«Парниковый эффект» широко обсуждается в СМИ. Без парникового эффекта излучение Солнца (в основном в форме видимого света ) будет распространяться на Землю и превращаться в тепло, а затем теряться в космосе. Этот сценарий можно набросать следующим образом:
Солнечное излучение → поглощается Землей → переизлучается в космос в виде тепла.
Парниковый эффект - это процесс, при котором солнечная энергия легко проникает в нижние слои атмосферы и на поверхность Земли и превращается в тепло, но затем не может свободно покинуть планету. Это можно сделать следующим образом:
Излучение Солнца → поглощается Землей → некоторые переизлучаются в космос в виде тепла → некоторые задерживаются атмосферой.
Из-за присутствия определенных «парниковых газов», которые улавливают тепло, например, углекислый газ, метан, водяной пар и ХФУ, атмосфера сохраняет солнечную радиацию и нагревает планету. Увеличивая содержание этих газов в атмосфере, человечество увеличивает общее потепление поверхности Земли и нижних слоев атмосферы, процесс, называемый «глобальным потеплением».
Радиационный баланс
Другой способ думать о парниковом эффекте состоит в том, чтобы считать, что согласно физике излучение, которое мы получаем от Солнца, должно быть в равной степени уравновешено теплом, излучаемым Землей в космос.
Если бы мы отдавали меньше энергии, чем получаем, наша планета скоро была бы слишком горячей для жизни. Точно так же, если бы мы вернули больше энергии, которую мы получаем, наша планета скоро станет слишком холодной для жизни. Это можно записать как сбалансированное уравнение излучения:
Солнечное излучение вход на Землю = Земли выход переизлученного тепла.
Если бы мы измерили температуру Земли из космоса, «поверхность» Земли показала бы температуру, соответствующую этому требованию энергетического баланса: измерение примерно -18 градусов Цельсия (около 0 ° F). При этой температуре наша планета излучает количество тепла в космос, которое эквивалентно количеству энергии, получаемой от Солнца.
Кажущаяся «поверхность» температуры, которую мы видим из космоса, расположена значительно выше реальной поверхности Земли, на которой мы живем. Эта кажущаяся температура "поверхности" составляет около 5000 метров (17000 футов) в атмосфере.
Чтобы лучше понять эту концепцию, учтите следующее: разница высот от 0 до 5000 метров соответствует разнице в температуре около 60 ° F. Другими словами, на уровне моря на 60 ° F теплее, чем без атмосферы.
В течение последних 100 лет эта кажущаяся температура «поверхности» в атмосфере повышалась в результате глобального потепления. По мере того как кажущаяся «поверхность» поднимается, дно атмосферы становится теплее, что можно увидеть в положениях линии снега (высота, где начинает образовываться снег) и линии дерева (высота, где становится холодно для деревьев).
Как это возможно, что Земля точно уравновешивает входящий солнечный свет с уходящим тепловым излучением?
Ответ прост: количество теплового излучения Земли точно привязано к температуре атмосферы. Если температура видимой «поверхности» слишком низкая и Земля излучает слишком мало тепла, чтобы поддерживать равновесие, Земля нагревается и излучает больше тепла в космос. Если температура видимой «поверхности» слишком высока и Земля излучает больше тепла, чем получает, планета станет холоднее и будет излучать меньше энергии обратно в космос.
В целом, эта «отрицательная обратная связь» стабилизирует радиационный баланс, несмотря на все колебания температуры от одного места к другому и внутри вертикального столба атмосферы. Он устанавливает температуру так, чтобы входящая и исходящая энергия была сбалансирована.
Не все газы в атмосфере одинаково активно поддерживают тепло Земли. Фактически, самый распространенный газ атмосферы, молекулярный азот, очень мало делает в этом отношении, и то же самое верно для второго наиболее распространенного газа, молекулярного кислорода.
Наиболее важным компонентом воздуха для создания парникового эффекта является водяной пар.
Однако его обилие зависит от температуры воздуха. Чем теплее воздух, тем больше водяного пара он может удерживать. (Когда воздух охлаждается, пары конденсируются в дождь или снег). Это углекислый газ, который перемещает воздух к более высокой температуре, так что водяной пар может поглощать и нагревать его еще больше.
Молекулы углекислого газа перехватывают инфракрасное излучение, нагревая воздух и увеличивая количество водяного пара за счет испарения с поверхности моря, а также от растений и влажности почвы. Водяной пар затем увеличивает температуру еще больше. Процесс проверяется по подъему инфракрасного излучения в космос и образованию облаков.
К сожалению, роль облаков в радиационном балансе еще недостаточно изучена. Различные типы облаков имеют разные эффекты, что усложняет вычисления и приводит к неопределенности результатов.
Солнечные Вариации
Последний момент, который следует учитывать при обсуждении парникового эффекта, - это количество солнечного света, поступающего на Землю. Количество солнечного света, которое мы получаем, зависит от размера и яркости Солнца и расстояния между ним и Землей.
Одним из спорных вопросов в дискуссиях о глобальном потеплении за последние 100 лет, который не был полностью решен, является вопрос о том, могло ли более яркое Солнце способствовать недавнему наблюдаемому повышению температуры.
