Парниковый эффект и радиационный форсаж атмосферы

Парниковый эффект и радиационный форсаж атмосферы

Атмосфера для нашей планеты — как теплое одеяло или, вернее, — как терморегулирующий скафандр. Без нее температура на Земле была бы в среднем на 30 (!) градусов ниже, то есть минус 15 градусов Цельсия, а также с огромным контрастом температуры дня и ночи: днем было бы очень жарко, а ночью — очень холодно.

Атмосфера Земли, состоящая на 78 % из азота, на 21 % из кислорода, содержит также и другие газы и примеси в незначительных пропорциях. В числе этих примесей находятся и уже ставшие «знаменитыми» парниковые газы: СО₂ (углекислый газ), СН₄ — метан, а также серные газы и водяной пар. В общей сложности все эти примеси представляют собой около 1 % земной атмосферы.

Чтобы понять, как парниковые газы и СО₂ влияют на температуру поверхности, нужно понять принципы радиационного (энергетического) баланса планеты и влияние атмосферы на него.

Итак, в 150 миллионах километров от Земли находится наша «печка» — Солнце, которая греет все вокруг с температурой около 6000 градусов Цельсия. Часть этого излучения доходит и до нашей планеты, далеко не все доходит до ее поверхности.

Атмосфера — это щит, который не пропускает часть солнечной энергии. Атмосферный щит отражает почти треть дошедшей до нас энергии обратно в космос. Если быть более точным — из дошедшей до Земли энергии в 342 ватта на квадратный метр атмосфера отражает 102 ватта и 240 ватт на квадратный метр проходят сквозь нее.

Но это еще не все, поскольку часть энергии, дошедшей до поверхности отражается обратно, еще раз проходит через атмосферу (опять с потерями), а часть отражается еще раз от атмосферы (на этот раз вниз) и возвращается к поверхности планеты. И все это много-много раз, примерно как шарик от пинг-понга, зажатый между двумя поверхностями. От этой «дополнительной» энергии, возвращенной к поверхности, температура планеты повышается.

Этот феномен — в упрощенном понимании «возврат атмосферой» к поверхности планеты части энергии, от нее отраженной, и называется парниковым эффектом.

Понятие это, на самом деле, неправильное, с научной точки зрения: этот эффект, на самом деле, не имеет ничего общего со знакомыми нам по огурцам-помидорам теплицам и парникам, где повышение температуры происходит по причине отсутствия конвекции (обмена теплого воздуха внутри теплицы и холодного снаружи). Но уж как назвали — пусть так и будет.

Понятие «парниковый эффект» было так сильно медиатизировано средствами массовой информации и политиками, что теперь поздно менять его на более правильное с точки зрения физики: радиационный форсаж.

В планетарном парниковом эффекте (феномене радиационного форсажа) основную роль играет способность земной поверхности отражать солнечные лучи и способность атмосферного экрана их пропускать (туда и обратно).

То есть если бы парникового эффекта не было, то земная поверхность, получив пропущенные атмосферой 240 ватт на квадратный метр, отражала бы их все обратно, но это не так.

Здесь самое место вспомнить, что такое альбедо. Альбедо — это и есть способность поверхности отражать часть солнечных лучей. Сточки зрения энергетического баланса — это та часть энергии, которая не используется для нагрева планеты Солнцем. Солнечное излучение отражается по-разному атмосферой, сушей, лесами и океаном. Чем альбедо выше, тем светлее нам кажется поверхность. Черная поверхность поглощает все лучи, падающие на нее, то есть альбедо равно нулю.

Альбедо Земли складывается из отражательной способности составляющих ее поверхность элементов. Все они, например из космоса, видятся более или менее светлыми. Те, что более светлые, имеют более высокое альбедо, более темные — более низкое. Например:

Свежий снег — 95%

Облака типа Cumulo-nimbus — 90%

Старый снег и ледники — 60%

Облака типа cirrus — 35%

Песок, пустыни — 30%

Растительность — 10%

Океан, реки, озера, вода — 7%

Таким образом, для всей земной поверхности среднее альбедо сегодня — около 30 %, что говорит о том, что Земля оставляет у себя 70 % солнечного излучения.

Тут надо сделать небольшое, но очень важное уточнение: с точки зрения энергетики, неправильно брать в расчет только видимую часть спектра. Если Солнце с температурой поверхности в 6000 градусов Цельсия поливает нас ультрафиолетом и лучами из верхней части спектра (солнце — желтая звезда), то отраженное ему обратно Землей излучение на 60 % состоит из видимого излучения и 40 % (!) из инфракрасного, которое и является основным «нагревателем» нашего планетарного «парника». Также, кстати, важно понимать, что альбедо растительности (листьев и травы) — всего 10 % в видимом спектре (они темные), но достигает 60 % в инфракрасном. Тут, кстати, наблюдается еще один забавный и немного провокационный парадокс: чем больше растительности — тем больше планета отражает инфракрасного излучения… Леса вырубить — парниковый эффект может стать и меньше… Все гораздо сложнее, чем представляется.

Но вернемся к энергетическому балансу земной поверхности. Получив 240 ватт энергии на квадратный метр, Земля поглощает две трети и треть отражает. То есть 160 ватт «нагревает» каждый квадратный метр Земли, и 80 ватт уходит «в небо». Но, чтобы сохранить энергетический баланс, Земля должна «отдавать» космосу те же 240 ватт. Земля — не холодная планета, у нее горячее ядро, наполненное магмой. Поэтому Земля излучает не только отраженную энергию Солнца, но и имеет свое инфракрасное (мы это помним) излучение. Это излучение на поверхности планеты сегодня равно 300 ваттам на квадратный метр. То есть поверхность Земли получает 240 ватт, а отдает больше — 380 ватт. Из этих 380 ватт через атмосферу проходит менее половины — около 150. Все остальное — 130 ватт возвращается обратно к земной поверхности и нагревает ее. Иными словами — Земля сама себя греет. Эта «дополнительная энергия» и есть проявление радиационного форсажа, или парникового эффекта.

Как вы видите, сам по себе парниковый эффект действительно оказывает существенное влияние на энергетический баланс планеты: оставленная им у поверхности планеты энергия (130 ватт на квадратный метр) почти сравнима с той частью энергии, которая доходит до нее через атмосферу от Солнца (160 ватт на квадратный метр).

Но данный факт сам по себе еще не говорит, что это вызывает потепление, как и не говорит о том, что именно углекислый газ — основной фактор парникового эффекта.

Физика парникового эффекта намного сложнее. Частота волн полученного и выпущенного излучения играет в нем важную роль. Вспомним тот факт, что Солнце излучает всю гамму лучей и много ультрафиолета, а основное излучение Земли — инфракрасное. Земля — темное небесное тело.

Так вот, разные молекулы атмосферы пропускают и отражают волны разной длины. Вода поглощает волны одной частоты — именно на эту частоту (2450 мегагерц) выставлены все, произведенные в Китае, микроволновки на всех кухнях всех домохозяек в мире. Но молекула азота поглощает волны на другой частоте, молекулы озона — на третьей, молекула углекислого газа СО₂ — на четвертой, и так далее.[2]

Основной диапазон волн, которые атмосфера пропускает, называется «окном». Главное «окно» земной атмосферы (излучение Земли) находится в диапазоне 9 и 11 микрометров. Именно в этом диапазоне и идет основное излучение Земли.

Как это ни парадоксально, но очевидно, что диапазон основного излучения Земли НЕ совпадает с длинной волн, которые поглощает СО₂!

Поэтому, очевидно, что основное излучение Земли — инфракрасное — СО₂ НЕ ПОГЛОЩАЕТ, а пропускает. Значит — влияние СО₂ на радиационный форсаж (парниковый эффект) не должно быть существенным. Значит, что-то другое в атмосфере поглощает инфракрасное излучение и оставляет эту энергию у поверхности планеты, но не СО₂.

То есть мы понимаем, что радиационный (и соответственно температурный) режим планеты очень сильно зависит от альбедо и от состава атмосферы (если в ней содержатся газы, молекулы которых поглощают энергию на тех же волнах, что сама планета излучает). От чего альбедо меняется? Ну во-первых, очевидны сезонные изменения в каждом полушарии. Летом растительность, зимой — снег и лед. Отмечу лишний раз, что сезонные вариации альбедо более заметны в Северном полушарии (там больше суши и резкого континентального климата). Долгосрочные и несезонные вариации альбедо происходят по следующим причинам: связанным с человеческой деятельностью — урбанизация, замещение лесов сельхозкультурами, таяние льдов, и природным — изменение облачного слоя планеты.

Например, вырубка лесов, драматическое с точки зрения экосистемы явление, на вариацию альбедо оказывает очень малое влияние. По рапортам ООН ежегодно Земля теряет до 150 000 квадратных километров лесов. То есть — за 25 лет поверхность теряет около 3,5 миллионов квадратных километров лесной поверхности. Но с точки зрения энергетического баланса планеты это значит, что 0,5 % Земной поверхности изменит свое альбедо с 10 % до 20 % или до 30 % (в зависимости от того — что будет на месте леса). Это будет соответствовать увеличению энергетического баланса примерно на 0,02 ватта на квадратный метр за четверть века. По подсчетам IPCC, все изменение отражающей поверхности земной поверхности человеком за XX век (меньше лесов, больше полей, городов и дорог) изменило энергетический баланс Земли не более, чем на 0,2 ватта на квадратный метр. Мы помним, что в среднем Земля получает 240 ватт энергии на квадратный метр поверхности, то есть человек в худшем случае изменил альбедо поверхности планеты на 0,08 % (восемь сотых процента), что чрезвычайно незначительно.

Напротив, облака являются очень существенным фактором, влияющим на альбедо и, соответственно, на энергетический баланс планеты. Облачный покров отвечает за две трети (!) отраженной в космос солнечной энергии. Именно из-за облаков альбедо Земли достигает 30 %. Однако привычные нам облака — не такой простой феномен. Во-первых, они состоят из мельчайших частиц воды и льда разного размера, в разных пропорциях и на разной высоте. Все это приводит к вариации альбедо. Именно непредсказуемость образования облаков и отсутствие исторических данных по величине и толщине облачного покрова планеты являются основной проблемой климатического моделирования.

Что влияет на величину и на толщину облачного покрова? Пока выявлено 3 основных элемента, влияющие на конденсацию воды в атмосфере: само количество паров воды в атмосфере (ее влажность) и конденсирующие факторы внешнего (космическое излучение) и наземного характера (аэрозоли — естественные и искусственные).

Становится понятно, что:

— во-первых, изменение отражающей поверхности планеты (больше или меньше снега, воды, пустыни, растительности) сильно влияет на ее энергетический баланс. На самом деле, снижение альбедо всего на 1 % изменяет энергетический баланс Земли на 4 ватта на квадратный метр. Это то же изменение, которое получится, если концентрация парниковых газов в земной атмосфере увеличится в два раза;

— во-вторых, наиболее важным фактором земного альбедо являются… облака. Наука констатирует, что облачность в земной атмосфере меняется, но отслеживать это стало возможно только после открытия космической эры, и законы образования облаков разного типа в атмосфере пока не понятны ученым.

Сейчас, в начале XXI века, среднее «покрытие» облаками земной поверхности составляет примерно 50 %. Сколько было 100 или 50 лет назад — мы не знаем.

То есть мы понимаем, что заявления о существенном влиянии концентрации углекислого газа в атмосфере на радиационный баланс нашей планеты есть очень сильное и далекое от научного подхода упрощение.

Углекислый газ, содержащийся в атмосфере в промилях (тысячных долях — сегодня это 0,038 %) и поглощающий излучение на частотах, отличных от основных частот инфракрасного излучения Земли, вряд ли является основным фактором изменения температуры. По крайней мере — далеко не единственным.

Кроме углекислого газа, известного теперь всем из-за паранойи вокруг него, есть много других «атмосферных» факторов, вызывающих парниковый эффект, например — содержание воды в атмосфере, облака (и их форма).

Вода в атмосфере и форма облаков, ею образованных, — наиболее существенный фактор парникового эффекта, об этом почему-то никто не говорит…

Наверное, потому что с облаками все гораздо сложнее, чем с СО₂: не измерить их, не поймать и, самое главное, продать трудновато. Да и призывать к борьбе за снижение или увеличение количества облаков определенного типа — прямой путь не в парламент, и не в президенты, а в совсем другое, менее престижное, заведение.

Есть также другие «парниковые газы» (про метан я уже упоминал), есть вулканическая пыль, в атмосфере есть много чего, что отражает солничную радиацию. Просто наука не располагает долгосрочными статистическими данными о них, поэтому основной параметр, изпользуемый в климатических моделях глобального потепления — СО₂. Потому столько и разговоров о нем.

А ведь кроме состава атмосферы и создаваемого им парникового эффекта есть и другие, неатмосферные факторы, влияющие на температурный режим Земли и определяющие ее температурные циклы.

Теперь самое время рассмотреть весь механизм формирования климата планеты и заодно ответить на второй политически некорректный вопрос: а имеет ли место быть то самое глобальное потепление, которым нас всех пугают?