Гораздо больший парниковый эффект, но в температурах преобладает охлаждение

Предисловие Специально для политиков
Парниковый эффект оказывается намного выше, чем предполагалось ранее. Однако это также означает, что парниковый эффект не определяет температуру. Температура Земли намного ниже. Уровень температуры Земли, по-видимому, полностью зависит от охлаждения молекулой H2O, которая способна удерживать температуру Земли в узких пределах в течение четырех миллиардов лет. Учитывая огромную мощность охлаждения с помощью водяного пара, влияние дополнительных парниковых газов не может быть больше нуля процентов. Следствием того, что изложено ниже, является то, что политики снова имеют полную свободу в поиске наиболее практичного, наиболее стратегически правильного и наиболее недорогого решения текущей (2022 г.) энергетической проблемы. Все варианты снова открыты.

Абстрактный
Парниковый эффект Земли намного больше, чем предполагалось до сих пор. Если бы поверхностная радиация и парниковый эффект определяли температуру поверхности, наши океаны кипели бы. К счастью, это не так.Вода Земля имеет мощный механизм испарительного охлаждения поверхности на основе водяного пара, который эффективно устанавливает и стабилизирует температуру поверхности на гораздо более низком уровне, чем охлаждение за счет поверхностного радиационного излучения. Благодаря водяному пару наша температурная система гораздо более стабильна, чем принято считать, а благодаря воде, водяному пару и облакам температура поверхности благоприятна для нынешней жизни.

Введение
Ранняя Земля состояла из горячей расплавленной лавы, покрытой экстремально парниковой атмосферой: вряд ли какая-либо поверхностная радиация могла достичь космоса, если вообще была. Тем не менее его поверхность охлаждалась. Восходящая конвекция перенесла явное и скрытое тепло от горячих поверхностей к возвышенностям на самом краю атмосферы, откуда энергия могла эффективно излучаться в космос. Несмотря на почти максимальный парниковый эффект, поверхность ранней Земли остыла, и в какой-то момент образовались первые океаны. Те кипящие океаны по-прежнему приводили к огромному восходящему конвективному переносу энергии, еще больше охлаждая поверхность. До сих пор основную роль в охлаждении поверхности играет конвективный восходящий перенос энергии. Конвекция устанавливает и регулирует температуру поверхности на фактическом уровне. Без испарительно-конвективного облачного охлаждения наша настоящая парниковая атмосфера теоретически привела бы к температуре поверхности 202,3°C. На реальной Земле парниковый эффект нагревает поверхность, но парниковое потепление делает нет устанавливать и контролировать конечную температуру поверхности. Земля H₂Система охлаждения на основе O делает.

Теоретический парниковый эффект
Мы можем рассчитать согревающий эффект существующей парниковой атмосферы для теоретической планеты [1] в случае, когда ее поверхность охлаждается только излучением. Без парниковой атмосферы и при оптимальном радиационном охлаждении [2] температура такой теоретической планеты составляет минус 42,3 градуса по Цельсию. Но тепличная атмосфера имеет огромное значение. Изначально.

Нынешняя парниковая атмосфера Земли по-прежнему является «почти идеальной» парниковой атмосферой. Как показано на рисунке 1, только 22 Вт/м 2 излучаемой поверхности энергии (396 Вт/м 2 ) могут достичь космоса без поглощения. Эффективность охлаждения поверхности всего 5,556%.

Фигура 1: Радиационный бюджет Земли. Из всех 396 Вт/м 2 энергии, излучаемой поверхностью, 22 Вт/м 2 достигает космоса без поглощения (добавлено: красный овал). Источник Тренберт и Фасулло, 2011 г. [3]

Эффективность охлаждения поверхностным излучением очень низкая: после поглощения почти вся излучаемая поверхностью энергия возвращается на поверхность в виде нисходящего излучения или (без конвекции) и остается в виде явного тепла в нижних слоях атмосферы. Зная эффективность охлаждения излучением поверхности Земли, мы можем рассчитать температуру поверхности парника в случае, когда поверхность нашей воображаемой планеты охлаждается только излучением, как показано на рисунке 2.

Фигура 2: Температура поверхности теоретической планеты, рассчитанная только для случая охлаждения поверхности излучением. Исходные данные: солнечное излучение, поглощаемое поверхностью, и испускаемое поверхностью длинноволновое излучение 161 Вт/м 2 , эффективный коэффициент излучения 5,556% («Коэффициент излучения 0,05556»). Расчет с помощью калькулятора закона Стефана-Больцмана.

С нынешним парниковым эффектом Земли поверхность нашей воображаемой планеты имела бы температуру 202,3 градуса по Цельсию, если бы только охлаждалась поверхностным излучением. Общее начальное потепление парниковых газов огромно, см. Таблицу 1.

Таблица 1: Эффект парникового потепления по Стефану-Больцману для теоретической планеты, охлаждаемой только радиацией. Рассчитано для планеты без парниковой атмосферы и для планеты с нынешней парниковой атмосферой Земли. Излучаемая мощность равна поглощению солнечной энергии 161 Вт/м 2 .

Учитывая высокий исходный парниковый эффект на нашей относительно прохладной Земле другие факторы чем поверхностное излучение должно контролировать уровень поверхностных температур; вероятно Х₂Охлаждение поверхности, связанное с кислородом.

Уровень температуры поверхности Земли
Где в диапазоне «парниковых температур» мы находим температуру поверхности Земли? На Земле о поверхностных температурах лучше всего свидетельствует поверхностная температура океанской воды, покрывающей 71% поверхности Земли. Максимальная среднегодовая температура составляет 30°C, а минимальная температура составляет минус 1,8°C, что показано зеленым цветом на рисунке 3.

Рисунок 3: Уровень фактической температуры поверхности Земли, показанный в пределах теоретического парникового потепления, рассчитанный для теоретической ситуации охлаждения только поверхностным излучением в случае теоретической планеты. Парниковый эффект нагрел бы поверхность с -42,3°С до +202,3°С. Зеленым цветом показаны реальные температуры океана на Земле: от +30°C до –1,8°C. Синий показывает диапазон температур, который слишком холоден для жизни, красный показывает диапазон температур, слишком высокий для жизни.

«Только радиация» остановила бы охлаждение поверхности планеты на уровне 202,3 °C. Фактические среднегодовые температуры поверхности Земли намного ниже, около 15°C. На реальной Земле дополнительное охлаждение за счет испарения, проводимости, конвекции и облаков привело к снижению температуры поверхности намного ниже уровня, к которому привело бы «охлаждение только излучением». Почему? Ответ в том, что Х₂Охлаждение, связанное с кислородом (испарительное, конвективное охлаждение и охлаждение тропических облаков), является очень сильным, очень динамичным и очень эффективным в диапазоне температур выше 15°C.

Испарение
Испаряемость повышается на 6-7% (Клаузиус-Клапейрон) на градус повышения температуры, огромный процент. В более высоком диапазоне температур испарительное охлаждение очень сильно охлаждает: подумайте о кипящей воде при температуре 100°C. При температурах ниже 15 градусов Цельсия испарительное охлаждение уменьшается на такой же высокий процент 6-7%. В какой-то момент Х.₂Охлаждение поверхности, связанное с O, и нагревание, вызванное поглощением солнечной энергии поверхностью, пришли в равновесие при 15°C.

Конвекция
Конвекция в атмосфере — это восходящий перенос скрытого и явного тепла от поверхности к более высоким высотам.Конвективный отвод поверхностного тепла эффективно охлаждает поверхность и доставляет энергию на возвышенности, где отсутствует большая часть основного парникового газа — водяного пара. На этих высотах излучение в космос более эффективно, чем излучение с поверхности. Конвекция сильно стимулируется молекулами водяного пара низкой плотности, образующимися в результате испарения. Испарительно-конвективное охлаждение имеет огромное значение в диапазоне более высоких температур и создает большое количество тропических облаков, отражающих солнце. Когда формируются тропические облака, охлаждение поверхности за счет испарения сочетается с уменьшением нагревания поверхности солнечным светом: очень эффективно.

Проводимость
Сильная конвекция сильно усиливает ветер над поверхностью и приносит более сухой и холодный воздух из других мест, что приводит к более высоким потерям теплопроводности поверхности.

Уменьшение H₂Охлаждение на основе O
Вся охлаждающая машина на основе испарения очень динамична. Все Н₂Поверхностное охлаждение на основе O подпитывается увеличением испарения по мере повышения температуры. Но испарение также сильно уменьшается при понижении температуры, даже всего на один градус. прекращение дальнейшего охлаждения поверхности. В настоящее время общее охлаждение поверхности Земли [4] и общее нагревание поверхности уравновешены в среднем на 15 градусов по Цельсию в год.

Солнечная радиация
Поглощение океаном солнечной энергии очень зависит от наличия/отсутствия тропических облаков. По мере снижения температуры нижние тропические облака сильно уменьшаются, и больше солнечной энергии достигает поверхности и согревает ее. Поверхностное потепление вызывает увеличение испарения. Повышение испарения, грозы и связанные с ними процессы, заканчивающиеся тропическими облаками, вскоре прекращают дополнительное солнечное потепление. Отсюда невероятная стабильность температуры поверхности Земли.

Остаток средств
При температуре 15°C существует баланс между нагреванием поверхности за счет поглощения солнечной энергии и охлаждением поверхности. Любое дальнейшее охлаждение поверхности приводит к более высокому поглощению солнечной энергии, нейтрализуя исходный охлаждение. И любое поверхностное потепление приводит к более сильному охлаждению облаков за счет испарения, конвекции, нейтрализуя любое исходный поверхностное утепление.

Первоначальное потепление за счет дополнительных парниковых газов полностью нейтрализуется, как и любое другое поверхностное потепление. Нейтрализующее потепление происходит в разных временных масштабах, иногда в секундах (радиация) или часах, в день или в зависимости от сезона, но часто в течение десятилетий (из-за долгосрочных колебаний океана), а иногда и в течение еще более длительных периодов, таких как восстановление после холодного Малого ледникового периода. на что могут уйти столетия.

Почему 15°C, а не 202,3°C?
Радиационное охлаждение менее динамично, чем H₂Охлаждение на основе O. На один градус разницы в температуре поверхности радиационное охлаждение увеличивается или уменьшается всего на 1,4%, но H₂О-охлаждение на 6-7%. Ранняя Земля сначала была горячей, а затем остыла после своего создания. При текущей температуре поверхности всего 15°C (уровень температуры для этого геологического периода и для этой орбитальной установки) H₂Поверхностное охлаждение, связанное с O, имеет сбалансированное поверхностное поглощение солнечной энергии.

Ранняя Земля
Ранняя Земля была горячей и парной. Тепло аккреции действительно расплавило весь сталкивающийся материал из космоса, который сформировал Землю. Образовалась почти идеальная сфера, и ее атмосфера была идеальной тепличной атмосферой: атмосфера со сверхвысоким содержанием водяного пара, очень богатая углекислым газом и небо, покрытое облаками. Вряд ли какое-либо поверхностное излучение могло достичь космоса, не будучи поглощенным. Конвекция должна была переносить поверхностную энергию к краю насыщенной паром атмосферы, где мог происходить выброс в космос. Для ранней Земли охлаждение поверхности зависело от силы конвекции. По мере снижения температуры конвективное охлаждение продолжалось, но его сила постоянно уменьшалась. Покрытие тропических облаков также уменьшилось, что позволило Солнцу согреть тропические океаны. Несмотря на огромный парниковый эффект Земли, температура поверхности никогда не зависела от силы парникового эффекта, а зависела от температуры, определяемой тем, где H₂Охлаждение поверхности, связанное с O, уравновешивает потепление за счет увеличения поглощения солнечной энергии поверхностью.

Внутренние свойства
Увлекательный Х₂Молекула O обладает многими внутренними свойствами. Одно из его свойств придает молекулам сильное сцепление, что приводит к сильному поверхностному натяжению, которое создает «плотные» поверхности, по которым могут даже ходить некоторые насекомые. Сильное поверхностное натяжение затрудняет выход поверхностной молекулы в атмосферу, что повышает температуру, при которой будет выделяться достаточное количество водяного пара, чтобы вызвать «суперконвекцию». Другое неотъемлемое свойство устанавливает температуру замерзания на уровне нуля градусов Цельсия, а не +10, +20 или минус 20 градусов. Связывание одного атома кислорода с двумя атомами водорода с низкой плотностью приводит к образованию молекулы воды с низкой плотностью, поэтому очень влажный воздух с низкой плотностью легко поднимается вверх. ЧАС₂Внутренние свойства O определяют все основные элементы основной системы охлаждения Земли, в которой преобладает H.₂О. Свойства присущи самой молекуле: они не меняются со временем. Следовательно, температура поверхности Земли могла бы оставаться на одном и том же уровне в течение миллиардов лет, если бы не изменились орбитальные установки Земли и распределение океанов и континентов на ее поверхности. ЧАС₂Внутренние свойства O определяют уровень температуры поверхности Земли для каждой конкретной ориентации и расположения поверхности Земли. Н₂О молекула, ничего больше.

Парадокс слабого молодого Солнца
В первые годы существования Земли излучение Солнца должно было быть примерно на 30 процентов менее интенсивным, чем в наши дни. До Земли дошло меньше солнечной энергии. Тем не менее, поверхность Земли никогда не была намного холоднее, чем современная Земля. Это называется парадоксом слабого молодого Солнца. Зная роль H₂Охлаждение поверхности, связанное с O, этот парадокс решен. Поскольку общая инсоляция, достигающая поверхности, контролируется тропическими облаками, а температура поверхности Земли контролируется H₂Охлаждение поверхности, связанное с кислородом, температуры поверхности Земли зависят не просто от интенсивности солнечного излучения, достигающего Земли.В случае слабого Солнца испарение уменьшается, меньшее количество тропических облаков покрывает тропические океаны и позволяет большему количеству (но более слабых) солнечных лучей достигать и нагревать большую площадь поверхности. Конечный результат для тропических океанов: примерно такой же.

Нет Снежной Земли
Поскольку количество инсоляции, достигающей поверхности, контролируется тропическими облаками и из-за H₂О-контролируемое охлаждение поверхности, никакого полного снежного кома Земли, вероятно, не существовало. Немного более холодная поверхность сильно уменьшает H₂О связанное поверхностное охлаждение. Уменьшение тропических облаков приводит к более высокому поглощению солнечной энергии тропическими океанами. Конечным результатом является то, что тропические океаны все еще остаются теплыми. На водной Земле невозможна полная Земля-снежок. Даже когда вся существующая земля (29% общей поверхности) сосредоточена на обоих полюсах, в результате получается лишь частично покрытая снегом и льдом поверхность. Большая часть оставшихся 71% поверхности будет покрыта относительно теплыми океанами, океанами, которые перераспределяют поглощенную тропиками солнечную энергию в средние широты, и им не препятствует ни один континент.

Выводы
Парниковый эффект Земли огромен, намного выше, чем обычно считается. При охлаждении «только поверхностным излучением» поверхность теоретической планеты имела бы поверхностную температуру 202,3 °C. Но температура поверхности Земли не определяется силой парникового эффекта Земли. Дополнительный Н₂Системы охлаждения на основе O поддерживают поверхность при гораздо более низкой температуре, уравновешивая возрастающее поглощение поверхностного излучения. В настоящее время этот баланс достигается при среднегодовой температуре 15 градусов по Цельсию.

Благодаря Х₂Охлаждение поверхности, связанное с кислородом Температуры поверхности Земли ограничены узким диапазоном на уровне температур, хорошо подходящем для жизни на Земле. Благодаря его стабильности жизнь развивалась на протяжении многих сотен миллионов лет.

Температуру регулирует система охлаждения; система охлаждения регулирует температуру.

Что касается комментариев, пожалуйста, придерживайтесь правил, известных для этого сайта: цитируйте и реагируйте, ничего личного.И в комментариях, пожалуйста, не используйте аббревиатуры, а слова

Об авторе: Вим Рёст изучал географию в Утрехте, Нидерланды. Вышесказанное является его личным мнением. Он не связан с фирмами или НПО и не финансируется правительством.

Энди Мэй был так любезен, что исправлял и улучшал английский текст там, где это было необходимо или полезно. Спасибо!

Сноски

1. Расчеты сделаны для теоретической планеты, полностью отвечающей закону Стефана-Больцмана. Теоретическая планета является идеальным поглотителем/излучателем (черным телом) и состоит из «бесконечно тонкой оболочки», не способной накапливать энергию. Его поверхность является сверхпроводящей, что приводит к самой низкой возможной температуре излучения.
2. Рассчитано для фактического поглощения солнечной поверхностью (161 Вт/м 2 ) при максимальном поглощении и максимальном излучении, а также при допущении, что все поверхностное излучение излучается непосредственно в космос, то есть без поглощения. Эффективность поверхностного излучения составляет 100 % или эффективный коэффициент излучения «1». Расчет калькулятором Стефана-Больцмана.
3. Эта версия рисунка 2011 года является исправленной. Подпись к изображению: «Глобальный среднегодовой энергетический баланс Земли за 2000–2005 годы (Вт·м−2). широкие стрелки укажите схематичное течение энергии пропорционально их важности. Адаптировано из Trenberth et al. (2009) с изменениями, отмеченными в тексте».
4. Современное состояние Земли включает конфигурацию орбиты Земли, а также расположение, размер и топографию континентов и океанов. Суммарное состояние приводит к определенному распределению и перераспределению солнечной энергии по широтам. Погодные условия зависят от распределения и перераспределения солнечной энергии. Климат по определению является средним значением погоды за 30 лет. Изменения климата являются результатом изменений в распределении и перераспределении солнечной энергии по поверхности Земли.