Теория парникового эфефкта

T_s = b^a·T_bb· p_s^a             (3)

где b - масштабный множитель. Если измерения производить в технических атмосферах, то b = 1,186, причем, для Земли и Венеры значения этого множителя полностью совпадают друг с другом.

Зная среднюю  поверхностную температуру планеты T_s и давление на ее поверхности p_s, можно теперь по уравнению (2) определить и температуру на любом уровне тропосферы (при p<0,2 атм)

(4)

Для Земли T_s = 288 K и p_s = 1 атм., следовательно, распределение температуры в земной тропосфере определяется простой зависимостью           

T = 288^.p^a   (4')

Для нахождения зависимости температуры от значения солнечной постоянной, т.е. от внешнего по отношению к тропосфере воздействия, уже необходимо вводить дополнительное условие, определяющее природу этого воздействия. Таким дополнительным условием является закон излучения абсолютно черного тела Стефана - Больцмана (1). Как видно из этого выражения, температура T_bb ~ S^1/4, Следовательно, для обобщения выражения (3) на случай переменного S, с учетом того, что для Земли T_bb = 278,8 K, надо помножить его на отношение (S/S₀)^1/4, в результате получим

(5)

здесь S₀ = 1,37·10⁶ эрг/см²·с - значение солнечной постоянной для Земли; р - атмосферное давление на любом уровне тропосферы планеты.

Зависимость показателя адиабаты от состава и влажности  атмосферы находится по известным  формулам

(6)

γ = c_p/c_v        (7)

где c_p и c_v - теплоемкости газа соответственно при постоянном давлении и объеме. Для всех трехатомных газов (СО₂ и Н₂О) γ = 1,3 и a = 0,2308, а для двухатомных газов (N₂ и О₂) γ =1,4 и a = 2,857. Однако, в таком простом варианте выражение (6) с использованием (7) определяет показатель адиабаты только для сухой и не поглощающей тепловое излучение тропосферы. В реальных условиях необходимо учитывать дополнительный разогрев газовой смеси тропосферы за счет конденсации в ней влаги и поглощения ИК-радиации. Выполнить это можно с помощью добавления к c_p и c_v поправочного коэффициента с размерностью теплоемкости С_q = C_w + C_r, учитывающего суммарный тепловой эффект процессов конденсации влаги C_w (во влажной атмосфере) и поглощения “парниковыми газами” теплового излучения Земли и Солнца C_r. Для планет с атмосферами другой природы под параметром С_q следует понимать характеристику любого теплофизического или химического процесса, приводящего к выделению (или поглощению при C_q < 0) тепла в недрах тропосферы.

В общем случае для земной атмосферы (а также  и для атмосферы Венеры) можно  записать

(8)

где p_N2, p_CO2, p_O2, p_Ar - парциальные давления азота, кислорода углекислого газа и аргона; p - суммарное давление атмосферы; c_p(N₂)=0,248, c_p(O₂)=0,218, c_p(CO₂)=0,197, c_p(Ar)=0,124 и c_v(N₂)=0,177, c_v(O₂)=0,156, c_v(CO₂)=0,152, c_v(Ar) = 0,075 кал/г·град - теплоемкости азота, кислорода, углекислого газа и аргона, соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме.

Оценить значение Cw можно из следующих рассуждений. Как известно, теплоемкость определяется отношением количества тепла, сообщенного телу (в нашем случае воздуху), к соответствующему повышению его температуры. При конденсации влаги во влажной тропосфере выделяется q = 595,8 кал/г тепла. При этом соответственно повышается температура воздуха и снижается вертикальный температурный градиент. В сухом воздухе градиент температуры равен 9,8 град/км, а средний по Земле градиент влажной тропосферы близок к 6,5 град/км. Отсюда следует, что выделяющаяся в тропосфере теплота конденсации влаги в среднем повышает температуру воздуха на 9,8 - 6,5 = 3,3 град/км. В тропосфере над земной поверхностью обычно содержится от 2 до 3 г/см² влаги. Большая ее часть конденсируется на высотах формирования облачности, т.е. до 3 до 5 км. Если теперь принять, что в этом деятельном слое тропосферы толщиной около 4 км концентрация влаги в среднем достигает 0,2 %, то дополнительная теплоемкость процесса конденсации влаги в современной тропосфере оказывается равной

(9)

Оценить C_r сложнее. Однако, учитывая, что наилучшее совпадения распределения температуры по выражению (7) с моделью стандартной атмосферы Земли получается при C_q ≈ 0,126, можно найти C_r ≈ 0,036 кал/г·град. В этом случае показатель адиабаты земной тропосферы равен a ≈ 0,1905. Для Венеры наилучшие совпадения теоретического распределения Т по уравнению (8) с эмпирическими данными получается при a ≈ 0,1726, чему соответствует C_q ≈ 0,045.

В 1987 году был  издан на разных языках доклад Международной  комиссии, возглавлявшейся премьер-министром Норвегии Гру Харлем Брундтланд. В докладе комиссии Г.X. Брундтланд высказывается опасение, что парниковый эффект может вызвать в ближайшие десятилетия подъем уровня Мирового океана от 25 до 140 сантиметров, в результате чего «будут затоплены низкорасположенные города и сельскохозяйственные районы, и многие страны должны учитывать, что их экономические, социальные и политические структуры могут быть серьезно нарушены». Эти опасения были вызваны предположением, что при повышении температуры воздуха растают материковые льды Антарктиды и Гренландии. Однако такое предположение нельзя считать обоснованным. Как мы теперь точно знаем – по данным буровых скважин, прошедших всю толщу ледникового щита Антарктиды, он образовался более 30 миллионов лет назад. Следовательно, он уже выдержал несколько эпох потепления климата Земли, гораздо более значительного, чем ожидаемое ныне от парникового эффекта. Например, среднемиоценовое потепление (около 20 миллионов лет назад), когда содержание углекислого газа в атмосфере приближалось к 0,1%, средняя температура воздуха была на 5...6° выше современной, когда в районе теперешнего Якутска росли леса грецкого ореха (его ископаемые плоды описаны академиком В.Н. Сукачевым).

Следовательно, в Антарктиде в результате ожидаемого потепления может произойти некоторое расширение площади оазиса Бонгера, лишенного льдов, может несколько увеличиться количество откалывающихся от края ледяного щита айсбергов, но не более.

Мы не имеем  данных бурения через всю толщу  льда в Гренландии, в ее центральной части, как в Антарктиде. Однако по аналогии можем считать, что и здесь оледенение очень древнее, пережившее ряд эпох значительного потепления. Современный парниковый эффект может привести лишь к некоторому отступлению края гренландского ледникового щита, что, кстати говоря, наблюдается и сейчас.

Следовательно, потепление, связанное с парниковым эффектом, не будет сопровождаться значительным таянием льдов Антарктиды и Гренландии и не грозит резким повышением уровня Мирового океана. Оно  может измеряться лишь немногими сантиметрами, что не представляет серьезной опасности.

7. Адиабатическая  теория парникового эффекта

Разработанная теория является количественной и позволяет рассчитывать влияние на климат каждого из перечисленных факторов по отдельности и их суммарное влияние. При этом оказалось, что доминирующим процессом, управляющим выносом тепла и распределением температуры в тропосфере, является конвекция воздушных масс. В частности, эта теория позволила впервые теоретически рассчитать среднее распределение температуры не только в земной тропосфере, но и в плотной углекислотной тропосфере Венеры, причем оно с большой точностью (порядка единиц и десятых долей процента) совпало с эмпирическими данными (рис. 2). Более того, эта теория позволила определить и проверить по геологическим данным эволюцию земного климата на протяжении прошлых 4 млрд лет. За это время на фоне возрастающей светимости Солнца происходило закономерное похолодание климата от архейской эпохи, с плотной углекислотной атмосферой и горячим климатом со средними температурами около +70° С, до наших дней со средней температурой около 15° С. Основным фактором такого похолодания было снижение атмосферного давления с 4–5 атмосфер в архее до 1 атм. сегодня.

Объясняется это  тем, что архейская углекислотная атмосфера около 2,5 млрд лет назад оказалась практически полностью связанной в карбонатных породах. Начиная же с протерозоя до наших дней, снижение атмосферного давления происходило благодаря жизнедеятельности азотфиксирующих бактерий и грозовой деятельности, поглощавших азот из атмосферы и переводящих его в осадочные породы. Продлится такое похолодание и в будущем. Кроме того, рассматриваемая теория климата позволила определить эпохи наступления оледенений и природу ледниковых эпох, связанных с автоколебательными климатическими процессами, вызываемыми Лунно-Солнечными приливными взаимодействиями с инерционным экваториальным вздутием Земли и нарушениями ее сферической симметрии после образования мощных ледниковых покровов на материках. При этом рассматриваемая теория однозначно показывает, что накопление в атмосфере углекислого газа, никак не приводит к потеплению климата, а при его высоких концентрациях, наоборот способствует только похолоданию. Объясняется это тем, что нагретый воздух за счет поглощения инфракрасного излучения расширяется и быстро поднимается в верхние атмосферы, а на замену ему опускаются холодный воздух от стратосферы, в результате приземная температура воздуха практически не меняется или даже становится прохладнее. При этом надо учитывать, что выбросы антропогенного полезны сельскому хозяйству и пропорционально увеличивают его продуктивность.

В качестве основного параметра, характеризующего осредненный глобальный климат Земли, удобнее всего выбрать среднюю по земной поверхности температуру (для современных условий = 288,2 К ≈ +15°С). В отличие от классического подхода, мы учтем, что у планет с плотной атмосферой (давлением р > 0,2 атм.) основным механизмом выноса тепла с поверхности является конвективный массоперенос воздуха в тропосфере, хотя при этом нельзя забывать и о поглощении тепла «парниковыми газами». В таком случае распределение температуры в тропосфере в среднем должно быть близким к адиабатическому закону, а средняя температура поверхности планеты будет зависеть только от солнечной постоянной S, давления атмосферы р, угла прецессии Ψ вращающейся планеты, ее альбедо А и от эффективного значения показателя адиабаты α (определяемого составом и влажностью тропосферы).

Процесс адиабатического распределения температуры, как известно, регулируется давлением атмосферы р, а также эффективной теплоемкостью газа [Ландау, Лифшиц, 1979]: · = const и γ = / , где, и – теплоемкости газа, соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме. Из этих выражений легко находится в явном виде и сама зависимость Т(р);

T =

· C ·

Где

и

Откуда видно, что при адиабатическом процессе температура газа, выраженная в градусах Кельвина (К), всегда оказывается пропорциональной

давлению газа р в степени показателя адиабаты α, зависящего от эффективной теплоемкости газовой смеси атмосферы. При  этом необходимо учитывать отрицательную обратную связь преобразования солнечного излучения облачным покровом планеты, обычно играющим основную роль в формировании ее альбедо.

Преобразование  солнечного излучения, падающего на тропосферу планеты, можно изобразить  блок-диаграммой (рис. 1)

Вывод основных формул, было показано, что распределение температуры в плотной (р>0,2 атм.) тропосфере планеты определяется выражением:

где σ = 5,67· эрг/ · с · – постоянная Стефана-Больцмана; b – тарировочный коэффициент, определяемый по заданной поверхностной температуре планеты в градусах Кельвина, (для Земли = 288,2 K), солнечной постоянной S (для Земли среднее значение S = 1,367 · эрг/ · с), углу прецессии Ψ(для Земли Ψ = 23,44°), альбедо планеты А (для Земли А ≈ 0,3), при = ( = 1 атм.) и показателю адиабаты: для Земли α = 0,1905. В этом случае = 1,093.

При угле прецессии  Земли Ψ = 23,44, коэффициент в знаменателе формулы (2) оказывается равным 3,502, вместо 4 в классической формуле Больцмана.

Помимо приведенных  в блок-схеме выражений для  определения показателя адиабаты α можно дать и другое определение этого же параметра. Если теплоемкость газов выражать в кал/г · град, а газовую постоянную R = 1,987 кал/моль · град, то зависимость показателя адиабаты α от состава и влажности атмосферы легко находится по известной формуле

где µ ≈ 29 –  мольный вес воздуха; ; ; ; – парциальные давления азота, кислорода углекислого газа и аргона; p – суммарное давление атмосферы; ( )=0,248; ( )=0,218; ( =0,197; (Ar)=0,124 кал/г · град – теплоемкости азота, кислорода, углекислого газа и аргона при постоянном давлении; = + – поправочный коэффициент с размерностью теплоемкости, учитывающий суммарный тепловой эффект процессов конденсации влаги (во влажной атмосфере) и поглощения теплового излучения Земли и Солнца парниковыми газами. Для планет с атмосферами другого типа под параметром следует понимать характеристику любого теплофизического или химического процесса, приводящего к выделению

(или поглощению  при  < 0) тепла в недрах тропосферы. Для Земли наилучшее совпадение теории со стандартной моделью тропосферы получается при α = 0,1905.Оценить значения теплоемкости атмосферы можно по ее характеристическим температурам. Пусть – тепловой запас атмосферы, – ее масса, тогда радиационная составляющая теплоемкости атмосферы выразится через эффективную температуру простым соотношением. 

   (4)

Аналогично  этому можно считать, что дополнительный разогрев атмосферы от эффективной  температуры планеты до ее средней  поверхностной температуры  характеризуется суммарной теплоемкостью.

Откуда можно записать

        (5’)

или, учитывая выражение (3), получим 

   (5)

Подставляя  теперь в соотношения (5) и (6) приведенные  выше значения параметров земной атмосферы  α = 0,1905, µ = 29, = 0,2394 кал/г · К, = 288 К и =263,5 К, находим: = 0,0306 кал/г · К, = 0,0897 и + = 0,1203. Для Венеры α = 0,1726, µ = 43,2, ср = 0,199 кал/г · К, = 735,3 К и = 228 К, тогда = 0,162, = −0,1164 кал/г · К и = + = 0,0456. Поскольку для тропосферы Венеры < 0, то это означает, что в ее толще (особенно в ее нижних и средних слоях) доминируют эндотермические реакции диссоциации каких то химических соединений, например, серной кислоты. В верхних же слоях тропосферы Венеры на высотах, от 40 до 50 км и выше 60 км ( > 0) уже преобладают экзотермические реакции образования химических соединений (например, серной кислоты) и конденсации влаги.