Парниковий ефект
Без жодної атмосфери середня температура поверхні Землі становила б −18 °C. Натомість вона комфортно тримається на +15 °C — це бонус у 33 градуси, який забезпечують парникові гази. Розуміння фізики, що стоїть за цим, також пояснює, чому додавання CO₂ підвищує цю температуру ще більше.
Енергетичний баланс Землі
Сонце дає енергію у вигляді видимого світла та ближнього інфрачервоного. Близько 30% відбивається назад у космос (альбедо Землі); решта 70% поглинається поверхнею та атмосферою, нагріваючи їх.
Щоб підтримувати стабільну температуру, планета мусить випромінювати назад у космос рівно стільки ж енергії, скільки поглинає. Вона робить це у вигляді інфрачервоного (теплового) випромінювання — такого ж, яке випромінює ваша шкіра. Що гарячіша поверхня, то більше вона випромінює, за законом Стефана — Больцмана:
Точка балансу — де випромінюване інфрачервоне дорівнює поглинутому сонячному світлу — це рівноважна температура. Для голої скелі на відстані Землі вона становить 255 K (−18 °C). Реальна поверхня на 33 °C тепліша, бо атмосфера перехоплює інфрачервоне, перш ніж воно вийде.
Як гази поглинають інфрачервоне випромінювання
Не кожен атмосферний газ утримує тепло. Азот (N₂) та кисень (O₂) становлять 99% атмосфери, проте є прозорими для інфрачервоного. Чому? Їхні молекули — симетричні двоатомні молекули — вони не мають електричного дипольного моменту, який коливався б на інфрачервоних частотах.
Парникові гази інші. Їхні молекулярні зв'язки можуть згинатися та розтягуватися так, що створюють коливні диполі, які зв'язуються з інфрачервоними фотонами:
- CO₂ — асиметричні моди розтягування та згинання сильно поглинають на 15 мкм (далеке ІЧ)
- Пара H₂O — зігнута полярна молекула з багатьма обертальними/коливальними модами; поглинає в широкому ІЧ-діапазоні
- CH₄ — симетричні, але асиметричні тетраедричні розтягування; поглинає на 3,3 мкм та 7,7 мкм
- N₂O, O₃ — поглинають на важливих довжинах хвиль «вікна», де CO₂ та H₂O залишають проміжки
Коли інфрачервоний фотон відповідної довжини хвилі влучає в молекулу парникового газу, молекула поглинає його, і її зв'язки вібрують. Потім вона перевипромінює фотон у випадковому напрямку — зокрема вниз до поверхні, нагріваючи її ще більше.
Чому CO₂ — керівний газ
Водяна пара насправді є найсильнішим парниковим газом в абсолютному вимірі — вона відповідає приблизно за 50% природного парникового ефекту. То чому ж кліматична наука зосереджується на CO₂?
Тому що водяна пара — це зворотний зв'язок, а не вимушувальний чинник. Кількість водяної пари в атмосфері визначається температурою — тепліше повітря утримує більше пари. Ви не можете безпосередньо додати водяну пару, яка залишиться; вона випадає дощем протягом ~10 днів.
CO₂, навпаки, залишається в атмосфері сотні років. Коли ми спалюємо викопне паливо, CO₂ накопичується. Це трохи підвищує температуру, що дозволяє повітрю утримувати більше водяної пари, що підсилює потепління. CO₂ — це ручка термостата; водяна пара — це підсилювач.
Зворотні зв'язки, що підсилюють потепління
Первинний вимушувальний вплив CO₂ становить приблизно +3,7 Вт/м² на кожне подвоєння CO₂. Але остаточна зміна температури значно більша через зворотні зв'язки:
- Зворотний зв'язок водяної пари (+1,8 Вт/м²/°C): Тепліше повітря утримує більше пари, яка поглинає більше ІЧ. Найбільший окремий зворотний зв'язок.
- Зворотний зв'язок «лід — альбедо» (+0,3 Вт/м²/°C): Танення льоду оголює темніший океан чи сушу, що поглинають більше сонячного світла.
- Зворотний зв'язок вертикального градієнта температури (−0,8 Вт/м²/°C): Від'ємний зворотний зв'язок — верхня тропосфера нагрівається швидше, випромінюючи більше ІЧ у космос.
- Хмарні зворотні зв'язки (діапазон від −0,5 до +0,5 Вт/м²/°C): Найбільш невизначений член. Низькі хмари охолоджують; високі хмари нагрівають.
Додавання зворотних зв'язків до прямого вимушувального впливу дає чутливість клімату ≈ 3 °C на кожне подвоєння CO₂ — центральну оцінку, яку використовує МГЕЗК (IPCC), з імовірним діапазоном 2,5–4 °C.
Некерований парниковий ефект: Венера
Венера майже така сама за розміром, як Земля, і отримує приблизно вдвічі більше сонячного світла на одиницю площі. Температура її поверхні становить 465 °C — достатньо гаряче, щоб розплавити свинець. Винуватець: щільна атмосфера з CO₂ (96,5% CO₂) під тиском, у 92 рази більшим за тиск на поверхні Землі.
Вважають, що колись на Венері була рідка вода. Коли молоде Сонце ставало яскравішим, океани випаровувалися, наповнюючи атмосферу водяною парою, що підсилювало потепління, що випаровувало більше океану — це некерований парниковий ефект. Зрештою вода зазнала фотодисоціації, а водень був втрачений у космос.
Цифри сьогодні
Зростання CO₂ на 51% від часу індустріалізації підвищило середні температури поверхні приблизно на 1,1–1,2 °C. Арктичні регіони потеплішали на 3–4 °C через підсилені зворотні зв'язки «лід — альбедо».
Метан (CH₄) зріс більш ніж удвічі (з ~720 ppb до ~1900 ppb) і ~80× потужніший як парниковий газ за 20 років, хоча він розпадається за ~12 років. Закис азоту (N₂O) зріс на ~20% і залишається протягом 120 років.
Спробуйте самі
Візуалізуйте конвективний перенос тепла в симуляції атмосфери — теплові течії, що несуть тепло вгору, також є частиною енергетичного балансу:
Або дослідіть гідродинаміку — ті самі рівняння Нав'є — Стокса описують великомасштабну атмосферну циркуляцію: