Теория парникового эфефкта

Итак, что является причинами парникового эффекта, мы рассмотрели. Но почему, же все его  так бояться?  Рассмотрим его последствия:

1. Если температура  на Земле будет продолжать  повышаться, это окажет серьезнейшее  воздействие на мировой климат.

2. В тропиках  будет выпадать больше осадков,  так как дополнительное тепло  повысит содержание водяного  пара в воздухе. 

3. В засушливых  районах дожди станут еще более редкими и они превратятся в пустыни в результате чего людям и животным придется их покинуть.

4. Температура  морей также повысится, что  приведет к затоплению низинных  областей побережья и к увеличению  числа сильных штормов. 

5. Повышение температуры на Земле может вызвать поднятие уровня моря,  так как:

а) вода нагреваясь, становится менее плотной и расширяется, расширение морской воды приведет к  общему повышению уровня моря;

б) повышение  температуры может растопить  часть многолетних льдов, покрывающих некоторые районы суши, например, Антарктиду или высокие горные цепи. Образовавшаяся вода в конечном итоге стечет в моря, повысив их уровень. Следует, однако, заметить, что таяние льда, плавающего в морях, не вызовет повышение уровня моря. Ледяной покров Арктики представляет собой огромный слой плавучего льда. Подобно Антарктиде, Арктика также окружена множеством айсбергов. Климатологи подсчитали, что если растают гренландские и антарктические ледники, уровень Мирового океана повысится на 70-80 м.

6. Сократятся жилые земли. 

7. Нарушится  водосолевой баланс океанов. 

8. Изменятся  траектории движения циклонов  и антициклонов.

9. Если температура  на Земле повысится, многие  животные не смогут адаптироваться  к климатическим изменениям. Многие растения погибнут от недостатка влаги, и животным придется переселиться в другие места в поисках пищи и воды. Если повышение температуры приведет к гибели многих растений, то вслед за ними вымрут и многие виды животных.

10. Изменение  температуры негативно сказывается на здоровье людей.

 

6. Гипотезы, объясняющие изменения температуры Земли.

Были предложены разнообразные гипотезы, объясняющие  изменения температуры Земли  соответствующими изменениями солнечной  активности.

6.1 Антропогенно-естественная теория роста температуры в геометрической прогрессии (А. Карнаухов).

Наиболее радикальной  является теория, разработанная физиком-теоретиком Института биофизики клетки РАН  Алексеем Карнауховым.

В XIX веке средняя  температура на Земле повысилась на 0,2°С, в XX – примерно на 1°С. Отчет комиссии ООН по проблеме изменения климата утверждает, что к концу этого века температура на планете повысится на 5,8°С, что почти в два раза превышает цифру, рассчитанную пять лет назад. Таким образом, температура растёт в геометрической прогрессии, увеличиваясь за столетие в 5 раз. Совсем несложно оценить, она сколько она повысится через двести или триста лет.

А. Карнаухов  считают, что главной причиной глобального  потепления является загрязнение атмосферы  промышленными парниковыми газами. Он утверждает, что смог построить сравнительно простую, но вместе с тем строгую аналитическую модель парникового эффекта, позволяющую рассчитывать изменение основных климатических параметров на несколько сотен лет вперед. Согласно этой модели, при сохранении нынешних тенденций развития мировой энергетики (когда техногенный выброс углекислого газа удваивается каждые 50 лет) среднепланетарная температура будет расти в геометрической прогрессии примерно до 2250 года — к этому времени на Земле потеплеет примерно на 50°С. Дальше температура атмосферы будет увеличиваться линейно и в 2350 году достигнет значения 100°С. А 150°С рубеж будет преодолен только в 2450 году.

А. Карнаухов  предполагает, что радикальное изменение  климата может наступить ещё  раньше, если к техногенному выбросу углекислоты добавится выброс СО2, из природных источников, например, из Мирового океана. В Мировом океане сегодня растворено углекислого газа в 60 раз больше, чем его содержится в атмосфере. Но из-за повышения температуры морской воды неизбежно будет снижаться растворимость углекислоты, и излишек станет бурно выделяться в атмосферу, что вызовет дополнительное потепление климата.

Изначально  климатическая система Земли  была стабильна из-за компенсации  положительных обратных связей отрицательными. Данную схему легко разобрать на примере биоценозов болот и тропических морей. Рост среднепланетарной температуры вызывал увлажнение климата, что приводило к увеличениб площади болот и связыванию атмосферной углекислоты в результате образования торфа. Следовательно, концентрация углекислого газа падала, а температура уменьшалась.

Но сегодня  данная отрицательная связь не работает из-за сокращения более чем на половину площади болот в результате антропогенного воздействия. Также существуют гипотезы, что к 2100 году погибнут коралловые рифы из-за всё того же потепления.

Роль лесов  в долговременном извлечении углекислого  газа из атмосферы крайне мала, и  они не смогут компенсировать интенсивное  выделение углекислоты.

Но даже если люди откажутся от промышленного производства и автомобилей, то через двести лет углекислый газ из океанов всё равно сделают Землю непригодной для жизни.

В целом, теория А. Карнаухова весьма пессимистическая. Автор теории считает, что для  стабилизации климата Земли необходимо реализовать крупные технологические проекты, однако не уточняет, в чём эти проекты заключатся.

6.2 Теория  зависимости климата от альбедо  Земли (В. Найдёнов, В Швейкина)

Следующей теорией является разработка физика В. Найдёнова и  географа В.Швейкиной. Они предлагают новую концепцию глобального потепления климата, в которой главную роль играет возрастающая сейчас влажность суши.

Последние 10 – 15 лет оказались  самым теплым и влажным периодом не только в минувшем столетии, но и  тысячелетии. Современные исследования убедительно доказывают, что воды в жидкой фазе на Земле становится больше.

Модель глобального  климата Земли В. Найдёнова и  В. Швейкиной, содержит три переменные: температуру приземного слоя атмосферы, влагозапас суши и речной сток в  Мировой океан. Модель состоит из трех нелинейных уравнений: двух - динамики теплового и водного баланса Земли и еще одного – динамики глобального речного стока в Мировой океан. Предположение, что количество воды на планете постоянно, позволило исключить из модели водный баланс океана.

Говоря о тепловом балансе Земли, давно доказано, что  значительную часть получаемой от Солнца энергии планета отражает обратно  в космическое пространство –  иначе Земля давно бы сгорела. Эта отраженная энергия — сильно меняющаяся величина, так как зависит от состояния поверхности Земли. Общая масса льда и снега на суше и облаков в небе, площадь океана, степень увлажненности суши и характер ее растительности — все это влияет на величину уходящей в космос солнечной энергии.

Решение проблемы климата, на взгляд В. Найдёнова и В. Швейкиной, заключается в разгадке механизма отражательной способности земной поверхности, которая характеризуется величиной альбедо – отношением величины отраженной энергии к падающей.

Наша планета устроена так, что из всех природных веществ вода имеет максимальную теплоемкость и наибольшую способность к поглощению солнечной энергии. Таким образом, альбедо суши – один из важнейших параметров климатической системы Земли, показывающий, какое количество солнечной энергии поглощает её поверхность. Эта величина существенно зависит от типа почвы, ее цвета и структуры, влажности и растительного покрова.

Можно примерно оценить, как влияет альбедо суши на тепловой баланс планеты и её глобальную температуру. Например, влажность почвенного покрова Земли увеличится на 0,1 метра. Тогда альбедо уменьшится на 0,01 – 0,12, что приведёт к росту глобальной температуры на 2,3 – 4,6°С.

Однако влагозапас суши можно определить из уравнения глобального  водного баланса Земли, входящего  в модель. Таким образом. сильная зависимость альбедо суши от ее влагозапасов делает тепловой баланс Земли незамкнутым и приводит к необходимости рассматривать водный баланс. (второе уравнение модели). Он же, в свою очередь, зависит от динамики речного стока в Мировой океан, и следовательно, для описания этого процесса необходимо третье уравнение предложенной модели. В основе его лежит закон изменения энергии.

Состоящая из трех указанных  уравнений, эта простейшая модель климата  принадлежит к классу нелинейных динамических систем. Её решения являются сложными и неустойчивыми из-за того, что скорость накопления влагозапасов суши превышает скорость их стока в океан, что приводит к увлажнённости суши.

Далее реализуется положительная  обратная связь, что ведёт к неустойчивости климата. По существу это означает: наша планета либо постоянно переохлаждается, либо перегревается.

В настоящее время  наблюдается уменьшение альбедо  Земли за счёт переувлажнения суши, и увеличения объёма СО2 в атмосфере, поэтому угроза глобального потепления реальна. Но она является следствием естественных природных процессов, а не антропогенного воздействия и абсолютно закономерна, поэтому всякие ограничения промышленных выбросов углекислого газа едва ли приведут к заметному снижению глобальны температур воздуха.

6.3 Классическая  теория оранжерейного (парникового) эффекта

Идея о разогреве  земной атмосферы парниковыми газами впервые была высказана в конце XIX столетия известным шведским учёным С.Аррениусом.

Антипарниковый  эффект — атмосферный эффект, производящий противоположное парниковому эффекту  действие, а именно охлаждающий поверхность  небесного тела. В отличие от парникового  эффекта, в данном случае атмосфера  хорошо поглощает солнечное излучение, однако пропускает инфракрасное от поверхности. В совокупности это приводит к охлаждению поверхности.

В настоящее  время известен только один пример антипарникового эффекта в Солнечной  системе. Аэрозоли в атмосфере Титана, содержащие органические молекулы, поглощают 90 % солнечного излучения, но довольно слабо — в инфракрасной области спектра. В результате поверхность Титана на 10 градусов холоднее, чем должна быть. Также для атмосферы Титана характерна обратная температурная зависимость, когда с повышением высоты температура атмосферы возрастает.

Возможны локальные  антипарниковые эффекты, например на Земле  в промышленных районах с большими выбросами аэрозолей, в зоне извержения вулканов или на Марсе во время  пылевых бурь.

Также подобные сценарии рассматриваются в случае ядерной зимы и ранней атмосферы Земли.  

Для нахождения средней поверхностной температуры  планеты Ts и определения зависимости  распределения температуры в  ее тропосфере от параметров атмосферы  необходимо задаться моделью передачи тепла в атмосфере. Будем исходить из того, что на Землю падает Солнечное излучение, характеризуемое температурой абсолютно черного тела

(1)

где σ = 5,67·10^{- 5} эрг/см²·с·К⁴ - постоянная Стефана - Больцмана; S - солнечная постоянная на удалении планеты от Солнца. На выходе же системы устанавливается приземная температура T_s. Поэтому температуру абсолютно черного тела Т_bb (для Земли 278,8 K), будем рассматривать в качестве входного воздействия на тропосферу, а поверхностную температуру T_s (для Земли T_s = 288 K) - в качестве ее выходной реакции. Будем считать также, что радиационный механизм теплообмена доминирует только в стратосфере и мезосфере, тогда как вынос тепла из наиболее плотного слоя планетной атмосферы - ее тропосферы в основном происходит благодаря конвекции. Последнее утверждение, правда, не является строго доказанным, но его можно проверить путем сопоставления теоретических распределений температуры в тропосферах, например, Земли и Венеры с усредненными эмпирическими данными. В рамках модели передачи тепла через конвектирующую среду, распределение температуры, как известно, определяется адиабатическим законом

T = C^a· p^a      (2)

где р - давление, а a - показатель адиабаты, зависящий  от теплоемкости воздуха.

Для нахождения зависимости  между T_s и T_bb необходимо учитывать, что температурный режим тропосферы во многом определяется сильной отрицательной обратной связью, возникающей через отражательную способность планеты - ее альбедо, которое, в свою очередь, регулируется облачным покровом тропосферы (рис. 1).

Действие этой обратной связи наглядно иллюстрируется простым примером. Предположим, что средняя приземная температура по тем или иным причинам повысилась. Сразу же увеличивается испарение влаги с поверхности Земли и возрастает площадь облачного покрова, а это приводит к увеличению альбедо Земли. В результате, большая доля солнечной энергии отражается в космос, а доля падающего на земную поверхность излучения, наоборот, сокращается. В результате, происходит компенсационное снижение приземной температуры, и она вновь возвращается к равновесному уровню.

Но существование  сильной отрицательной обратной связи приводит к линейной зависимости  выходного сигнала от входного, т.е. в этом случае T_s ~ T_bb. Учитывая это, можно записать