Какая планета земной группы не имеет признаков парникового эффекта?

С тех пор, как я переехал в Луизиану, я стал остро ощущать климат. Лето здесь жаркое, а зима непостоянная. Поскольку домам в Луизиане часто не хватает достаточной изоляции (из-за сочетания бедности и оптимизма), термостаты усердно работают, чтобы смягчить температуру, постоянно включая кондиционер или обогреватель — иногда и то, и другое в один и тот же день. Конечно, по сравнению с другими регионами, такими как Аляска или Сахара, в Луизиане очень мягкий климат.

По сравнению с другими космическими местами, на самой Земле очень гостеприимный климат.Наши соседние планеты, Венера и Марс, имеют экстремальные температуры: поверхность Венеры при температуре 900°F достаточно горяча, чтобы расплавить свинец, а во время марсианских ночей температура падает до 220°F ниже нуля. Температура Земли удобно находится посередине: «в самый раз», как тарелка каши, которую съела Златовласка. Так планетарные астрономы говорят о «проблеме Златовласки»: благоприятный климат Земли — случайность или, может быть, стихийное бедствие? Венера горячая только потому, что она ближе к Солнцу, а Марс холодный, потому что он дальше?

Ответ — нет. Чем больше вы изучаете какую-либо науку, например астрономию, тем больше обнаруживаете, что Вселенная далеко не случайна. Существуют очень глубокие причины различий в климате между земными или подобными Земле планетами (в отличие от юпитериоподобных газовых гигантов во внешней Солнечной системе), и я имею в виду буквально. Красота — это только кожа, а климат — нет.

Есть три уровня ответа на проблему Златовласки. Первый слой похож на изоляцию, которая согревает планеты (и согревала бы мой таунхаус, если бы он был): печально известный парниковый эффект.

Из всех споров о парниковом эффекте легко создать впечатление, что парниковый эффект — это большое зло. Но это не так. Парниковый эффект делает Землю уютной. Без парникового эффекта Земля была бы замороженной, более чем на 60 градусов по Фаренгейту холоднее. Я мог бы использовать свои беговые лыжи в Луизиане, но это была бы высокая цена. Великий пугал, который беспокоит всех, Глобальное потепление, на самом деле является очень небольшим усилением общего парникового эффекта Земли. (Мы должны беспокоиться о глобальном потеплении, но позвольте мне оставить это на потом.)

Мы получаем энергию от нашего Солнца в виде света. Солнце представляет собой шар из очень горячего газа, нагретого термоядерными реакциями в его ядре. Все горячие объекты излучают электромагнитное излучение, которое включает радиоволны, видимый свет и рентгеновское излучение, а также ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.Вид испускаемого излучения зависит от температуры (чем выше температура, тем короче длина волны). Например, кусок раскаленного металла светится разными цветами при разных температурах. При «умеренных» температурах металл светится тускло-красным цветом; затем, когда он нагреется, он станет оранжевым, а затем сверкающим желто-белым — примерно таким же, как поверхность Солнца, примерно 9000 F. Если бы вы могли нагреть металл еще сильнее, он бы светился. голубовато-белый, и в конечном итоге он будет излучать энергию в основном в ультрафиолетовом диапазоне.

Но все объекты излучают электромагнитное излучение, даже относительно холодные объекты, такие как камни и люди. Объекты при комнатной температуре излучают инфракрасное излучение, как видят некоторые приборы ночного видения.

Итак, парниковый эффект работает следующим образом: Солнце, будучи очень горячим, излучает видимый свет. Свет от Солнца проходит через прозрачную для видимого света атмосферу Земли (поэтому наши глаза в ходе эволюции стали чувствительными к этому виду электромагнитного излучения) и нагревает поверхность Земли, которая, в свою очередь, переизлучает энергию, теперь как инфракрасное излучение, потому что поверхность Земли не такая горячая, как Солнце.

Но атмосфера Земли, прозрачная для видимого света, непрозрачна для инфракрасного света. Таким образом, тепловая энергия в виде инфракрасного излучения остается в земной атмосфере, и Земля намного теплее, чем была бы без парникового эффекта.

Только несколько типов газов в атмосфере, парниковые газы, непрозрачны для инфракрасного излучения. Например, азот и кислород, основные компоненты нашей атмосферы, не являются парниковыми газами. Наиболее важными парниковыми газами являются водяной пар, метан и двуокись углерода (CO2). Когда речь заходит о глобальном потеплении, людей беспокоит CO2. Углекислый газ составляет всего около 330 частей на миллион в нашей атмосфере, но с начала промышленной революции его количество почти удвоилось из-за сжигания ископаемого топлива.Весь спор о глобальном потеплении сводится к тому, сколько именно углекислого газа нужно добавить, чтобы изменить мировую температуру; но никто не спорит, что, в конце концов, слишком много углекислого газа повысит температуру.

А Венера и Марс? В отличие от атмосферы Земли, их атмосферы примерно на 95% состоят из СО2. Но это не процент CO2, это общее количество в атмосфере. У Венеры очень плотная атмосфера: на поверхности атмосферное давление в девяносто раз больше, чем на поверхности Земли! Вам придется нырнуть почти на три тысячи футов в океан, чтобы почувствовать такое же давление. Таким образом, атмосфера Венеры перегружена парниковым эффектом, нагревая ее поверхность. Напротив, марсианская атмосфера, хотя и почти чистая из СО2, очень тонкая: менее 1% от земного давления. У Марса почти нет парникового эффекта — он нагревается примерно на 10 F выше, чем был бы без атмосферы. Земля, конечно, с умеренным парниковым эффектом — «в самый раз».

Таким образом, первым шагом в понимании климата Венеры, Земли и Марса является относительное количество парниковых газов в их атмосферах: на Венере слишком много, на Марсе слишком мало, а на Земле как раз нужное количество (фактически, водяного пара, который составляет один процент нашей атмосферы, доминирует над большей частью нашего парникового эффекта — но дополнительное количество CO2 может резко изменить величину парникового эффекта).

Климат планет земной группы отличается из-за резких различий в составе их атмосферы. Но почему у Венеры, Земли и Марса такие разные атмосферы? В частности, почему такие огромные различия в количестве CO2 в их атмосферах? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны взглянуть на то, что называется углеродным циклом. Круговорот углерода действует как огромный планетарный термостат: при правильной работе он охлаждает планету, когда становится слишком жарко, и нагревает ее, когда становится слишком холодно.

На Земле атмосферный CO2 поглощается осадками — дождем — и образует очень слабый раствор угольной кислоты, очень мягкую форму кислотного дождя. Этот кислотный дождь выпадает на поверхностные породы, многие из которых содержат кальций, а углекислота растворяет крошечную часть кальция. В конце концов вода, содержащая как углекислоту, так и ионы кальция, смывается в океан. В наших океанах крошечные растения и животные, планктон, включают кальций и углекислоту в раковины из карбоната кальция. Когда животные умирают, их экзоскелеты из карбоната кальция дрейфуют на дно океана. Когда накапливается достаточное количество этих карбонатных отложений, они образуют карбонатные породы, такие как известняк, которые состоят из скелетов триллионов мертвого планктона. Короче говоря, действие воды удаляет CO2 из атмосферы и помещает его в земную кору. На Земле содержится примерно такое же количество CO2, как и на Венере, но почти весь он заключен в земной коре в виде карбонатных отложений.

(Тот факт, что планктон играет роль в осаждении карбонатов из воды, используется для поддержки так называемой гипотезы Геи, идеи о том, что жизнь является неотъемлемой частью климата Земли. Другие ученые оспаривают необходимость жизни в углеродном цикле, поскольку даже без планктона карбонат кальция при достаточно высокой концентрации выпадал бы в осадок из океанской воды.)

Хотя большая часть CO2 Земли заперта в ее коре, он не остается там навсегда. Действие тектоники плит, движение земной поверхности может привести к субдукции карбонатных отложений; то есть по мере того, как куски земной коры сталкиваются друг с другом, некоторые породы проталкиваются глубже внутрь, где они подвергаются теплу и давлению. Такая высокая температура и давление сначала превращают известняк в мрамор. Но при еще большем нагреве и давлении CO2 высвобождается из породы и возвращается на поверхность, где выбрасывается в атмосферу в результате вулканической деятельности. Следовательно, вулканы являются источником CO2.

Это полный углеродный цикл: дождевая вода удаляет СО2 из атмосферы и помещает его в земную кору, а вулканическая деятельность высвобождает СО2 из земной коры и возвращает его в атмосферу.

Что происходит на Венере? На Венере нет воды! В начале своей истории на Венере могла быть вода, но она слишком близко к Солнцу, чтобы удерживать ее. Когда молекулы воды поднимаются высоко в атмосферу, ультрафиолетовое излучение расщепляет молекулы воды на составляющие ее газы, кислород и водород, а более легкие молекулы водорода улетучиваются в космос. В то время как нижняя атмосфера Земли состоит примерно из одного процента водяного пара (хотя влажным летом в Луизиане он кажется намного выше), верхняя атмосфера, куда может проникать ультрафиолетовое излучение, очень сухая: холодная ловушка, сочетание давления и температуры, препятствует проникновению воды. пара от поднятия высоко в земной атмосфере. У Венеры тоже есть холодная ловушка, но, поскольку Венера находится ближе к Солнцу, ее холодная ловушка находится намного выше в атмосфере, и любые молекулы венерианской воды поднимаются достаточно высоко, чтобы быть разрушенными ультрафиолетовым излучением.

Следовательно, круговорот углерода на Венере неполный: без воды CO2 не может быть удален из атмосферы. Однако на Венере есть вулканы. Радарные карты Венеры, сделанные межпланетными зондами, указывают на горы, похожие на вулканы, но есть и другие свидетельства существования вулканов. Атмосфера Венеры полна диоксида серы и частиц серы. Сера и двуокись серы очень реакционноспособны и не могут долго оставаться в атмосфере; поэтому что-то (вулканы) должно регулярно пополнять запасы серы. Эта теория подкрепляется данными межпланетных зондов, обнаруживших большие колебания содержания серы в атмосфере Венеры, а также радиосигналами, напоминающими молнии, а молнии часто обнаруживаются в вулканических шлейфах.

А Марс? Углеродный цикл также нарушен на Марсе, но противоположно Венере. На Марсе нет действующих вулканов, которые пополняли бы атмосферу углекислым газом.Мы знаем, что на Марсе когда-то была проточная вода — мы все еще можем видеть русла рек возрастом в миллиарды лет, где когда-то текла вода — и вода может все еще быть там, запертая в ледяных шапках и вечной мерзлоте под поверхностью. И кажется вероятным, что CO2 на Марсе все еще заперт в его коре, отложившись там миллиарды лет назад под действием воды. Если бы вы могли выпустить этот CO2, вы могли бы снова нагреть Марс. Действительно, это главная предпосылка научно-фантастических рассказов о терраформировании Марса; прекрасным примером является трилогия Кима Стэнли Робинсона о Марсе.

Полностью активный углеродный цикл действует как термостат, регулирующий климат планеты. В вашем домашнем термостате две полоски из разнородных металлов изгибаются в одну или другую сторону в зависимости от температуры. Если в вашем доме становится холодно, металлическая полоса изгибается в одну сторону и включает обогреватель; если становится тепло, то изгибается в обратную сторону и включает кондиционер. Круговорот углерода имеет аналогичную отрицательную обратную связь. Предположим, Земля становится слишком теплой. Тогда больше воды будет испаряться из океанов, а дополнительные осадки удалят CO2 из атмосферы, смягчая парниковый эффект и охлаждая планету. Если планета будет слишком сильно охлаждаться, будет испаряться меньше воды и будет меньше осадков для удаления CO2; CO2 будет накапливаться, нагревая планету.

Этот термостат углеродного цикла помогает объяснить загадку долговременного климата Земли. Компьютерные модели нашего Солнца показывают, что за свою пятимиллиардную жизнь оно постепенно становилось ярче примерно на двадцать пять процентов. Поскольку всего лишь двухпроцентное изменение светимости Солнца (при прочих равных условиях) погрузило бы Землю в глубокий ледниковый период, можно было бы ожидать, что поверхность оттаяла совсем недавно. Но двести миллионов лет назад Земля была на самом деле теплее, чем сегодня. Так что не все было равным.(Во-первых, дрейф континентов влияет на климат; образование глубоких океанов имеет тенденцию охлаждать планету, тогда как мелководные океаны согревают ее.) Круговорот углерода объясняет, как климат Земли может компенсировать изменения светимости Солнца. Кажется вероятным, что полмиллиарда лет назад в атмосфере Земли было несколько больше CO2, чем сегодня; по мере того, как Солнце медленно становилось ярче, углеродный цикл выделял больше CO2 в земную кору, поддерживая температуру «в самый раз».

Однако углеродный цикл является грубым и медленным термостатом. На компенсацию уходят миллионы лет, этого достаточно для медленных изменений на Солнце, но недостаточно, чтобы немедленно скорректировать то, что люди ежегодно выбрасывают тонны дополнительного CO2. Так что не успокаивайтесь насчет глобального потепления — круговорот углерода нас не защитит!

История не совсем закончена. Мы узнали, что на Венере слишком жарко, потому что на ней наблюдается безудержный парниковый эффект, вызванный нарушением углеродного цикла из-за слишком малого количества воды; Марс слишком холодный, потому что его углеродный цикл также нарушен, отсутствуют действующие вулканы, и поэтому у него слишком маленький парниковый эффект. Земле повезло с полностью функционирующим углеродным циклом и, следовательно, с умеренным и умеренным парниковым эффектом.

Но почему на Земле и Венере есть действующие вулканы, а на Марсе их нет? Мы знаем, что на Марсе когда-то были вулканы. На самом деле гора Олимп на Марсе является крупнейшим вулканом Солнечной системы, хотя и потухшим миллиарды лет назад. Весь штат Род-Айленд мог бы поместиться в кальдере горы Олимп. Но ни один из марсианских вулканов сегодня не действует. Чтобы понять, почему мы должны углубиться в недра планет.

Недра Земли горячие. Часть этого тепла образуется в результате естественного распада радиоактивных элементов в горных породах, а часть тепла остается после формирования Земли пять миллиардов лет назад, когда гравитация сблизила частицы газа и пыли, чтобы сформировать нашу планету. планета. И есть три способа, которыми планета может терять тепло из своих недр. Первый – простая проводка.Если вы воткнете кочергу в огонь и повиснете на ней, тепло медленно переместится по кочерге к вашей руке и обожжет вас. Это основной способ потери тепла маленькими планетами и луной, потому что чем меньше объект, тем быстрее он остывает. Представьте себе запекание картофеля разного размера. Когда их вынимаешь, большая охлаждается гораздо медленнее, чем маленькая. (Это физическая ошибка в оригинальной сказке о Златовласке: можно было бы ожидать, что каша Папы-Медведя будет слишком горячей, но каша Малыша была бы слишком прохладной, а каша Мамы, промежуточного размера, была бы в самый раз.) И вот что произошло. на Марс. Масса Марса составляет всего лишь одну восьмую массы Земли, поэтому он представляет собой небольшую картофелину и охлаждается так быстро, что отдает свое тепло на энергию вулканов. Юпитер, с другой стороны, как самая большая планета Солнца, все еще чрезвычайно горяч в своих газовых недрах: фактически Юпитер излучает вдвое больше тепловой энергии, чем получает от Солнца.

Есть два других способа переноса тепла из недр планеты на ее поверхность, и оба они могут создавать вулканы. Один — конвекция. Вы можете, с осторожностью, создать конвекцию на своей плите. Возьмите немного супа — густой томатный или какой-нибудь суп-пюре подойдет — и медленно подогрейте его. Не доводите до кипения; но если вы установите правильную температуру, вы увидите, как суп поднимается со дна. Горячий суп расширяется, становится легче и всплывает наверх, а холодный материал наверху уплотняется и опускается, образуя циклический узор.

Конвекция вызывает тектонику плит: источник дрейфа континентов, образование горных хребтов, землетрясения и некоторые виды вулканов. Если вы проедете по межгосударственному шоссе 5 из Калифорнии в Британскую Колумбию, вы увидите вереницу вулканов: Лассен, Шаста, Худ, Сент-Хеленс, Ренье, Бейкер. Конвективные модели, вызванные переносом тепла внутри Земли, подталкивают одну плиту земной коры под другую (субдукция), и трение нагревает магму, необходимую для вулканической деятельности, что, в свою очередь, выбрасывает CO2 в атмосферу.

Не все вулканы возникают в результате тектоники плит. Иногда небольшой «червь» из раскаленной породы пробивается сквозь земную кору, образуя так называемый щитовой вулкан с длинными пологими склонами. Гавайские острова образованы щитовыми вулканами. Этот процесс называется адвекцией. Вулканы на Венере и бывшие вулканы на Марсе образовались в результате адвекции.

Венера такого же размера, как Земля, поэтому ее внутренняя часть остается достаточно горячей, чтобы поддерживать вулканизм. Непонятно, почему именно на Венере отсутствует тектоника плит. Возможно, его корка слишком тонкая и ломкая; или, возможно, вода необходима, чтобы «смазать» действие тектоники плит. Но, напротив, Марс, будучи намного меньше Венеры и Земли, терял свое внутреннее тепло слишком быстро, чтобы поддерживать вулканы в течение длительного времени.

Итак, теперь мы можем решить проблему Златовласки. Венера находится слишком близко к Солнцу, чтобы удерживать воду, что нарушает ее углеродный цикл, что приводит к избытку парниковых газов и хорошо прожаренной поверхности. Марс слишком мал, чтобы внутри него было жарко, и, следовательно, нет вулканов, которые могли бы накачивать парниковые газы в его атмосферу, поэтому он холодный из-за отсутствия изоляции. Нам, землянам, повезло: на нашей планете есть и вода, и вулканы, и регулируемый климат.

Если бы только лето в Луизиане было более регламентированным.

ДЛЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ЧТЕНИЯ:

«Как развивался климат на планетах земной группы», Джеймс Ф. Кастинг, Оуэн Б. Тун и Джеймс Р. Поллак, журнал Scientific American, февраль 1988 г., стр. 90.

«Глобальное изменение климата на Марсе», Джеффри С. Каргель и Роберт Г. Стром, журнал Scientific American, ноябрь 1996 г., с. 80.

Новая Солнечная система, под редакцией Дж. Келли Битти и Эндрю Чайкина, Cambridge University Press, 1990.

Предыдущее эссе | Назад к эссе | Вернуться на главную страницу CWJ
Copyright Calvin W. Johnson, 1998 г. Не воспроизводить ни в какой форме.