(час). Парниковый эффект

парниковый эффект Это естественный процесс, который помогает нагревать поверхность Земли и атмосферу. Это связано с тем, что некоторые атмосферные газы, такие как углекислый газ, водяной пар, а также метан, способны изменить энергетический баланс планеты, поглощая длинноволновое излучение излучается с поверхности Земли. Без парникового эффекта жизнь на этой планете, вероятно, не существовала бы, поскольку средняя температура Земли была бы прохладной -18° по Цельсию, а не нынешним 15° по Цельсию.

Когда энергия Солнца проходит через атмосферу, происходит ряд вещей (см. Рисунок 7h-1). Часть энергии (26% в мире) отражение или же разбросанный обратно в космос облаками и другими атмосферными частицами. Около 19% доступной энергии поглощается облаками, газами (такими как озон) и частиц в атмосфере. Из оставшихся 55 % солнечной энергии, проходящей через атмосферу Земли, 4 % отражается от поверхности обратно в космос. В среднем около 51% солнечного излучения достигает поверхности. Затем эта энергия используется в ряде процессов, включая нагрев поверхности земли; таяние льда и снега и испарение воды; и посадить фотосинтез.

Нагрев земли солнечным светом приводит к тому, что поверхность Земли становится излучателем энергии в длинноволновом диапазоне (иногда называемом инфракрасная радиация). Это излучение энергии обычно направлено в космос (см. Рисунок 7h-2). Однако лишь небольшая часть этой энергии фактически возвращается в космос. Большая часть уходящего инфракрасного излучения поглощается парниковые газы (видеть Рисунок 7h-3 ниже).

Рисунок 7h-3: Годовое (1987 г.) количество уходящей длинноволновой радиации, поглощаемой атмосферой.

(Изображение, созданное визуализатором парникового эффекта CoVis).

Поглощение длинноволнового излучения атмосферой приводит к добавлению дополнительной тепловой энергии в атмосферную систему Земли. Теперь более теплые атмосферные молекулы парниковых газов начинают излучать длинноволновую энергию во всех направлениях. Более 90% этого излучения длинноволновой энергии направляется обратно к поверхности Земли, где она снова поглощается поверхностью. Нагрев земли длинноволновым излучением заставляет поверхность земли снова излучать, повторяя цикл, описанный выше, снова и снова, пока длинные волны больше не будут доступны для поглощения.

Количество тепловой энергии, поступающей в атмосферу от парниковый эффект контролируется концентрацией парниковых газов в атмосфере Земли. Концентрация всех основных парниковых газов увеличилась с начала Индустриальная революция (около 1700 г.). Ученые предсказывают, что в результате этих более высоких концентраций парниковый эффект будет повышенная и климат Земли станет теплее. Прогнозирование величины потепления осуществляется с помощью компьютерного моделирования. Компьютерные модели предполагают, что удвоение концентрации основного парникового газа, углекислый газ, может повысить среднюю глобальную температуру на 1–3° по Цельсию. Однако численные уравнения компьютерных моделей не точно воспроизводят влияние ряда возможных факторов. отрицательные отзывы. Например, многие модели не могут должным образом смоделировать негативные последствия увеличения облачного покрова для радиационного баланса более теплой Земли. Повышение температуры Земли приведет к тому, что океаны будут испарять большее количество воды, в результате чего атмосфера станет более облачной. Эти дополнительные облака затем будут отражать большую часть солнечной энергии обратно в космос, уменьшая количество солнечной радиации, поглощаемой атмосферой и поверхностью Земли. Чем меньше солнечной энергии поглощается на поверхности, тем сильнее парниковый эффект можно нейтрализовать.

Ряд газов участвует в антропогенном усилении парникового эффекта (см. Таблица 7h-1 ниже). К таким газам относятся: углекислый газ (СО 2 ); метан (СН4); оксид азота (Н 2 О); хлорфторуглероды (CFxClx); а также тропосферный озон (О 3 ). Из этих газов наиболее важным является газ углекислый газ на долю которого приходится около 55% изменения интенсивности парникового эффекта Земли. Вклад остальных газов составляет 25% для хлорфторуглероды, 15% для метан, и 5% для оксид азота. Озон вклад в улучшение парниковый эффект еще предстоит количественно оценить.

Средние концентрации атмосферных углекислый газ в 2005 году составляли около 380 частей на миллион (см. Рисунок 7а-1).До 1700 года уровень углекислого газа составлял около 280 частей на миллион. Это увеличение содержания углекислого газа в атмосфере в первую очередь связано с деятельностью человека. Начиная с 1700 года социальные изменения, вызванные Индустриальная революция увеличилось количество углекислого газа, поступающего в атмосферу. Основные источники этого газа включают сжигание ископаемого топлива для промышленности, транспорта, отопления помещений, производства электроэнергии и приготовления пищи; и изменения растительности в естественных прериях, лесных массивах и лесных экосистемах. Выбросы от сжигания ископаемого топлива составляют около 65% дополнительного углекислого газа, который сейчас содержится в нашей атмосфере. Остальные 35% связаны с вырубкой лесов и преобразованием прерий, лесных массивов и лесных экосистем в первую очередь в сельскохозяйственные системы. Природные экосистемы могут удерживать в 20–100 раз больше углекислого газа на единицу площади, чем сельскохозяйственные системы.

Искусственно созданный хлорфторуглероды являются самым сильным парниковым газом на молекулу. Однако низкие концентрации в атмосфере снижают их общую значимость в улучшение парникового эффекта. Текущие измерения в атмосфере показывают, что концентрация этих химических веществ вскоре может начать снижаться из-за сокращения выбросов. Сообщения об образовании озоновых дыр над Северным и Южным полюсами и общем снижении глобального уровня стратосферного озона за последние два десятилетия заставили многие страны сократить производство и использование этих химических веществ. В 1987 году подписание Монреальский протокол соглашение сорока шести стран установило немедленный график глобального сокращения производства и использования хлорфторуглеродов.

С 1750 г. метан концентрации в атмосфере увеличились более чем на 150%.Основными источниками дополнительного выброса метана в атмосферу (в порядке важности) являются выращивание риса, выпас домашних животных, термиты, свалки, добыча угля и добыча нефти и газа. Анаэробные условия, связанные с затоплением рисовых полей, приводят к образованию метанового газа. Однако получить точную оценку того, сколько метана производится на рисовых полях, было трудно. Более 60% всех рисовых полей находятся в Индии и Китае, где отсутствуют научные данные об уровне выбросов. Тем не менее, ученые считают, что вклад рисовых полей велик, поскольку с 1950 года эта форма производства сельскохозяйственных культур увеличилась более чем вдвое. Пастбищные животные выделяют метан в окружающую среду в результате пищеварения трав. Некоторые исследователи считают, что добавление метана из этого источника увеличилось более чем в четыре раза за последнее столетие. Термиты также выделяют метан посредством аналогичных процессов. Изменения в землепользовании в тропиках из-за вырубки лесов, скотоводства и земледелия могут быть причиной увеличения численности термитов. Если это предположение верно, вклад этих насекомых может быть важным. Метан также выделяется на свалках, в угольных шахтах, при бурении газовых и нефтяных скважин. На свалках образуется метан, так как органические отходы со временем разлагаются. Месторождения угля, нефти и природного газа выделяют метан в атмосферу при разработке или бурении этих месторождений.

Средняя концентрация оксид азота в атмосфере в настоящее время увеличивается со скоростью от 0,2 до 0,3% в год. Источники этого увеличения включают преобразование землепользования; сжигание ископаемого топлива; сжигание биомассы; и удобрения почвы. Большая часть закиси азота, поступающей в атмосферу каждый год, возникает в результате обезлесения и превращения экосистем лесов, саванн и пастбищ в сельскохозяйственные поля и пастбища. Оба эти процесса уменьшают количество азота, хранящегося в живой растительности и почве за счет разложения органического вещества.Закись азота также выбрасывается в атмосферу при сжигании ископаемого топлива и биомассы. Однако совокупный вклад этих источников в увеличение содержания этого газа в атмосфере считается незначительным. Использование нитратных и аммиачных удобрений для ускорения роста растений является еще одним источником закиси азота. Трудно получить точные измерения того, сколько закиси азота высвобождается при внесении удобрений. Оценки показывают, что вклад этого источника может составлять от 50% до 0,2% закиси азота, добавляемой в атмосферу ежегодно.

Озон роль в усилении парникового эффекта было трудно определить научно. Точные измерения прошлых многолетних (более 25 лет назад) уровней этого газа в атмосфере в настоящее время недоступны. Концентрации газообразного озона обнаруживаются в двух разных регионах земной атмосферы. Большая часть озона (около 97%), обнаруженного в атмосфере, сосредоточена в стратосфера на высоте от 15 до 55 километров над поверхностью Земли. В последние годы концентрация стратосферный озон сокращается из-за накопления хлорфторуглероды в атмосфере (см. Лекция 7e). С конца 1970-х годов ученые обнаружили, что общий озон столба количества над Антарктидой в весеннее время уменьшились на целых 70%. Спутниковые измерения показали, что в зоне от 65 ° северной широты до 65 ° южной широты с 1978 года наблюдалось снижение содержания стратосферного озона на 3%. Озон также имеет высокую концентрацию на поверхности Земли. Большая часть этого озона создается как искусственный побочный продукт фотохимический смог.

Таким образом, парниковый эффект заставляет атмосферу улавливать больше тепловой энергии на поверхности Земли и в атмосфере, поглощая и повторно излучая длинноволновую энергию. Из длинноволновой энергии, излучаемой обратно в космос, 90% перехватывается и поглощается парниковыми газами.Без парникового эффекта средняя глобальная температура Земли была бы -18° по Цельсию, а не 15° по Цельсию в настоящее время. За последние несколько столетий деятельность человека прямо или косвенно привела к увеличению концентрации основных парниковых газов. Ученые прогнозируют, что это увеличение может усиливать парниковый эффект делает планету теплее. По оценкам некоторых экспертов, средняя глобальная температура Земли уже увеличилась на 0,3–0,6° по Цельсию с начала этого века из-за этого повышения. Прогнозы климата будущего показывают, что к середине следующего столетия глобальная температура Земли может быть на 1–3° по Цельсию выше, чем сегодня.

Таблица 7h-1: Газы, участвующие в парниковом эффекте: концентрация и источники в прошлом и настоящем.