Что такое невозмущенный парниковый эффект

Земля и Венера находятся недалеко друг от друга в Солнечной системе и похожи по размеру, плотности и составу. Основываясь на нашем понимании происхождения Солнечной системы, можно было бы ожидать, что их первоначальные атмосферы были бы довольно похожими.Однако нынешние атмосферы двух планет вряд ли могут быть намного более разными, чем они есть. Как это произошло? Считается, что причина кроется в так называемом «парниковом эффекте убегания».

Улавливание радиации парниковыми газами

Солнечный свет, падающий на поверхность планеты, находится преимущественно в видимой части спектра. Однако отражение света от поверхности имеет тенденцию производить свет с более длинной длиной волны, называемый инфракрасным (ИК) излучением (также известным как лучистое тепло; ИК-излучение — это тепло, которое мы ощущаем, когда оно исходит от горячей поверхности, например от горячего куска металла). .

Теперь из-за своей молекулярной структуры некоторые газы, такие как углекислый газ и водяной пар (и многие другие), обладают тем свойством, что они практически прозрачны для видимого света, но очень сильно поглощают инфракрасное излучение. Такие соединения иногда называют парниковые газы потому что, если они присутствуют в планетарной атмосфере, они поглощают рассеянное ИК-излучение и имеют тенденцию повышать температуру атмосферы, улавливая солнечную энергию. (Аналогия с настоящей теплицей несовершенна, потому что механизм, с помощью которого теплица остается теплой, другой, но достаточно хорошо, чтобы название «(планетарный) парниковый эффект» стало общим для этого явления.)

Парниковый эффект вышел из-под контроля

Парниковый эффект возникает для всех планетарных атмосфер, содержащих парниковые газы, и отвечает за то, что они теплее, чем в противном случае. Парниковый эффект сам по себе не может объяснить условия, которые мы наблюдаем на Венере. Однако мы считаем, что при определенных условиях парниковый эффект может «убежать». Например, рассмотрим случай с такой планетой, как Земля. На Земле огромное количество двух парниковых газов: водяного пара и углекислого газа. Однако для Земли большая часть воды и углекислого газа находится не в атмосфере.Вода в основном находится в океанах, а углекислый газ в основном химически связан в горных породах, состоящих из соединений, которые химики называют карбонаты (например, известняк).

Теперь предположим, что мы увеличили эффективность парникового нагрева атмосферы Земли, например, увеличив количество падающей на нее солнечной радиации, или увеличив концентрацию парниковых газов в атмосфере (например, сжигая ископаемые виды топлива, которые производят воду). пар и углекислый газ как побочные продукты горения). Затем мы ожидаем, что температура в атмосфере повысится (при условии, что никакие другие эффекты не вмешались — большое «если» в реалистичном случае, поскольку атмосфера сложна). Это будет парниковый эффект.

. . . и океаны закипят

Это станет убегать парниковый эффект, если повышение температуры приблизится к точке кипения воды, потому что тогда океаны начнут превращаться в водяной пар, водяной пар повысит эффективность удержания тепла и ускорит парниковый эффект, это вызовет дальнейшее повышение температуры, таким образом, океаны испаряются быстрее и т. д. и т. д. (Этот тип разгона также называется «петлей положительной обратной связи».) Когда океаны исчезнут, атмосфера, наконец, стабилизируется при гораздо более высокой температуре и гораздо более высокой плотности, потому что вся вода теперь была бы в атмосфере.

. . . и камни будут сублимировать

Мы можем представить себе даже дальнейшую стадию неуправляемого развития в этом сценарии. Предположим, что предыдущий побег поднял температуру настолько, что начинают происходить химические реакции, выталкивающие углекислый газ из горных пород в атмосферу (процесс называется сублимация; достаточно нескольких сотен градусов по Цельсию). Затем произойдет еще один выброс, поскольку углекислый газ, поступающий в атмосферу, ускорит нагрев, что, в свою очередь, ускорит перенос углекислого газа из горных пород в атмосферу.

Мать всех экологических катастроф

Атмосфера, наконец, стабилизируется при еще более высоких температуре и давлении после того, как весь углекислый газ будет вытеснен из горных пород. На самом деле мы полагаем, что если бы эта последовательность имела место на Земле, результирующая температура и давление оставшейся атмосферы не сильно отличались бы от той, что была на современной Венере: температура атмосферы составляла бы сотни градусов Цельсия и давление было бы, может быть, в 100 раз больше, чем сегодня.

Таким образом, мы полагаем, что в случае с Венерой первоначальный солнечный нагрев не позволил образоваться океанам или не позволил им остаться, если они действительно образовались, а последующее отсутствие осадков и неспособность растительной жизни удерживать углекислый газ в атмосфере. а не связывать его в скалах, как в случае с Землей; таким образом, у Венеры экологическая катастрофа для атмосферы.

Отрезвляющее предупреждение для нас очевидно: мы должны быть чрезвычайно обеспокоены такими процессами, как сжигание ископаемого топлива в больших объемах, которые могут (мы не знаем наверняка, потому что научные вопросы сложны) потенциально могут вызвать неконтролируемый выброс парниковых газов. воздействовать и создавать на Земле атмосферные условия, подобные тем, которые обнаружены на Венере.

Комментарий к концепции нестабильности

Когда мы говорим об «эффекте убегания» или «петле положительной обратной связи», мы имеем в виду концепцию «нестабильности». Идея неустойчивости состоит в том, что слабое возмущение приводит к нарастанию возмущения, а затем эффект становится полностью неустойчивым катастрофически. Другие примеры включают сбивание карточного домика. Вы слегка нарушаете равновесие, и все рушится.

Получается, что ДИНАМО УСИЛЕНИЕ магнитных полей — это тоже неустойчивость.

(Есть также эмоциональная нестабильность или петли эмоциональной обратной связи: кто-то может впасть в легкую депрессию, но затем это может привести к тому, что он войдет в психологическое состояние, в котором он делает вещи, которые делают его еще более подавленным, а затем эффект усиливается).