучение во всех направлениях. Часть излучения, излучаемый вниз поглощается поверхностью Земли, дополнительно нагревая ее, то есть поверхность Земли получает энергию излучения как от Солнца, так и от атмосферы, и поэтому теплее, чем если бы там не было атмосферы. Другой способ думать об этом состоит в том, что не вся энергия излучения, испускаемая поверхность потеряна для космоса. Большая часть этой энергии поглощается атмосферой, а затем возвращается на поверхность, замедляя общую скорость потери энергии с поверхности, тем самым сохраняя ее теплее. Часть излучения, выбрасывается вверх, уходит в космос и охлаждает планету. Однако поскольку газы в атмосфере имеют более низкую температуру, чем поверхность Земли, излучающая температура планеты холоднее температуры поверхности. Количество энергии излучения, излучаемой Планета земля к пространству равно тому, что вы вычислили бы для объекта при температуре 0°F.
• Опять же, только парниковые газы и облака способны излучать инфракрасное излучение. (ПРИМЕЧАНИЕ: газы, поглощающие инфракрасное излучение также испускает инфракрасное излучение. Однако это два отдельных процесса. Когда фотон поглощается, энергия передается поглощающему газу. фотон больше не существует. В отдельном процессе парниковые газы излучают различные инфракрасные лучи. фотонов.)

Вы должны понимать, что естественный парниковый эффект на Земле — это не плохо. На самом деле это необходимо для жизни, как мы знаем, что она существует. Если бы не было парникового эффекта, температура поверхности Земли была бы 0°F, и большая часть воды была бы заморожена. Озабоченность антропогенным глобальным потепление усиление парникового эффекта , при котором температура поверхности Земля увеличится выше нынешнего значения 59 ° F. Один из способов, которым это может произойти, — увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере. Это факт, что человеческая деятельность добавляет выбросы парниковых газов в атмосферу и увеличение их концентрации в атмосфере.

Позвольте мне попытаться упростить, как дополнительные парниковые газы могут влиять на повышение температуры поверхности:

• Поверхность Земли (суша и океаны) постоянно излучает (или испускает) инфракрасное излучение. Этот процесс направлен на охлаждение поверхности, потому что энергия удаляется с поверхности, когда она испускает излучение.
• Атмосфера (парниковые газы) поглощает часть этой радиационной энергии с поверхности и затем возвращает часть его обратно на поверхность Земли, когда он (парниковые газы) испускает радиацию вниз, который поглощается поверхностью.
• Следовательно, поверхность Земли не остывает так быстро, как если бы не было атмосферы потому что часть излучаемой им энергии излучения возвращается обратно на поверхность.
• Добавление в атмосферу большего количества парниковых газов делает атмосферу более непрозрачной для инфракрасного излучения. излучение, т. е. большая часть энергии излучения, излучаемого земной поверхностью, поглощается по атмосфере.
• Поскольку атмосфера поглощает большую часть энергии излучения, испускаемого поверхностью, следует, что он также будет возвращать большую часть этой энергии обратно на поверхность Земли, в дальнейшем замедление скорости охлаждения поверхности. Или другими словами, утепление поверхности за счет укрепления атмосферный парниковый эффект. Мы стали называть этот эффект антропогенное глобальное потепление . Учитывая только изменения радиации, не вызывает сомнений, что увеличение парниковые газы из-за деятельности человека будут толкать поверхность температура вверх.
• Приведенная выше последовательность событий предполагает, что любой другой процесс на Земле климатическая система не меняется в ответ на изменения радиации, вызванные добавлением парниковые газы. Как мы увидим, поскольку излучение связано с другими процессами, такими как погодные условия, образование облаков и т. д., изменятся и другие процессы. Общий эффект от все эти связанные изменения (поверхностной температуры, количества осадков или чего-то еще) очень трудно определить, потому что климатическая система Земли так сложно и не до конца понятно.

Парниковый эффект наблюдается и на других планетах. В зависимости от состава атмосферы парниковый эффект может быть весьма сильный. Например, давайте посмотрим на Венеру:

.

Планета Венера

• Покрытая густыми облаками планета поглощает 22% энергии поступающего солнечного излучения и отражает 78% поступающей солнечной энергии.
• Несмотря на то, что он ближе к Солнцу, чем к Земле, из-за сильного отражения на самом деле он поглощает меньше энергии солнечного излучения, чем Земля. Средняя температура планеты Венера (или ее радиационная равновесная температура) составляет -31°F.
• Но поскольку атмосфера очень плотная и в основном состоит из углекислого газа, она обладает сильным парниковый эффект, а средняя температура поверхности составляет 860°F.

Детали парникового эффекта довольно сложны. Я могу упомянуть некоторые из них сложности в классе, но я не ожидаю, что вы поймете их на экзамене.

Облака оказывают большое влияние как на вход солнечного излучения, так и на выход инфракрасного излучения.

• Облака поглощают и излучают инфракрасное излучение подобно твердой поверхности, т. е. облака неселективные поглотители/излучатели инфракрасного излучения. Нижняя часть облаков излучает непрерывный спектр инфракрасного излучения вниз, а вершины облаков излучают непрерывный спектр инфракрасное излучение вверх. Из-за этого облака способствуют к парниковому эффекту, испуская инфракрасное излучение, нагревающее поверхность. Это очень заметно ночью. При прочих равных условиях облачные ночи теплее ясных.
• Облака отражают большую часть солнечной радиации обратно в космос, что удерживает поверхность Земля кулер. Днем это очень заметно. Если все остальные факторы равны, пасмурные дни холоднее солнечных дней.
• Таким образом, облака имеют как сильное охлаждение (в основном за счет отражения видимого излучения от Солнце) и сильное потепление (в основном за счет парникового эффекта) воздействия на климат. Поэтому любые изменения в количестве облаков или в радиационных свойствах облаков будут привести к изменению климата на планете. И очень вероятно, что любое изменение в концентрации парниковых газов будут влиять на формирование облаков и их свойства.

ПРИМЕЧАНИЕ. Из-за нехватки времени мы не будем освещать этот материал. ниже здесь. Вас не будут тестировать на материале; это там, если вы заинтересованы.

Завершение диаграмм энергетического баланса Земли

Добавление инфракрасного излучения к диаграммам энергетического баланса Земли

Энергетический баланс Земли, включая все солнечные потоки плюс направленное вверх длинноволновое излучение от поверхности Земли. Атмосферные газы (водяной пар, углекислый газ и др.) и облака поглощают 99 из 105 единиц, излучаемых Землей поверхность. Обратите внимание, что для того, что мы включили до сих пор, чистый поток на поверхности Земли равен отрицательное (50-105 = -55), в то время как атмосфера показывает большое излишек.

Парниковые газы (водяной пар, двуокись углерода, метан, озон, фреоны, закись азота оксиды) и облака излучают излучение вверх (64 единицы) в космос и вниз (85 единиц), чтобы нагреть поверхность Земли. Этот поведение обычно называют парниковым эффектом. На приведенном выше рисунке показаны все радиационные обмен энергией в, из и внутри системы Земля-Атмосфера. Для всего планеты, энергия излучения на входе равна энергии излучения на выходе, что определяет температура радиационного равновесия. Однако, Обратите внимание, что Поверхность Земли поглощает больше энергии излучения, чем излучает, а атмосфера испускает больше энергии излучения, чем поглощает. Без некоторых других видов энергообмена между поверхностью Земли и атмосферой, можно было бы ожидать, что поверхность Земли будет нагреваться (энергия поступает > энергия уходит), а атмосфера Земли охлаждается. (энергия на выходе > энергия на входе). Перенос энергии с поверхности в атмосферу за счет скрытого теплообмена. уравновешивает энергию на входе и на выходе, так что и поверхность, и атмосфера остаются на одном уровне. почти постоянная средняя температура.

Добавление передачи энергии посредством проводимости и конвекции между поверхностью Земли и атмосферой

Энергетический баланс Земли, включая поток явного тепла, передаваемый через процессов теплопроводности и сухой конвекции, а также потока скрытого тепла, передаваемого через процесс влажной конвекции (фазовые превращения воды, т. е. испарение из поверхность и конденсация в облаках) В сбалансированный бюджет, накопление энергии не увеличивается и не уменьшается, то есть: Потребляемая энергия — Энергия вывод = 0 Сумма входов равна сумме выходов; в бюджетные балансы, и вся система ни прогревается ни охлаждения.

Обобщая энергетические балансы:

• Планета Земля находится в радиационном балансе (по крайней мере, так было до недавнего увеличения парниковые газы). Энергия в (поглощенное излучение Солнца = 70 ед.) равна энергии out (излучение, испускаемое в космос = 70 ед.).
• Поверхность Земли находится в равновесии. Энергия в (поглощение солнечного излучения плюс поглощение излучения атмосферы = 135 ед.) равно выход энергии (излучение плюс поток скрытого тепла плюс поток явного тепла = 135 единиц).
• Интересным моментом здесь является то, что поверхность Земли на самом деле получает больше энергии излучения из атмосферы, чем от Солнца. Как это возможно?
• Атмосфера Земли находится в равновесии. Энергия в (поглощение излучения с поверхности плюс влажная конвекция плюс поглощение солнечного излучения плюс сухая конвекция и проводимость = 149 единиц) равняется выходной энергии (излучение = 149 ед.).

Хорошая диаграмма из другого источника

Годовой и глобальный средний энергетический баланс. Из приходящей солнечной радиации 49% (168 Wm -2 ) поглощается поверхностью. Это тепло возвращается в атмосферу в виде явного тепла, эвапотранспирации (скрытого тепла) и как тепловое инфракрасное излучение. Большая часть этого излучения поглощается атмосферой, которая, в свою очередь, испускает излучение как вверх, и вниз. Радиация, теряемая в космос, исходит от вершин облаков и атмосферные области намного холоднее поверхности. Leave a Reply Cancel Reply Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong> Имя * Email * Сайт