Глобальне потепління на нашій планеті стало начебто вже загальновідомим фактом. І фахівці попереджають, що це глобальне потепління, яке відбувається через парниковий ефект в атмосфері, може мати найсерйозніші наслідки. Тому планується проведення досліджень дії парникового ефекту не тільки на Землі, а й на Венері, Марсі та Титані (супутнику Сатурна), щоб людство чіткіше могло собі уявити, які мінливості клімату його можуть очікувати надалі.

Поки що людство було нечисленним і не обтяженим технічними досягненнями, воно своєю діяльністю слабко впливало на клімат Землі. Але зараз людина активно втручається у процес теплообміну на нашій планеті, часто не замислюючись про наслідки.

Енергія Сонця нагріває поверхню Землі, яка у свою чергу випромінює цю енергію назад у космос. Але деякі атмосферні гази не дають цій енергії вийти за межі атмосфери. У цьому полягає парниковий ефект. Без нього середня температура Землі, яка зараз становить 15 o З, була на 30 o нижче. Людина, спалюючи паливо та вирубуючи ліси, викидає в атмосферу масу парникових газів, тим самим посилюючи парниковий ефект. У результаті останнє століття глобальна температура Землі збільшилася більше, ніж півградуса.

Приклад того, що може статися, коли парниковий ефект стає сильним, можна побачити на Венері. Ця планета за розмірами і масою лише трохи поступається Землі. Але температура її поверхні становить близько 460 o З. Зараз атмосфера Венери майже повністю складається з вуглекислого газу, що є парниковим газом. У земній атмосфері частка вуглекислого газу становить поки що близько 0,03%. Начебто це дуже мало, але з часів початку розвитку промисловості частка вуглекислого газу в атмосфері збільшилася на 30%.

Чому ж на Венері склад атмосфери відрізняється так сильно від земного? Можливо, на Землю теж чекає доля Венери? На це питання, можливо, вдасться відповісти європейському зонду Venus Express, який вирушить дослідити Венеру у 2005 році.

Зовсім не схожа на Венеру інша наша сусідня планета – Марс. На Марсі поки що не помічено жодних ознак парникового ефекту. У його атмосфері є вуглекислий газ, але сама атмосфера така тонка та розріджена, що її тиск на поверхні становить лише соту частку від "земних" 760 мм рт. ст. Тому ніякої енергії Сонця вона не затримує, і між днем ​​і вночі, а також світлом і тінню існують різкі контрасти температури. Багато фахівців вважають, що в минулому на Марсі було набагато тепліше і що там були навіть океани, а отже, і атмосфера була зовсім іншою. Однак близько 3,6 млрд років тому на Марсі щось сталося, і він згодом прийшов до нинішнього стану. Що могло стати поштовхом для такої зміни клімату? Відповісти на це запитання вчені планують за допомогою європейського зонду Mars Express, який вирушить до Марса у травні цього року.

Якийсь проміжний за інтенсивністю парниковий ефект є на найбільшому супутнику Сатурна Титані. Щоправда, у його атмосфері він пояснюється великими концентраціями метану, який є парниковим газом. Але на Титані все-таки набагато холодніше, ніж на Землі - близько -180 o С. Зараз до Сатурна летить зонд Cassini з мінізондом Huygens. Останній призначений саме для досліджень Титану. Для цього його буде скинуто в атмосферу на парашуті. Можливо, ці дослідження дозволять землянам дізнатися про щось корисне і для розуміння процесів на своїй планеті.

З тиском CO2 більш ніж 90 бар на поверхні та температурою 733 Kельвін, а не з ефективною температурою для Венери, що дорівнює приблизно 240 K (Поллак, 1979). На відміну від Венери, на парниковий ефект становить зараз близько 33 K перегріву, що також відіграє важливу роль у підтримці життя. На парниковий ефект невеликий і дорівнює 5 K, хоча дослідження говорять про те, що він був значно більшим у минулому (Карр і Хед, 2010). Цікаво, що у парникового ефекту на багато спільного з таким на Землі, в тому числі там порівняний тиск на поверхні (в 1,5 рази більший за земний, на відміну від Венери та Марса, які мають тиск приблизно в 100 разів більше, і в 100 разів менше відповідно), а також на Титані присутні парникові гази, що конденсуються, незважаючи на низькі температури (Кустеніс, 2005).

Можна використовувати порівняльну планетологію, щоб розглянути ці планети в сукупності та позначити основні закони та значення парникового ефекту. Такий порівняльний аналіз може дати уявлення про можливі атмосферні оболонки та умови на поверхні земного типу. У цій роботі розглядається більше, ніж просто чотири набори даних про поточний стан, адже можна також спиратися на можливі атмосферні умови, що існували на них у минулому, з урахуванням геологічних, геохімічних та ізотопних доказів та інших фундаментальних фізичних причин.

Структура даної роботи виглядає так: по-перше, розглянемо фізичні основи парникового ефекту та гази-поглиначі випромінювання. По-друге, коротко розглянемо кожне з чотирьох космічних тіл, перерахованих вище, головні гази-поглиначі, структуру атмосфери та переважні умови на поверхні біля різних тіл. Також розглянемо можливі картини минулих умов, з урахуванням того, як вони співвідносяться з даними про різні атмосферні умови в минулому та парадоксом слабкого молодого. І, нарешті, зв'яжемо всі ці нитки разом та з'ясуємо основні фізичні процеси, пов'язані з кожною планетою та проведемо аналогії між ними. Зверніть увагу, що тут розглядаються насамперед якісні характеристики.

ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО ПАРНИКОВІ ГАЗИ

Парникові гази пропускають видиме світло, дозволяючи більшій частині сонячного світла не відбиватися атмосферою і досягати поверхні, але вони непрозорі в інфрачервоному діапазоні, впливаючи на випромінювання таким чином, що збільшується температура поверхні і планета знаходиться в тепловій рівновазі з потоком сонячного випромінювання, що надходить на неї.

Фізичний процес, з якого атоми і молекули поглинають випромінювання, складний, і включає багато законів квантової механіки для опису повної картини. Проте можна якісно описати процес. Кожен атом або молекула має набір станів, що відповідають різним квантованим рівням енергії. Молекула може переходити зі стану з меншою енергією в стан з більшою енергією або шляхом поглинання фотона, або з високоенергетичного зіткнення з іншою часткою (варто звернути увагу, що не факт, що всі можливі вищі енергетичні стани можуть бути досягнуті безпосередньо з цього нижчого і навпаки ). Після переходу в збуджений стан молекула може розбудитися в нижчий енергетичний стан або навіть в основний стан (стан із найменшою енергією), випустивши фотон або передавши частину своєї енергії іншій частині після зіткнення з нею. Є три види переходів для газів-поглиначів у атмосфері Землі. У порядку зменшення енергії ними є: електронні переходи, коливальні переходи та обертальні переходи. Електронні переходи відбуваються з енергіями ультрафіолетового діапазону, коливальні та обертальні переходи відбуваються у ближній та середній інфрачервоній області спектру. Озон є прикладом поглинання киснем ультрафіолетових променів, у той час як водяна пара має помітні коливальні та обертальні енергії в інфрачервоному діапазоні. Оскільки інфрачервоне випромінювання переважає у випромінюванні Землі, обертальні та коливальні переходи є найважливішими під час обговорення теплового балансу Землі.

Це не вся історія, тому що кожна лінія поглинання залежить від швидкості частинок (температури) та тиску. Зміна цих величин може спричинити зміну спектральних ліній і, таким чином, змінити поглинання випромінювання, що забезпечується газом. Крім того, ще доведеться обговорити інший спосіб поглинання, що відноситься до дуже щільної або дуже холодної атмосфери - індуковане зіткненнями поглинання (відоме як ІСП). Сенс його в тому, що ІСП дозволяє неполярним молекул (тобто симетричним молекул без сильного дипольного моменту) поглинати випромінювання. Це працює одним із двох способів: перший - зіткнення викликає тимчасовий дипольний момент у молекули, що дозволяє поглинути фотон або другий - дві молекули, наприклад, Н2-N2, ненадовго зв'язуються в одну супермолекулу зі своїми власними квантованими обертальними станами. Ці тимчасові молекули називаються димерами (Хант та ін. 1983; Вордсворт та ін. 2010). Пряму пропорційність щільності досить легко зрозуміти інтуїтивно: що щільніше газ, то більша ймовірність зіткнення. Негативний зв'язок з температурою може розумітися як вплив часу перебування – якщо молекула має багато поступальної енергії, вона витрачатиме менше часу в безпосередній близькості від іншої молекули, таким чином, формування димерів менш ймовірне.

Знаючи чисельні значення характеристик радіаційного форсингу, можна легко розрахувати температури без будь-яких ефектів зворотного зв'язку. Якщо підлаштовувати температуру поверхні, буде більшим випромінюванням енергії в космос (Хансен, Сато і Руді 1997). Взагалі, розуміння кліматичного зворотного зв'язку має вирішальне значення, оскільки негативний зворотний зв'язок стабілізує температуру, а позитивний зворотний зв'язок посилює обурення та породжує безконтрольний процес. Часові проміжки ефектів зворотного зв'язку, що істотно відрізняються, також дуже важливі. Часто буває необхідно звернутися до моделі загальної циркуляції (МОЦ), що включає всі важливі ефекти зворотного зв'язку з відповідними масштабами часу для того, щоб робити точні передбачення (Тейлор 2010). Прикладами ефектів зворотного зв'язку є: формування хмар в залежності від температури (негативний зворотний зв'язок, короткі часові рамки), танення або утворення значного крижаного покриву (позитивний зворотний зв'язок, короткі/середні часові масштаби), карбонатно-силікатний цикл (негативний зворотний зв'язок, довгі тимчасові рамки) та біологічні процеси (бувають різними).

ПАРНИКОВИЙ ЕФЕКТ У СОНЯЧНІЙ СИСТЕМІ

Земля

Середня за рік температура поверхні Землі становить 288 K, а ефективна температура дорівнює 255 К. Ефективна температура визначається ставленням теплового балансу до поступаючого потоку сонячного випромінювання відповідно до рівняння нижче

де S - сонячна постійна (на землі ~ 1366 Вт / м2), А - геометричне альбедо Землі, σ - постійна Стефана-Больцмана, f - геометричний фактор, що дорівнює 4 для швидко обертається планет, тобто. планет з періодом обертання порядку днів (Кетлінг та Кестінг 2013). Отже, парниковий ефект спричиняє підвищення цієї температури на Землі на 33 K (Поллак 1979). Вся Земля повинна випромінювати як абсолютно чорне тіло, нагріте до 255 K, але поглинання парниковими газами, в першу чергу СО2 і Н2О, повертає тепло назад до поверхні, створюючи холодні верхні шари атмосфери. Ці шари випромінюють при температурі значно нижче 255 К і тому щоб випромінювати як абсолютно чорне тіло температурою 255 К поверхня повинна бути тепліше і випромінювати більше. Більшість потоку йде через вікно 8-12 мікрон (відносно прозора для атмосфери область довжин хвиль).

Важливо підкреслити, що холодні верхні шари атмосфери позитивно корелюють з теплою поверхнею - що більше здатні випромінювати верхні шари атмосфери, то менше потік, який повинен йти з поверхні (Кестінг 1984). Тому слід очікувати, що чим більша різниця між температурними мінімумами поверхні та верхніх шарів атмосфери планети, тим більший парниковий ефект. Хансен, Сато та Руді (1997) показали, що дворазове збільшення концентрації СО2 рівносильне посиленню потоку сонячного випромінювання на 2%, без урахування ефектів зворотного зв'язку.

Основними парниковими газами Землі є водяна пара і вуглекислий газ. Гази значно меншої концентрації, як озон, метан і оксиди азоту теж роблять свій внесок (Де Патер і Лізауер 2007). Примітно, що в той час як пара робить найбільший внесок у парникове нагрівання, вона конденсується і «синхронізується» з парниковими газами, що не конденсуються, в першу чергу CO2 (Де Патер і Лізауер, 2007). Водяна пара може віддавати приховану теплоту в атмосферу, конденсуючись, зсуваючи градієнт температури в тропосфері до вологого адіабатичного, а не сухого. Вода не може потрапити в стратосферу і піддатися фотолізу через тропосферну холодну пастки, що конденсує водяну пару при температурному мінімумі (в тропопаузі).

Еволюція атмосфери

Наявність осадових порід та очевидна відсутність льодовикових відкладень на Землі близько 4 млрд років тому дозволяє припускати, що рання Земля була теплою, можливо, теплішою, ніж сьогодні (Де Патер та Лізауер 2007). Це особливо проблематично, оскільки потік сонячного випромінювання, як вважають, був на той час приблизно на 25% нижчим. Ця проблема відома як «Парадокс слабкого молодого сонця» (Гольдблат та Занле 2011). Можливим поясненням може бути більший парниковий ефект, ніж сьогодні. Концентрації СН4, СО2 і Н2О і, можливо, NH3 були, як вважають, більше в ті часи (Де Патер). Багато гіпотез висувалися, щоб пояснити цю розбіжність, у тому числі набагато більший парціальний тиск CO2, значний парниковий ефект через метан (Павлов, Кестінг, і Браун, 2000), шар органічного туману, підвищена хмарність, розширення спектральних ліній під дією тиску -за значно більших парціального тиску азоту та загального атмосферного тиску (Голдблатт та ін. 2009).

Венера

У той час як Венера часто описується як сестра Землі через аналогічну масу і розмір, її поверхневі та атмосферні умови не мають нічого спільного з Землею. Температура поверхні та тиск дорівнюють 733 К та 95 бар відповідно (Де Патер та Лізауер 2007, Краснопільський 2011). Завдяки високому альбедо і 100% хмарності, рівноважна температура становить близько 232 К. Тому парниковий ефект на Венері просто монструзький і дорівнює приблизно 500 К. Це не дивно при парціальному тиску CO2 92 бар. Поширення ліній тиском має велике значення за таких щільностей і робить значний внесок у потепління. СО2-СО2 ІСП також може зробити свій внесок, проте ще не було літератури про це. Зміст водяної пари обмежується 0,00003% за обсягом (Мідоуз та Крісп 1996).

Еволюція атмосфери

Часто вважається, що Венера почала з летючим набором, аналогічним земному та подібним до початкового ізотопного складу. Якщо це правда, то виміряне для Землі відношення Дейтерій/Протий, що дорівнює більш ніж 150 (Донах'ю та ін. 1982), вказує на великі втрати водню в минулому, імовірно через фотодисоціацію води (Шасеф'єр та ін. 2011), хоча Грінспун та Льюїс (1988) припустили, що доставка води могла б пояснити цей ізотопний підпис. У будь-якому разі, Венера могла мати океани перед настанням свого поточного стану, якби містила стільки води, скільки містить Земля (Кестінг 1987). Її стан не міг бути викликаний одним тільки збільшенням концентрації СО2 (або будь-якого іншого парникового газу), але зазвичай вважається, що воно викликано збільшеним припливом сонячної енергії (Кіппенхан 1994), хоча внутрішній тепловий потік, що викликає безконтрольний парниковий ефект у планет з приливним захопленням також можливий (Барнес та ін. 2012).

Кестінг (1987) досліджував як безконтрольний, і стійкий парниковий ефект на Венері. У випадку, якщо Венера мала океан на ранніх етапах історії, сонячний потік енергії на її нинішній орбіті був би таким, що практично відразу почався б парниковий сценарій. Є два сценарії втрати океану води через збільшення потоку сонячного випромінювання (Кестінг 1987, Голдблатт та ін. 2011, Кетлінг та Кестінг 2013). Перший неконтрольований сценарій: океан починає випаровуватись у тропосферу, збільшуючи нагрівання, але й тиск теж збільшується, так що океани не киплять. Вода накопичується в тропосфері набагато швидше, ніж відбувається фотодисоціація та витікання водню в космос. Погодні явища все ще можуть відбуватися та уповільнювати виділення CO2. Температура і тиск водяної пари збільшуються і океан зберігається до досягнення критичної точки води в 647 К, при якій неможливо перетворити пару у воду за жодного тиску, і в цей момент вся ще рідка вода випаровується і створює щільний туман з водяної пари, повністю непрозорий для вихідного довгохвильового випромінювання. Температура поверхні потім збільшується, поки не починає випромінювати в ближній інфрачервоній та видимій областях, де прозорість водяної пари значно вища і стійкіша. Це відповідає температурі 1400 До, досить високої щоб плавити приповерхневі породи і виділяти з них вуглець. Крім того, без кліматичних впливів CO2 може виділятися з породи і нікуди не видалятися. У другому сценарії вихід водяної пари в атмосферу робить розподіл температури більш ізотермічним, піднімаючи тропопаузу і руйнуючи холодну пастку. Водяна пара, отже, може перейти в стратосферу і зазнати фотолізу. На відміну від першого сценарію вода втрачається зі швидкістю, пропорційною зі швидкістю випаровування з океану, при цьому випаровування не припиниться доти, поки вся вода не закінчиться. Коли вода закінчилася, карбонатно-силікатний цикл вимикається. Якщо триває газовиділення СО2 з мантії, немає доступного способу його видалення.

Марс у сенсі протилежний Венері з погляду температури і тиску. Тиск на поверхні становить приблизно 6 мілібар, а середня температура 215 K (Карр та Хед 2010). Рівноважна температура, як може бути показано, дорівнює 210 K, тому парниковий ефект становить близько 5 К і є незначним. Температура може змінюватися в діапазоні від 180 K до 300 K залежно від широти, пори року та доби (Карр і Хед 2010). Теоретично є короткі проміжки часу, коли рідка вода може існувати на марсіанській поверхні відповідно до фазової діаграми для H2O. Взагалі, якщо ми хочемо побачити мокрий Марс, ми маємо дивитися у минуле.

Еволюція атмосфери

"Марінер 9" вперше відправив фотографії, що показують очевидні сліди річкових потоків. Найпоширеніше їхнє тлумачення, що раніше Марс був теплим і вологим (Поллак 1979, Карр і Хед 2010). Якийсь механізм, імовірно, парниковий ефект (хоча розглядалися також і хмари), який мав викликатися достатнім радіаційним форсингом, зробив Марс теплішим у період його ранньої історії. Проблема ще гірша, ніж здається на перший погляд, враховуючи, що Сонце було на 25% тьмяніше 3,8 мільярда років тому, коли на Марсі був м'який клімат (Кастинг 1991). Ранній Марс, можливо, мав тиск на поверхні близько 1 бар і температуру, близьку до 300 К (Де Патер та Лізауер 2007).

Кестинг (1984, 1991) показав, що тільки CO2 не міг гріти ранню поверхню Марса до 273 К. Конденсація СО2 в клатрати змінює градієнт температури атмосфери і змушує верхні шари атмосфери випромінювати більше тепла, і якщо при цьому планета знаходиться в променистому поверхня випромінює менше, щоб планета мала той же вихідний потік довгохвильового інфрачервоного випромінювання, поверхня при цьому починає охолоджуватися. Таким чином, при тисках, що перевищують 5 бар CO2, швидше охолоджує планету, а не нагріває. І цього недостатньо для нагрівання марсіанської поверхні вище за точку замерзання води, враховуючи сонячний потік у ті часи. У цьому випадку СО2 конденсуватиметься в клатрати. Вордсворт, Фогет і Ейміт (2010) представили більш суворий розгляд фізики поглинання СО2 в щільній чистій атмосфері СО2 (з урахуванням ІСП), що показує, що насправді Кестінг в 1984 завищив температури поверхні при високих тисках, ніж посилив проблему. Інші парникові гази на додаток до CO2 могли б вирішити цю проблему, або, можливо, пил, якщо вона зменшувала альбедо.

Раніше обговорювалася можлива роль СН4, NH3 та H2S (Саган та Маллен, 1972). Пізніше ще SO2 було запропоновано як парникового газу (Юнг та інших., 1997).

Температура поверхні Титану і тиск дорівнюють 93 К і 1,46 бар відповідно (Кустеніс). Атмосфера складається переважно з N2 з кількома відсотками CH4 і близько 0,3% H2 (МакКей, 1991). Тропопауза Титану температурою 71 K на висоті 40 км.

Парниковий ефект Титану в першу чергу викликаний індукованим тиском поглинанням довгохвильового випромінювання молекулами N2, CH4 та H2 (Маккей, Поллак та Кортін 1991). H2 сильно поглинає типове титану випромінювання (16,7-25 мікрон). СН4 аналогічний водяному пару Землі, оскільки він конденсується за умов атмосфери Титану. Парниковий ефект на Титані обумовлений переважно індукованим зіткненнями поглинанням з димерами N2-N2, СН4-N2 і H2-N2 (Хант та ін. 1983; Вордсворт та ін. 2010). Це разюче відрізняється від атмосфери Землі, Марса та Венери, де переважає поглинання через коливальні та обертальні переходи.

Титан також має помітний антипарниковий ефект (МакКей та ін, 1991). Антипарниковий ефект викликається наявністю на великій висоті шару серпанку, що поглинає видиме світло, але є прозорим для інфрачервоного випромінювання. Антипарниковий ефект зменшує температуру поверхні на 9 К, водночас парниковий ефект підвищує її на 21 К. Таким чином, чистий парниковий ефект дорівнює 12 K (82 K - ефективна температура порівняно з 94 K температурою поверхні, що спостерігається). Титан без шару серпанку буде на 20 К тепліше через відсутність антипарникового ефекту та посиленого парникового ефекту (МакКей та ін. 1991).

Охолодження поверхні в основному обумовлено випромінюванням в 17-25-мікронової області спектра. Це інфрачервоне вікно Титану. Н2 має важливе значення, тому що він поглинає в цій галузі, так само як СО2 дуже важливий на Землі, тому що він поглинає в інфрачервоній смузі випромінювання Землі. Обидва гази також не стиснуті насиченням своїх пар в умовах своєї атмосфери.

Метан близький до тиску насиченої пари, аналогічно H2O Землі.

Еволюція атмосфери

Через посилення світності Сонця, температура поверхні Титану, швидше за все, на 20 K тепліше, ніж була 4 мільярди років тому (Маккей та ін., 1993). У цьому випадку N2 в атмосфері було б охолодженим до стану льоду. Формування та час існування атмосфери Титану є цікавою проблемою без будь-яких міцних рішень (Кустеніс 2004). Одна з проблем у тому, що з такими темпами фотолізу CH4 та виробництва етану, поточні запаси СН4 в атмосфері Титану виснажилися б набагато менше часу, ніж вік Сонячної системи. До того ж, рідкий етан накопичувався на поверхні кілька сотень метрів нижче за сьогоднішніх темпах виробництва (Люнайн та інших., 1989). Або зараз нехарактерний період в історії Титану, або є невідомі джерела метану та стоки для етану (Кетлінг та Кестінг, 2013).

ВИСНОВКИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

Земля, Марс і Венера схожі на те, що кожна планета має помітну атмосферу, погоду, минулий чи поточний вулканізм, і хімічно неоднорідний склад. Титан також має вагому атмосферу, погоду, можливо криовулканізм та потенційно частково неоднорідний склад (Де Патер та Лізауер 2007).

Марс, Земля та Венера мають парниковий ефект із помітним впливом СО2, хоча величини потепління та парціального тиску СО2 різняться на кілька порядків. Цілком очевидно, що Земля і Марс повинні були мати додатковий прогрів раніше в історії Сонячної системи, коли Сонце світило слабше. Поки незрозуміло, що було джерелом потепління для цих двох планет, хоча і було запропоновано безліч рішень і безліч пояснень можливі. Цікаво, що Марс дозволяє порівняти з минулим Землі, оскільки обидві планети мають безліч геологічних свідчень тому, що вони були теплішими, маючи щось більше, ніж парниковий ефект, створений газом CO2. У той же час безконтрольний парниковий ефект на Венері дає уявлення про майбутнє Землі, якщо сонячна активність продовжить зростати. Порівнюючи моделі всім трьох планет, знаючи фундаментальні фізичні закони, однакові всім планет, ми можемо отримати речі, отримати які було неможливо, якби Сонце не впливало планети земної групи.

Титан є захоплюючим матеріалом на дослідження, на думку автора, тим більше, що, на відміну інших описаних світів, у його парниковому ефекті переважає індуковане зіткненнями поглинання. Прогрів через ІСП має безліч можливих застосувань для опису умов та можливої ​​життєдіяльності екзопланет (П'єрхьюмберт). Як і в атмосфері Землі, в атмосфері Титану міститься достатньо речовини, близької до потрійної точки, яка може конденсуватися в атмосфері і тому здатна впливати на розподіл температури.

Основні види газів в атмосфері Землі, звичайно, схильні до впливу живих організмів (Тейлор 2010). Очевидно, що це не вірно для інших планет у Сонячній системі. Тим не менш, ми можемо використовувати порівняння Землі з неживими світами в нашій системі, щоб краще розуміти можливі інші біосфери.

Парниковий ефект - підвищення температури нижніх шарів атмосфери планети проти ефективної температурою, тобто температурою теплового випромінювання планети, що спостерігається з космосу.

Садівники добре знайомі з цим фізичним явищем. Усередині парника завжди тепліше, ніж зовні, і це допомагає вирощувати рослини, особливо в холодну пору року. Ви можете відчути аналогічний ефект, коли ви перебуваєте в автомобілі. Причина його полягає в тому, що Сонце з температурою поверхні близько 5000 ° С випромінює головним чином видиме світло - частина електромагнітного спектра, до якої чутливі очі. Оскільки атмосфера значно прозора для видимого світла, сонячне випромінювання легко проникає до Землі. Скло також прозоре для видимого світла, так що сонячні промені проходять усередину парника, і їхня енергія поглинається рослинами та всіма об'єктами, що знаходяться усередині. Далі, згідно із законом Стефана-Больцмана, кожен об'єкт випромінює енергію в будь-якій частині електромагнітного спектру. Об'єкти з температурою близько 15°С - середньої температури біля Землі - випромінюють енергію в інфрачервоному діапазоні. Таким чином, об'єкти у парнику випромінюють інфрачервоне випромінювання. Однак інфрачервоне випромінювання не може легко проходити через скло, тому температура всередині парника підвищується.

Планета зі стійкою атмосферою, така як Земля, має практично такий самий ефект - у глобальному масштабі. Щоб підтримувати постійну температуру, Землі необхідно випромінювати стільки ж енергії, скільки вона поглинає з видимого світла, випромінюваного в наш бік Сонцем. Атмосфера служить як би склом у парнику - вона настільки прозора для інфрачервоного випромінювання, як сонячного світла. Молекули різних речовин у атмосфері (найважливіші їх - вуглекислий газ і вода) поглинають інфрачервоне випромінювання, діючи як парникові гази. Таким чином, інфрачервоні фотони, що випромінюються земною поверхнею, не завжди йдуть прямо в космос. Деякі їх поглинаються молекулами парникових газів у атмосфері. Коли ці молекули вдруге випромінюють енергію, що вони поглинули, можуть випромінювати її як у бік космосу, і усередину, до поверхні Землі. Присутність таких газів у атмосфері створює ефект укриття Землі ковдрою. Вони не можуть припинити витік тепла назовні, але дозволяють зберегти тепло біля поверхні більш довгий час, тому поверхня Землі значно тепліша, ніж була б без газів. Без атмосфери середня температура поверхні становила б -20 ° С, що набагато нижче точки замерзання води.

Важливо розуміти, що парниковий ефект Землі був завжди. Без парникового ефекту, зумовленого наявністю вуглекислого газу атмосфері, океани давно замерзли, і вищі форми життя з'явилися б. Нині наукові дебати про парниковому ефекті йдуть щодо глобального потепління: чи не надто ми, люди, порушуємо енергетичний баланс планети внаслідок спалювання викопних видів палива та іншої господарської діяльності, додаючи при цьому зайву кількість вуглекислого газу в атмосферу? Сьогодні вчені сходяться на думці, що ми є відповідальними за підвищення природного парникового ефекту на кілька градусів.

Парниковий ефект має місце як Землі. Насправді найсильніший парниковий ефект, про який ми знаємо - на сусідній планеті, Венері. Атмосфера Венери майже повністю складається з вуглекислого газу, і внаслідок цього поверхня планети розігріта до 475°С. Кліматологи вважають, що ми уникли такої долі завдяки наявності на Землі океанів. Океани поглинають атмосферний вуглець, і він накопичується у гірських породах, як-от вапняк -- у вигляді цього вуглекислий газ видаляється з атмосфери. На Венері немає океанів і весь вуглекислий газ, який викидають в атмосферу вулкани, там і залишається. В результаті ми спостерігаємо на Венері некерований парниковий ефект.

Кількість водяної пари в атмосфері прямо пов'язана з "парниковим ефектом", суть якого полягає в наступному. Хоча більшу частину сонячного світла хмари відбивають назад, частина його все ж таки проходить крізь атмосферу, падає на поверхню планети і поглинається нею. Оскільки планета перебуває в тепловій рівновазі (тобто не стає з часом гарячою), вся поглинена енергія має знову випромінюватись у космос. Якби не перешкоджала атмосфера, поверхня планети впоралася б із цим завданням, нагрівшись приблизно до 230 К (в середньому по двох півкулях; звичайно, денне було б трохи гарячіше, а нічне - холодніше). При цьому випромінювання поверхні лежало в інфрачервоному діапазоні з максимумом між 10 і 15 мкм. Але саме у цьому діапазоні атмосфера малопрозора. Вона перехоплює значну частину випромінювання поверхні та повертає її назад. Від цього поверхня нагрівається ще сильніше, до такої температури, при якій потік тепла, що виходить в космос, все ж таки врівноважує його приплив від Сонця. Таким чином, рівновага відновлюється, але вже з підвищеною температурою поверхні (735 К).

Цей ефект названий «парниковим», оскільки скло або плівка в садовому парнику відіграє ту ж роль, що і атмосфера планети: прозорий для світла дах парника пропускає спрямовані до землі сонячні промені, але затримує інфрачервоне випромінювання, що йде від землі, і висхідні потоки теплого повітря.

Розрахунок показує, що температура поверхні Венери відповідає концентрації водяної пари близько 3?10 -5 ; якби його було більше, непрозорість для інфрачервоних променів значно зросла б і температура поверхні стала б ще вищою. Мабуть, початкова температура Венери через її порівняльну близькість до Сонця була відносно високою. Це сприяло виділенню з поверхні води та вуглекислого газу, що стимулювали парниковий ефект та подальше зростання температури.

На відміну від інших планет земної групи, поверхні яких можна було спостерігати із Землі в телескоп, поверхню Венери не можна побачити навіть з орбіти, оскільки ця планета оповита потужною хмарною атмосферою. Температура біля її поверхні перевищує 460 ° C, тиск - майже сто атмосфер, і найбільше Венера нагадує пустелю. На її поверхні плавиться свинець, по небу пливуть щільні хмари двоокису сірки, у тому числі іноді випадають дощі сірчаної кислоти і б'ють блискавки із частотою у 30 разів більшою, ніж Землі. Сонця там не буває видно ніколи-через суцільний шар хмар і сильного розсіювання світла щільною атмосферою.

Передбачуваний вид поверхні Венери у районі гірського масиву Іштар. На горизонті – пік Маат (11 тис. м).

Все це наслідки катастрофічного парникового ефекту, завдяки якому поверхня Венери не може ефективно охолоджуватися. Щільна ковдра атмосфери з вуглекислого газу утримує тепло, що надійшло від Сонця. В результаті накопичується така кількість теплової енергії, що температура атмосфери набагато вища, ніж у духовці. На Землі, де кількість вуглекислого газу атмосфері невелика, природний парниковий ефект підвищує глобальну температуру на 30°С. На Венері парниковий ефект піднімає температуру ще на 400°.

Венера знаходиться ближче до Сонця і отримує від нього більше теплової енергії, проте, якби параметри атмосфери наших планет були однакові, то середня температура на Венері була б лише на 60°С вищою, ніж на Землі. А в районі полюсів там існувала б цілком комфортна, на наш погляд, температура для проживання - близько 20°С. Але невелика, на перший погляд, різниця в температурі відіграла фатальну роль - в якийсь момент на Венері виник позитивний зворотний зв'язок: чим більше розігрівалася планета, тим сильніше випаровувалась вода, тим більше в атмосфері накопичувалася пара води, яка є парниковим газом. … Температура зросла настільки, що там почали розкладатися карбонатсодержащие гірські породи, в атмосферу пішов додатковий вуглекислий газ - він і створив ту саму температуру в 500 ° С, яку ми сьогодні спостерігаємо.

Як і сучасна Земля, Венера колись була покрита океанами, але тепер там вода міститься лише в атмосфері та в густих хмарах сірчаної кислоти, що огортає планету – колись венеріанські океани википіли через парниковий ефект. Перші два мільярди років нагрівання планети стримувало інтенсивне утворення хмар. Тоді поверхня Венери мала помірну температуру, і на ній могли існувати океани рідкої води. Висока вологість та тепло – потрібне поєднання для зародження життя.

4,5 мільярда років тому, коли Земля тільки сформувалася, вона теж мала дуже щільну атмосферу з вуглекислого газу – так само, як Венера. Цей газ, однак, розчиняється у воді. Земля була не такою гарячою, як Венера, оскільки вона далі від Сонця; в результаті дощі вимивали вуглекислий газ з атмосфери та спрямовували його в океани. З раковин та кісток морських тварин виникали гірські породи, такі, як крейда та вапняк, до складу яких входять вуглець та кисень. Крім того, вуглекислий газ витягувався з атмосфери нашої планети та при утворенні вугілля та нафти.

Земля і Венера дуже схожі: за розмірами, густиною, за величиною прискорення вільного падіння. І загальна кількість СО 2 на планетах теж приблизно однакова. Тільки на Венері він уже вивільнився і перебуває в атмосфері, а на Землі більша його частина поки що у зв'язаному стані, у вигляді вапняку, крейди, мармуру. Це наш основний запас СО2.

Породи Землі теж можуть почати виділяти вуглекислий газ, якщо їх добре нагріти. На пізніх стадіях парникової катастрофи, якщо така у нас станеться, вони зроблять свій внесок. Але на початкових стадіях набагато більшу небезпеку становлять інші “природні комори” вуглекислоти. Величезні обсяги СО 2 розчинені у Світовому океані. Тут вуглекислого газу у 60 разів більше, ніж зараз у атмосфері. А в міру підвищення температури розчинність 2 в рідині знижується. Це всім відоме як «ефект шампанського». Якщо шампанське холодне – все нормально. А якщо його нагріти...
Так от, якщо цей закон спрацює, і більша частина Світового океану встигне прогрітися до певних значень, кліматичні зміни увійдуть у незворотну стадію - чим більше виділятиметься СО2, тим більше підвищуватиметься температура. А її зростання сприятиме подальшому виділенню вуглекислого газу з океану.
Є ще одне небезпечне джерело 2 - метан-гідрати. Це пов'язаний стан метану та води, метановий лід. Сьогодні його поклади існують у відносно стійкому стані за низьких температур на великих глибинах. При потеплінні ці комплекси стають нестабільними, починають розкладатися на метан та воду. А метан - ще активніший парниковий газ, ніж СО 2 . Якщо глибинні шари океану будуть прогріватися, метан-гідрати будуть найнебезпечнішими з усіх "корисних" копалин.
Все як на Венері, лавиноподібно. Тільки на Венері це швидше за все мало природну причину, якщо, звичайно, не припускати, що колись там існувала цивілізація, яка добувала і спалювала венеріанське вугілля та нафту і зрештою зробила зі своєю планетою те, що ми робимо зараз із Землею.

PS Термін життя дослідницьких роботів на поверхні Венери обчислюється хвилинами, тому пейзаж із блискавкою мені довелося змастрити самому у фотошопі, на основі радарного знімку (1), зробленого з орбіти «Магелланом», та кольорової панорамки в оптичному режимі (2), яку встигла зняти і передати «Венера-10» перед тим, як померти у страшних муках.

PPS. Якщо завтра ми перестанемо їздити на машинах і закриємо заводи, то кількість СО2, яка вже знаходиться в атмосфері, дасть нам граничний рівень потепління близько 10 градусів. Парниковий газ вже “закачано” в атмосферу, просто свою стабілізуючу роль поки що відіграє теплова інерція Світового океану та льодовиків. Вони є потужним буфером і дають відстрочку катастрофічного зростання температури років на двісті. Нам вистачить...