Планета наша обладает атмосферой; давайте прикинем ее характеристики на салфетке. Будет интересно.
Начнем с массы. Нормальное атмосферное давление составляет сто тысяч паскалей (примерно), или одну атмосферу (хм), она же примерно один бар, или 10м водного столба, или 760мм столба ртутного. Последнее означает, что такое же давление создает слой ртути толщиной 760мм либо слой воды толщиной 10м. Если хотите ощутить, что это за давление, ныряйте на глубину 10м.
Давление большое, а почему мы его не ощущаем — знает каждый, кто читал Жюля Верна в детстве.
Умножим давление на площадь поверхности Земли. В прошлой заметке мы оценили радиус, это 6400 км, так что площадь получается S=5∙10¹⁴м². Умножим на P=10⁵Па и получим вес атмосферы в ньютонах. Поделим на g, примерно равное 10м/с², чтобы получить массу: она равна 5∙10¹⁵ тонн.
По оценкам, масса Москвы составляет 300 млн тонн, а масса Токио в три раза больше. То есть атмосфера тяжелее, чем 10-15 миллионов городов размером с Москву. Объем Средиземного моря меньше 4 миллионов куб.км, то есть его масса примерно 4∙10¹⁵ тонн.
Вот такой вот он — "невесомый" воздух. Его масса больше, чем у всего Средиземного моря.
Теперь прикинем среднюю плотность. Надо массу поделить на объем, а объем есть площадь S на высоту H. Конечно, атмосфера — это сферический слой, но тонкий, так что приближение оправдано. Чтобы меньше вычислять, сократим; M=PS/g, V=SH, так что плотность равна P/(gH). Приняв высоту атмосферы в 100км, мы получим среднюю плотность около 0.1кг на кубометр. Плотность же воздуха вблизи поверхности больше в десять раз: 1кг на кубометр. Такое значение получится, если взять высоту в 10 км, а выше как будто ничего нет. На высоте 10км воздух уже сильно разрежен, это примерно граница высоты, на которой можно дышать.
Эта оценка позволяет понять, как быстро убывает плотность с высотой.
Воды на всей Земле, конечно, больше (по массе). Средняя глубина океанов около 6 км, доля площади около 70%. То есть объем воды в океанах составляет около 3∙10¹⁸ кубометров и примерно столько же тонн. В 600 раз больше.
А сколько воды в атмосфере? Примем среднюю месячную норму осадков за 1000мм. Норма осадков — это сколько дождевой воды наберется в бассейне, если она не испаряется и не вытекает целый месяц. На самом деле, это многовато: средняя норма осадков по Земле составляет 1000мм, но в год. То есть я, житель очень водного региона, ошибся в сторону преувеличения в 10-12 раз)) Но пусть так.
Поделив на 30 дней, получим среднюю суточную норму осадков миллиметров в 30. Конечно, это "среднее среднее": мы все осадки за год равномерно распределили по Земли и равномерно же по дням года. Да еще и завышенное.
Можно считать, что выпадающий за сутки дождь — это вода из атмосферы, запасы за 24 часа не успеют сильно пополниться. То есть за сутки "всемирного потопа" вся вода и вытекла бы.
То есть воды в атмосфере примерно на 30мм, то есть ее хватило бы покрыть всю планету слоем воды в 3см глубиной.
Оценка оказалась неожиданно хороша: именно такое количество воды в атмосфере и есть, по более точным оценкам.
Сколько же это в литрах? Умножим 0.03м на площадь планеты и получим 1.5∙10¹³м³ и столько же тонн. В литрах еще на три порядка больше. К кубических километрах это 15 тысяч. Объем Байкала побольше: 23 тысячи, а Ладоги — поменьше: около 1 тысячи, точнее, 838.
Теперь коснемся такого важного вопроса. Запасы нефти на всей планете оцениваются в 240 кубических километров. Когда мы ее всю сожжем, на сколько мы нагреем атмосферу? Считаем, что всё тепло остается в ней, в космос не излучается (а оно излучается).
Теплоту сгорания примем за 45МДж на кг. Плотность нефти от 700 до 1000 кг на кубометр, то есть куб.км весит от 700 до 1000 млрд кг. Сгорая, он выделит от 31.5 до 45 триллионов МДж. Ну, пусть 50 триллионов, или 5∙10¹³МДж. Вся нефть, соответственно, выделит в в 240 раз больше, или около 10¹⁶МДж.
Теплоемкость воздуха около 1КДж на кг на кельвин. Вся атмосфера при нагревании на один градус повысит теплосодержание на 5∙10²¹Дж, или 5∙10¹⁵МДж. В два раза меньше, чем выделится при сгорании всей нефти. То есть сгорание нефти нагреет атмосферу на два градуса.
Это не так мало, мы с вами это уже обсуждали. Хотя часть тепла уйдет в космос, часть в океан, так что реальное потепление будет поменьше. Впрочем, мы жжем не только нефть, так что ещё неизвестно. Но всё равно, интуитивно кажется, что не особо заметный на глобусе резервуар (размером с Онежское озеро, оно 300 куб.км объемом), полный нефти, сгорев, не нагреет атмосферу всей планеты на целых два градуса.
Однако потепление связано не с этим тепловыделением, а с выбросом углекислого газа, который парниковый. Сейчас в атмосфере около 400 частей на миллион, то есть 2-3 триллиона тонн углекислого газа (грубо прикидываем!) Нефть не вся состоит из углерода, но для грубой оценки примем, что вся; это примерно 170 триллионов кг, или 170млрд тонн. округлим немного до 200 млрд тонн, или 0.2 триллиона. То есть 10% от того, что уже есть. Мы не учли кислород, который тоже тяжелый. Но порядок величины понятен: может 20%, может 25, может 30. Как-то так.
Этого достаточно, чтобы сместить баланс тепла между Солнцем, Землей и космосом в пользу Земли.