Парниковый эффект (оранжерейный эффект) в атмосферах планет – повышение температуры внутренних слоев атмосферы и поверхности планеты, обусловленное тем, что атмосфера более прозрачна для основной части падающего солнечного излучения, чем для уходящего теплового излучения поверхности (и своего собственного).

Классическая теория парникового эффекта заключается в том, что количественно величина парникового эффекта ΔT определяется как разница между средней приповерхностной температурой атмосферы планеты T_S и её эффективной температурой T_E. Парниковый эффект существенен для планет с плотными атмосферами, содержащими газы, поглощающие излучение в инфракрасной области спектра, и пропорционален плотности атмосферы. Следствием парникового эффекта является также сглаживание температурных контрастов как между полярными и экваториальными зонами планеты, так и между дневными и ночными температурами (табл.1).

Парниковый эффект атмосфер обусловлен их различной прозрачностью в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах. На диапазон длин волн 400—1500 нм (видимый свет и ближний инфракрасный диапазон) приходится 75 % энергии солнечного излучения, большинство газов не поглощают в этом диапазоне; рэлеевское рассеяние в газах и рассеяние на атмосферных аэрозолях не препятствуют проникновению излучения этих длин волн в глубины атмосфер и достижению поверхности планет. Солнечный свет поглощается поверхностью планеты и её атмосферой (особенно излучение в ближней УФ- и ИК-областях) и разогревает их. Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем инфракрасном диапазоне: так, в случае Земли (T_S = 300 K) 75 % теплового излучения приходится на диапазон 7,8—28 мкм, для Венеры (T_S = 700 K) — 3,3-12 мкм.

Атмосфера, содержащая газы, поглощающие в этой области спектра (т. н. парниковые газы — H₂O, CO₂, CH₄ и пр.), существенно непрозрачна для такого излучения, направленного от ее поверхности в космическое пространство, то есть имеет в ИК-диапазоне большую оптическую толщину. Вследствие такой непрозрачности атмосфера становится хорошим теплоизолятором, что, в свою очередь, приводит к тому, что переизлучение поглощённой солнечной энергии в космическое пространство происходит в верхних холодных слоях атмосферы. В результате эффективная температура Земли как излучателя оказывается более низкой, чем температура её поверхности.

Идея о разогреве земной атмосферы парниковыми газами впервые была высказана в конце XIX столетия известным шведским учёным С.Аррениусом.

 

Основной причиной изучения парникового эффекта в последние десятилетия стал вопрос о его роли в потеплении климата Земли.

Советский климатолог и метеоролог, член-корреспондент АН СССР Михаил Иванович Будыко в 1962 году опубликовал соображения о том, что сжигание человечеством огромного количества разнообразных топлив, особенно возросшее во второй половине XX века, неизбежно приведет к тому, что содержание углекислого газа в атмосфере будет увеличиваться. Он будет задерживать отдачу с поверхности Земли в космос солнечного и глубинного тепла и приводить к эффекту, который мы наблюдаем в застекленных парниках. Вследствие такого парникового эффекта средняя температура приземного слоя атмосферы должна постепенно повышаться. Новая идея многими учеными в СССР сначала была встречена скептически. Считали, что такой процесс может иметь лишь очень отдаленные последствия, что избыток углекислого газа в атмосфере будет быстро поглощаться водами Мирового океана, которые действительно содержат его в растворенном виде больше, чем вся атмосфера Земли. Выводы М.И. Будыко заинтересовали американских метеорологов. Они проверили его расчеты, сами провели многочисленные наблюдения и к концу шестидесятых годов пришли к твердому убеждению в том, что парниковый эффект в атмосфере Земли существует и нарастает.

В 1956 году во время Первого международного геофизического года уточнили величину содержания углекислого газа в приземной части атмосферы. Она оказалась равной 0,028%. Проверка состава атмосферного воздуха в 1985 году показала, что содержание углекислого газа в нем возросло до 0,034%. Следовательно, с 1956 года содержание углекислого газа в атмосфере уже возросло на четверть его первоначальной величины. Что было вызвано промышленной и транспортной деятельностью человечества. Ученые полагают, что к середине XXI века содержание углекислого газа в атмосфере удвоится, и это, безусловно, должно привести к глобальному потеплению. Оно оценивается величиной от 1,5° близ экватора до 4° в высоких широтах.

На данный момент считается, что деятельность человека приводит к повышению концентрации парниковых газов в атмосфере. Увеличение концентрации парниковых газов приведет к разогреву нижних слоев атмосферы и поверхности земли. Любое изменение в способности Земли отражать и поглощать тепло, в том числе вызванное увеличением содержания в атмосфере тепличных газов и аэрозолей, приведет к изменению температуры атмосферы и мировых океанов и нарушит устойчивые типы циркуляции и погоды.

Тем не менее, ведутся ожесточенные споры вокруг того, какое конкретно количество этих газов вызовет потепление климата и в какой степени, а также как скоро это произойдет. Даже когда изменение климата действительно происходит, в этом трудно быть стопроцентно уверенным. Мировые средние температуры могут сильно колебаться в пределах нескольких лет и десятилетий — причем по естественным причинам. Проблема в том, что считать средней температурой, и на основании каких критериев судить, действительно ли она изменилась в ту или другую сторону.

В конце восьмидесятых — начале девяностых годов XX века несколько лет подряд среднегодовая глобальная температура была выше обычной. Это вызвало опасения в том, что вызванное человеческой деятельностью глобальное потепление уже началось. Среди ученых существует консенсус, что за последние сто лет среднегодовая глобальная температура поднялась на 0,3 — 0,6 градусов Цельсия. Однако среди них нет согласия в том, что именно вызвало это явление. Трудно с уверенностью сказать, происходит глобальное потепление или нет, так как наблюдаемый рост температуры все ещё находится в пределах естественных температурных колебаний.
Неопределенность в вопросе глобального потепления порождает скепсис по поводу грозящей опасности. Однако существует риск того, что когда гипотеза об антропогенных факторах глобального потепления подтвердится, уже поздно будет что-либо предпринимать.

Антипарниковый эффект — атмосферный эффект, производящий противоположное парниковому эффекту действие, а именно охлаждающий поверхность небесного тела. В отличие от парникового эффекта, в данном случае атмосфера хорошо поглощает солнечное излучение, однако пропускает инфракрасное от поверхности. В совокупности это приводит к охлаждению поверхности.

В настоящее время известен только один пример антипарникового эффекта в Солнечной системе. Аэрозоли в атмосфере Титана, содержащие органические молекулы, поглощают 90 % солнечного излучения, но довольно слабо — в инфракрасной области спектра. В результате поверхность Титана на 10 градусов холоднее, чем должна быть. Также для атмосферы Титана характерна обратная температурная зависимость, когда с повышением высоты температура атмосферы возрастает.

Возможны локальные антипарниковые эффекты, например на Земле в промышленных районах с большими выбросами аэрозолей, в зоне извержения вулканов или на Марсе во время пылевых бурь.

Также подобные сценарии рассматриваются в случае ядерной зимы и ранней атмосферы Земли.

Для нахождения средней поверхностной температуры планеты Ts и определения зависимости распределения температуры в ее тропосфере от параметров атмосферы необходимо задаться моделью передачи тепла в атмосфере. Будем исходить из того, что на Землю падает Солнечное излучение, характеризуемое температурой абсолютно черного тела

     (1)

где σ = 5,67·10^{- 5} эрг/см²·с·К⁴ - постоянная Стефана - Больцмана; S - солнечная постоянная на удалении планеты от Солнца. На выходе же системы устанавливается приземная температура T_s. Поэтому температуру абсолютно черного тела Т_bb (для Земли 278,8 K), будем рассматривать в качестве входного воздействия на тропосферу, а поверхностную температуру T_s (для Земли T_s = 288 K) - в качестве ее выходной реакции. Будем считать также, что радиационный механизм теплообмена доминирует только в стратосфере и мезосфере, тогда как вынос тепла из наиболее плотного слоя планетной атмосферы - ее тропосферы в основном происходит благодаря конвекции. Последнее утверждение, правда, не является строго доказанным, но его можно проверить путем сопоставления теоретических распределений температуры в тропосферах, например, Земли и Венеры с усредненными эмпирическими данными. В рамках модели передачи тепла через конвектирующую среду, распределение температуры, как известно, определяется адиабатическим законом

T = C^a· p^a      (2)

где р - давление, а a - показатель адиабаты, зависящий от теплоемкости воздуха.

Для нахождения зависимости между T_s и T_bb необходимо учитывать, что температурный режим тропосферы во многом определяется сильной отрицательной обратной связью, возникающей через отражательную способность планеты - ее альбедо, которое, в свою очередь, регулируется облачным покровом тропосферы (рис. 1).

Действие этой обратной связи наглядно иллюстрируется простым примером. Предположим, что средняя приземная температура по тем или иным причинам повысилась. Сразу же увеличивается испарение влаги с поверхности Земли и возрастает площадь облачного покрова, а это приводит к увеличению альбедо Земли. В результате, большая доля солнечной энергии отражается в космос, а доля падающего на земную поверхность излучения, наоборот, сокращается. В результате, происходит компенсационное снижение приземной температуры, и она вновь возвращается к равновесному уровню.

Но существование сильной отрицательной обратной связи приводит к линейной зависимости выходного сигнала от входного, т.е. в этом случае T_s ~ T_bb. Учитывая это, можно записать

T_s = b^a·T_bb· p_s^a             (3)

где b - масштабный множитель. Если измерения производить в технических атмосферах, то b = 1,186, причем, для Земли и Венеры значения этого множителя полностью совпадают друг с другом.

Зная среднюю поверхностную температуру планеты T_s и давление на ее поверхности p_s, можно теперь по уравнению (2) определить и температуру на любом уровне тропосферы (при p<0,2 атм)

         (4)

Для Земли T_s = 288 K и p_s = 1 атм., следовательно, распределение температуры в земной тропосфере определяется простой зависимостью

            T = 288^.p^a   (4')

Для нахождения зависимости температуры от значения солнечной постоянной, т.е. от внешнего по отношению к тропосфере воздействия, уже необходимо вводить дополнительное условие, определяющее природу этого воздействия. Таким дополнительным условием является закон излучения абсолютно черного тела Стефана - Больцмана (1). Как видно из этого выражения, температура T_bb ~ S^1/4, Следовательно, для обобщения выражения (3) на случай переменного S, с учетом того, что для Земли T_bb = 278,8 K, надо помножить его на отношение (S/S₀)^1/4, в результате получим

      (5)

здесь S₀ = 1,37·10⁶ эрг/см²·с - значение солнечной постоянной для Земли; р - атмосферное давление на любом уровне тропосферы планеты.

Зависимость показателя адиабаты от состава и влажности атмосферы находится по известным формулам

     (6)

γ = c_p/c_v        (7)

где c_p и c_v - теплоемкости газа соответственно при постоянном давлении и объеме. Для всех трехатомных газов (СО₂ и Н₂О) γ = 1,3 и a = 0,2308, а для двухатомных газов (N₂ и О₂) γ =1,4 и a = 2,857. Однако, в таком простом варианте выражение (6) с использованием (7) определяет показатель адиабаты только для сухой и не поглощающей тепловое излучение тропосферы. В реальных условиях необходимо учитывать дополнительный разогрев газовой смеси тропосферы за счет конденсации в ней влаги и поглощения ИК-радиации. Выполнить это можно с помощью добавления к c_p и c_v поправочного коэффициента с размерностью теплоемкости С_q = C_w + C_r, учитывающего суммарный тепловой эффект процессов конденсации влаги C_w (во влажной атмосфере) и поглощения “парниковыми газами” теплового излучения Земли и Солнца C_r. Для планет с атмосферами другой природы под параметром С_q следует понимать характеристику любого теплофизического или химического процесса, приводящего к выделению (или поглощению при C_q < 0) тепла в недрах тропосферы.

В общем случае для земной атмосферы (а также и для атмосферы Венеры) можно записать

        (8)

где p_N2, p_CO2, p_O2, p_Ar - парциальные давления азота, кислорода углекислого газа и аргона; p - суммарное давление атмосферы; c_p(N₂)=0,248, c_p(O₂)=0,218, c_p(CO₂)=0,197, c_p(Ar)=0,124 и c_v(N₂)=0,177, c_v(O₂)=0,156, c_v(CO₂)=0,152, c_v(Ar) = 0,075 кал/г·град - теплоемкости азота, кислорода, углекислого газа и аргона, соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме.

Оценить значение Cw можно из следующих рассуждений. Как известно, теплоемкость определяется отношением количества тепла, сообщенного телу (в нашем случае воздуху), к соответствующему повышению его температуры. При конденсации влаги во влажной тропосфере выделяется q = 595,8 кал/г тепла. При этом соответственно повышается температура воздуха и снижается вертикальный температурный градиент. В сухом воздухе градиент температуры равен 9,8 град/км, а средний по Земле градиент влажной тропосферы близок к 6,5 град/км. Отсюда следует, что выделяющаяся в тропосфере теплота конденсации влаги в среднем повышает температуру воздуха на 9,8 - 6,5 = 3,3 град/км. В тропосфере над земной поверхностью обычно содержится от 2 до 3 г/см² влаги. Большая ее часть конденсируется на высотах формирования облачности, т.е. до 3 до 5 км. Если теперь принять, что в этом деятельном слое тропосферы толщиной около 4 км концентрация влаги в среднем достигает 0,2 %, то дополнительная теплоемкость процесса конденсации влаги в современной тропосфере оказывается равной

       (9)

Оценить C_r сложнее. Однако, учитывая, что наилучшее совпадения распределения температуры по выражению (7) с моделью стандартной атмосферы Земли получается при C_q ≈ 0,126, можно найти C_r ≈ 0,036 кал/г·град. В этом случае показатель адиабаты земной тропосферы равен a ≈ 0,1905. Для Венеры наилучшие совпадения теоретического распределения Т по уравнению (8) с эмпирическими данными получается при a ≈ 0,1726, чему соответствует C_q ≈ 0,045.

В 1987 году был издан на разных языках доклад Международной комиссии, возглавлявшейся премьер-министром Норвегии Гру Харлем Брундтланд. В докладе комиссии Г.X. Брундтланд высказывается опасение, что парниковый эффект может вызвать в ближайшие десятилетия подъем уровня Мирового океана от 25 до 140 сантиметров, в результате чего «будут затоплены низкорасположенные города и сельскохозяйственные районы, и многие страны должны учитывать, что их экономические, социальные и политические структуры могут быть серьезно нарушены». Эти опасения были вызваны предположением, что при повышении температуры воздуха растают материковые льды Антарктиды и Гренландии. Однако такое предположение нельзя считать обоснованным. Как мы теперь точно знаем – по данным буровых скважин, прошедших всю толщу ледникового щита Антарктиды, он образовался более 30 миллионов лет назад. Следовательно, он уже выдержал несколько эпох потепления климата Земли, гораздо более значительного, чем ожидаемое ныне от парникового эффекта. Например, среднемиоценовое потепление (около 20 миллионов лет назад), когда содержание углекислого газа в атмосфере приближалось к 0,1%, средняя температура воздуха была на 5...6° выше современной, когда в районе теперешнего Якутска росли леса грецкого ореха (его ископаемые плоды описаны академиком В.Н. Сукачевым).

Следовательно, в Антарктиде в результате ожидаемого потепления может произойти некоторое расширение площади оазиса Бонгера, лишенного льдов, может несколько увеличиться количество откалывающихся от края ледяного щита айсбергов, но не более.

Мы не имеем данных бурения через всю толщу льда в Гренландии, в ее центральной части, как в Антарктиде. Однако по аналогии можем считать, что и здесь оледенение очень древнее, пережившее ряд эпох значительного потепления. Современный парниковый эффект может привести лишь к некоторому отступлению края гренландского ледникового щита, что, кстати говоря, наблюдается и сейчас.

Следовательно, потепление, связанное с парниковым эффектом, не будет сопровождаться значительным таянием льдов Антарктиды и Гренландии и не грозит резким повышением уровня Мирового океана. Оно может измеряться лишь немногими сантиметрами, что не представляет серьезной опасности.

В самом центре Сахары, в юго-восточном углу алжирской ее части, возвышается горный массив Ахаггар, вершины которого высотою до 3000 метров представляют собою недавно потухшие вулканы. В ущельях этого массива сохраняются длинные непересыхающие плесы воды, хорошо известные местным жителям туарегам, которые пригоняют сюда для водопоя стада верблюдов. Однако мало кому известно, что в этих плесах живут крокодилы того же вида, который обитает в реке Нигер, только измельчавшие из-за скудной пищи. Здесь их размер не превышает 1,5 метра. На космических снимках хорошо видны полузасыпанные песком сухие русла рек, которые тянутся от ущелий массива Ахаггар на юго-запад к излучине реки Нигер.

Значит, еще сравнительно недавно по пустынной сейчас Сахаре текли реки. Решить вопрос о том, когда это было, помогают знаменитые фрески Тассили, высеченные в песчаниковых грядах, окружающих массив Ахаггар.

Эти фрески создавались в разное время: наиболее «молодые» – около 4 тысяч лет назад, в эпоху первых династий египетских фараонов, а наиболее древние – в эпоху позднего палеолита, о чем свидетельствуют как стиль изображений, так и найденные около них хорошо отшлифованные каменные орудия той эпохи. На этих древнейших фресках изображены слоны, жирафы, бегемоты, различные антилопы и сцены охоты на них, Эпоха позднего палеолита, судя по радиоуглеродным датировкам, отстоит от наших дней на 40...45 тысяч лет и соответствует последнему межледниковью, когда климат Земли был значительно теплее, чем сейчас.

Следовательно, Сахара во время этого потепления климата получала значительно больше осадков, чем сейчас, и представляла собою не пустыню, а саванну с реками и обильной фауной травоядных животных. Вероятно, только такими превращениями «угрожает» Сахаре парниковый эффект сейчас.