7 просмотров

Какими свойствами обладает парниковый газ?

Температура является мерой средней энергии молекулярного движения в образце вещества: поступательного движения вперед и назад, внутримолекулярного колебания (и колебания решетки в твердых телах) и вращения (как целых молекул, так и внутримолекулярных частей). Сумма энергий этих движений может быть описана как «тепловая энергия» образца. Тепловая энергия и, следовательно, температура могут изменяться по мере того, как различные формы энергии, в том числе электромагнитные (свет/фотоны), взаимодействуют с образцом и изменяют среднюю энергию движения.

Предоставлено: Викисклад, Автор: Филип Ронан

Электромагнитный спектр охватывает диапазон длин волн около 24 порядков, от самых коротких, наиболее энергичных высокочастотных гамма-лучей до самых длинных низкочастотных радиоволн с очень низкой энергией). Диапазон, представляющий интерес для науки о климате и потепления атмосферы, находится примерно в середине этого спектра примерно от 0,1 до 100 мкм (от 10–1 до 10 2 мкм). Это включает видимую область спектра (от 0,4 до 0,7 мкм) и прилегающую область более высокой энергии (более короткая длина волны) ближнего ультрафиолетового (УФ) и более низкой энергии (более длинная длина волны) инфракрасного (ИК), включая большую часть «теплового инфракрасного излучения». Входящее солнечное излучение находится в более коротковолновой (более высокой энергии) части этого диапазона от УФ до ближнего ИК, примерно от 0,1 до 4 мкм. Излучение от нагретой Земли находится в основном в тепловом ИК-диапазоне между 4 и 30 мкм.

Статья в тему:  Ученые глобального потепления, кто они?

Молекулярные колебания и некоторые энергетические вращения имеют расстояния между энергетическими уровнями, которые соответствуют энергиям в ИК-области электромагнитного спектра (большинство вращений находятся в микроволновом диапазоне, который находится между тепловым ИК- и радиодиапазоном). Таким образом, ИК-излучение, поглощаемое молекулами, вызывает усиление вибрации. Столкновения между этими заряженными молекулами и другими молекулами в образце передают энергию всем молекулам, что увеличивает среднюю тепловую энергию и, следовательно, повышает температуру.И наоборот, молекулы, испускающие ИК-излучение, теряют свою колебательную энергию, а их столкновения с другими молекулами уменьшают среднюю тепловую энергию и понижают температуру.

Единицей длины волны, используемой здесь и в большинстве обсуждений парниковых газов, является микрометр, мкм, который обычно называют «микроном». Частоты излучения в ИК-диапазоне часто даются в единицах, обратных сантиметрам, см-1, называемых «волновыми числами» (количество волн на сантиметр). Чтобы преобразовать микроны в волновые числа, разделите числовое значение в микронах на 10 000 мкм·см –1 .

Чтобы молекулярные колебания поглощали ИК-энергию, колебательные движения должны изменять дипольный момент молекулы. Все молекулы с тремя и более атомами соответствуют этому критерию и являются поглотителями ИК-излучения. В то время как земная (сухая) атмосфера преимущественно состоит из поглотителей, не поглощающих ИК-излучение, N2 (78%), О2 (21%) и Ar (~ 0,9%), 0,1% оставшихся газовых примесей содержат много соединений, поглощающих ИК-излучение. Поглощение CO2, CH4, Н2О, и О3 показаны на схематической диаграмме в боковой панели ниже.

Статья в тему:  Как употребление красного мяса способствует глобальному потеплению

Диполь колебаний CO2

Источник: Двигатели нашей изобретательности, Эпизод 1776, Джон Х. Линхард, Хьюстонский университет; цифра была изменена путем добавления частичных зарядов.

Атмосфера, конечно, на самом деле «влажная» и может содержать несколько процентов водяного пара, а также жидкую и твердую воду в облаках от естественного круговорота воды (испарение-конденсация-осадки). Водяной пар также имеет сильное поглощение в ИК-диапазоне, как показано на схематической диаграмме. Большая часть атмосферного потепления связана с этим поглощением водяным паром, которое происходит на обоих концах теплового ИК-диапазона.

Обратите внимание, что в спектре водяного пара имеется «окно» примерно от 8 до 15 мкм, где наблюдается небольшое ИК-поглощение и, следовательно, небольшой вклад в потепление атмосферы. Сильное поглощение CO2 на длинноволновом конце этой области немного сужает это окно и усиливает эффект потепления.Излучение Земли, находящееся в этой области окна, проходит через атмосферу с небольшим поглощением и мало способствует потеплению атмосферы. Другие газы, которые поглощают в этой области окна или в других более узких областях окна теплового ИК (где водяной пар и CO2 не поглощают в значительной степени) могут внести значительный относительный вклад в потепление атмосферы, поглощая энергию, которая в противном случае была бы потеряна в космосе.

Потенциал глобального потепления

В контексте вклада различных газов в потепление атмосферы может быть полезной концепция потенциала глобального потепления (ПГП). GWP — это мера того, сколько энергии парниковый газ добавит к потеплению атмосферы в данный момент времени по сравнению с CO.2. ПГП молекулы зависит от трех факторов:

  • длины волн, при которых молекула поглощает. (Поглощение должно быть в тепловом ИК-диапазоне, где излучает Земля, и будет более эффективным, если оно поглощает там, где водяной пар и CO2 не надо.)
  • сила соответствующих абсорбций. (Чем больше энергии поглощает молекула, тем эффективнее она согревает.)
  • атмосферное время жизни молекулы. (Чем дольше газ сохраняется, тем больше тепла он может произвести.)
Статья в тему:  Как работает глобальное потепление краткое объяснение

Значения ПГП рассчитываются как отношение совокупного влияния этих факторов при впрыске в атмосферу 1 кг рассматриваемого газа по сравнению с эффектом при впрыске 1 кг килограмма CO.2 вводится. СО2 присваивается значение, равное единице, поэтому полученное соотношение является ПГП. ПГП для нескольких выбранных газов приведены в таблице. Чтобы интерпретировать ПГП, рассмотрим, например, 20-летний ПГП, равный 72 для CH.4. Это означает, что введение 1 кг CH4 в атмосферу сегодня будет иметь в 72 раза больший эффект потепления атмосферы в течение следующих 20 лет, чем впрыск 1 кг CO.2. Однако, поскольку количество CO2 при попадании в атмосферу на порядки больше, чем для этих других газов, радиационное воздействие CO2 по-прежнему превышает их совокупный эффект на потепление атмосферы.

Временной горизонт ПГП
ГазСрок службы, лет20 лет100 лет500 лет
Углекислый газ, CO2см. текст111
Метан, CH41272257.6
Закись азота, N2О114289298153
ХФУ-12, ССl2Ф210011,00010,9005,200
ГФУ-23, CHF327012,00014,80012,200
ГФУ-134а, CH2FCF3143,8301,430435
Гексафторид серы, SF63,20016,30022,80032,600

Обратите внимание, что срок службы CO не указан.2 в атмосфере. Источники и поглотители CO2 включают сложное взаимодействие CO2 среди гидросферы (зависимое от температуры растворение и высвобождение), биосферы (дыхание и фотосинтез) и литосферы (выветривание и осаждение), все из которых усложняют скорость его исчезновения. Около половины СО2 образец, выпущенный сегодня, исчезнет через столетие, но часть остатка сохранится на 1000 лет.

Статья в тему:  Как глобальное потепление повлияет на Ближний Восток

Из таблицы видно, что газ со временем жизни около века имеет примерно одинаковые 20- и 100-летние ПГП, что позволяет предположить, что концентрации этого газа и CO2 исчезают примерно параллельно в этот период. Для короткоживущих газов ПГП со временем снижаются, поскольку они исчезают быстрее, чем CO.2 стандарт. И наоборот, ПГП для очень долгоживущих газов, таких как SF6, увеличиваются со временем, поскольку они остаются в атмосфере дольше, чем CO2.

Хотя производство и использование ХФУ были прекращены, они имеют значительный срок службы в атмосфере и будут сохраняться в 21 веке. Точно так же ГФУ, поэтапный отказ от которых продолжается, будет продолжать накапливаться в течение столетия. Эти галогенизированные газы имеют очень высокие ПГП, в основном из-за того, что они обладают множественными интенсивными поглощениями в тепловом ИК-диапазоне. Однако реальный вклад парникового газа в потепление атмосферы зависит не только от его ПГП, но и от его концентрации. В настоящее время концентрации галогенсодержащих газов в атмосфере низки, а их совокупное радиационное воздействие составляет лишь около одной пятой от воздействия CO.2. Из-за перекрывающихся абсорбций полные радиационные воздействия и ПГП не являются простыми суммами значений для отдельных газов, а требуют расчета эффектов для отдельных газов в узких диапазонах длин волн и их суммирования по всей области теплового ИК-спектра.

ПГП для водяного пара и тропосферного O3 не рассчитываются, потому что их время жизни в атмосфере составляет всего несколько дней, а их концентрации сильно различаются. Еще важнее для водяного пара то, что деятельность человека почти не влияет на его концентрацию в тропосфере, которая контролируется температурой атмосферы и жидкой воды, из которой он испаряется (или льда, из которого он сублимируется). Повышение планетарной температуры увеличивает количество водяного пара в атмосфере, что увеличивает ее согревающий эффект. Это механизм обратной связи, который существенно увеличивает радиационное воздействие других неконденсирующихся парниковых газов.

Статья в тему:  Как глобальное потепление влияет на циклы муссонов

Все молекулы имеют положительные (ядра) и отрицательные (электронные облака) участки. Молекула диполярна и имеет постоянный дипольный момент, если усредненные центры ее положительно и отрицательно заряженных участков не совпадают. Если колебательное движение молекулы нарушает эти средние значения, ее дипольный момент может измениться, и соответствующая энергия ИК-излучения может быть поглощена, чтобы вызвать это молекулярное колебание. В качестве примера рассмотрим СО2 молекула. Более электроотрицательные атомы кислорода притягивают электронную плотность, что делает концы молекулы слегка отрицательными. Таким образом, центральный атом углерода слегка положителен, как показано на диаграмме. Поскольку молекула линейна с равными длинами связей, центр отрицательного заряда и центр положительного заряда совпадают в центральной точке, атоме углерода, и молекула не имеет постоянного дипольного момента. Симметричное колебание растяжения, верхнее изображение, не изменяет эту симметрию, не изменяет дипольный момент и не приводит к ИК-поглощению.Молекулярные изгибные колебания, два средних представления, смещают отрицательные заряды от линии центров молекулы и создают структуру с дипольным моментом. Таким образом, дипольный момент изменяется (от нуля до некоторого значения), и эти движения могут быть инициированы поглощением ИК-излучения. Это поглощение приводит к заметной полосе поглощения с центром около 15 мкм. Точно так же для асимметричного колебания растяжения (нижнее представление) средние длины связей становятся неравными, что смещает положительные и отрицательные центры друг от друга, создает дипольный момент и приводит к ИК-поглощению около 4 мкм.

голоса
Рейтинг статьи
Статья в тему:  Почему Уильям Гальперин не верит в глобальное потепление
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x