Лекция 4. Парниковые газы и их влияние на биосферу

Учебные вопросы:

1. Cущность парникового эффекта

2. Парниковые газы и их свойства

   1. Диоксид углерода

   2. Метан

3. Биогеохимический круговорот углерода

4. Парниковая катастрофа ( «жить иль не жить - вот в чем вопрос»)

Сущность парникового эффекта

Парнико́вый эффе́кт — уменьшение теплопроводности земной атмосферы за счет поглощения теплового излучения некоторыми присутствующими в ней газами. Парниковый эффект проявляется в:

- повышении температуры нижнего слоя тропосферы планеты по сравнению с ее эффективной температурой (температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса);

- изменении спектра теплового излучения, проникающего из нижних в верхние слои атмосферы, что в некоторых из них может вызывать понижение температуры;

- активизации термической конвекции в тропосфере, приводящей к выносу в ее верхние слои избытков тепла, а также различных веществ, содержащихся в ее приземном слое;

- сглаживании температурных контрастов как между полярными и экваториальными зонами планеты, так и между дневными и ночными температурами.

Гипотеза о существовании парникового эффекта в 1827 году была впервые изложена Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет». В этой работе он рассматривал различные механизмы формирования климата Земли и постулировал, что прозрачность атмосферы Земли в инфракрасном диапазоне ниже, чем в диапазоне оптическом.

Атмосфера планеты, содержащая газы, поглощающие инфракрасные составляющие солнечной радиации и тепловое излучение ее поверхности, нагревается ими и формирует поток обратного теплового излучения, возвращающийся в ее приземный слой. В результате этого происходит повышение его температуры. Подобная атмосфера, содержащая парниковые газы, является хорошим теплоизолятором, вследствие чего эффективная температура Земли, как излучателя, определяемая по потоку теплового излучения, уходящему в космос, оказывается более низкой, чем температура её поверхности. Разница между этими температурами рассматривается как количественная характеристика парникового эффекта .

Предположение о том, что одной из причин парникового эффекта в земной атмосфере является присутствие в ней СО₂, впервые выдвинул в начале ХХ века Сванте Аррениус. Это предположение в последствии подтвердилось.

Парниковые свойства были выявлены и у других газов, среди которых важнейшими являются: водяной пар, метан, озон, закись азота и фреоны. Доказано наличие парникового эффекта и в атмосферах других планет, обладающих плотными атмосферами, содержащими газы, поглощающие излучение в инфракрасной области спектра. Его величина пропорциональна существующему в них атмосферному давлению. В этом нетрудно убедиться из таблицы 1, где приведены некоторых сведения о температурном режиме и значениях парникового эффекта в атмосферах ряда небесных тел Солнечной системы.

Таблица 1.Параметры температурного режима и парникового эффекта

Планета	Атм. Давл. у поверхн., (атм)	, оК	, оК	оК	оК	оК
Венера	90	231	735	504	-	-
Земля	1	249	288	39	313	200
Луна	0			0	393	113
Марс	0,006	210	218	8	300	147

В этой таблице значения температур приведены в градусах Кельвина, — средняя максимальная температура в полдень на экваторе планеты, —минимальная среднесуточная температура приполярных участков ее поверхности, Т_Е - эффективная темпеатура планеты.

Как и предполагал Фурье, существование парникового эффекта в атмосферах планет обусловлено различием значений коэффициента их прозрачности в видимом и инфракрасном диапазонах. На диапазон длин волн 400—​1500 нм в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне приходится 75 % энергии солнечного излучения. Большинство газов в этом диапазоне электромагнитные волны не поглощают. Солнечная радиация УФ диапазона интенсивно поглощается атмосферой.

Достигающая подстилающей поверхности планеты солнечная радиация видимого диапазона поглощается ею, что приводит к повышению ее температуры. При этом возрастает интенсивность испарения влаги и ее содержание в приземном слое атмосферы, а также активизируется термическая конвекция, уносящая теплый влажный воздух от земной поверхности. Этот воздух поднимется до горизонта, где образуется облачность, вследствие чего содержание в атмосфере водяного пара – сильнейшего парникового газа, увеличивается, что усиливает его вклад в парниковый эффект. Чем сильней потепление климата, тем выше формируется облачность и больше этот вклад (положительная обратная связь). При этом конденсация и кристаллизация водяного пара происходят в более разреженных слоях атмосферы, где количество молекул прочих парниковых газов меньше, меньше и их вклады в парниковый эффект (отрицательная обратная связь). Образующаяся при этом облачность, существенно ограничивает поток солнечной радиации, поступающей к земной поверхности (отрицательная обратная связь). В результате этого явления изменения парникового эффекта порождают изменения не только эффективной температуры планеты, но и спектра уходящего за пределы атмосферы теплового излучения.

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. Именно в нем расположены основные линии спектра поглощения всех парниковых газов.

Степень влияния парникового эффекта на температуры приповерхностных слоев атмосфер планет, зависит от состава, значений оптической плотности и парциального давления парниковых газов, которые в них содержатся. Зависит его влияние и от удельной теплоемкости воздуха, которая на Земле, во многом определяемой присутствием в нем водяного пара.

Рисунок 2. Спектры излучения Солнца и Земли, а также поглощения газами.

Конвекция, как механизм отвода тепла, преобладает в слоях Земной атмосферы, где атмосферное давление более 0,2 атм. Его радиационный перенос доминирует в более разреженных воздушных слоях (в стратосфере, мезосфере и термосфере). Поэтому среднее распределение по вертикали температуры в толще тропосферы Земли близко к адиабатическому, т.е. устанавливаться с учётом расширения и охлаждения воздуха при его подъёме и, наоборот, сжатия и разогрева при опускании. Оно определяется теплоемкостью воздуха в приземном слое атмосферы, которая тем больше, чем выше его влажность. Учитывающую подобные явления теорию парникового эффекта разработал К. Я. Кондратьев.

Главные выводы этой теории:

1)- средняя температура в слоях тропосферы, где давление выше 0,2 атм, определяется в основном интенсивностью солнечного излучения, атмосферным давлением на этом уровне, влажностью и удельной теплоёмкостью воздуха;

2)- усиление парникового эффекта интенсифицирует термическую конвекцию, что вызывает усиление отвода тепла от земной поверхности, изменение спектра теплового излучения, уходящего за пределы земной атмосферы и ее эффективной температуры.

3) – причинами потепления глобального климата наряду с парниковым эффектом могут быть и другие природные процессы, влияющие на него с помощью различных обратных связей.

В этом смысле парниковый эффект служит не только причиной современного потепления климата, но и его следствием.