Парниковый эффект. Разные теории парникового эффекта.

Парнико́вый эффе́кт — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению сэффективной температурой

Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», в которой он рассматривал различные механизмы формированияклимата Земли, при этом он рассматривал как факторы, влияющие на общий тепловой баланс Земли (нагрев солнечным излучением, охлаждение за счёт лучеиспускания, внутреннее тепло Земли), так и факторы, влияющие на теплоперенос и температуры климатических поясов (теплопроводность, атмосферная и океаническая циркуляция).

При рассмотрении влияния атмосферы на радиационный баланс Фурье проанализировал опыт М. де Соссюра с зачернённым изнутри сосудом, накрытым стеклом. Де Соссюр измерял разность температур внутри и снаружи такого сосуда, выставленного на прямой солнечный свет. Фурье объяснил повышение температуры внутри такого «мини-парника» по сравнению с внешней температурой действием двух факторов: блокированием конвективноготеплопереноса (стекло предотвращает отток нагретого воздуха изнутри и приток прохладного снаружи) и различной прозрачностью стекла в видимом и инфракрасном диапазоне.

Именно последний фактор и получил в позднейшей литературе название парникового эффекта — поглощая видимый свет, поверхность нагревается и испускает тепловые (инфракрасные) лучи; поскольку стекло прозрачно для видимого света и почти непрозрачно для теплового излучения, то накопление тепла ведёт к такому росту температуры, при котором количество проходящих через стекло тепловых лучей достаточно для установления теплового равновесия.

Фурье постулировал, что оптические свойства атмосферы Земли аналогичны оптическим свойствам стекла, то есть её прозрачность в инфракрасном диапазоне ниже, чем прозрачность в диапазоне оптическом, однако количественные данные по поглощению атмосферы в инфракрасном диапазоне долгое время являлись предметом дискуссий.

В 1896 году Сванте Аррениус, шведский физико-химик, для количественного определения поглощении атмосферой Земли теплового излучения проанализировал данные Сэмюэла Лэнгли о болометрической светимости Луны в инфракрасном диапазоне. Аррениус сравнил данные, полученные Лэнгли при разных высотах Луны над горизонтом (т.е. при различных величинах пути излучения Луны через атмосферу), с расчетным спектром ее теплового излучения и рассчитал как коэффициенты поглощения инфракрасного излучения водяным паром и углекислым газом в атмосфере, так и изменения температуры Земли при вариациях концентрации углекислого газа. Аррениус также выдвинул гипотезу, что снижение концентрации в атмосфере углекислого газа может являться одной из причин возникновения ледниковых периодов.

Парниковый эффект атмосфер обусловлен их различной прозрачностью в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах. На диапазон длин волн 400—​1500 нм в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне приходится 75 % энергии солнечного излучения, большинство газов не поглощают в этом диапазоне; рэлеевское рассеяние в газах и рассеяние на атмосферных аэрозолях не препятствуют проникновению излучения этих длин волн в глубины атмосфер и достижению поверхности планет. Солнечный свет поглощается поверхностью планеты и её атмосферой (особенно излучение в ближней УФ- и ИК-областях) и разогревает их. Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем инфракрасном диапазоне: так, в случае Земли при равном 300 K, 75 % теплового излучения приходится на диапазон 7,8—28 мкм, для Венеры при равном 700 K — 3,3—12 мкм.

Атмосфера, содержащая многоатомные газы (двухатомные газы диатермичны - прозрачны для теплового излучения), поглощающие в этой области спектра (т.н. парниковые газы —H2O, CO2, CH4 и пр. — см. Рис. 1), существенно непрозрачна для такого излучения, направленного от её поверхности в космическое пространство, то есть имеет в ИК-диапазонебольшую оптическую толщину. Вследствие такой непрозрачности атмосфера становится хорошим теплоизолятором, что, в свою очередь, приводит к тому, что переизлучение поглощённой солнечной энергии в космическое пространство происходит в верхних холодных слоях атмосферы. В результате эффективная температура Земли как излучателя оказывается более низкой, чем температура её поверхности.

Парниковый эффект – спасает, но может и погубить?

Собственно, этой золотой серединой во многом и объясняется возможность возникновения и развития жизни на Земле. Потому что именно такая концентрация парниковых газов привела к тому, что определённая часть тепловой энергии не была потеряна в виде излучения в открытый космос, а осталась в низших слоях атмосферы. В результате установился температурный режим, при котором средняя годовая температура на нашей планете составляет 15 градусов по Цельсию. Это оптимальные условия для живых организмов. Учёные выяснили, что без парникового эффекта средняя температура у поверхности опустилась бы до «минус 18» по Цельсию, что сделало бы невозможным развитие жизни.

Но в случае увеличения объёма парниковых газов в атмосфере парниковый эффект может иметь и негативные последствия. То самое глобальное потепление по-разному оценивается учёными, но при условии продолжения существующей тенденции вероятны существенные изменения климата. В данном случае обсуждается сокращение территории, пригодной для активной жизнедеятельности людей, прежде всего для ведения сельского хозяйства - из-за повышения среднегодовой температуры, сокращения числа растений, возможного высыхания водоёмов и наступления засухи. К тому же повышение уровня Мирового океана грозит масштабными наводнениями и негативными климатическими явлениями – цунами, ураганами и так далее. Есть и более пессимистичные сценарии, по которым в ближайшие сто лет температура может повыситься на десять градусов по Цельсию, что приведёт к необратимым последствиям и превращению Земли в некое подобие Венеры, представляющей собой сплошную выжженную пустыню.

А может, не всё так плохо?

У теории губительного влияния парникового эффекта на глобальное потепление существует немало критиков, которых становится всё больше. При этом критикуется не сама концепция парникового эффекта, в его существовании, доказанном наукой, никто не сомневается. Под сомнение ставятся три главных положения: что парниковый эффект усиливается за счёт результатов человеческой деятельности; что парниковый эффект является единственно возможной и основной причиной нынешнего глобального потепления; что само глобальное потепление является опасным для человечества в самой ближайшей исторической перспективе.

Критики отмечают, что до сих пор нет однозначных и неопровержимых доказательств того, что именно деятельность человека, то есть выделение при сжигании различного топлива больших объёмов углекислого газа, и есть причина усиления парникового эффекта. Обращается внимание на то, что основную часть парниковых газов, не выпускающих часть излучения планеты в космос, составляет не углекислый газ, а водяная пыль. К тому же приводятся аргументы в пользу того, что данные истории говорят о следующем – в течение последних сотен миллионов лет концентрация углекислого газа в атмосфере подвергалась естественным колебаниям то в сторону увеличения, то в сторону уменьшения. Таким образом, вполне естественно предположить, что в настоящий момент может быть нормальная корректировка содержания в атмосфере углекислого газа в сторону увеличения.

Аналогичным образом ставится под сомнение и влияние парникового эффекта на тот процесс, который известен как глобальное потепление. Потому как если бы парниковый эффект действительно влиял на потепление, повышение температуры отмечалось бы по всей планете, а оно фиксируется преимущественно в Северном полушарии. Прогнозы относительно стремительного таяния ледников и быстрого затопления многих прибрежных районов тоже выглядят, по мнению скептиков, неубедительно – при самом неблагоприятном развитии ситуации на то, чтобы растаяли ледники Гренландии и Арктики, потребуется 5-6 тысяч лет. К тому же в 2009 году была обнародована электронная переписка специалистов Центра по изучению климата Университета Восточной Англии, из которой следует, что многие данные, подтверждающие теорию глобального потепления, были просто сфальсифицированы.