возвращение ее к поверхности Земли и есть тот самый парниковый эффект, которым средства массовой информации любят пугать население. Этот феномен — не страшная угроза человечеству, а физический механизм, благодаря которому на Земле смогла развиться биосфера, то есть жизнь. Без парникового эффекта поверхность нашей планеты была бы мертва, и на ней царил бы космический холод.
Парниковый эффект и радиационный форсаж атмосферы
Атмосфера для нашей планеты — как теплое одеяло или, вернее, — как терморегулирующий скафандр. Без нее температура на Земле была бы в среднем на 30 (!) градусов ниже, то есть минус 15 градусов Цельсия, а также с огромным контрастом температуры дня и ночи: днем было бы очень жарко, а ночью — очень холодно.
Атмосфера Земли, состоящая на 78 % из азота, на 21 % из кислорода, содержит также и другие газы и примеси в незначительных пропорциях. В числе этих примесей находятся и уже ставшие «знаменитыми» парниковые газы: СО2 (углекислый газ), СН4 — метан, а также серные газы и водяной пар. В общей сложности все эти примеси представляют собой около 1 % земной атмосферы.
Чтобы понять, как парниковые газы и СО2 влияют на температуру поверхности, нужно понять принципы радиационного (энергетического) баланса планеты и влияние атмосферы на него.
Итак, в 150 миллионах километров от Земли находится наша «печка» — Солнце, которая греет все вокруг с температурой около 6000 градусов Цельсия. Часть этого излучения доходит и до нашей планеты, далеко не все доходит до ее поверхности.
Атмосфера — это щит, который не пропускает часть солнечной энергии. Атмосферный щит отражает почти треть дошедшей до нас энергии обратно в космос. Если быть более точным — из дошедшей до Земли энергии в 342 ватта на квадратный метр атмосфера отражает 102 ватта и 240 ватт на квадратный метр проходят сквозь нее.
Но это еще не все, поскольку часть энергии, дошедшей до поверхности отражается обратно, еще раз проходит через атмосферу (опять с потерями), а часть отражается еще раз от атмосферы (на этот раз вниз) и возвращается к поверхности планеты. И все это много-много раз, примерно как шарик от пинг-понга, зажатый между двумя поверхностями. От этой «дополнительной» энергии, возвращенной к поверхности, температура планеты повышается.
Этот феномен — в упрощенном понимании «возврат атмосферой» к поверхности планеты части энергии, от нее отраженной, и называется парниковым эффектом.
Понятие это, на самом деле, неправильное, с научной точки зрения: этот эффект, на самом деле, не имеет ничего общего со знакомыми нам по огурцам-помидорам теплицам и парникам, где повышение температуры происходит по причине отсутствия конвекции (обмена теплого воздуха внутри теплицы и холодного снаружи). Но уж как назвали — пусть так и будет.
Понятие «парниковый эффект» было так сильно медиатизировано средствами массовой информации и политиками, что теперь поздно менять его на более правильное с точки зрения физики: радиационный форсаж.
В планетарном парниковом эффекте (феномене радиационного форсажа) основную роль играет способность земной поверхности отражать солнечные лучи и способность атмосферного экрана их пропускать (туда и обратно).
То есть если бы парникового эффекта не было, то земная поверхность, получив пропущенные атмосферой 240 ватт на квадратный метр, отражала бы их все обратно, но это не так.
Здесь самое место вспомнить, что такое альбедо. Альбедо — это и есть способность поверхности отражать часть солнечных лучей. Сточки зрения энергетического баланса — это та часть энергии, которая не используется для нагрева планеты Солнцем. Солнечное излучение отражается по-разному атмосферой, сушей, лесами и океаном. Чем альбедо выше, тем светлее нам кажется поверхность. Черная поверхность поглощает все лучи, падающие на нее, то есть альбедо равно нулю.
Альбедо Земли складывается из отражательной способности составляющих ее поверхность элементов. Все они, например из космоса, видятся более или менее светлыми. Те, что более светлые, имеют более высокое альбедо, более темные — более низкое. Например:
Свежий снег — 95%
Облака типа Cumulo-nimbus — 90%
Старый снег и ледники — 60%
Облака типа cirrus — 35%
Песок, пустыни — 30%
Растительность — 10%
Океан, реки, озера, вода — 7%
Таким образом, для всей земной поверхности среднее альбедо сегодня — около 30 %, что говорит о том, что Земля оставляет у себя 70 % солнечного излучения.
Тут надо сделать небольшое, но очень важное уточнение: с точки зрения энергетики, неправильно брать в расчет только видимую часть спектра. Если Солнце с температурой поверхности в 6000 градусов Цельсия поливает нас ультрафиолетом и лучами из верхней части спектра (солнце — желтая звезда), то отраженное ему обратно Землей излучение на 60 % состоит из видимого излучения и 40 % (!) из инфракрасного, которое и является основным «нагревателем» нашего планетарного «парника». Также, кстати, важно понимать, что альбедо растительности (листьев и травы) — всего 10 % в видимом спектре (они темные), но достигает 60 % в инфракрасном. Тут, кстати, наблюдается еще один забавный и немного провокационный парадокс: чем больше растительности — тем больше планета отражает инфракрасного излучения… Леса вырубить — парниковый эффект может стать и меньше… Все гораздо сложнее, чем представляется.
Но вернемся к энергетическому балансу земной поверхности. Получив 240 ватт энергии на квадратный метр, Земля поглощает две трети и треть отражает. То есть 160 ватт «нагревает» каждый квадратный метр Земли, и 80 ватт уходит «в небо». Но, чтобы сохранить энергетический баланс, Земля должна «отдавать» космосу те же 240 ватт. Земля — не холодная планета, у нее горячее ядро, наполненное магмой. Поэтому Земля излучает не только отраженную энергию Солнца, но и имеет свое инфракрасное (мы это помним) излучение. Это излучение на поверхности планеты сегодня равно 300 ваттам на квадратный метр. То есть поверхность Земли получает 240 ватт, а отдает больше — 380 ватт. Из этих 380 ватт через атмосферу проходит менее половины — около 150. Все остальное — 130 ватт возвращается обратно к земной поверхности и нагревает ее. Иными словами — Земля сама себя греет. Эта «дополнительная энергия» и есть проявление радиационного форсажа, или парникового эффекта.
Как вы видите, сам по себе парниковый эффект действительно оказывает существенное влияние на энергетический баланс планеты: оставленная им у поверхности планеты энергия (130 ватт на квадратный метр) почти сравнима с той частью энергии, которая доходит до нее через атмосферу от Солнца (160 ватт на квадратный метр).
Но данный факт сам по себе еще не говорит, что это вызывает потепление, как и не говорит о том, что именно углекислый газ — основной фактор парникового эффекта.
Физика парникового эффекта намного сложнее. Частота волн полученного и выпущенного излучения играет в нем важную роль. Вспомним тот факт, что Солнце излучает всю гамму лучей и много ультрафиолета, а основное излучение Земли — инфракрасное. Земля — темное небесное тело.
Так вот, разные молекулы атмосферы пропускают и отражают волны разной длины. Вода поглощает волны одной частоты — именно на эту частоту (2450 мегагерц) выставлены все, произведенные в Китае, микроволновки на всех кухнях всех домохозяек в мире. Но молекула азота поглощает волны на другой частоте, молекулы озона — на третьей, молекула углекислого газа СО2 — на четвертой, и так далее.[2]
Основной диапазон волн, которые атмосфера пропускает, называется «окном». Главное «окно» земной атмосферы (излучение Земли) находится в диапазоне 9 и 11 микрометров. Именно в этом диапазоне и идет основное излучение Земли.
