Безудержный парниковый эффект на Венере

Что говорит наука:
Венера, скорее всего, в начале своей истории пережила неуправляемую или «влажную» тепличную фазу, и сегодня ее поддерживает высокая концентрация углекислого газа.₂ атмосфера.

Климатический миф: у Венеры нет безудержного парникового эффекта
На Венере не жарко из-за сбежавшей оранжереи.

В соответствии с моей недавней темой обсуждения планетарного климата, я пересматриваю заявление, сделанное в прошлом году Стивеном Годдардом в WUWT (здесь и здесь, и недавно повторенное им), что «теория [неуправляемой теплицы] за гранью абсурда» и что именно давление, а не парниковый эффект поддерживает температуру Венеры. В этом посте я сосредоточен не на его альтернативной теории (обсуждаемой здесь), а на обсуждении Венеры и неуправляемой оранжереи в целом, ради интереса и в качестве образовательной возможности. Сохраняя справедливость своего скептицизма, я также хотел бы обратиться к утверждениям (иногда выдвигаемым проходившим мимо Джимом Хансеном) о том, что сжигание всего угля, смол и нефти может привести к бегству на Земле.

Стоит отметить, что термин сбежавшая теплица относится к конкретному процессу, когда его обсуждают планетарные ученые, и просто к очень горячему, с высоким содержанием CO₂ атмосфера не то.Лучше всего рассматривать это как процесс, который мог произойти в прошлом Венеры (или большое количество экзопланет было обнаружено достаточно близко к их родительской звезде), а не как обстоятельства, в которых она находится в настоящее время.

Учебник современной Венеры

Орбита Венеры примерно на 70 % ближе к Солнцу, что означает, что она получает примерно в 1/0,7 2 ~ 2 раза больше солнечной инсоляции в верхних слоях атмосферы, чем Земля. Венера также имеет очень высокое альбедо, которое чрезмерно компенсирует расстояние до Солнца. поглощен солнечной энергии Венеры меньше, чем у Земли. Высокое альбедо может быть связано с множеством газообразных видов серы, а также с тем, что есть вода, которая обеспечивает корм для нескольких глобально окружающих серную кислоту ( H₂ТАК₄) облачные колоды. ТАК₂ и Н₂O – газообразный предшественник облачных частиц; нижние облака образуются за счет конденсации H₂ТАК₄ пар с SO₂ созданные фотохимией в верхних слоях облаков. Атмосфера Венеры также имеет давление около 92 бар, что почти эквивалентно тому, что вы чувствуете, плавая под километром океана. Плотная атмосфера могла удерживать альбедо значительно выше земного даже без облаков из-за высокого рэлеевского рассеяния (влияние облаков на Венеру и то, как они могут меняться во времени, обсуждается в Bullock and Grinspoon, 2001). Менее 10% падающей солнечной радиации достигает поверхности.

Наблюдения за содержанием пара в атмосфере Венеры показывают чрезвычайно высокое отношение изотопов тяжелых и легких (D / H) и лучше всего интерпретируются как предпочтительный уход легкого водорода в космос, в то время как дейтерий уходит менее быстро. Можно сделать вывод о нижнем пределе, по крайней мере, в 100 раз превышающем текущее содержание воды в прошлом (например, Selsis et al. 2007 и ссылки в нем).

Парниковый эффект на Венере в первую очередь вызван углекислым газом.₂, хотя водяной пар и SO₂ также чрезвычайно важны.Это делает Венеру очень непрозрачной во всем спектре (рис. 1а), а поскольку большая часть излучения, проникающего в космос, исходит только из самых верхних частей атмосферы, она может выглядеть такой же холодной, как Марс, на ИК-изображениях. На самом деле Венера даже горячее, чем дневная сторона Меркурия, с неудобными 735 К (или ~ 860 F). Подобно Земле, венерианские облака также создают парниковый эффект, хотя они не так хорошо поглощают/излучают инфракрасное излучение, как водяные облака. Однако капли концентрированной серной кислоты могут рассеивать инфракрасное излучение обратно на поверхность, создавая таким образом альтернативную форму парникового эффекта. В плотном венерианском СО₂ атмосферу, уширение давления от столкновений и наличие большого количества маловажных на современной Земле особенностей поглощения (рис. 1б), что означает быстрые и грязные попытки Годдарда экстраполировать логарифмическую зависимость между CO₂ и радиационное воздействие имеют мало смысла. Типичное уравнение Myhre et al (1998), которое предполагает каждое удвоение CO₂ уменьшает исходящий поток в тропопаузе на ~4 Вт/м 2 , хотя даже для СО₂ концентрация, типичная для состояний Земли после снежного кома, может быть существенно увеличена. На рис. 1b также показано, что CO₂ не насыщен, как утверждают некоторые скептики.

_{Рисунок 1: а) Спектры излучения планет земной группы. Предоставлено Дэвидом Гриспом (Лаборатория реактивного движения/CIT), из лекции «Понимание признаков жизни с помощью дистанционного зондирования в планетарных спектрах, усредненных по диску: 2» b) Свойства поглощения CO2. Горизонтальные линии представляют собой коэффициент поглощения, выше которого атмосфера сильно поглощает. Зеленый (оранжевый) прямоугольник показывает ту часть спектра, где атмосфера является оптически толстой для 300 (1200) частей на миллион. От Пьерумберта (2011)}

Как получить беглеца?

Чтобы получить настоящую неконтролируемую теплицу, вам нужен заговор солнечной радиации и наличие некоторого парникового газа в равновесии с поверхностным резервуаром (чья концентрация увеличивается с температурой по соотношению Клаузиуса-Клапейрона). Для Земли или Венеры в неконтролируемой тепличной фазе интересующим конденсируемым веществом является вода, хотя можно обобщить и другие атмосферные агенты.

Известную обратную связь водяного пара можно проиллюстрировать на рисунке 2, где повышение температуры поверхности увеличивает содержание водяного пара, что, в свою очередь, приводит к увеличению непрозрачности атмосферы и парниковому эффекту. На графике зависимости исходящего излучения от температуры это привело бы к менее чувствительному изменению исходящего потока при заданном изменении температуры (т. е. исходящее излучение является более линейным, чем можно было бы ожидать из зависимости σT 4 от черного тела).

_{Рисунок 2: График зависимости OLR от T для различных значений содержания CO2 и относительной влажности. При фиксированной относительной влажности удельная влажность увеличивается с температурой. Горизонтальные линии — это поглощенное коротковолновое излучение, которое может быть увеличено от 260 до 300 Вт м -2 . Обратная связь водяного пара проявляется как разность температур между b’-b и a’-a, поскольку обратная связь водяного пара линеаризует кривую OLR. В конце концов асимптоты OLR достигают предела Комабаяши-Ингерсолла. Взято из Пьерумберта (2002 г.)}

Можно представить себе крайний случай, когда обратная связь по водяному пару становится достаточно эффективной, так что в конечном итоге уходящее излучение отделяется от температуры поверхности и асимптотируется в виде горизонтальной линии (иногда называемой пределом «Комабаяши-Ингерсолла» вслед за работой авторов). в 1960-х годах, хотя Nakajima et al (1992) расширили этот ограничивающий OLR с точки зрения тропосферных и стратосферных ограничений). Чтобы поддерживать разгон, требуется достаточный запас поглощенной солнечной радиации, поскольку это препятствует достижению системой радиационного равновесия.Как только поглощенное излучение превышает предельное исходящее излучение, возникает безудержный парниковый эффект, и излучение в космос не увеличивается до тех пор, пока не истощатся океаны или, возможно, планета не станет достаточно горячей, чтобы излучать в ближнем видимом диапазоне длин волн.

_{Рисунок 3: Качественная схема истощения океанского резервуара при разгоне. Из Ч. 4 Р.Т. Пьерумбера Принципы планетарного климата}

На современной Земле «холодная ловушка» ограничивает попадание значительного количества водяного пара в верхние слои атмосферы, поэтому его судьба в конечном итоге состоит в том, чтобы сконденсироваться и выпасть в осадок. В неконтролируемом сценарии эта «холодная ловушка» разрывается, и атмосфера становится влажной даже в стратосфере. Это позволяет энергичному УФ-излучению разрушать H₂O и допускают значительную потерю водорода в космос, что объясняет потерю воды с течением времени на Венере. Промежуточным случаем является «влажная теплица» (Kasting 1988), в которой жидкая вода может оставаться на поверхности, но стратосфера все еще влажная, поэтому таким образом можно потерять большое количество воды (обратите внимание, что Венера, возможно, никогда не сталкивалась с настоящим убеганием, по этому поводу до сих пор ведутся споры). Кастинг (1988) исследовал природу неконтролируемой/влажной оранжереи, а позже, в 1993 г., применил это для понимания обитаемых зон вокруг звезд главной последовательности. Он обнаружил, что планета с паровой атмосферой может терять не более ~310 Вт/м 2 , что соответствует 140% современной солнечной постоянной (обратите внимание на альбедо плотной H₂O атмосферы выше современной), или около 110% от современного значения для влажной теплицы.

Земля и беглец: прошлое и будущее

Поскольку Земля находится значительно ниже порога поглощенной солнечной радиации для убегания, вода находится в режиме, при котором она конденсируется, а не накапливается бесконечно в атмосфере. Для СО все наоборот.₂, который накапливается бесконечно, если только его не остановит выветривание силикатов или процессы удаления океана / биосферы.Фактически, обобщение мышления порога убегания — это когда солнечное излучение настолько низкое, что CO₂ конденсируется, а не накапливается в атмосфере, как это было бы в случае с очень холодными планетами, подобными Марсу. Обратите внимание, что традиционный порог неконтролируемого парникового эффекта в значительной степени не зависит от CO.₂ (рис. 2 и 4; также см. Kasting 1988), поскольку непрозрачность в ИК-диапазоне перекрывается эффектом водяного пара. Из-за этого очень трудно обосновать опасения по поводу антропогенного побега.

_{Рисунок 4: Теплица H2O–CO2. График показывает температуру поверхности как функцию излучаемого тепла для различных количеств CO2 в атмосфере (по данным Abe 1993). Альбедо — это доля солнечного света, которая не поглощается (подходящим альбедо для использования является альбедо Бонда, которое относится ко всему видимому и невидимому солнечному свету). Современная Земля имеет альбедо 30%. Чистая инсоляция для Земли и Венеры ок. 4,5 млрд лет назад (после того, как Солнце достигло главной последовательности) показаны при 30% и 40% альбедо. Земля вошла в неконтролируемое парниковое состояние только кратковременно после крупных ударов, которые породили большие импульсы геотермального тепла. Например, после удара, образовавшего Луну, атмосфера находилась бы в состоянии неконтролируемого парникового эффекта в течение примерно 2 миллионов лет, в течение которых тепловой поток составлял бы разницу между чистой инсоляцией и пределом неуправляемого парникового эффекта. Вероятная траектория переводит Землю от примерно 100 бар CO2 и 40% альбедо до 0,1–1 бар и 30% альбедо, после чего океаны покрываются льдом и альбедо скачком. Обратите внимание, что CO2 сам по себе не вызывает разгона. Также обратите внимание, что Венера войдет в состояние убегания, когда ее альбедо упадет ниже 35%. См. Занле и др., 2007 г.}

Этот иммунитет к побегу не будет иметь место в долгосрочной перспективе.Примерно через миллиард лет солнце станет достаточно ярким, чтобы подтолкнуть нас к состоянию, в котором водород будет теряться гораздо быстрее, а через несколько миллиардов лет произойдет настоящая неконтролируемая теплица, с большой оговоркой, что облака могут увеличить альбедо и задержать этот процесс.

Интересно, что некоторые (например, Zahnle et al 2007) утверждали, что Земля, возможно, находилась в переходной фазе неконтролируемого парникового эффекта в течение первых нескольких миллионов лет, при этом геотермальное тепло и поток тепла от лунообразующего удара компенсировали разницу между чистая солнечная инсоляция и неуправляемый порог парниковых газов, хотя это продлится лишь короткий период времени. Поскольку порог разгона также представляет собой термин максимальной потери тепла, это означает, что планете потребовалось бы много миллионов лет, чтобы остыть после таких событий магматического океана и паровой атмосферы в раннем Гадее, что намного медленнее, чем случай без атмосферы (рисунок 5). .

_{Рисунок 5: Скорость радиационного охлаждения паровой атмосферы над магматическим океаном. Излучаемое тепло равно сумме поглощенного солнечного света (чистая инсоляция) и геотермального теплового потока. График показывает температуру поверхности как функцию излучаемого тепла для различных количеств атмосферной H2O (адаптировано из Abe et al. 2000). Излучаемое тепло представляет собой сумму поглощенного солнечного света (чистая инсоляция) и геотермального теплового потока. Разные кривые маркируются количеством H2O в атмосфере (в барах). Указан убегающий порог теплицы. Это максимальная скорость, с которой паровая атмосфера может излучать при наличии конденсированной воды. Если присутствует не менее 30 бар воды (десятая часть океана), порог неконтролируемого парникового эффекта применяется даже к магматическому океану. Обратите внимание, что скорость радиационного охлаждения всегда намного меньше, чем σT 4 планеты без атмосферы}

Выводы

Венера, вероятно, пережила фазу неконтролируемого или «влажного парника», связанную с быстрой потерей воды и очень высокими температурами.После того, как вода исчезнет, ​​​​силикатные реакции выветривания, которые вытягивают CO.₂ из атмосферы незначительны, а CO₂ затем может достигать очень высоких значений. Сегодня плотный СО₂ Атмосфера Венеры поддерживает очень высокую температуру.