Созданию парникового эффекта способствует наличие в атмосфере земли: 1) световой энергии; 2) кислорода; 3) углекислого газа; 4) солености. — Знания.org

Состав атмосферы

1. Что такое атмосфера?

Атмосфера — наружная газообразная оболочка Земли, которая простирается до высоты 100 км. Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой. Современный газовый состав атмосферы — результат длительного исторического развития земного шара. Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах. Атмосферный воздух представляет в основном газовую смесь двух компонентов — азота (78,09%) и кислорода (20,95%). Также в составе атмосферы присутствуют такие газы как аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%), и небольшое количество инертных газов (неон, гелий, криптон, ксенон), метан, аммиак, озон, диоксиды серы и другие газы. При этом в атмосфере также содержатся твердые и жидкие частицы, поступающие с поверхности Земли (частицы почвы, продукты горения, морские соли, пыль, кристаллы льда, капли воды), а также частицы из космоса, и различные продукты растительного, животного и микробного происхождения.

Рассмотрим газы, которые входят в состав атмосферы; их процентное содержание в атмосфере и их время жизни.

Но важнейшую роль и значение в жизни различных экосистем имеют три газа: кислород, азот и углекислый газ.

Кислород.

Кислород необходим для дыхания. Кислород входит в состав почв, растений, животных, участвует в многообразных механизмах круговорота веществ в природе. Вдыхаемый кислород идет на окисление сложных органических молекул — углеводов и жиров — до углекислого газа и воды. Эти реакции сопровождаются выделением и накоплением энергии и протекают с участием ферментов.

В верхних слоях тропосферы и стратосферы под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения (обозначим его как hν) образуется озон:

₂ + hν → 2О

2O + O → O₃

О₃ + hν → О₂ + О

О₃ + O → 2О₂

Озон служит для защиты живых организмов от ультрафиолетового излучения, которое вызывает необратимые мутации.

Кислород расходуется при гниении отмерших организмов, горении. Если бы на Земле не было источников кислорода, его запасы полностью иссякли бы за 2000 лет. Однако этого не происходит, поскольку кислород постоянно выделяется растениями в ходе фотосинтеза. Главные запасы кислорода сосредоточены в карбонатах, органических веществах и оксидах железа; часть кислорода растворена в воде.

2. Круговорот кислорода в биосфере

Азот.

Азот — самый распространенный газ, на долю которого приходится более трёх четвертей объёма земного воздуха. Современный азот образовался при окислении ранней аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом, который образуется в процессе фотосинтеза. В настоящее время небольшое количество азота в атмосферу поступает в результате денитрификации — процесса восстановления нитратов до нитритов, с последующим образованием газообразных оксидов и молекулярного азота, который производится анаэробными прокариотами. Часть азота в атмосферу поступает при вулканических извержениях. Также азот выделяется в атмосферу из земной коры как продукт жизнедеятельности микроорганизмов. Азот является важнейшим химическим элементом земной атмосферы. Он входит в состав белков, обеспечивает минеральное питание растений.

Еще один жизненно важный компонент атмосферы — углекислый газ (диоксид углерода CO2). Как и кислород, углекислый газ входит в состав почв, растений, животных, участвует в многообразных механизмах круговорота веществ в природе. При фотосинтезе из CO2 образуются органические соединения: глюкоза, целлюлоза, крахмал.

. Загрязнение атмосферы в г. Кондопога

а). Причины загрязнения атмосферы

Загрязнение атмосферы Земли — принесение в атмосферный воздух новых нехарактерных для него физических, химических и биологических веществ или изменение их естественной концентрации.

Существует масса причин изменения газового состава атмосферы — первое, и самое главное — это деятельность человека. Второе, как ни странно, — деятельность самой природы.

б). Источники загрязнения атмосферы

Классификация загрязнений:

1) По характеру загрязнителя загрязнение атмосферы бывает трёх видов:

·              физическое — механическое (пыль, твердые частицы), радиоактивное (радиоактивное излучение и изотопы), электромагнитное (различные виды электромагнитных волн, в том числе радиоволны), шумовое (различные громкие звуки и низкочастотные колебания) и тепловое загрязнение (например, выбросы тёплого воздуха и т.

·              химическое — загрязнение газообразными веществами и аэрозолями. На сегодняшний день основные химические загрязнители атмосферного воздуха это: оксид углерода (IV), оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, альдегиды, тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr), аммиак, пыль и радиоактивные изотопы

·              биологическое — в основном загрязнение микробной природы. Например, загрязнение воздуха вегетативными формами и спорами бактерий и грибов, вирусами, а также их токсинами и продуктами жизнедеятельности.

) По источникам загрязнения выделяют два вида загрязнения атмосферы:

ü  Естественный

ü  Антропогенный

) Рассмотрим естественный источник загрязнения атмосферы.

К нему относят: извержения вулканов, выветривание, лесные и степные пожары, пыль, пыльные бури, выделения животных и др.

Вулканическая активность Земли является одним из главных процессов загрязнения атмосферы. Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы (извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году). Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязненного состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.

2) Рассмотрим антропогенный источник загрязнения атмосферы.

Антропогенные источники можно разделить на несколько групп:

Транспортные — загрязнители, образующиеся при работе автомобильного, железнодорожного, воздушного, морского и речного транспорта;

Производственные — загрязнители, образующиеся как выбросы при технологических процессах, отоплении;

Бытовые — загрязнители, обусловленные сжиганием топлива в жилище и переработкой бытовых отходов.

По составу антропогенные источники загрязнения атмосферы также можно разделить на несколько групп:

·              Механические загрязнители — пыль цементных заводов, пыль от сгорания угля в котельных, топках и печах, сажа от сгорания нефти и мазута, истирающиеся автопокрышки и др.

·              Химические загрязнители — пылевидные или газообразные вещества, способные вступать в химические реакции;

·              Радиоактивные загрязнители.

В основном существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные и транспорт. В г. Кондопога присутствуют все три источника загрязнения.

Основной вклад в высокий уровень загрязнения воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные. В г. Кондопога развита целлюлозно-бумажная промышленность. В связи с этим происходят промышленные выбросы в атмосферу веществ, загрязняющих её.

К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, хлорфторуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.

Рассмотрим основные составляющие выбросов в воздух.

а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн. т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах.

в) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

г) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие; азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год.

д) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики. стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений — фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.

е) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.

Из выше представленных веществ в г. Кондопога ОАО «Кондопога» выбрасывает в атмосферу сернистый ангидрид и также золу углей.

Также источником загрязнения атмосферы являются аэрозоли.

Аэрозоли — это газы, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для живого организма, а у людей они вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц — 11-51 мкм. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Время «жизни» аэрозолей в атмосфере колеблется в очень широком диапазоне (от 1 — 3 минут до нескольких месяцев) и зависит в основном от их химической устойчивости размера и присутствия реакционно-способных компонентов (озон, пероксид водорода и др. ).

Вывод: в г. Кондопога источником загрязнения атмосферы являются процессы сгорания топлива в ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на: мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине; производственные выбросы ОАО «Кондопога» в атмосферу сернистого ангидрида и золы углей; выбросы в атмосферу ООО «Кондопожский шунгитовый завод», также деятельность людей и транспорта.

в). Последствия загрязнения атмосферы

К последствиям загрязнения атмосферы Земли можно отнести парниковый эффект, кислотные дожди, смог и озоновую дыру. Астрономы утверждают, что прозрачность атмосферы уменьшилась за последнее время. Также установлено, что ежегодно из-за загрязнения атмосферы Земли погибают не менее 1,3 миллионов человек. Рассмотрим их подробнее.

1) Парниковый эффект.

В результате загрязнения атмосферы продуктами сгорания ископаемых видов топлива в атмосферу ежегодно поступает около 20 млрд. тонн углекислого газа, который относится к парниковым газам. Накопление парниковых газов препятствует нормальному теплообмену между Землей и космосом, сдерживает тепло, накапливаемое в результате хозяйственной деятельности и природных процессов. Дальнейшее накопление углекислого газа в верхних слоях атмосферы приведет к таянию ледников и подъему уровня Мирового океана. Смещение климатических зон вызовет катастрофические наводнения, засухи и пыльные бури. Ухудшится здоровье населения, расширится ареал паразитов, переносчиков опасных инфекций.

2) Кислотные дожди.

Основная причина выпадения кислотных дождей — наличие в атмосфере за счет промышленных выбросов оксидов серы и азота, хлористого водорода и других кислотообразующих соединений. В результате дождь и снег оказываются подкисленными. Присутствие в воздухе заметных количеств, например, аммиака или ионов кальция приводит к выпадению не кислых, а щелочных осадков. Однако их также принято называть кислотными, поскольку они при попадании на почву или в водоем меняют их кислотность. Подкисление природной среды отрицательно отражается на состоянии экосистем. В подкисленной воде увеличивается растворимость алюминия. В озерах это приводит к заболеванию и гибели рыб, к замедлению развития фитопланктона и водорослей. Кислотные дожди разрушают облицовочные материалы (мрамор, известняки др.), значительно снижают срок службы железобетонных конструкций.

3) Смог.

Смог — чрезмерное загрязнение воздуха вредными веществами, выделенными в результате работы промышленных производств и транспортом.

Загрязняющие атмосферу вещества значительно ухудшают микроклимат города — увеличивается кол-во туманных дней, снижается прозрачность воздуха, освещенность и ультрафиолетовая освещенность. Смог ухудшает состояние здоровья людей, вызывая головные боли, обострения хронических заболеваний, таких как астмы, а при повышении уровня загрязненности повышается смертность, гибнут животные, вымирают многие виды деревьев. При смещении облака смога за пределы города поражаются или даже полностью погибают урожаи сельскохозяйственных культур.

) Озоновая дыра.

Другое глобальное последствие загрязнения атмосферы, с которым человечество уже столкнулось — разрушение озонового слоя. Стратосферный озон, который поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, разрушается из-за промышленных выбросов, содержащий хлор и бром, а также из-за фреонов, широко применяющихся в различных отраслях промышленности и быту. Ослабление озонового слоя усиливает поток солнечной радиации на Землю и вызывает у людей рост числа раковых образований кожи. Также повышенный уровень излучения ведет к резкому увеличению смертности среди морских животных и растений.

На сегодняшний день в г. Кондопога не наблюдается таких глобальных последствий.

Действие аэрозолей на растения.

Цель: узнать, как влияют аэрозоли на растения.

Материалы: емкость с водой, 2 банки, отростки традесканции, аэрозоль

Начало эксперимента: 10.01.14; время 15. 00

Окончание эксперимента: 11.01.14; время 15.00

Описание эксперимента:

Два отростка традесканции я поместила в разные емкости с водой и накрыла банками, и присвоила им номера 1 и 2 (см. прил №1). В емкость с растением под номером 2 я распылила аэрозоль, и наблюдала, будут ли происходить изменения у растения. Через 24 часа у растения под номером 2 появились коричневые пятна на листьях (см. прил №2,3), а растение под номером один не изменилось (см. прил №4).

Вывод: Из этого эксперимента, я делаю вывод, что аэрозоли губительно действуют на окружающую среду.

Также мною был проведен опрос жителей моего микрорайона. Было опрошено 12 человек. Им были заданы следующие вопросы:

. Знаете ли вы, что такое загрязнение атмосферы?

. Считаете ли вы, что воздух в нашем городе загрязнен?

. Предпринимаете ли вы какие-нибудь меры борьбы с загрязнением воздуха?

Из проведенного мною опроса видно, что большинство жителей знают, что такое загрязнение атмосферы, ее последствия и считают, что воздух в нашем городе загрязнен, но меры борьбы с ее загрязнением не предпринимают.

Проведя следующие исследования, я делаю вывод о том, что загрязнение атмосферы влияет на окружающую среду, но никаких мер жителями по остановке загрязнения не предпринимается.

Загрязнение атмосферы — одна из глобальных экологических проблем человечества. И как любую проблему ее надо решать. Я предлагаю такие методы решения этой проблемы:

. Сокращение самых вредных выбросов, то есть повышенные требования к топливу, переход на более экологически чистое топливо

. Внедрение новых технологий: использование солнечной, ветровой, водной энергии.

3. Устанавливать очистительные фильтры, значительно сокращающие количество выбросов в атмосферу вредных веществ.

. Переносить промышленные предприятия подальше от крупных городов, где и так велика концентрация загрязнения

. Создавать так называемые системы движения, существенно сокращающие число остановок транспорта на перекрестках, и призванные сократить загрязнение атмосферного воздуха в городах

Что же касается конкретно г. Кондопога, то в ОАО «Кондопога» все 5 котлов в котельной переведены с мазута на газ; что позволило снизить выбросы сернистого ангидрида с 14,5 т в 2005 г. до 9,1 т в 2007 г.

Заключение

1. Таким образом, я узнала о загрязнении атмосферы.

. Выяснила основные источники загрязнения атмосферы в г. Кондопога; ими являются ОАО «Кондопога», ТЭЦ г. Кондопога, ООО «Шунгитовый завод», жизнедеятельность людей и транспорт.

. Нашла пути решения проблемы загрязнения атмосферы г. Кондопога; они начали внедряться в г. Кондопога, так в ОАО «Кондопога» все 5 котлов в котельной переведены с мазута на газ; что позволило снизить выбросы сернистого ангидрида с 14,5 т в 2005 г. до 9,1 т в 2007 г.

. Из проведенного мною исследования, я делаю вывод о том, что загрязнение атмосферы влияет на окружающую среду, но никаких мер жителями по остановке загрязнения не предпринимается. Загрязнение атмосферы по-прежнему остается одной из глобальных экологических проблем, которая вскоре, если не предпринимать никаких мер по ее остановке, может перерасти в экологическую катастрофу.
 

Литература

атмосфера кислород озон защита

1. Г. Немкович, А.С. Кармазина. Республика Карелия. — Петрозаводск: Карелия, 1999. -197 с.

2. К. Батлер. Хочу все знать. — Германия: Издательский Дом «Ридерз Дайджест», 2001. — 400 с.

3. Е.А. Криксунов, В.В. Пасечник, А.П. Сидорин. Экология.-М.: Дрофа, 1995.-240 с.

Марс и магнитосфера. Планета, которую можно отремонтировать / Хабр

Тема терраформирования Марса не один десяток лет относится к числу наиболее амбициозных планов человечества. Кажется, что марсианскую природу достаточно лишь немного «подправить», чтобы холодная планета бурь превратилась в жизнепригодный мир, расположенный в непосредственной близости от Земли.

Наряду с первоочередными задачами по увеличению концентрации кислорода и повышению температуры на Марсе требует решения еще одна проблема: восстановление марсианской магнитосферы. Дело в том, что на Марсе нет стабильного планетарного магнитного поля, хотя, остаточные магнитные поля на планете сохранились, особенно в южной части. Вопрос фатального влияния солнечного ветра на размагниченную планету подробно рассмотрен в научно-популярных источниках, в том числе, на Хабре. Поэтому читатели, уже интересовавшиеся проблемой марсианской магнитосферы, вполне могут пропустить обзор, расположенный прямо под катом, и переходить к самому интересному, в особенности, к инженерной части.

Обзор. Другая сторона солнечного ветра

Подходы к терраформированию Марса (приближению условий окружающей среды на нем к земным) постепенно детализируются и представляются все менее разрушительными и более «зелеными». В частности, Илон Маск, еще в 2015 году продвигавший идею о термоядерной бомбардировке Марса с целью вызвать на нем парниковый эффект, в 2019 году предлагал растопить марсианские льды при помощи системы орбитальных зеркал. Развивая эту идею, Роберт Зубрин и Кристофер Маккей рассуждали о 100-километровом цельном орбитальном зеркале. Тем не менее, сегодня считается, что даже всего льда с марсианских полярных шапок может не хватить для вызова парникового эффекта. Пытаясь поднять температуру на Марсе такими грубыми способами, мы бы боролись со следствиями, а не с причиной экологической катастрофы на этой планете. Причина продолжающегося истончения марсианской атмосферы заключается в выдувании ее солнечным ветром, а такая уязвимость атмосферы объясняется отсутствием у Марса постоянного магнитного поля. В далеком прошлом, 4,2-4,3 миллиарда лет назад Марс должен был обладать сильным магнитным полем, а последний период активного действия магнитосферы на Марсе относится, вероятно, к 3,7 миллиарда лет назад.

Наличие сильного магнитного поля у Земли объясняется действием токов (динамо) в жидком металлическом железоникелевом ядре планеты. Магнитное поле образует вокруг планеты так называемую «головную ударную волну», подобную той волне, что расходится от носовой части движущегося корабля, из-за чего солнечный ветер обтекает нашу планету с боков, не повреждая атмосферу.

Источник

Из-за того, что в период образования крупных марсианских равнин магнитное поле выключилось, атмосфера Марса оказалась беззащитна, и постепенно превратилась в тонкий слой углекислого газа с незначительными примесями, наблюдаемый сейчас.

О причинах исчезновения токов-динамо и постоянного магнитного поля на Марсе нет единого мнения. Среди возможных вариантов — исчезновение условий для конвекции жидкого металла в ядре, вызванное чрезмерным охлаждением планеты. Также затухание динамо могло быть вызвано внешним воздействием, например, ударом астероида – эта гипотеза называется «импактной». Интереснейший анализ подобных гипотез содержится в статье Виталия Егорова (Зеленого Кота) «Нужно ли Марсу магнитное поле?», опубликованной на Хабре в 2015 году. Автор развивает идею о том, что потеря магнитного поля не является решающим фактором потери атмосферы, приводя в качестве контрдовода пример Венеры, чья атмосфера исключительно плотная, а магнитное поле — слабое. Потеря глобального магнитного поля на Марсе связана с малой массой планеты, либо с совокупностью воздействия солнечного ветра, импактных (ударных) и гидрофизических факторов. Рекомендуем подробно ознакомиться с этой статьей, а здесь приведем лишь важнейшую из ее иллюстраций, где в табличном виде представлены возможные причины исчезновения или истончения атмосфер у различных тел в Солнечной Системе.

Источник

Магнитосфера Марса. Нынешнее состояние

Чтобы изучить, почему Марс потерял свою атмосферу и продолжает ее терять, в 2014 году NASA запустило к Марсу зонд MAVEN (аббревиатура расшифровывается как «Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе»). Отметим, что аппарат, запущенный 18 ноября 2013 года, чуть не попал под сокращение финансирования, из-за чего запуск мог быть отложен на 2016 год. Тем не менее, в сентябре 2014 года MAVEN успешно достиг Марса и стал его искусственным спутником. Четыре основные задачи проекта формулировались следующим образом:

1. Определить влияние потерь газов на климатические изменения Марса в настоящее время и в прошлом.

2. Определить текущее состояние верхних слоев атмосферы и ионосферы Марса и взаимодействия их с солнечным ветром.

3. Определить темпы потери атмосферы, а также факторы, влияющие на этот процесс.

4. Определить соотношения стабильных изотопов в атмосфере Марса.

Именно MAVEN показал, что остатки магнитного поля Марса вытянулись за планетой, образовав у нее своеобразный магнитный хвост. Само это открытие особенно интересно тем, что позволило подтвердить и детально описать механизм магнитного пересоединения Марса, непосредственно провоцирующий улетучивание остатков марсианской атмосферы в космос. В целом же MAVEN дал толчок новейшим исследованиям собственного магнитного поля на Марсе.

Реликтовое магнитное поле на Марсе

После того, как на Марсе исчезло глобальное магнитное поле, планета осталась покрыта «лоскутным одеялом» локальных областей, проявляющих магнитные свойства. Эти небольшие магнитные поля возникают под действием минералов и пород, рассеянных на поверхности планеты.

Некоторые регионы планеты обладают более сильными магнитными полями, нежели другие, но это, вероятнее всего, связано с повышенным или пониженным содержанием магнитных минералов в том или ином регионе, то есть, пород, которые могли испытывать влияние древнего магнитного поля. В целом магнитные поля в северном полушарии Марса слабее, а в южном – сильнее.

Три крупных ударных бассейна в северном полушарии Марса — Эллада, Исида и Аргир — не проявляют признаков магнетизма, что также может объясняться малым содержанием магнитных пород на этих территориях. Предполагается, что в процессе ударных катаклизмов и образования этих бассейнов значительные объемы магнитных пород и содержащихся в них минералов могли быть испарены в результате столкновений и сопутствующих взрывов. При этом необходимо оговориться, что измерения магнитных полей марсианской коры производятся с орбиты, поэтому могут быть неполны; экспедиции на поверхности планеты, возможно, позволят зафиксировать более слабые магнитные поля и составить более полную карту.   

Итак, магнитосфера марсианских горных пород представляет собой остатки древнего магнитного поля. Магнитное динамо в мантии Марса исчезло не позднее 3,7 миллиарда лет назад. Подробнее о хронологии существования марсианского динамо рассказано в этой статье. Впрочем, здесь следует упомянуть и о роботе InSight, который начал работу на поверхности Марса в ноябре 2018 года. Аппарат предназначен, прежде всего, для изучения толщины, состава и структуры коры Марса, а также получения данных о его мантии, ядре и сейсмической активности. Именно InSight показал, что магнитные поля на поверхности Марса вдесятеро сильнее, чем считалось ранее. Он обнаружил и некоторые другие интересные детали, в частности, суточные флуктуации активности марсианского магнитного поля и магнитные импульсы, чья природа пока остается невыясненной. Считается, что зафиксированные InSight магнитные явления на поверхности планеты также связаны с воздействием солнечного ветра.  

Поэтому гораздо более пристального внимания заслуживает индуцированная магнитосфера Марса, возникающая в результате взаимодействия марсианской ионосферы с солнечным ветром. О существовании магнитных полей в непосредственной близости от верхних слоев марсианской атмосферы сообщалось еще в статье Долгинова и др., опубликованной в 1972 году по результатам экспедиций «Марс-2» и «Марс-3». Дальнейшие исследования магнитослоя в марсианской ионосфере были проведены при помощи последней советской марсианской миссии «Фобос-2»  Но значительно более точные данные об этом магнитослое (в англоязычной литературе употребляется термин «magnetosheath») были получены благодаря работе MAVEN и изложены в статье Робина Рамстада и др. из университета штата Колорадо.

Индуцированные магнитосферы образуются вокруг проводящих ненамагниченных планетарных объектов, в частности, в ионосферах Марса, Венеры, Титана, Плутона и комет в ходе электродинамических взаимодействий намагниченной плазмы с частицами солнечного ветра. Токи, возникающие при этом, приводят к взаимодействию ионосферы и плазмы, тем самым помогая понять роль солнечного ветра в нагревании, выдувании и эволюции планетарных атмосфер.   

По итогам пятилетней работы зонда MAVEN удалось картировать индуцированную магнитосферу Марса, обнаружив в процессе этой работы взаимодействие ионосферы и головной ударной волны, асимметрию в конфигурации атмосферных электрических полей, а также искривление токов в верхних слоях атмосферы Марса. Также был обнаружен пограничный регион между ионосферой Марса и его магнитослоем.

Соответственно, восстановление защиты Марса от пагубного воздействия солнечного ветра целесообразно начинать именно с ионосферы. В 2017 году специалист NASA Джим Грин предположил, что для реставрации марсианской атмосферы и предохранения ее от воздействия солнечного ветра можно расположить магнитный щит на марсианской орбите в точке Лагранжа, где притяжение Марса и притяжение Солнца имеют равную величину и, следовательно, такой щит будет оставаться стабилен. На Хабре есть обзорная переводная статья с обоснованием этого проекта и видео с выступлением Грина на конференции Planetary Science Vision 2050, где была высказана эта идея. Из статьи стоит скопировать и пояснить ключевую иллюстрацию:

На иллюстрации показана форма магнитного хвоста (остатки магнитного поля Марса, взаимодействующие с солнечным ветром, о чем было рассказано выше), а также расположение самого Марса, магнитного щита в точке Лагранжа L₁, магнитослоя и магнитопаузы. Как показано на этой схеме, магнитный щит Марса призван уменьшить выдувание атмосферы солнечным ветром, обеспечить новое равновесное состояние атмосферы и уменьшить количество жесткой солнечной радиации, достигающей поверхности Марса. 

На сайте phys.org сообщается, что Джим Грин и его коллеги проводили компьютерные симуляции, позволяющие примерно оценить работоспособность такого устройства. Грин заостряет внимание на непосредственной пользе подобной конструкции. Магнитный щит способен привести к утолщению марсианской атмосферы и парниковому эффекту, который позволит перевести в жидкое состояние до 1/7 того объема воды, что имелся на Марсе 4,2 миллиарда лет назад, в период активности его магнитного динамо. Тем не менее, официальные данные о технических характеристиках подобного устройства весьма скудны. На Хабре есть публикация с описанием конструкции и реализуемости дипольного магнитного щита, который мог бы располагаться в точке Лагранжа и генерировать магнитное поле силой 1-2 тесла. Поэтому в заключительном разделе этой статьи было бы логично и интересно привести выдержки из статьи «Giving Mars a Magnetosphere», опубликованной 28 февраля 2018 года и содержащей обоснованные выкладки о том, как мог бы выглядеть подобный щит.

Марсианская точка Лагранжа расположена на расстоянии около 1 миллиона километров от Марса. С поправкой на компенсацию сильных солнечных вспышек можно предположить, что будет достаточно расширить искусственное магнитное поле на расстояние 1,5 млн километров от планеты.

Также следует учитывать, что интенсивность солнечного ветра на марсианской орбите значительно ниже, чем на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (т.е. на расстоянии от Солнца до Земли). Таким образом, для защиты Марса от солнечного ветра достаточно получить магнитное поле примерно вдвое слабее, чем понадобилось бы для защиты Земли. Учитывая оба этих фактора, понадобится сгенерировать вокруг Марса магнитное поле всего в 11% от силы естественного магнитного поля Земли, и минимальный радиус магнитослоя вокруг Марса составил бы всего 500 000 километров.

Согласно уравнению величины магнитного поля, можно высчитать силу тока «провода», необходимого для генерации такого магнитного поля. Получается ток силой около 200 мега-ампер.

Соответственно, это будет провод колоссального размера. Чтобы сделать его как можно компактнее, необходимо как можно сильнее уменьшить рабочее напряжение этого провода и, следовательно, его сопротивление. Чтобы добиться минимального сопротивления, нужно подобрать минимальную длину провода, при этом обеспечив для него максимальную площадь поперечного сечения. Отметим, что сопротивление проводника можно было бы снизить, изготовив его из сверхпроводящего материала, но технически наиболее доступной конфигурацией представляется плоская медная катушка, намотанная настолько плотно, что отверстие в ее центре будет как можно уже. При этом отверстие в центре катушки необходимо оставить, так как при его отсутствии в катушке возникнут контрпродуктивные обратные токи, и ее сопротивление будет чрезмерно сильным.

Остается вопрос о том, какой источник энергии позволил бы запитать подобную конструкцию на орбите Марса. Для этого определенно не подойдут солнечные панели, так как солнечное излучение на орбите Марса довольно слабое, и даже сконструировав солнечные панели площадью 4000 м2 и обладающие КПД 20%, нам потребовалось бы для производства проводника больше меди, чем в принципе имеется на Земле. Более эффективным энергетическим решением был бы 830-мегаваттный ядерный реактор, работающий на орбите Марса и запитывающий магнитный контур. В таком случае напряжение в системе составило бы всего 2 вольт, а размеры медной катушки – 3,5 метров в диаметре при весе около 57 тонн. По расчетам автора, такая катушка позволила бы генерировать магнитное поле около 81 тесла. При этом необходимо было бы решить дополнительные технические проблемы, связанные с отводом избыточной теплоты от контура во избежание его деформации, а также обеспечить доставку 40 тонн урана в марсианскую точку Лагранжа каждые два года (следует оговориться, что мы пока не можем оценить запасы урана на Марсе, поэтому последняя проблема может решаться проще, чем кажется на первый взгляд).

Дальнейшие выкладки из упомянутой статьи выходят за рамки данной публикации, но ее все-таки будет интересно прочесть целиком – в частности, чтобы познакомиться с ориентировочными характеристиками космического корабля, необходимого для реализации всего проекта.

Итак, генерация искусственного магнитного поля для Марса представляется несравнимо более осуществимой задачей, чем восстановление естественного. Кроме того, это был бы значительно более щадящий и эффективный (в долгосрочной перспективе) метод терраформирования, чем термоядерная бомбардировка или развертывание орбитальных зеркал, предложенные Илоном Маском. Остается с интересом следить, возможна ли при в обозримом будущем практическая реализация подобных планов.

Как работает парниковый эффект Земли? | Спасение Земли

Парниковый эффект , потепление поверхности Земли и тропосферы (самого нижнего слоя атмосферы), вызванное присутствием в воздухе водяного пара, углекислого газа, метана и некоторых других газов. Из этих газов, известных как парниковые газы, наибольшее влияние оказывает водяной пар.

Происхождение термина парниковый эффект неясно. Французский математик Жозеф Фурье иногда считается первым, кто ввел термин  парниковый эффект  на основании сделанного им в 1824 году вывода о том, что земная атмосфера функционирует аналогично «горячему ящику», то есть гелиотермометру (изолированному деревянному ящику с крышкой из прозрачного стекла), разработанному швейцарским физиком Орасом Бенедиктом де Соссюром, который предотвращал прохладный воздух от смешивания с теплым воздухом. Фурье, однако, не использовал термин парниковый эффект и не приписывал атмосферным газам сохранение тепла на Земле. Шведскому физику и физическому химику Сванте Аррениусу приписывают происхождение термина в 189 году.6, с публикацией первой вероятной климатической модели, объясняющей, как газы в атмосфере Земли улавливают тепло. Аррениус впервые ссылается на эту «парниковую теорию» атмосферы, которая позже будет известна как парниковый эффект, в своей работе Worlds in the Making  (1903).

Несмотря на свое название, парниковый эффект отличается от потепления в теплице.

Атмосфера пропускает большую часть видимого солнечного света и достигает поверхности Земли. Поскольку поверхность Земли нагревается солнечным светом, часть этой энергии излучается обратно в космос в виде инфракрасного излучения. Это излучение, в отличие от видимого света, имеет тенденцию поглощаться парниковыми газами в атмосфере, повышая ее температуру. Нагретая атмосфера, в свою очередь, излучает инфракрасное излучение обратно к поверхности Земли. (Несмотря на свое название, парниковый эффект отличается от потепления в теплице, когда оконные стекла пропускают видимый солнечный свет, но удерживают тепло внутри здания, улавливая нагретый воздух.)

Без нагрева, вызванного парниковым эффектом, средняя температура поверхности Земли была бы всего около -18 °C (0 °F). На Венере очень высокая концентрация углекислого газа в атмосфере вызывает экстремальный парниковый эффект, в результате чего температура поверхности достигает 450 ° C (840 ° F).

Без нагрева, вызванного парниковым эффектом, средняя температура поверхности Земли составляла бы всего около −18 °C (0 °F).

Хотя парниковый эффект является естественным явлением, возможно, что этот эффект может быть усилен выбросами парниковых газов в атмосферу в результате деятельности человека. С начала промышленной революции до конца 20-го века количество углекислого газа в атмосфере увеличилось примерно на 30 процентов, а количество метана увеличилось более чем вдвое. Ряд ученых предсказали, что связанное с деятельностью человека увеличение содержания углекислого газа в атмосфере и других парниковых газов может привести к концу 21 века к повышению средней глобальной температуры на 0,3–4,8 °C (0,5–8,6 °F) относительно до 1986–2005 в среднем. Это глобальное потепление может изменить климат Земли и тем самым вызвать новые модели и экстремальные засухи и дожди и, возможно, нарушить производство продуктов питания в определенных регионах.

Автор  Редакция Британской энциклопедии .

Верхнее изображение: © Sondem/Fotolia

Парниковый эффект | NIWA

• Естественный парниковый эффект
• Влияние повышенных концентраций парниковых газов

Естественный парниковый эффект

Парниковый эффект — это нагревание земной поверхности и нижних слоев атмосферы, вызванное такими веществами, как двуокись углерода и водяной пар, которые пропускают солнечную энергию к земле, но препятствуют прохождению энергии от Земля обратно в космос.

Энергия, излучаемая солнцем («солнечное излучение»), концентрируется в области коротких волн, включая видимый свет. Большая часть коротковолнового солнечного излучения проходит через атмосферу Земли к поверхности практически беспрепятственно. Часть солнечной радиации отражается обратно в космос облаками и поверхностью земли. Большая часть солнечной радиации поглощается земной поверхностью, в результате чего поверхность и нижние слои атмосферы нагреваются.

Нагретая Земля испускает излучение вверх, подобно тому, как горячая печь или барная колонка излучают энергию. В отсутствие какой-либо атмосферы восходящее излучение Земли уравновешивало бы поступающую энергию, поглощаемую Солнцем, при средней температуре поверхности около -18 ° C, что на 33 ° ниже, чем наблюдаемая средняя температура поверхности Земли. Наличие в атмосфере «парниковых» газов объясняет разницу температур. Тепловое излучение (инфракрасное), испускаемое Землей, концентрируется в длинноволновой области и сильно поглощается парниковыми газами в атмосфере, такими как водяной пар, двуокись углерода и метан. Поглощение тепла заставляет атмосферу нагреваться и излучать собственное инфракрасное излучение. Поверхность Земли и нижние слои атмосферы нагреваются до тех пор, пока не достигают температуры, при которой инфракрасное излучение, излучаемое обратно в космос, плюс прямо отраженное солнечное излучение уравновешивают поглощенную энергию, поступающую от Солнца. В результате температура поверхности земного шара составляет в среднем около 15°C, что на 33°C выше, чем было бы, если бы не было атмосферы. Это называется естественный парниковый эффект .

Влияние повышенных концентраций парниковых газов

Если в атмосферу добавляется дополнительное количество парниковых газов, например, в результате деятельности человека, то они будут поглощать больше инфракрасного излучения. Поверхность Земли и нижние слои атмосферы будут нагреваться до тех пор, пока снова не будет достигнут баланс приходящей и уходящей радиации (излучение инфракрасного излучения увеличивается с повышением температуры излучающего тела). Это дополнительное потепление называется усиленный парниковый эффект .

Величина усиленного парникового эффекта зависит от различных сложных взаимодействий в системе земля-океан-атмосфера, которые не включены в обсуждение выше. Например, при повышении температуры земной поверхности испаряется больше водяного пара. Поскольку водяной пар сам по себе является сильным парниковым газом, это положительная обратная связь, которая будет иметь тенденцию усиливать согревающий эффект (например) выбросов углекислого газа. Облака имеют тенденцию как охлаждать Землю, потому что они отражают входящий солнечный свет, так и нагревать ее, улавливая уходящее инфракрасное излучение. Конечным результатом над шаром облаков является похолодание, но все еще неясно, будет ли это общее похолодание увеличиваться или уменьшаться по мере увеличения концентрации парниковых газов. Вертикальное распределение тепла в атмосфере происходит за счет движения, турбулентности и испарения и конденсации влажного воздуха, а также рассмотренных выше радиационных процессов.

Таким образом, необходимо учитывать множество процессов и обратных связей, чтобы реалистично прогнозировать изменения климата в результате конкретных сценариев выбросов парниковых газов. Эти осложнения являются источником многих дискуссий о вероятной величине и времени климатических изменений из-за увеличения выбросов парниковых газов.

Связанные страницы  

Измерения парниковых газов

Программа атмосферных исследований

Атмосферная станция Baring Head

Ссылки

Ле Треут, Х.