Энергия: движущая сила климата

• Энергия: движущая сила климата — Обзор модуля
  • Атмосфера
    • История Земли
    • Атмосфера Земли
  • Электромагнитное излучение
  • Температура и радиация
  • Энергетический баланс Земли
  • ИССЛЕДОВАНИЕ: Энергетический бюджет Земли
  • Парниковый эффект
  • Энергия: движущая сила климата — Обзор

Парниковый эффект

Жозеф Фурье. Кредит изображения: Энциклопедия Нового Света

В 1827 году Жозеф Фурье, французский математик и физик, задался вопросом, почему средняя температура Земли составляет приблизительно 15°C (59°F). Он рассудил, что должен быть какой-то баланс между поступающей и исходящей энергией, чтобы поддерживать эту довольно постоянную температуру. Его расчеты показали, что на самом деле Земля должна быть намного холоднее (-18°C или 0°F).

Кредит изображения: Microsoft Clip Art

Чтобы иметь среднюю температуру 15 ° C (59 ° F), Фурье знал, что в атмосфере должен происходить другой процесс — что-то похожее на то, как теплица сохраняет тепло. Стеклянный корпус теплицы пропускает видимый свет и поглощает его растениями и почвой. Затем растения и почва излучают поглощенную тепловую энергию в виде инфракрасного излучения. Затем стекло теплицы поглощает это инфракрасное излучение, излучая часть его обратно в теплицу и, таким образом, сохраняя тепло в теплице, даже когда температура снаружи ниже.

Поскольку эти два процесса похожи, для описания объяснения Фурье было придумано название «парниковый эффект». Однако часть тепла теплицы возникает из-за физического барьера стекла, который препятствует выходу более теплого воздуха наружу. Таким образом, несмотря на то, что атмосферный парниковый эффект имеет некоторые общие процессы с реальным парниковым эффектом, общие механизмы, вызывающие парниковый эффект, различны и более сложны.

Парниковые газы

Парниковые газы

Вы уже знаете, что атмосфера Земли состоит в основном из азота и кислорода. Эти газы прозрачны для поступающего солнечного излучения. Они также прозрачны для исходящего инфракрасного излучения, что означает, что они не поглощают и не излучают солнечное или инфракрасное излучение. Однако в атмосфере Земли есть и другие газы, которые поглощают инфракрасное излучение. Эти газы известны как парниковые газы. Ниже приведены наиболее важные парниковые газы, влияющие на климатическую систему Земли.

Водяной пар (H2O) является сильнейшим парниковым газом, и концентрация этого газа в значительной степени зависит от температуры атмосферы. Когда воздух становится теплее, он может удерживать больше влаги или водяного пара. Когда воздух становится насыщенным (или удерживает столько влаги, сколько воздух может при этой температуре), избыточная влага конденсируется в облачные капельки. И если эти капли достаточно большие, они выпадут в виде осадков.

Углекислый газ (CO2) также является важным парниковым газом. Он имеет долгую жизнь в атмосфере Земли. Углекислый газ сильно поглощает энергию с длиной волны 15 мкм (микрометров). Это делает углекислый газ хорошим поглотителем длин волн, попадающих в область инфракрасного излучения спектра.

Углекислый газ постоянно попадает в атмосферу и выходит из нее посредством четырех основных процессов: фотосинтеза, дыхания, органического разложения или разложения и горения или горения органического материала. Вы узнаете больше о двуокиси углерода и круговороте углерода в Модуле 4.

Метан (CH4) в 30 раз сильнее, чем углекислый газ, как поглотитель инфракрасного излучения. Метан, однако, присутствует в меньших концентрациях, чем углекислый газ, поэтому его чистый вклад в парниковый эффект не так велик. Метан также относительно недолговечен (около 8 лет) в атмосфере. Метан образуется, когда бактерии разлагают органические вещества растений и животных в таких местах, как водно-болотные угодья (например, болота, илистые отмели, затопленные рисовые поля), очистные сооружения, свалки и кишки крупного рогатого скота и термитов. Ученые обеспокоены увеличением концентрации метана в регионах, где арктическая и альпийская вечная мерзлота оттаивает и выделяет метан по мере нагревания.

Галогенуглероды состоят из углерода, хлора, фтора и водорода. К ним относятся хлорфторуглероды (ХФУ) — искусственные газы, обычно используемые в холодильниках и кондиционерах. Концентрация газов CFC в атмосфере является самой высокой среди всех галоидоуглеродов, и они могут поглощать больше инфракрасного излучения, чем любой другой парниковый газ. Воздействие 1 молекулы газа CFC эквивалентно 10 000 молекул углекислого газа.

Закись азота (N2O), относительно долгоживущий газ, увеличилась в концентрации в атмосфере в основном из-за сельского хозяйства. Нитраты (NO3-) и аммиак (NH4+) используются в качестве удобрений.Бактерии превращают небольшое количество этого нитрата и аммиака в форму закиси азота. Двигатели внутреннего сгорания также производят закись азота.

Озон (О3) также является относительно небольшим парниковым газом, поскольку он находится в относительно низких концентрациях в тропосфере (самый нижний слой атмосферы). В тропосфере он производится комбинацией загрязняющих веществ — в основном углеводородов и соединений оксида азота.

Джон Тиндалл. — Изображение предоставлено: Википедия

В 1860-х годах Джон Тиндалл, ирландский ученый, увлеченный ростом и образованием ледников, хотел проверить свои идеи, объясняя, как Земля поддерживает довольно постоянную температуру. Он начал серию экспериментов по измерению количества лучистого тепла (инфракрасного излучения), которое определенные газы могут поглощать и передавать. Тиндаль обнаружил, что водяной пар и углекислый газ являются хорошими поглотителями и излучателями инфракрасного излучения.

Относительная важность парникового газа зависит от его распространенности в атмосфере Земли и от того, насколько газ может поглощать энергию определенных длин волн.

Эффективный поглотитель инфракрасного излучения имеет более широкий профиль поглощения, что означает, что он может поглощать более широкий спектр длин волн. Водяной пар и углекислый газ могут поглощать излучение с длиной волны в диапазоне от 4 мкм до 80 мкм, за исключением диапазона от 8 мкм до 12 мкм. Озон может поглощать волны с длинами волн от 9 до 10 мкм, но, как вы уже знаете, он встречается в низких концентрациях. Солнечные ультрафиолетовые волны сильно поглощаются озоном в стратосфере.

Спектр поглощения парниковых газов

Как работает парниковый эффект

Видимые длины волн солнечного излучения легко проходят через атмосферу и достигают Земли. Приблизительно 51% этого солнечного света поглощается на поверхности Земли землей, водой и растительностью. Часть этой энергии излучается обратно с поверхности Земли в виде инфракрасного излучения.

Водяной пар, углекислый газ, метан и другие следовые газы в атмосфере Земли поглощают более длинные волны исходящего инфракрасного излучения с поверхности Земли. Затем эти газы испускают инфракрасное излучение во всех направлениях, как наружу, в космос, так и вниз, к Земле. Этот процесс создает второй источник излучения для нагревания поверхности — видимое излучение солнца и инфракрасное излучение атмосферы — из-за чего Земля становится теплее, чем она была бы в противном случае. Этот процесс известен как природный парниковый эффект и поддерживает среднюю глобальную температуру Земли примерно на уровне 15 ° C (59 ° F).

Естественный парниковый эффект Используйте кнопки ниже, чтобы увидеть анимацию естественного парникового эффекта.

I. Видимые длины волн солнечного излучения легко проходят через атмосферу и достигают Земли. Приблизительно 51% этого солнечного света поглощается на поверхности Земли землей, водой и растительностью.

II. Часть этой энергии излучается с поверхности Земли обратно в космос в виде инфракрасного излучения.

III. Однако большая часть этого инфракрасного излучения не достигает космоса, потому что оно поглощается парниковыми газами в атмосфере, а затем излучается в виде инфракрасного излучения обратно к поверхности Земли. Этот процесс известен как парниковый эффект.

Если концентрация парниковых газов увеличивается, то больше инфракрасного излучения будет поглощаться и излучаться обратно к поверхности Земли, создавая усиленный или усиленный парниковый эффект.

Естественный и усиленный парниковый эффект

Определенная деятельность человека выбрасывает в атмосферу дополнительные парниковые газы и увеличивает количество тепла, которое поглощается перед выходом в космос, тем самым усиливая парниковый эффект и усиливая потепление земли.

При усреднении в течение года количество входящей солнечной радиации, полученной от Солнца, уравновешивает количество исходящей энергии, излучаемой Землей. Это равновесие называется энергетическим или радиационным балансом Земли.Относительно небольшие изменения в количестве парниковых газов в атмосфере Земли могут значительно изменить баланс между входящей и исходящей радиацией. Затем Земля нагревается или охлаждается, чтобы восстановить радиационный баланс в верхней части атмосферы.