Где возникает парниковый эффект на какой планете х

Этот материал (включая изображения) защищен авторским правом!. См. мое уведомление об авторских правах для добросовестного использования.

Что такое температура и как она связана со скоростью и массой частицы и как температура газа влияет на давление, обсуждалось выше, но что повысит или понизит температуру воздуха, особенно воздуха на поверхности земного мира или верхние слои атмосферы юпитерианской планеты? поверхность Температура планеты земной группы определяется тем, сколько энергии планета получает от Солнца и как быстро она излучает эту солнечную энергию обратно в космос. Как описано в следующем разделе, планета земной группы интерьер температура определяется его размерами.Земная кора является очень плохим проводником любого внутреннего тепла, поэтому все поверхностное тепло исходит от Солнца. Юпитер, Сатурн и Нептун имеют дополнительную тепловую энергию, поступающую из их недр. Вспомним из раздела о временах года, что для того, чтобы температура оставалась неизменной, должен быть баланс между солнечной энергией, поступающей на планету, и энергией, излучаемой обратно в космос.

В глобальном масштабе на этот поток энергии и, следовательно, на среднюю глобальную температуру поверхности могут повлиять три вещи. Как показано на рисунке ниже, они представляют собой расстояние планеты от Солнца, отражательную способность поверхности планеты (альбедо) и атмосферу планеты (посредством процесса, называемого парниковый эффект).

Планеты ближе к Солнцу получают больше солнечной энергии на количество, которое зависит от квадрата их расстояния (вспомните, как распространяется свет, как описано в главе о телескопе). Также вспомните из главы о свете, что более горячие и плотные объекты производят больше энергии (они ярче). Поскольку к ближайшим планетам поступает больше солнечной энергии, они должны быть более горячими, чтобы повторно излучать эту энергию обратно в космос. Количество солнечной энергии, отражаемой непосредственно в космос, определяется материалом на поверхности планеты или облаками в атмосфере. Доля солнечного света, отраженного от объекта, равна альбедо. Если альбедо ближе к 1 (100% отражательная способность), планета не должна быть такой горячей, чтобы ее отток энергии уравновешивал приток солнечной энергии. Более темные объекты поглощают больше солнечной энергии, и, следовательно, им нужно больше нагреваться, чтобы повторно излучать эту энергию, чтобы сбалансировать приток солнечной энергии. Например, вы, вероятно, заметили разницу между белой футболкой и черной футболкой на улице в солнечный летний день. Другой пример: жидкая вода в наших океанах поглощает больше солнечной энергии, чем лед на наших полюсах.

Давайте остановимся здесь и выясним, какой должна быть температура поверхности некоторых планет.Скорость энергии, поглощаемой планетой, равна (поглощающая площадь планеты) х (яркость солнечного света на расстоянии планеты от Солнца) х (доля поглощаемого солнечного света). Уровень энергии, излучаемой планетой, используя обсуждение в главе о свете (см. пункт 5 в списке на этой веб-странице), равен (площадь поверхности планеты) x (энергия, излучаемая каждым квадратным метром каждую секунду, которая изменяется в зависимости от температуры). в четвертой степени). Установив скорость поглощения солнечной энергии равной скорости энергии, излучаемой планетой, вы обнаружите, используя значения расстояний и альбедо, приведенные в приложении к таблицам планет, что Меркурий должен иметь среднюю температуру 160°С, Венера должна быть -42°C, на Земле должно быть -19°C, а на Марсе должно быть -63°C. Их фактическая температура: Меркурий = 425°C (день)/ -175°C (ночь) = среднее значение 125°C. ; Венера = 464°С; Земля = 15°С; и Марс = -31°С (день)/-89°С (ночь) = среднее значение -60°С. °С и дневной экваториальной температуры 452 °С, что довольно произвольно выбранное среднее значение 125 °С достаточно близко к расчетному значению 160 °С.

Как ты это делаешь?

Чтобы найти ожидаемую температуру планеты, вам нужно установить уровень энергии, излучаемой планетой, равным уровню энергии, поглощаемой планетой. Используя термины в основном тексте выше, вы найдете

,

где R — радиус планеты, d — расстояние от Солнца, a — альбедо, Lsun — светимость Солнца (сколько энергии оно излучает каждую секунду), T — температура планеты, а Постоянная Стефана-Больцмана (ее значение см. в таблице астрономических констант в приложении). Используя алгебру, чтобы решить только температуру:

.

Подставляя значения констант из таблицы астрономических констант в приложении, вы находите

Кельвин

если расстояние измеряется в астрономических единицах. Наконец, чтобы преобразовать в градусы Цельсия, вычтите 273 из значения Кельвина.

Например, для Земли альбедо составляет 0,306, а расстояние — 1,000 а.

Разница между фактическими значениями температуры и расчетными значениями для трех других планет немного более интересна из-за влияния их атмосфер. Атмосфера планеты может препятствовать скорости потока энергии из теплой земли в космос, поэтому земля должна нагреться, чтобы увеличить утечку энергии, достаточную для уравновешивания притока солнечной энергии. Этот общий эффект атмосферы называется парниковый эффект и подробно описано ниже. Атмосфера планеты также может препятствовать скорости потока энергии из космоса на землю. Луна и Земля находятся на одинаковом расстоянии от Солнца, но Луна имеет очень большие перепады температуры от дня к ночи из-за отсутствия на Луне атмосферы. Температура поверхности Луны на экваторе колеблется от 100 К (-173°С) ночью до почти 400 К (127°С) днем!

Парниковый эффект

Парниковый эффект назван в честь стеклянных домов, которые используются для сохранения тепла растений в холодную погоду. Энергия в виде видимого солнечного света проходит через стеклянные стены и стеклянные крыши теплицы и нагревает растения и почву внутри теплицы. Воздух, соприкасающийся с растениями и почвой, нагревается. Стеклянные стены и крыша препятствуют выходу горячего воздуха наружу. То же самое происходит с салоном вашего автомобиля, когда вы оставляете его на солнце с закатанными окнами.

На планете определенные газы, такие как углекислый газ или водяной пар в атмосфере, предотвращают утечку тепловой энергии в виде инфракрасного света в космос. Эти так называемые «парниковые газы» позволяют видимый солнечный свет проходит и нагревает поверхность. Поверхность планеты достаточно теплая, чтобы излучать инфракрасный легкий. Часть инфракрасного света поглощается парниковыми газами и излучается обратно к поверхности, нагревая ее еще больше. Часть энергии излучается обратно в космос. Поверхность прогревается настолько, что количество делает утечка обратно в космос уравновешивает поток солнечной энергии внутрь. Обратите внимание, что если теплица была идеально одеяло, то поверхность будет становиться все горячее и горячее.

Основные парниковые газы, присутствующие в атмосферах планет нашей Солнечной системы, показаны на рисунке ниже. Не показаны хлорфторуглероды (ХФУ) и гидрофторуглероды (ГФУ), которые синтезируются человеком. На Земле относительные доли этих молекул в общем возникающем парниковом эффекте составляют примерно: 60 % для воды, 26 % для диоксида углерода, 5 % для метана, 4 % для озона, 4 % для CFC/HFC и 2 % для закиси азота (округление чисел до целых значений означает, что в сумме они не дадут ровно 100%).

Теперь вернемся к нашим трем планетам. Фактическая температура Венеры более чем в три раза выше, чем если бы не было парникового эффекта. Земля имеет естественный парниковый эффект, в основном вызванный водяным паром, повышающим температуру примерно на 34 градуса по Цельсию, чтобы океаны не замерзали. Марс нагревается очень незначительно из-за тонкой атмосферы.

Структура атмосферы

Атмосферы планет имеют многослойную структуру, основанную на изменении температуры с увеличением высоты. Парниковый эффект играет важную роль для нижнего слоя атмосферы земной планеты, а другие тепловые агенты могут повышать температуру верхних слоев. В этом разделе мы рассмотрим слои атмосферы Земли, затем сравним их с атмосферами других земных планет и, наконец, закончим со структурами атмосфер юпитерианских планет.

На рисунке выше показаны четыре нижних слоя атмосферы Земли. (Стандартная модель атмосферы от Стивена Пьетробона из Small World Communications.) Вот краткие описания каждого слоя.

• Тропосфера: нижний слой (ближайший к земле). Парниковый эффект присутствует в некоторой степени. Температура падает с увеличением высоты из-за того, что внизу больше нагревается теплица. Конвекция важна. На самом деле, без конвекции разница температур между вершинами гор и уровнем моря была бы еще больше. Взбалтывание воздуха конвекцией создает наши бури. В конечном счете, солнечная энергия питает наши бури. Здесь встречаются облака капель воды и кристаллов льда. На других планетах здесь будут облака, состоящие из других молекул.
• Стратосфера: где температура начинает повышаться с увеличением высоты над тропосферой. Ультрафиолетовые лучи поглощаются озон молекул в этом слое. Озон — это молекула, состоящая из трех атомов кислорода, с которыми вы столкнулись в разделе теплицы выше. Это полезно для жизни, когда она находится в стратосфере. При поглощении ультрафиолетового света хрупкие молекулы озона распадаются. Они воссоединяются позже, когда атом кислорода соединяется с молекулой кислорода, чтобы завершить цикл. Поглощение ультрафиолетового света является причиной повышения температуры. Озон в стратосфере считается «хорошим озоном» из-за его экранирующего эффекта. Озон в тропосфере считается «плохим озоном», потому что он вызывает проблемы с дыханием и другие негативные последствия для здоровья, а также разрушает органические материалы, такие как пластмассы.
• Мезосфера: где температура снова начинает падать с увеличением высоты над стратосферой, потому что нет озона, поглощающего ультрафиолетовый свет.
• Термосфера: где температура снова начинает расти с увеличением высоты, поскольку газы поглощают рентгеновские лучи и немного ультрафиолетового света и нагреваются. Рентгеновские лучи не проникают ниже термосферы.Рентгеновские лучи обладают достаточной энергией, чтобы выбивать электроны из атомов, делая атомы заряженными. Этот процесс называется ионизация. Место, где происходит наибольшая ионизация, называется ионосфера, слой, важный для радиосвязи, поскольку радиоволны отражаются от этого слоя и позволяют им выходить за пределы прямой видимости горизонта. В этом слое происходят полярные сияния (описано в следующем разделе).
• Экзосфера: самый верхний слой, где газы улетучиваются в космос примерно на 500 километров от поверхности Земли. Газы очень низкой плотности нагреваются рентгеновскими лучами и ультрафиолетовым светом. Технически Меркурий и Луна также имеют экзосферы, но их экзосферы начинаются прямо на их поверхности.

И Марс, и Венера имеют тропосферы большей протяженности, чем Земля, хотя и по разным причинам. Атмосфера Марса намного тоньше земной, и сжатие меньше из-за более слабой гравитации Марса. Хотя Венера имеет более слабую гравитацию, чем Земля, она имеет более чем в девяносто раз больше атмосферы из-за возникшего безудержного парникового эффекта. как минимум сотни миллионов лет назад. Это будет описано позже, но это предупреждает нас о том, что резкое глобальное изменение климата возможно. Поскольку их тропосферы простираются на большее расстояние, чем тропосфера Земли, облака Марса и Венеры находятся на больших высотах. Марс и Венера также имеют термосферы. Чего не хватает, так это температурного удара стратосферы (и мезосферы), потому что они не имеют озонового слоя, поглощающего ультрафиолетовый свет. (Модели атмосферы планеты предоставлены Джере Юстусом из Центра космических полетов им. Маршалла, НАСА.)

У юпитерианских планет такие же слои атмосферы, как и у Земли, хотя их составы, конечно, сильно различаются. Структура атмосферы Юпитера представлена ​​на рисунке ниже.

Тропосфера Юпитера простирается гораздо дальше вниз, плавно переходя в его недра.К обильному молекулярному водороду и гелию примешиваются следовые количества аммиака, воды и метана. Также присутствуют еще меньшие количества сероводорода (вонючего вещества тухлых яиц), других полисульфидов водорода и фосфора. Аммиак и сероводород смешиваются в воде, образуя сульфид аммония. Молекулы аммиака, гидросульфида аммония и воды образуют капли. (конденсировать) когда температура достаточно низкая. Однако они будут конденсироваться (и замерзать) при разных температурах, поэтому облака этих молекул будут образовываться на разных глубинах в тропосфере. На Юпитере есть три основных облачных колоды. Вода конденсируется при более высокой температуре, чем две другие, поэтому считается, что водяные облака существуют в самом глубоком слое облаков. Выше температура достаточно низка для конденсации гидросульфида аммония. Наконец, чуть ниже верхней границы тропосферы температура достаточно низкая для конденсации аммиака. Обратите внимание, что облачные слои отмечают верхнюю границу молекул этого типа в водородно-гелиевой атмосфере.

Космический аппарат Галилео сбросил зонд в атмосферу Юпитера, когда он прибыл к Юпитеру в декабре 1995 года. Зонд опустился на глубину 161 км ниже верхней границы облаков, прежде чем зонд перестал функционировать из-за высоких давлений и температур. На этой глубине давление составляло 22 бара, а температура около 425 К. Судя по рисунку структуры атмосферы выше, зонд Галилео должен был проникнуть туда, где находится водяной пар, но не нашел воды. К сожалению, зонд вошел в одну из чистых, сухих областей, созданных нисходящими потоками. Хотя зонд прошел более чем на 160 км ниже вершин облаков, он все еще находился в тропосфере, а его самая глубокая точка составляет всего 0,3% радиуса Юпитера. Над тропосферой Юпитера ультрафиолетовый нагрев создает стратосферу, но другие молекулы вместо озона поглощают ультрафиолетовый свет. На высших уровнях находятся термосфера и экзосфера.

Сатурн имеет те же три основных облачных покрова, хотя они находятся на более низких высотах, чем на Юпитере, из-за более низкой температуры Сатурна (он находится дальше от Солнца). Кроме того, облачные покровы Сатурна дальше друг от друга из-за более низкой гравитации Сатурна — меньшее сжатие газов. Поскольку облака Сатурна формируются в более глубоких точках его тропосферы, узоры его облаков кажутся более приглушенными, чем на Юпитере. Считается, что три слоя облаков (аммиак, гидросульфид аммония и вода) находятся слишком глубоко в тропосферах Урана и Нептуна, чтобы мы могли их увидеть. Вместо этого Уран и Нептун, находящиеся еще дальше от Солнца, имеют достаточно холодную тропосферу, чтобы метан мог конденсироваться и замерзать, образуя облака (Юпитер и Сатурн слишком теплые для метановых облаков). Нептун имеет дополнительную тепловую энергию внутри, поэтому температура его атмосферы выше, чем у Урана.

В следующем разделе мы рассмотрим, как газы перемещаются и распределяют энергию.

последнее обновление: 20 марта 2022 г.