Экология конспект лекции 13-1 2012

Парниковый эффект. Это -- отражение теплового излучения планеты атмосферой обратно на поверхность планеты, приводящее к существенному повышению температуры ее поверхности. Суть парникового эффекта заключается в том, что молекулы парниковых газов поглощают тепловые фотоны, идущие от поверхности Земли, а затем излучают их обратно в атмосферу; половина из них при этом меняет направление (направлена в сторону поверхности Земли), поглоща-

хвата тепловых фотонов превышает углекислый раз более чем в 20 тысяч раз. К тому же, гексаф-

В.В. Горшков. Экология, основное содержание лекции 13-1 (10-12-2012)

Распределение мощности солнечного излучения в атмосфере Земли и на ее по-

верхности. При прохождении через атмосферу Земли большая часть энергии поглощается, рассеивается и отражается (рис.1).

Рис.1. Распределение мощности солнечного излучения в атмосфере Земли и на ее поверхности (по Rotty, Mitchell, 1974). Заштрихованные стрелки – распределение солнечной радиации, в процентах от поступающей на Землю мощности солнечного излучения. Не заштрихованные стрелки – распределение теплового излучения Земли.

Прямая солнечная радиация, достигающая поверхности Земли составляет 22%. Основной вклад в отражение энергии вносит облачный слой (18%), 6% отражает атмосфера, 2% составляет отраженное от поверхности Земли прямое солнечное излучение и 1% составляет отражение от поверхности Земли рассеян-

ного солнечного излучения. Поток рассеянного солнечного излучения, достигающий поверхности Земли, составляет 25% и складывается из потока рассеянного воздухом тропосферы (11%) и потока рассеянного облачным слоем (14%). Поглощенная энергия идет на нагревание атмосферы и распределяется следующим образом – 3 % поглощает слой воздуха в стратосфере, 17% слой воздуха в тропосфере и 5 % поглощают облака.

Основные потоки энергии, формирующиеся у земной поверхности представлены в табл.1

Таблица 1. Потоки энергии у земной поверхности. (из V.G. Gorshkov, 1990 и V.G. Gorshkov et al., 2000).

a) Поток солнечной энергии, поглощенный поверхностью Земли, равен общему потоку солнечной энергии, поступающему от Солнца к Земле за вычетом потока отраженной энергии и потока энергии, поглощенной атмосферой.

Источники данных: [1] — Willson, 1984; [2] — Ramanathan, 1987; [3] — Schneider, 1989; [4] — Львович, 1974; [5] — Brutsaert, 1982; [6] — Kellogg and Schneider, 1974; [7] — Peixoto and Oort, 1984; [8] — Chahine, 1992; [9] — Gustavson, 1979; [10] — Skinner, 1986; [11] — Whittaker and Likens, 1975; [12] — Berman, 1975; [13] — Starr, 1971; [14] — Hubbert, 1971; [15] — Allen, 1955; [16] — Starke, 1987, 1990; [17] — V.G.Gorshkov, 1995; [18] – Аллен, 1977.

Представленные в таблице 1 данные, наряду с информацией об основных потоках энергии в приземном слое атмосферы, иллюстрируют возможности человечества по использованию этой энергии.

Современная цивилизация не может существовать без источников дополнительной энергии. Энергопотребление на 1 человека составляет ~ 103–104 Вт. В настоящее время основу энергопотребления человечества составляет энергия, поступающая из невозобновимого источника – от сжигания ископаемого топлива, запасы которого конечны. Поэтому постоянно ведется разработка альтернативных источников энергии, базирующихся на возобновимых. Однако, как следует из табл. 1, решить проблемы энергопотребления человечества, такие источники энергии как ветровая, приливная, энергия стока рек позволяют лишь локально.

Мощность ветров и мощность океанских волн составляют 1.5% от мощности поступающей солнечной энергии, что более чем в 100 раз больше современного энергопотребления человечества. Однако, эта энергия практически недоступна. Человечество может использовать очень незначительную (<1012 Вт) часть этой мощности ветров. Современный вклад энергии ветровых станций в энернопотребление в настоящее время составляет ~ 0.02%.

Вклад от использования всей потенциально доступной ветровой энергии и гидроэнергоресурсов в энергопотребление человечества составляет 10% от современного энергопотребления.

Таблица 2. Энергетические и температурные характеристики различных планет

(по Mitchell, 1989) с дополнениями по (V.G.Gorshkov et al., 2000)

В.В. Горшков. Экология, основное содержание лекции 13-1 (10-12-2012)

I – солнечная постоянная, мощность солнечной радиации, поступающей на перпендикулярную [нормальную] лучу единицу площади за пределами атмосферы планеты. I /4

– средняя мощность солнечной радиации, поступающей на единицу площади земной поверхности. Орбитальная температура to (градусы Цельсия) однозначно определяется солнечной постоянной I, т.е. орбитой планеты в солнечной системе. В приближении к излучению абсолютно черного тела, I и to связаны следующей формулой To = (I / 4σ)1/4, где To = to − 273 – абсолютная температура в градусах Кельвина, σ = 5.67 10−8 Вт м−2 K−4 – константа Стефана-Больцмана.

A – альбедо, доля солнечной энергии, отражаемой планетой в космос. Оставшаяся часть солнечной радиации, (1−A) I, поглощается планетой и равна тепловому потоку планеты, излучаемому в космическое пространство. Этот поток может быть оценен непосредственно с использованием спутников. Он определяет эффективную [равновесную] температуру планеты te как Te = [(1−A)I / 4σ]1/4 = To (1−A)1/4, где Te = te − 273.

B – относительный парниковый эффект, т.е. доля теплового потока, отражаемого атмосферой на поверхность планеты. Тепловой поток с поверхности планеты q равен

q =(1−A) I + B q, где

q = (1−A) I / (1−B). Соответственно, температура на поверхности планеты t (градусы

Цельсия) определяется альбедо планеты и величиной парникового эффекта:

T = (q / 4σ)1/4 = To [(1−A)/(1−B)]−1/4, где T = t − 273.

При расчете параметров состояния сплошного оледенения Земли, величина альбедо принята равной альбедо льда и снежного покрова, величина парникового эффекта принята такой же, как на Марсе. При расчете параметров состояния с полным испарением океанов величины альбедо и парникового эффекта приняты такими же, как на Венере.

Физически устойчивыми состояниями являются климат Марса и Венеры, которые может принять климат Земли при разрушении биосферы. Несмотря на многочисленные публикации о Глобальном Потеплении, наиболее вероятным при разрушении биоты является общее Похолодание, и переход климата Земли в состояние, аналогичное Марсу.