«Парниковый эффект» и глобальное потепление

Заполнив эту страницу, вы сможете обсудить так называемый «парниковый эффект» и «парниковые газы», ​​которые ему способствуют, а также его важность для жизни на Земле. Вы также должны быть в состоянии описать связь между парниковым эффектом и глобальным потеплением и провести различие между ними.

Читать.

Я надеюсь, что из последних нескольких разделов вы усвоили идею (которая, возможно, поначалу вас удивила), что сама атмосфера вносит важный вклад в энергетический баланс Земли. Правильно, даже невидимые атмосферные газы (и облака) излучают некоторое количество радиации на поверхность земли! Ключ к пониманию этого наблюдения лежит в наших законах излучения. Вспомните, что закон Планка говорит нам, что все объекты излучают излучение на всех длинах волн в любое время.

Как вы узнали, пик излучения Земли приходится на длину волны инфракрасного излучения (согласно закону Вина), так что же происходит с этим излучением после того, как оно излучается вверх от поверхности? Часть поглощается молекулами воздуха, в частности, так называемыми "парниковые газы», такие как водяной пар, углекислый газ, метан и закись азота.Из парниковых газов в атмосфере больше всего водяного пара, за ним следует углекислый газ (хотя напомним, что в общей схеме атмосферы это следовые газы). Оказывается, некоторые из длин волн, которые углекислый газ и водяной пар легко поглощают (особенно около 15 микрон и немного больше), совпадают с длинами волн пикового излучения Земли.

Спектры поглощения различных газов в атмосфере и атмосферы в целом. Обратите внимание, что водяной пар и углекислый газ легко поглощают излучение на нескольких длинах волн инфракрасного излучения (около 1 микрона и более на графике).

Кредит: Дэвид Бэбб

Закон Кирхгофа говорит нам, что если объект эффективно поглощает излучение на определенной длине волны, то он также является эффективным излучателем излучения на этой длине волны. Следствием закона Кирхгофа является то, что парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ, также эффективно излучают ИК-излучение на этих длинах волн, часть которого излучается в сторону поверхности Земли. Выбросы, которые достигают поверхности, вносят основной вклад в следы «нисходящего инфракрасного излучения» на графиках, которые мы использовали для наших энергетических бюджетов.

Тот факт, что парниковые газы так легко поглощают и испускают инфракрасное излучение, очень хорошо работает для людей. Без выбросов нисходящего инфракрасного излучения от парниковых газов средняя температура поверхности Земли была бы около 0 градусов по Фаренгейту (-18 градусов по Цельсию). Это довольно суровая среда для жизни на Земле, и, конечно, для жизни. как мы это знаем не могло существовать. Однако наблюдения показывают, что средняя температура поверхности Земли составляет около 59 градусов по Фаренгейту (15 градусов по Цельсию), и виноваты в этом нисходящие ИК-излучения от парниковых газов. Без парниковых газов температура поверхности Земли была бы почти на 60 градусов ниже — намного, намного холоднее!

Вклад нисходящего инфракрасного излучения парниковых газов в потепление планеты называется парниковый эффект. Честно говоря, названия «парниковый эффект» и «парниковые газы» довольно неудачны, потому что процессы, вызывающие глобальное потепление, не такие, как в теплице, но я вскоре коснусь этого. Суть в том, что потепление от парникового эффекта необходимо для поддержания жизни, какой мы ее знаем на Земле.

Глобальное потепление

Существование парникового эффекта Земли, возможно, так же важно, как и расстояние от Солнца, для определения средней глобальной температуры поверхности, поэтому нет никаких сомнений в том, что некоторый парниковый эффект желателен. Но может ли у нас быть слишком много хорошего? Может ли измениться величина парникового эффекта, если мы изменим концентрацию парниковых газов в атмосфере?

До промышленной революции в конце 1700-х годов концентрация углекислого газа в атмосфере составляла около 280 частей на миллион, но благодаря сжиганию ископаемого топлива, такого как уголь, нефть и природный газ, люди добавили углекислый газ в атмосферу. Концентрация углекислого газа в атмосфере в настоящее время превышает 400 частей на миллион, и вы можете увидеть тенденцию к повышению концентрации углекислого газа в атмосфере с конца 1950-х годов в данных обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях ниже.

С конца 1950-х годов наблюдения в обсерватории Мауна-Лоа показывают увеличение содержания углекислого газа в атмосфере. Красная линия показывает сезонные колебания содержания углекислого газа в атмосфере (из-за фотосинтеза растений), а черная линия показывает устойчивую тенденцию к увеличению.

Предоставлено: Лаборатория исследования системы Земля.

Помните, что углекислый газ является вторым по важности парниковым газом (после водяного пара), поэтому постепенное увеличение его концентрации приводит к усилению парникового эффекта, что означает, что на Землю излучается больше нисходящего инфракрасного излучения, что приводит к дополнительному нагреву планеты («глобальное потепление» ). Итак, если вы читали статью или смотрели новостной сюжет о глобальном потеплении, усиление парниковый эффект от повышенной концентрации парниковых газов является фундаментальной наукой, стоящей за этим. Однако это далеко не вся картина, и мы рассмотрим другие вопросы, связанные с глобальным потеплением и изменением климата, на следующем уроке.

Наконец, я упоминал ранее, что фразы «парниковый эффект» и «парниковые газы» довольно неудачны, потому что процессы, связанные с испусканием радиации из газов, — это другой процесс, чем то, что поддерживает тепло в теплице. Название «парниковый эффект» было названо в начале 1800-х годов, когда считалось, что теплицы остаются теплее, потому что оконные стекла пропускают солнечное излучение, но предотвращают выход излучения, испускаемого растениями и другими объектами внутри теплицы. Оказывается, основная причина, по которой теплицы остаются более теплыми внутри, связана с тем фактом, что воздух внутри не может смешиваться с более холодным воздухом снаружи теплицы. Теплый воздух в теплице, по сути, задерживается внутри оконных стекол, но в отношении атмосферного «парникового эффекта» нет «ловушки» (хотя вы все еще можете видеть, что он описывается в терминах «улавливания тепла»). Атмосферный «парниковый эффект» связан с поглощением и испусканием инфракрасного излучения некоторыми атмосферными газами. Но, увы, название «парниковый эффект» прижилось, а остальное уже история.

Идея о том, что воздух не может смешиваться с более холодным воздухом снаружи теплицы, приводит нас к следующим темам. Действительно, мы много говорили о том, как энергия передается через излучение, но пора рассмотреть, как энергия передается через систему земля-атмосфера при контакте между объектами и при движении воздуха (то самое движение воздуха, которому препятствуют стекла в теплице). Читать дальше.