Парниковый эффект атмосферы

В настоящее время все более актуальным становится вопрос об изменении климата Земли в результате воздействия хозяйственной деятельности человека. Особую тревогу вызывает увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере, которое приводит к нагреванию поверхности Земли и нижней атмосферы и, возможно, является одной из основных причин наблюдаемого в последние десятилетия потепления климата.

Часть солнечной радиации, оставшаяся после отражения, поглощается земной поверхностью и переходит в тепло. Как известно, всякое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля (—273°С), является источником излучения. Чем выше температура тела, тем больше энергии и тем более короткие длины волн оно излучает. Температура земной поверхности значительно ниже температуры на поверхности Солнца и колеблется от 190 до 350 К. В соответствии с этими температурами земная поверхность излучает длинноволновую радиацию в области спектра 4 — 120 мкм. Эта радиация называется собственным излучением земной поверхности. Атмосфера нагревается в результате сравнительно малого поглощения коротковолновой солнечной радиации и сильного поглощения собственного излучения земной поверхности. Кроме того, атмосфера получает тепло от земной поверхности путем теплопроводности и при конденсации водяного пара. Нагретая таким образом атмосфера излучает инфракрасную радиацию примерно в том же диапазоне длин волн, что и земная поверхность. Атмосферная радиация, направленная вниз, называется встречным излучением.

Атмосфера защищает Землю от чрезмерного нагревания и охлаждения: она играет роль «одеяла», удерживающего тепло. При отсутствии атмосферы температура земной поверхности была бы -23DC, при которой жизнь на Земле практически невозможна. Благодаря же атмосфере она равна +15°С.

Это свойство атмосферы называют парниковым эффектом по аналогии с теплицами и оранжереями, сохраняющими внутреннее тепло для растений. Таким образом, в дополнение к поглощенной солнечной радиации встречное излучение атмосферы — важный источник тепла для земной поверхности. С увеличением облачности встречное излучение возрастает, поскольку сами облака сильно излучают длинноволновую радиацию. Газы, создающие в атмосфере экран, задерживающий инфракрасные лучи, и способствующих в результате этого нагреванию поверхности Земли и нижних слоев атмосферы, называются парниковыми. Они присутствовали в атмосфере в незначительном количестве почти на всем протяжении истории Земли.

Наиболее Значимый природный парниковый газ — водяной пар Н20. Он поглощает и излучает длинноволновую инфракрасную радиацию в диапазоне длин волн 4,5 — 80 мкм. Влияние водяного пара на парниковый эффект является определяющим и создается преимущественно полосой поглощения 5 — 7,5 мкм. Тем не менее, часть излучения поверхности Земли в областях спектра 3 — 5 мкм и 8 — 12 мкм, называемых окнами прозрачности, уходит сквозь атмосферу в мировое пространство. Парниковый эффект водяного пара усиливается полосами поглощения углекислого газа, который попадает в атмосферу в результате вулканической деятельности, естественного круговорота углерода в природе, гниения органических веществ в почве при нагревании, а также человеческий деятельности, главным образом вследствие сжигания ископаемого топлива (угля, нефти, газа) и уничтожения лесов.

Помимо углекислого газа в атмосфере увеличивается содержание таких парниковых газов, как метан, закись азота и тропосферный озон. Метан поступает в атмосферу из болот и глубоких трещин в земной коре. Увеличению его концентрации способствуют развитие сельскохозяйственного производства (особенно расширение обильно орошаемых рисовых полей), увеличение поголовья скота, сжигание биомассы и добыча природного газа. Концентрацию закиси азота увеличивают использование азотных удобрений, выбросы самолетов, а также процессы окисления. Озон в тропосфере увеличивается в результате химических реакций под действием солнечных лучей между углеводородами и окислами азота, образовавшимися вследствие сжигания ископаемого топлива Концентрация этих газов возрастает быстрее, чем концентрация углекислого газа, и в будущем их относительный вклад в парниковый эффект атмосферы может увеличиться. Росту парникового эффекта атмосферы способствует также увеличение концентрации сильно поглощающего аэрозоля индустриального происхождения (сажа) с радиусом частиц 0,001 — 0,05 мкм. Увеличение в атмосфере Земли содержания парниковых газов и аэрозолей может значительно повысить глобальную температуру и вызвать другие климатические изменения, экологические и социальные последствия которых пока трудно предсказать.