Физические основы парникового эффекта
Земля получает энергию от Солнца в виде коротковолнового электромагнитного излучения, преимущественно в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах. Эта энергия поглощается атмосферой, поверхностью океанов и суши, нагревая их. В ответ нагретая Земля излучает тепловую энергию обратно в космос, но уже в длинноволновом инфракрасном диапазоне. Для устойчивого климата входящий и исходящий потоки энергии должны быть в равновесии — это и есть радиационный баланс планеты.
Однако атмосфера не является абсолютно прозрачной для инфракрасного излучения. Некоторые газы, называемые парниковыми, частично поглощают и переизлучают длинноволновое излучение, препятствуя его уходу в космос. Это явление и называется парниковым эффектом.
Основные парниковые газы атмосферы:
Парниковые газы имеют одну общую характеристику: они способны поглощать инфракрасное излучение в определённых диапазонах длин волн, благодаря своим молекулярным спектральным особенностям. При поглощении теплового излучения атмосфера нагревается, а затем переизлучает часть этой энергии обратно к поверхности, создавая эффект “теплового одеяла”.
Особенно важен водяной пар, который усиливает первоначальный нагрев, вызванный другими парниковыми газами, через положительную обратную связь: потепление → больше испарения → больше водяного пара → усиление парникового эффекта.
Без парникового эффекта средняя температура на поверхности Земли составляла бы примерно –18 °C, тогда как с ним она составляет около +15 °C.
Атмосфера избирательно поглощает и пропускает излучение. Особенно важны спектральные окна — диапазоны длин волн, в которых излучение может свободно уходить в космос. Увеличение концентраций парниковых газов приводит к сужению этих окон, тем самым снижая эффективность радиационного охлаждения Земли.
Пример: CO₂ поглощает в полосах около 15 мкм — в центре одного из важнейших инфракрасных окон. Увеличение его концентрации ведёт к насыщению этих полос и расширению зон поглощения за счёт крыльев линий (эффект Лоренца), что усиливает парниковый эффект.
После поглощения инфракрасного излучения молекула парникового газа переходит в возбужденное состояние. Она может:
Такой механизм делает атмосферу одновременно источником и поглотителем излучения, приводя к сложной вертикальной температурной структуре.
В тропосфере температура убывает с высотой, что способствует удержанию инфракрасного излучения у поверхности. В стратосфере происходит обратное: температура возрастает с высотой, что влияет на вертикальное перераспределение излучения. Этот градиент играет ключевую роль в формировании климатических и погодных условий.
Парниковый эффект наиболее силён в тропосфере. Именно здесь сосредоточены основные массы водяного пара и значительная доля других парниковых газов. Стратосферный вклад в парниковый эффект меньше, но всё же важен, особенно в контексте влияния озона и фреонов.
В типичном энергетическом балансе планеты:
Земля излучает около 117% по отношению к прямому солнечному поступлению на поверхность, из которых:
Этот перерасчёт показывает значимость внутриатмосферных потоков энергии, включая парниковое переизлучение.
Рост концентрации парниковых газов, особенно CO₂, напрямую связан с человеческой деятельностью (сжигание ископаемого топлива, вырубка лесов, сельское хозяйство). Это ведёт к усилению естественного парникового эффекта, известному как антропогенный парниковый эффект. Он нарушает радиационный баланс и вызывает потепление климата, изменения атмосферной циркуляции, подъём уровня моря и экстремальные погодные явления.
Физические модели показывают, что увеличение концентрации CO₂ вдвое приводит к росту средней температуры на 1,5–4,5 °C, в зависимости от чувствительности климатической системы. Многочисленные обратные связи, включая облачность, альбедо льда и паровой контур, делают систему нелинейной и подверженной нестабильности.
Корректное описание парникового эффекта требует численного моделирования радиационных процессов, включая:
Современные глобальные климатические модели (GCMs) включают сотни переменных и используют высокоточную параметризацию парниковых процессов.
Для сравнения:
Это подчёркивает значимость не только состава, но и давления и плотности атмосферы для силы парникового эффекта.
Хотя концентрация водяного пара регулируется температурой, а не напрямую выбросами, он усиливает нагрев, вызванный другими газами. Этот эффект называется положительной обратной связью. Без него чувствительность климата к CO₂ была бы гораздо слабее. Аналогичным образом, таяние ледников уменьшает альбедо и усиливает поглощение солнечной радиации, что также увеличивает температуру.
Облака могут как усиливать, так и ослаблять парниковый эффект:
Баланс между этими эффектами зависит от высоты, толщины, состава и распределения облаков, что делает их одним из самых труднопредсказуемых компонентов климатических моделей.