 | Адиабатическая теория парникового эффекта |
По определению парниковым эффектом называется разность между средней температурой поверхности планеты и ее радиационной (эффективной) температурой, под которой эта планета видна из космоса. Средняя температура равна +15 °С, а ее эффективная температура -18 °С, следовательно, парниковый эффект равен +33 °С.
Свое название эффект разогрева атмосферы под влиянием поглощения парниковыми газами теплового излучения, идущего от поверхности Земли (greenhouse effect), получил по аналогии с теплицами, перекрытыми стеклянной крышей (green house), поскольку стекло тоже легко пропускает видимый спектр солнечного излучения, но задерживает инфракрасное излучение. Однако главный эффект всех теплиц – в изоляции заполняющего их воздуха от конвективного перемешивания с наружным воздухом, а не в стекле.
Поскольку Земля обладает плотной атмосферой, то в ее тропосфере толщиной около 12 км перенос тепла происходит не радиационным путем, а благодаря конвективным движениям воздушных масс. Действительно, в плотной тропосфере (давление больше 0,2 атм) всегда доминирует вынос тепла воздушными потоками, т.е. путем конвективного массообмена воздуха, при котором его теплые массы расширяются и поднимаются вверх, а холодные, наоборот, сжимаются и опускаются вниз. Радиационный перенос тепла доминирует только в разреженных слоях стратосферы, мезосферы и термосферы. Отсюда следует главный вывод, что среднее распределение температуры в толще тропосферы близко к адиабатическому, т.е. учитывающему расширение и охлаждение воздуха при его подъеме и, наоборот, сжатие и разогрев воздуха при его опускании. Из этого вовсе не следует, что конкретные распределения температуры в конкретные моменты времени обязательно должны быть адиабатическими. Здесь имеются в виду средние распределения за промежутки времени порядка 1 месяца и более.
Регулируется процесс адиабатического распределения температуры давлением атмосферы, а также эффективной теплоемкостью воздуха, учитывающей его дополнительный разогрев за счет поглощения “парниковыми” газами инфракрасного (теплового) излучения земной поверхности и выделения тепла при конденсации влаги в тропосфере. Напомним, что при адиабатическом процессе температура газа, выраженная в градусах Кельвина (К), пропорциональна давлению газа Р в степени показателя адиабаты а, зависящего от эффективной теплоемкости газовой смеси атмосферы: T = Cа*Р(степ.а), где C – постоянная. При конденсации паров воды во влажной тропосфере происходит выделение тепла и повышение температуры воздуха, это приводит к снижению значения показателя адиабаты а. Например, среднее значение этого параметра для влажной тропосферы Земли равно а = 0,1905, тогда как для сухого воздуха а = 0,2846.
Конденсация влаги в тропосфере порождает облачность, которая является главным фактором, определяющим отражательную способность Земли (ее альбедо). Это создает сильную отрицательную обратную связь между приземной и радиационной температурами Земли, что приводит к стабилизации температурного режима тропосферы. Действительно, любое повышение приземной температуры усиливает испарение влаги и увеличивает облачность Земли, а это, в свою очередь, повышает альбедо планеты и отражательную способность земной атмосферы. В результате увеличивается отражение солнечного тепла от облаков в космос, а поступление тепла на Землю сокращается, и средняя температура земной поверхности вновь снижается до прежнего уровня. Любая отрицательная обратная связь в системе приводит к линейной зависимости реакции на выходе системы от воздействия на ее входе и это свойство систем с отрицательными обратными связями универсально. В случае атмосферы входным сигналом является температура, характеризующая собой солнечное излучение на расстоянии Земли от Солнца. Для Земли эта температура, называемая температурой “абсолютно черного тела”, равна 278,8 К = +5,6 °С.
Отсюда делается второй вывод, что средняя приземная температура линейно зависит от температуры, характеризующей солнечное излучение. Этих двух условий достаточно для однозначного определения средней температуры на любом уровне земной тропосферы.
Распределение температуры для осредненной тропосферы Земли является почти линейной функцией высоты и с точностью до 0,1-0,05% совпадает с распределением температуры в тропосфере со средним температурным градиентом 6,5 град/км.
Стандартная модель земной атмосферы является осредненной по всей Земле зависимостью температуры от атмосферного давления. Эта модель используется при настройке авиационных альтиметров и тарирования барометров, предназначенных для наземных наблюдений.
Рассматриваемая модель позволяет оценить и доли участия всех составляющих переноса тепла в общем процессе регулировки температуры тропосферы. Так, по характеристическим температурам земной тропосферы, ее радиационной Te = 255 К и средней приземной температуре Ts = 288 К, удается определить поправочные члены к теплоемкости сухой и не поглощающей инфракрасное излучение атмосферы, учитывающие радиационный Cr Cr = 0,041 кал/г•град и влаго-конденсационный Cw = 0,0794 кал/г•град перенос тепла в тропосфере (Сорохтин, 2001), а= 0,1905.
Отсюда видно, что непосредственная передача тепла от земной поверхности воздушным массам, участвующим в конвективном массообмене тропосферы, достигает 67%, радиационная составляющая добавляет в конвективный перенос 11%, а выделение тепла при конденсации влаги в толще тропосферы - еще 22% (на Венере из-за очень плотной тропосферы относительный прогрев газовой оболочки от горячей поверхности планеты снижается до 55%, тогда как вклад радиационной составляющей в конвекцию достигает 45%, однако 26% суммарной тепловой энергии конвективного процесса расходуется в горячих (нижних и средних) слоях тропосферы Венеры на термическую диссоциацию химических соединений атмосферы типа серной кислоты, воды,, углекислого газа и т.д). В верхних же слоях тропосферы при более низких температурах эти составляющие вновь соединяются в стабильные химические соединения.
Для получения локальных климатических характеристик планеты в следует учесть альбедо земной поверхности и привнос тепла циклонами. При таком подходе становится понятным переохлаждение земной поверхности в зимнее время под антициклоническими областями Земли в
Антарктиде или Якутии и на северо-востоке России. Фактически в этих областях с высокой отражательной способностью снежного покрова, но лишенных притока тепла циклонами, температура земной поверхности снижается почти до температуры тропопаузы (т.е. нижнего слоя стратосферы), определяемой уже радиационным балансом атмосферы на данной широте. В летнее же время в таких антициклонических областях с сухим воздухом, наоборот, происходит перегрев приземных слоев тропосферы приблизительно на 4-5 °С и выше, со всеми симптомами засухи, что часто случается, например, в Заволжских степях.
Убедившись в справедливости адиабатической теории парникового эффекта на примерах распределений температуры в тропосферах Земли и Венеры, можно выполнить ряд прогнозных расчетов. Так, при мысленной замене азотно-кислородной атмосферы Земли на углекислотную с тем же давлением 1 атм, средняя приземная температура понижается (а не повышается) на 2,4°С. При этом снижается и температура во всей толще тропосферы.
Аналогично этому при мысленной замене углекислотной атмосферы Венеры на азотно-кислородную при том же давлении 90,9 атм, ее поверхностная температура повышается с 735 до 931 К (с 462 до 658 °С). Отсюда видно, что насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, при прочих равных условиях всегда приводит не к повышению, а только к понижению парникового эффекта и средней температуры во всей толще атмосферы планеты. Объясняется это явление просто: мольный вес углекислого газа в 1,5 раза выше, а его теплоемкость приблизительно в 1,2 раза ниже, чем у земного воздуха. В результате показатель адиабаты для углекислотной атмосферы а(CO2) = 0,1423 при прочих равных условиях влажной тропосферы в 1,34 раза меньше, чем для воздуха азотно-кислородного состава а(N2+O2) = 0,1905. Увеличение же углекислым газом поглощения тепла приводит к возрастанию поправочного коэффициента Cr и, следовательно, к дополнительному уменьшению показателя адиабаты а(СО2), а это ведет к дополнительному снижению температуры.
Физически эти парадоксальные результаты объясняются тем, что вынос тепла из тропосферы в основном происходит не радиационным путем, а благодаря конвекции, а главными факторами в этом процессе, определяющими температурный режим плотных планетных тропосфер, являются давление атмосферы и ее эффективная теплоемкость. Действительно, нагретые за счет поглощения инфракрасного (теплового) излучения объемы воздуха расширяются, становятся легче окружающих воздушных масс и поэтому быстро поднимаются вверх, вплоть до низов стратосферы, где они и теряют избытки тепла уже с радиационным излучением. Таким образом, насыщение атмосферы углекислым газом ведет к ускорению конвективного массообмена в тропосфере, но не к увеличению ее температуры. Кроме того, при одинаковых давлениях (массах) суммарная теплоемкость углекислотной атмосферы всегда оказывается меньшей, чем теплоемкость азотно-кислородной атмосферы. При этом из-за большей плотности углекислого газа по сравнению с земным воздухом, углекислотная атмосфера оказывается более тонкой и хуже сохраняет тепло на поверхности планеты по сравнению с более толстым слоем азотно-кислородной атмосферы, обладающим к тому же и большей теплоемкостью.