Интересные факты о парниковом эффекте

Парниковый эффект

У этого термина существуют и другие значения, см. Парниковый эффект (значения). Прозрачность атмосферы Земли в видимом и инфракрасном диапазонах (поглощение и рассеивание):
1. Интенсивность солнечного излучения (слева) и инфракрасного излучения поверхности Земли (справа) — даны спектральные интенсивности без учёта и с учётом поглощения
2. Суммарное поглощение и рассеивание в атмосфере в зависимости от длины волны
3. Спектры поглощения различных парниковых газов и рэлеевское рассеяние.

Парнико́вый эффе́кт — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.

История исследований

Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», в которой он рассматривал различные механизмы формирования климата Земли, при этом он рассматривал как факторы, влияющие на общий тепловой баланс Земли (нагрев солнечным излучением, охлаждение за счёт лучеиспускания, внутреннее тепло Земли), так и факторы, влияющие на теплоперенос и температуры климатических поясов (теплопроводность, атмосферная и океаническая циркуляция).

При рассмотрении влияния атмосферы на радиационный баланс Фурье проанализировал опыт Ораса-Бенедикта де Соссюра с зачернённым изнутри сосудом, накрытым стеклом. Де Соссюр измерял разность температур внутри и снаружи такого сосуда, выставленного на прямой солнечный свет. Фурье объяснил повышение температуры внутри такого «мини-парника» по сравнению с внешней температурой действием двух факторов: блокированием конвективного теплопереноса (стекло предотвращает отток нагретого воздуха изнутри и приток прохладного снаружи) и различной прозрачностью стекла в видимом и инфракрасном диапазоне.

Именно последний фактор и получил в позднейшей литературе название парникового эффекта — поглощая видимый свет, поверхность нагревается и испускает тепловые (инфракрасные) лучи; поскольку стекло прозрачно для видимого света и почти непрозрачно для теплового излучения, то накопление тепла ведёт к такому росту температуры, при котором количество проходящих через стекло тепловых лучей достаточно для установления равновесия.

Фурье постулировал, что оптические свойства атмосферы Земли аналогичны оптическим свойствам стекла, то есть её прозрачность в инфракрасном диапазоне ниже, чем прозрачность в диапазоне оптическом, однако количественные данные по поглощению атмосферы в инфракрасном диапазоне долгое время являлись предметом дискуссий.

В 1896 году Сванте Аррениус, шведский физико-химик, для количественного определения поглощении атмосферой Земли теплового излучения проанализировал данные Сэмюэла Лэнгли о болометрической светимости Луны в инфракрасном диапазоне. Аррениус сравнил данные, полученные Лэнгли при разных высотах Луны над горизонтом (то есть при различных величинах пути излучения Луны через атмосферу), с расчетным спектром её теплового излучения и рассчитал как коэффициенты поглощения инфракрасного излучения водяным паром и углекислым газом в атмосфере, так и изменения температуры Земли при вариациях концентрации углекислого газа. Аррениус также выдвинул гипотезу, что снижение концентрации в атмосфере углекислого газа может являться одной из причин возникновения ледниковых периодов.

Количественное определение парникового эффекта

Суммарная энергия солнечного излучения, поглощаемого в единицу времени планетой радиусом R {\displaystyle R} и сферическим альбедо A {\displaystyle A} равна:

E = π R 2 E 0 r 2 ( 1 − A ) {\displaystyle E=\pi R^{2}{E_{0} \over r^{2}}(1-A)} ,

где E 0 {\displaystyle E_{0}} — солнечная постоянная, и r {\displaystyle r} — расстояние до Солнца.

В соответствии с законом Стефана — Больцмана равновесное тепловое излучение L {\displaystyle L} планеты с радиусом R {\displaystyle R} , то есть площадью излучающей поверхности 4 π R 2 {\displaystyle 4\pi R^{2}} :

L = 4 π R 2 σ T ¯ E 4 {\displaystyle L=4\pi R^{2}\sigma {\bar {T}}_{E}^{4}} ,

где T ¯ E {\displaystyle {\bar {T}}_{E}} — эффективная температура планеты.

Количественно величина парникового эффекта Δ T ¯ {\displaystyle \Delta {\bar {T}}} определяется как разница между средней приповерхностной температурой атмосферы планеты T ¯ S {\displaystyle {\bar {T}}_{S}} и её эффективной температурой T ¯ E {\displaystyle {\bar {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.

Таблица 1

Планета Атм. давление у поверхности, атм. T ¯ E {\displaystyle {\bar {T}}_{E}} T ¯ S {\displaystyle {\bar {T}}_{S}} Δ T ¯ {\displaystyle \Delta {\bar {T}}} T ¯ m a x {\displaystyle {\bar {T}}_{max}} T ¯ m i n {\displaystyle {\bar {T}}_{min}} Δ T {\displaystyle \Delta T}
Венера 90 231 735 504
Земля 1 249 288 39 313 200 113
Луна 0 0 393 113 280
Марс 0,006 210 218 8 300 147 153
  1. Температуры даны в Кельвинах, T ¯ m a x {\displaystyle {\bar {T}}_{max}} — средняя максимальная температура в полдень на экваторе, T ¯ m i n {\displaystyle {\bar {T}}_{min}} — средняя минимальная температура.

Природа парникового эффекта

Парниковый эффект атмосфер обусловлен их различной прозрачностью в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах. На диапазон длин волн 400—1500 нм в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне приходится 75 % энергии солнечного излучения, большинство газов не поглощают излучение 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 при T ¯ S {\displaystyle {\bar {T}}_{S}} равном 300 K, 75 % теплового излучения приходится на диапазон 7,8—28 мкм, для Венеры при T ¯ S {\displaystyle {\bar {T}}_{S}} равном 700 K — 3,3—12 мкм.

Атмосфера, содержащая многоатомные газы (двухатомные газы диатермичны — прозрачны для теплового излучения), поглощающие в этой области спектра (т. н. парниковые газы — H2O, CO2, CH4 и пр. — см. Рис. 1), существенно непрозрачна для такого излучения, направленного от её 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.

В формировании парникового эффекта очень велика и мало изучена роль облаков в атмосфере, особенно ночью и зимой в умеренных и полярных широтах.

Влияние парникового эффекта на климат планет

Степень влияния парникового эффекта на приповерхностные температуры планет (при оптической толщине атмосферы < 1) зависит от оптической плотности парниковых газов, облаков в атмосфере планеты, и, соответственно, их парциального давления у поверхности планеты. Таким образом, парниковый эффект Δ T ¯ {\displaystyle \Delta {\bar {T}}} наиболее выражен у планет с плотной атмосферой, составляя у Венеры ~500 K.

Таблица 2

Планета Атм. давление
у поверхности, атм.
Концентрация
CO2, %
P C O 2 {\displaystyle P_{CO_{2}}}
атм.
Δ T ¯ {\displaystyle \Delta {\bar {T}}}
Венера ~ 93 ~ 96,5 ~ 89,8 504
Земля 1 0,038 ~ 0,0004 39
Марс ~ 0,007 95,72 ~ 0,0067 8

Вместе с тем следует отметить, что величина парникового эффекта зависит от количества парниковых газов в атмосферах и, соответственно, зависит от химической эволюции и изменений состава планетарных атмосфер.

Парниковый эффект и климат Земли

Климатические индикаторы за последние 0,5 млн лет: изменение уровня океана (синий), концентрация 18O в морской воде, концентрация CO2 в антарктическом льду. Деление временной шкалы — 20 000 лет. Пики уровня моря, концентрации CO2 и минимумы 18O совпадают с межледниковыми температурными максимумами.

По степени влияния на климат парникового эффекта Земля занимает промежуточное положение между Венерой и Марсом: у Венеры повышение температуры приповерхностной атмосферы в ~13 раз выше, чем у Земли, в случае Марса — в ~5 раз ниже; эти различия являются следствием различных плотностей и составов атмосфер этих планет.

При неизменности солнечной постоянной и, соответственно, потока солнечной радиации, среднегодовые приповерхностные температуры и климат, определяются тепловым балансом Земли. Для теплового баланса выполняются условия равенства величин поглощения коротковолновой радиации и излучения длинноволновой радиации в системе Земля—атмосфера. В свою очередь, доля поглощенной коротковолновой солнечной радиации определяется общим (поверхность и атмосфера) альбедо Земли. На величину потока длинноволновой радиации, уходящей в космос, существенное влияние оказывает парниковый эффект, в свою очередь, зависящий от состава и температуры земной атмосферы и облачного покрова в атмосфере.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон

Основные парниковые газы атмосферы Земли

Газ Формула Вклад
(%)
Водяной пар H2O 36 — 72 %
Диоксид углерода CO2 9 — 26 %
Метан CH4 4 — 9 %
Озон O3 3 — 7 %

Главный вклад в парниковый эффект земной атмосферы вносит водяной пар или влажность воздуха тропосферы, влияние других газов гораздо менее существенно по причине их малой концентрации. Также существенный вклад вносит облачный покров в атмосфере Земли.

Вместе с тем концентрация водяного пара в тропосфере существенно зависит от приповерхностной температуры: увеличение суммарной концентрации «парниковых» газов в атмосфере должно привести к усилению влажности и парникового эффекта, вызванного водяным паром, который в свою очередь приведет к увеличению приповерхностной температуры.

При понижении приповерхностной температуры концентрация водяных паров падает, что ведет к уменьшению парникового эффекта. Одновременно с этим при снижении температуры в приполярных районах формируется снежно-ледяной покров, ведущий к повышению альбедо и, совместно с уменьшением парникового эффекта, к дальнейшему понижению средней приповерхностной температуры.

Таким образом, климат на Земле может переходить в стадии потепления и похолодания в зависимости от изменения альбедо системы Земля — атмосфера и парникового эффекта.

Климатические циклы коррелируют с концентрацией углекислого газа в атмосфере: в течение среднего и позднего плейстоцена, предшествующих современному времени, концентрация атмосферного углекислого газа снижалась во время длительных ледниковых периодов и резко повышалась во время кратких межледниковий.

В течение последних десятилетий наблюдается рост концентрации углекислого газа в атмосфере.

Примечания

  1. Joseph Fourier. Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires p.97-125 Mémoires de l’Académie royale des sciences de l’Institut de France, t. VII, p.570 à 604. Paris, Didot; 1827 // Gallica-Math: Œuvres complètes (недоступная ссылка). Дата обращения 23 мая 2008. Архивировано 6 декабря 2008 года.
  2. Тепло, выделяемое в результате человеческой активности Жозеф Фурье не рассматривал в качестве значимого фактора.
  3. Samuel P. Langley (and Frank W. Very). The Temperature of the Moon, Memoir of the National Academy of Sciences, vol. iv. 9th mem. 193pp (1890)
  4. «On the Influence of Carbonic Acid in the Air Upon the Temperature of the Ground», Philosophical Magazine and Journal Science, Series 5, Volume 41, pages 237—276 (англ.)
  5. 1 2 3 4 Александр Чернокульский. Климат как отражение облаков (рус.) // Наука и жизнь. — 2017. — № 10. — С. 70—77.
  6. Сравнительные значения для трех планет земной группы без учета давления водяного пара, температуры приведены в Кельвинах.
  7. : Kiehl, J. T.; Kevin E. Trenberth. Earth’s Annual Global Mean Energy Budget (англ.) // Bulletin of the American Meteorological Society (англ.)русск. : journal. — 1997. — February (vol. 78, no. 2). — P. 197—208. — ISSN 0003-0007. — DOI:10.1175/1520-0477(1997)078<0197:EAGMEB>2.0.CO;2.

Литература

  • Иващенко О. В. Изменение климата и изменение циклов обращения парниковых газов в системе атмосфера-литосфера-гидросфера — обратные связи могут значительно усилить парниковый эффект.. Дата обращения 17 февраля 2008. Архивировано 18 мая 2012 года.
  • А. В. Павлов, Г. Ф. Гравис. Вечная мерзлота и современный климат. GEO.WEB.RU. Дата обращения 17 февраля 2008.
  • Человек и парниковый эффект. Дата обращения 23 июня 2008.
  • О.Г.Сорохтин, академик, Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН. Адиабатическая теория парникового эффекта. Дата обращения 30 ноября 2012. Архивировано 1 декабря 2012 года.

Ссылки

  • The Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)
  • Рамочная конвенция ООН об изменении климата — официальный сайт (англ.)
В другом языковом разделе есть более полная статья Efecto invernadero (исп.). Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода.
При этом, для соблюдения правил атрибуции, следует установить шаблон {{переведённая статья}} на страницу обсуждения, либо указать ссылку на статью-источник в комментарии к правке.

Словари и энциклопедии

Нормативный контроль

BNF: 119830305 · GND: 4226436-4 · LCCN: sh85057237 · NDL: 00576626

Парниковый эффект на Земле, Марсе, Венере и Титане

4:00 23/06/2016 0 👁 2 712

ВВЕДЕНИЕ

Парниковый эффект оказывает заметное влияние на те тела Солнечной системы, у которых есть атмосфера. Наиболее ярким примером является Венера с давлением CO2 более чем 90 бар на поверхности и температурой 733 Kельвин, а не с эффективной температурой для Венеры, равной примерно 240 K (Поллак, 1979). В отличие от Венеры, на Земле парниковый эффект составляет в настоящее время около 33 K перегрева, что также играет важную роль в поддержании жизни. На Марсе парниковый эффект небольшой и равен 5 K, хотя исследования говорят о том, что он был значительно больше в прошлом (Карр и Хед, 2010). Интересно, что у парникового эффекта на Титане много общего с таковым на Земле, в том числе там сопоставимое давление на поверхности (в 1,5 раза больше земного, в отличие от Венеры и Марса, которые имеют давления примерно в 100 раз больше, и в 100 раз меньше соответственно), а также на Титане присутствуют конденсирующиеся парниковые газы, несмотря на низкие температуры (Кустенис, 2005).

Можно использовать сравнительную планетологию, чтобы рассмотреть эти планеты в совокупности и обозначить основополагающие законы и значение парникового эффекта. Такой сравнительный анализ может дать представление о возможных атмосферных оболочках и условиях на поверхности экзопланет земного типа. В этой работе рассматривается больше, чем просто четыре набора данных о текущем состоянии планет, ведь можно также опираться на возможные атмосферные условия, существовавшие на этих них в прошлом, с учётом геологических, геохимических и изотопных доказательств и других фундаментальных физических причин.
Структура данной работы выглядит следующим образом: во-первых, рассмотрим физические основы парникового эффекта и газы-поглотители излучения. Во-вторых, кратко рассмотрим каждое из четырех космических тел, перечисленных выше, главные газы-поглотители, структуру атмосферы и преобладающие условия на поверхности у разных тел. Также рассмотрим возможные картины прошлых условий, с учётом того, как они соотносятся с данными о различных атмосферных условиях в прошлом и парадоксом слабого молодого Солнца. И, наконец, свяжем все эти нити вместе и выясним основные физические процессы, связанные с каждой планетой и проведём аналогии между ними. Обратите внимание, что здесь рассматриваются в первую очередь качественные характеристики.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПАРНИКОВЫХ ГАЗАХ

Парниковые газы пропускают видимый свет, позволяя большей части солнечного света не отражаться атмосферой и достигать поверхности, но они непрозрачны в инфракрасном диапазоне, воздействуя на излучение таким образом, что увеличивается температура поверхности и планета находится в тепловом равновесии с поступающим на неё потоком солнечного излучения.

Физический процесс, посредством которого атомы и молекулы поглощают излучение, сложен, и включает много законов квантовой механики для описания полной картины. Тем не менее, можно качественно описать процесс. Каждый атом или молекула имеет набор состояний, соответствующих различным квантованным (строго определённым – прим.перев.) уровням энергии. Молекула может переходить из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией либо путем поглощения фотона, либо из высокоэнергетического столкновения с другой частицей (стоит обратить внимание что не факт, что все возможные более высокие энергетические состояния могут быть достигнуты непосредственно из данного более низкого и наоборот). После перехода в возбуждённое состояние молекула может развозбудиться в более низкое энергетическое состояние или даже в основное состояние (состояние с наименьшей энергией), испустив фотон или передав часть своей энергии другой частице после столкновения с ней. Есть три вида переходов для газов-поглотителей в атмосфере Земли. В порядке уменьшения энергии, ими являются: электронные переходы, колебательные переходы и вращательные переходы. Электронные переходы происходят с энергиями ультрафиолетового диапазона, колебательные и вращательные переходы происходят в ближней и средней инфракрасной области спектра. Озон является примером поглощения кислородом ультрафиолетовых лучей, в то время как водяной пар имеет заметные колебательные и вращательные энергии в инфракрасном диапазоне. Поскольку инфракрасное излучение преобладает в излучении Земли, вращательные и колебательные переходы являются наиболее важными при обсуждении теплового баланса Земли.

Это не вся история, потому что каждая линия поглощения зависит от скорости частиц (температуры) и давления. Изменение этих величин может повлечь изменение спектральных линий и, таким образом, изменить поглощение излучения, обеспечиваемое газом. Кроме того, ещё предстоит обсудить другой способ поглощения, относящийся к очень плотной или очень холодной атмосфере – индуцированное столкновениями поглощение (известное как ИСП). Смысл его в том, что ИСП позволяет неполярным молекулам (т.е. симметричным молекулам без сильного дипольного момента) поглощать излучение. Это работает одним из двух способов: первый — столкновение вызывает временный дипольный момент у молекулы, что позволяет поглотить фотон или второй — две молекулы, например Н2-N2, ненадолго связываются в одну супермолекулу со своими собственными квантованными вращательными состояниями. Эти временные молекулы называются димерами (Хант и др. 1983; Вордсворт и др. 2010). Прямую пропорциональность плотности довольно легко понять интуитивно: чем плотнее газ, тем больше вероятность столкновения. Отрицательная связь с температурой может пониматься как влияние времени пребывания – если у молекулы много поступательной энергии, она будет тратить меньше времени в непосредственной близости от другогой молекулы, таким образом, формирование димеров менее вероятно.

Зная численные значения характеристик радиационного форсинга, можно легко рассчитать температуры в отсутствие каких-либо эффектов обратной связи. Если подстраивать температуру поверхности, произойдёт большее излучение энергии в космос (Хансен, Сато и Руди 1997). Вообще, понимание климатической обратной связи имеет решающее значение, так как отрицательная обратная связь стабилизирует температуру, а положительная обратная связь усиливает возмущения и порождает бесконтрольный процесс. Существенно различающиеся временные промежутки эффектов обратной связи также очень важны. Часто бывает необходимо обратиться к модели общей циркуляции (МОЦ), включающей все важные эффекты обратной связи с соответствующими масштабами времени, чтобы делать точные предсказания (Тэйлор 2010). Примерами эффектов обратной связи являются: формирование облаков в зависимости от температуры (отрицательная обратная связь, короткие временные рамки), таяние или образование значительного ледяного покрова (положительная обратная связь, короткие / средние временные масштабы), карбонатно-силикатный цикл (отрицательная обратная связь, длинные временные рамки) и биологические процессы (бывают разными).

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ

Земля

Средняя за год температура поверхности Земли составляет 288 K, а эффективная температура равна 255 К. Эффективная температура определяется отношением теплового баланса к поступающему потоку солнечного излучения в соответствии с уравнением ниже

где S — солнечная постоянная (на земле ~ 1366 Вт / м2), А – геометрическое альбедо Земли, σ — постоянная Стефана-Больцмана, f — геометрический фактор, равен 4 для быстро вращающаяся планет, т.е. планет с периодом вращения порядка дней (Кэтлинг и Кэстинг 2013). Следовательно, парниковый эффект является причиной повышения этой температуры на Земле на 33 K (Поллак 1979). Вся Земля должна бы излучать как абсолютно чёрное тело, нагретое до 255 K, но поглощение парниковыми газами, в первую очередь СО2 и Н2О возвращает тепло обратно к поверхности, создавая холодные верхние слои атмосферы. Эти слои излучают при температуре значительно ниже 255 К и поэтому, чтобы излучать как абсолютно чёрное тело температурой 255 К поверхность должна быть теплее и излучать больше. Большая часть потока уходит через окно 8-12 микрон (относительно прозрачная для атмосферы область длин волн).

Важно подчеркнуть, что холодные верхние слои атмосферы положительно коррелируют с теплой поверхностью — чем больше способны излучить верхние слои атмосферы тем меньше поток, который должен идти с поверхности (Кэстинг 1984). Поэтому следует ожидать, что чем больше различие между температурными минимумами поверхности и верхних слоёв атмосферы планеты, тем больше парниковый эффект. Хансен, Сато и Руди (1997) показали, что двукратное увеличение концентрации СО2 равносильно усилению потока солнечного излучения на 2%, без учета эффектов обратной связи.

Основными парниковыми газами на Земле являются водяной пар и углекислый газ. Газы значительно меньшей концентрации, как озон, метан и оксиды азота тоже вносят свой вклад (Де Патер и Лизауэр 2007). Примечательно, что в то время как пар вносит самой большой вклад в парниковый нагрев, он конденсироваться и «синхронизируется» с неконденсирующимися парниковыми газами, в первую очередь CO2 (Де Патер и Лизауэр, 2007). Водяной пар может отдавать скрытую теплоту в атмосферу, конденсируясь, сдвигая градиент температуры в тропосфере к влажному адиабатическому, а не к сухому. Вода не может попасть в стратосферу и подвергнуться фотолизу из-за тропосферной холодной ловушки, конденсирующей водяной пар при температурном минимуме (в тропопаузе).

Эволюция атмосферы

Наличие осадочных пород и очевидное отсутствие ледниковых отложений на Земле около 4 млрд лет назад позволяет предполагать, что ранняя Земля была теплой, возможно, теплее, чем сегодня (Де Патер и Лизауэр 2007). Это особенно проблематично, поскольку поток солнечного излучения, как полагают, был в то время примерно на 25% ниже. Эта проблема известна как «Парадокс слабого молодого солнца» (Гольдблат и Занле 2011). Возможным объяснением может быть гораздо больший парниковый эффект, чем сегодня. Концентрации СН4, СО2 и Н2О и возможно NH3 были, как полагают, больше в те времена (Де Патер). Многие гипотезы выдвигались, чтобы объяснить это расхождение, в том числе гораздо большее парциальное давление CO2, значительный парниковый эффект из-за метана (Павлов, Кэстинг, и Браун, 2000), слой органического тумана, повышенная облачность, уширение спектральных линий под действием давления из-за значительно больших парциального давления азота и общего атмосферного давления (Голдблатт и др. 2009).

Венера

В то время как Венера часто описывается как сестра Земли из-за аналогичной массы и размера, её поверхностные и атмосферные условия не имеют ничего общего с Землёй. Температура поверхности и давление равны 733 К и 95 бар соответственно (Де Патер и Лизауэр 2007, Краснопольский 2011). Благодаря высокому альбедо и 100% облачности, равновесная температура составляет около 232 К. Поэтому парниковый эффект на Венере просто монструзный и равен примерно 500 К. Это не удивительно при парциальном давлении CO2 в 92 бар. Уширение линий давлением имеет большое значение при таких плотностях и вносит значительный вклад в потепление. СО2-СО2 ИСП также может внести свой вклад, однако ещё не было литературы об этом. Содержание водяного пара ограничивается 0,00003 % по объёму (Мидоуз и Крисп 1996).

Эволюция атмосферы

Часто считается, что Венера начала с летучим набором, аналогичным земному и подобным первоначальным изотопным составом. Если это правда, то измеренное для Земли отношение Дейтерий/Протий, равное более чем 150 (Донахью и др. 1982), указывает на большие потери водорода в прошлом, предположительно из-за фотодиссоциации воды (Шасефьер и др. 2011), хотя Гринспун и Льюис (1988) предположили, что доставка воды кометами могла бы объяснить эту изотопную подпись. В любом случае, Венера могла иметь океаны перед наступлением своего текущего состояния, если бы содержала столько воды, сколько содержит Земля (Кэстинг 1987). Её состояние не могло быть вызвано одним только увеличением концентрации СО2 (или любого другого парникового газа), но обычно считается, что оно вызвано увеличенным притока солнечной энергии (Киппенхан 1994), хотя внутренний тепловой поток, вызывающий бесконтрольный парниковый эффект у планет с приливным захватом также возможен (Барнес и др. 2012).

Кэстинг (1987) исследовал как бесконтрольный, так и устойчивый парниковый эффект на Венере. В случае, если у Венеры был океан на ранних этапах истории, солнечный поток энергии на её нынешней орбите был бы таким, что практически сразу начался бы парниковый сценарий. Есть два сценария потери океана воды из-за увеличения потока солнечного излучения (Кэстинг 1987, Голдблатт и др. 2011, Кэтлинг и Кэстинг 2013). Первый неконтролируемый сценарий: океан начинает испаряться в тропосферу, увеличивая нагрев, но и давление тоже увеличивается, так что океаны не кипят. Вода накапливается в тропосфере гораздо быстрее, чем происходят фотодиссоциация и утекание водорода в космос. Погодные явления всё ещё могут происходить и замедлять выделение CO2. Температура и давление водяного пара увеличиваются и океан сохраняется до достижения критической точки воды в 647 К, при которой невозможно превратить пар в воду ни при каком давлении, и в этот момент вся ещё жидкая вода испаряется и создает плотный туман из водяного пара, полностью непрозрачный для исходящего длинноволнового излучения. Температура поверхности затем увеличивается, пока не начинает излучать в ближней инфракрасной и видимой областях, где прозрачность водяного пара значительно выше и устойчивее. Это соответствует температуре 1400 К, достаточно высокой чтобы плавить приповерхностные породы и выделять из них углерод. Кроме того, без погодных воздействий CO2 может выделяться из породы и никуда не удаляться. Во втором сценарии, выход водяного пара в атмосферу делает распределение температуры более изотермическим, поднимая тропопаузу и разрушая холодную ловушку. Водяной пар, следовательно, может перейти в стратосферу и подвергнуться фотолизу. В отличие от первого сценария, вода теряется со скоростью, соразмерной со скоростью испарения из океана, при этом испарение не прекратится до тех пор, пока вся вода не закончится. Когда вода закончилась, карбонатно-силикатный цикл выключается. Если продолжается газовыделение СО2 из мантии, то не существует доступного способа его удаления.
Марс

Марс в каком-то смысле противоположен Венере с точки зрения температуры и давления. Давление на поверхности составляет примерно 6 миллибар, а средняя температура 215 K (Карр и Хед 2010). Равновесная температура, как может быть показано, равна 210 K, так что парниковый эффект составляет около 5 К и является незначительным. Температура может изменяться в диапазоне от 180 К до 300 K в зависимости от широты, времени года и времени суток (Карр и Хед 2010). Теоретически, есть короткие промежутки времени, когда жидкая вода может существовать на марсианской поверхности в соответствии с фазовой диаграммой для H2O. Вообще, если мы хотим увидеть мокрый Марс, мы должны смотреть в прошлое.

Эволюция атмосферы

“Маринер 9” впервые отправил фотографии, показывающие очевидные следы речных потоков. Самое распространенное их толкование, что раннее Марс был теплым и влажным (Поллак 1979, Карр и Хед 2010). Какой-то механизм, предположительно парниковый эффект (хотя рассматривались также и облака), который должен был вызваться достаточным радиационным форсингом, сделал Марс теплее в период его ранней истории. Проблема ещё хуже, чем кажется на первый взгляд, учитывая, что Солнце было на 25% тусклее 3,8 миллиарда лет назад, когда на Марсе был мягкий климат (Кастинг 1991). Ранний Марс, возможно, имел давление на поверхности порядка 1 бар и температуру, близкую к 300 К (Де Патер и Лизауэр 2007).

Кэстинг (1984, 1991) показал, что один только CO2 не мог греть раннюю поверхность Марса до 273 К. Конденсация СО2 в клатраты изменяет градиент температуры атмосферы и вынуждает верхние слои атмосферы излучать больше тепла, и если при этом планета находится в лучистом равновесии, то поверхность излучает меньше, чтобы планета имела тот же исходящий поток длинноволнового инфракрасного излучения, поверхность при этом начинает охлаждаться. Таким образом, при давлениях, превышающих 5 бар CO2 скорее охлаждает планету, а не нагревает. И этого недостаточно для нагревания марсианской поверхности выше точки замерзания воды, учитывая солнечный поток в те времена. В этом случае СО2 будет конденсироваться в клатраты. Вордсворт, Фогет и Эймит (2010) представили более строгое рассмотрение физики поглощения СО2 в плотной чистой атмосфере СО2 (с учётом ИСП), показывающее, что на самом деле Кэстинг в 1984 завысил температуры поверхности при высоких давлениях, чем усугубил проблему тёплого влажного раннего Марса. Другие парниковые газы в дополнение к CO2 могли бы решить эту проблему, или, возможно, пыль, если она уменьшала альбедо.

Ранее обсуждалась возможная роль СН4, NH3 и H2S (Саган и Маллен, 1972). Позже ещё SO2 был предложен в качестве парникового газа (Юнг и др., 1997).

Титан

Температура поверхности Титана и давление равны 93 К и 1,46 бар соответственно (Кустенис). Атмосфера состоит в основном из N2 с несколькими процентами CH4 и около 0,3% H2 (МакКей, 1991). Тропопауза Титана температурой 71 K на высоте 40 км.

Парниковый эффект Титана в первую очередь вызван индуцированным давлением поглощением длинноволнового излучения молекулами N2, CH4 и H2 (Маккей, Поллак и Кортин 1991). H2 сильно поглощает типичное для Титана излучение (16,7-25 микрон). СН4 аналогичен водяному пару на Земле, так как он конденсируется в условиях атмосферы Титана. Парниковый эффект на Титане обусловлен в основном индуцированным столкновениями поглощением с димерами N2-N2, СН4-N2 и H2-N2 (Хант и др. 1983; Вордсворт и др. 2010). Это разительно отличается от атмосферы Земли, Марса и Венеры, где преобладает поглощение через колебательные и вращательные переходы.

Титан также имеет заметный антипарниковый эффект (МакКей и др., 1991). Антипарниковый эффект вызывается наличием на большой высоте слоя дымки, поглощающей видимый свет, но прозрачной для инфракрасного излучения. Антипарниковый эффект уменьшает температуру поверхности на 9 К, в то же время парниковый эффект повышает её на 21 К. Таким образом, чистый парниковый эффект равен 12 K (82 K — эффективная температура по сравнению с 94 K наблюдаемой температурой поверхности). Титан без слоя дымки будет на 20 К теплее из-за отсутствия антипарникового эффекта и усиленного парникового эффекта (МакКей и др. 1991).

Охлаждение поверхности в основном обусловлено излучением в 17-25-микроновой области спектра. Это инфракрасное окно Титана. Н2 имеет важное значение, так как он поглощает в этой области, также как СО2 очень важен на Земле, потому что он поглощает в инфракрасной полосе излучения поверхности Земли. Оба газа также не стеснены насыщением своих паров в условиях своей атмосферы.

Метан близок к давлению насыщенного пара, аналогично H2O на Земле.

Эволюция атмосферы

Из-за усиления светимости Солнца, температура поверхности Титана, скорее всего, на 20 K теплее, чем была 4 миллиарда лет назад (Маккей и др., 1993). В этом случае N2 в атмосфере был бы охлаждён до состояния льда. Формирование и время существования атмосферы Титана является интересной проблемой без каких-либо прочных решений (Кустенис 2004). Одна из проблем в том, что с такими темпами фотолиза CH4 и производства этана, текущие запасы СН4 в атмосфере Титана истощились бы за намного меньшее время, чем возраст Солнечной системы. К тому же, жидкий этан скапливался бы на поверхности на несколько сотен метров ниже при сегодняшних темпах производства (Люнайн и др., 1989). Либо сейчас нехарактерный период в истории Титана, либо есть неизвестные источники метана и стоки для этана (Кэтлинг и Кэстинг, 2013).

ВЫВОДЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Земля, Марс и Венера похожи в том, что каждая планет имеет заметную атмосферу, погоду, прошлый или текущий вулканизм, и химически неоднородный состав. Титан также имеет весомую атмосферу, погоду, возможно криовулканизм и потенциально частично неоднородный состав (Де Патер и Лизауэр 2007).

Марс, Земля и Венера имеют парниковый эффект с заметным влиянием СО2, хотя величины потепления и парциального давления СО2 различаются на несколько порядков. Совершенно очевидно, что Земля и Марс должны были иметь дополнительный прогрев ранее в истории Солнечной системы, когда Солнце светило слабее. Пока неясно, что было источником(-ами) потепления для этих двух планет, хотя и было предложено множество решений и множество объяснений возможны. Интересно, что Марс позволяет провести сравнение с прошлым Земли, поскольку обе планеты имеют множество геологических свидетельств тому, что они были теплее, имея нечто большее, чем парниковый эффект, созданный газом CO2. В то же время, бесконтрольный парниковый эффект на Венере даёт представление о будущем Земли, если солнечная активность продолжит расти. Сравнивая модели для всех трёх планет, зная фундаментальные физические законы, одинаковые для всех планет, мы можем получить вещи, получить которые было бы невозможно, если бы Солнце не влияло на планеты земной группы.
Титан является захватывающим материалом для исследования, по мнению автора, тем более что, в отличие от других описанных миров, в его парниковом эффекте преобладает индуцированное столкновениями поглощение. Прогрев из-за ИСП имеет множество возможных применений для описания условий и возможной обитаемости экзопланет (Пьерхьюмберт). Как и в атмосфере Земли, в атмосфере Титана содержится достаточно вещества, близкого к тройной точке, которое может конденсироваться в атмосфере и поэтому способно влиять на распределение температуры.

Основные виды газов в атмосфере Земли, конечно, подвержены влиянию живых организмов (Тэйлор 2010). Очевидно, что это не верно для других планет в Солнечной системе. Тем не менее, мы можем использовать сравнение Земли с безжизненными мирами в нашей системе, чтобы лучше понимать возможные другие биосферы.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *