Växthuseffekt

Växthus [1] eller drivhus eller drivhuseffekt [2] är en ökning av temperaturen i de lägre lagren av planetens atmosfär jämfört med den effektiva temperaturen , det vill säga temperaturen på planetens värmestrålning observerad från rymden.

Forskningshistoria

Idén om mekanismen för växthuseffekten uttalades första gången 1827 av Joseph Fourier i artikeln "Note on the temperatures of the globe and other planets", där han övervägde olika mekanismer för bildandet av jordens klimat , medan han betraktade som faktorer som påverkar jordens totala värmebalans (uppvärmning av solstrålning, kylning på grund av strålning, inre värme på jorden), såväl som faktorer som påverkar värmeöverföring och temperaturer i klimatzoner (värmeledningsförmåga, atmosfärisk och oceanisk cirkulation) ) [3] [4] .

När man övervägde atmosfärens inverkan på strålningsbalansen, analyserade Fourier Horace-Benedict de Saussures upplevelse med en heliotermometer. [5] . Enheten var en låda täckt från insidan med en svärtad kork för värmeisolering, en sida var täckt med tre glasskivor med mellanrum. När enheten var orienterad med glaset exakt mot solen kunde temperaturen inuti nå 109°C. Fourier förklarade ökningen av temperatur inuti ett sådant "miniväxthus" jämfört med den yttre temperaturen genom inverkan av två faktorer: blockering av konvektiv värmeöverföring (glas förhindrar utflöde av uppvärmd luft från insidan och inflöde av kall luft från utsidan ) och glasets olika genomskinlighet i det synliga och infraröda området.

Det är den senare faktorn som i den senare litteraturen fick namnet på växthuseffekten - genom att absorbera synligt ljus värms ytan upp och avger termiska (infraröda) strålar; Eftersom glas är genomskinligt för synligt ljus och nästan ogenomskinligt för termisk strålning, leder ackumuleringen av värme till en sådan temperaturökning vid vilken antalet värmestrålar som passerar genom glaset är tillräckligt för att upprätta jämvikt.

Fourier postulerade att de optiska egenskaperna hos jordens atmosfär liknar de optiska egenskaperna hos glas, det vill säga dess transparens i det infraröda området är lägre än transparensen i det optiska området, men kvantitativa data om atmosfärisk absorption i det infraröda området har långa varit föremål för diskussion.

År 1896 analyserade Svante Arrhenius , en svensk fysikalisk kemist, Samuel Langleys data om månens bolometriska ljusstyrka i det infraröda området [6] för att kvantifiera absorptionen av termisk strålning av jordens atmosfär . Arrhenius jämförde data som erhållits av Langley vid olika höjder av månen ovanför horisonten (det vill säga vid olika värden av månens strålningsbana genom atmosfären), med det beräknade spektrumet av dess värmestrålning och beräknade både absorptionen koefficienter för infraröd strålning från vattenånga och koldioxid i atmosfären, och temperaturförändringar på jorden med variationer i koldioxidkoncentration. Arrhenius lade också fram en hypotes om att minskningen av koncentrationen av koldioxid i atmosfären kan vara en av orsakerna till istider [7] .

Kvantifiera växthuseffekten

Den totala energin av solstrålning som absorberas per tidsenhet av en planet med radie och sfärisk albedo är lika med: $R$ $A$

E=\pi R^{2}{\frac {E_{0}}{r^{2}}}(1-A),

var är solkonstanten och är avståndet till solen.

E_{0}

r

I enlighet med Stefan-Boltzmann lagen, jämviktsvärmestrålningen av en planet med radie , det vill säga arean av den strålande ytan : $L$ $R$ $4\pi R^{2}$

L=4\pi R^{2}\sigma {\bar {T}}_{\text{E}}^{4},

var är den effektiva temperaturen på planeten.

{\bar {T}}_{\text{E}}

Tabell 1 [cm 1]

Planet	Atm. yttryck , atm .	${\bar {T}}_{\text{E}}$	${\bar {T}}_{\text{S}}$	$\Delta {\bar T}$	${\bar {T}}_{\text{max}}$	${\bar {T}}_{\text{min}}$	$\Delta T$
Venus	90	231	735	504	—	—	—
Jorden	ett	249	288	39	313	200	113
Måne	0	—	—	0	393	113	280
Mars	0,006	210	218	åtta	300	147	153

↑ Temperaturer anges i kelvin , är den genomsnittliga högsta temperaturen vid middagstid vid ekvatorn , är den genomsnittliga lägsta temperaturen. ${\bar {T}}_{\text{max}}$ ${\bar {T}}_{\text{min}}$

Kvantitativt definieras storleken på växthuseffekten som skillnaden mellan den genomsnittliga ytnära temperaturen för planetens atmosfär och dess effektiva temperatur . Växthuseffekten är betydande för planeter med tät atmosfär som innehåller gaser som absorberar strålning i det infraröda området av spektrumet, och är proportionell mot atmosfärens densitet . En konsekvens av växthuseffekten är också utjämningen av temperaturkontraster både mellan planetens polära och ekvatoriala zoner och mellan dag- och natttemperaturer. $\Delta {\bar T}$ ${\bar {T}}_{\text{S}}$ ${\bar {T}}_{\text{E}}$

Växthuseffektens natur

Växthuseffekten av atmosfärer beror på deras olika transparens i det synliga och långt infraröda området. Våglängdsområdet 400-1500 nm i synligt ljus och det nära infraröda området står för 75 % av solstrålningens energi , de flesta gaser absorberar inte strålning i detta intervall; Rayleigh-spridning i gaser och spridning på atmosfäriska aerosoler hindrar inte strålningen från dessa våglängder från att tränga in i atmosfärens djup och nå planeternas yta. Solljus absorberas av planetens yta och dess atmosfär (särskilt strålning i de nära UV- och IR-områdena) och värmer upp dem. Den uppvärmda ytan av planeten och atmosfären strålar i det avlägsna infraröda området: till exempel, i fallet med jorden vid 300 K , faller 75 % av värmestrålningen i intervallet 7,8-28 μm , för Venus vid 700 K - 3,3 -12 μm . ${\bar T}_{S}$ ${\bar T}_{S}$

En atmosfär som innehåller polyatomiska gaser (diatomiska gaser är diatermiska - genomskinliga för termisk strålning), som absorberar i denna del av spektrumet (de så kallade växthusgaserna - H 2 O , CO 2 , CH 4 , etc. - se fig. 1 ) , är avsevärt ogenomskinlig för sådan strålning riktad från dess yta till yttre rymden, det vill säga den har en stor optisk tjocklek i IR-området . På grund av sådan opacitet blir atmosfären en bra värmeisolator, vilket i sin tur leder till att återutsläppet av absorberad solenergi till yttre rymden sker i atmosfärens övre kalla lager. Som ett resultat visar sig jordens effektiva temperatur som en radiator vara lägre än temperaturen på dess yta.

Vid bildandet av växthuseffekten är molnens roll i atmosfären mycket stor och lite studerad, särskilt nattetid och vintertid på tempererade och polära breddgrader [8] .

Växthuseffektens inverkan på planeternas klimat

Tabell 2 [9]

Planet	Atm. yttryck , atm .	CO 2 koncentration , %	${\displaystyle P_{{\ce {CO2))))$ atm.	$\Delta {\bar T}$
Venus	~ 93	~96,5	~ 89,8	504
Jorden	ett	0,038	~ 0,0004	39
Mars	~ 0,007	95,72	~0,0067	åtta

Graden av påverkan av växthuseffekten på planeternas ytnära temperaturer (när atmosfärens optiska tjocklek <1) beror på den optiska tätheten av växthusgaser, moln i planetens atmosfär [8] , och följaktligen, deras partialtryck nära planetens yta. Sålunda är växthuseffekten mest uttalad för planeter med en tät atmosfär, som uppgår till ~500 K för Venus . $\Delta {\bar T}$

Storleken på växthuseffekten beror på mängden växthusgaser i atmosfären och beror följaktligen på den kemiska utvecklingen och förändringar i sammansättningen av planetariska atmosfärer.

Växthuseffekten och jordens klimat

De viktigaste växthusgaserna i jordens atmosfär

Gas	Formel	Bidrag (%)
vattenånga	H2O _ _	36 - 72 %
Koldioxid	CO2 _	9 - 26 %
Metan	CH 4	4 - 9 %
Ozon	O 3	3 - 7 %

När det gäller graden av påverkan på klimatet av växthuseffekten intar jorden en mellanposition mellan Venus och Mars: för Venus är temperaturökningen i atmosfären nära ytan ~13 gånger högre än jordens, i fallet med Mars är det ~5 gånger lägre; dessa skillnader är en följd av de olika densiteterna och sammansättningarna av atmosfärerna på dessa planeter.

Med invariansen av solkonstanten och följaktligen flödet av solstrålning, bestäms de genomsnittliga årliga ytnära temperaturerna och klimatet av jordens värmebalans. För värmebalansen är villkoren för likvärdigheten av absorptionen av kortvågig strålning och emissionen av långvågig strålning i jord-atmosfärsystemet uppfyllda. I sin tur bestäms andelen absorberad kortvågig solstrålning av jordens totala (yta och atmosfär) albedo . Storleken på flödet av långvågig strålning som går ut i rymden påverkas avsevärt av växthuseffekten, som i sin tur beror på sammansättningen och temperaturen hos jordens atmosfär och molntäcke i atmosfären [8] .

De viktigaste växthusgaserna, i ordning efter deras uppskattade påverkan på jordens värmebalans , är vattenånga , koldioxid , metan och ozon [10]

Det huvudsakliga bidraget till växthuseffekten av jordens atmosfär görs av vattenånga eller luftfuktighet i troposfären , påverkan av andra gaser är mycket mindre betydande på grund av deras låga koncentration. Molntäcke i jordens atmosfär ger också ett betydande bidrag [8] .

Samtidigt beror koncentrationen av vattenånga i troposfären avsevärt på yttemperaturen: en ökning av den totala koncentrationen av "växthusgaser" i atmosfären bör leda till en ökning av luftfuktigheten och växthuseffekten orsakad av vattenånga, vilket i sin tur leder till en ökning av yttemperaturen.

När yttemperaturen minskar minskar koncentrationen av vattenånga, vilket leder till att växthuseffekten minskar. Samtidigt, med en minskning av temperaturen i polarområdena, bildas ett snöistäcke, vilket leder till en ökning av albedo och, tillsammans med en minskning av växthuseffekten, till en ytterligare minskning av den genomsnittliga ytan nära ytan. temperatur.

Således kan klimatet på jorden övergå till stadierna av uppvärmning och avkylning, beroende på förändringen i albedo för jord-atmosfärsystemet och växthuseffekten.

Klimatcykler korrelerar med atmosfäriska koldioxidkoncentrationer : under mitten och sen pleistocen , före modern tid, minskade atmosfäriska koldioxidkoncentrationer under långa istider och steg kraftigt under korta mellanistider .

Under de senaste decennierna har det skett en ökning av koncentrationen av koldioxid i atmosfären .

Se även

Anteckningar

↑ Eliseev A. V., Mokhov I. I. GREENHOUSE EFFECT Arkiverad 2 mars 2021 på Wayback Machine // Great Russian Encyclopedia . Volym 25. Moskva, 2014, s. 368
↑ S. P. Khromov, L. I. Mamontova. Meteorologisk ordbok. - 3:a. - L. : "Hydrometeoizdat", 1974. - S. 317, 330. - UDC 551.5 (03) .
↑ Joseph Fourier . Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires s.97-125 Mémoires de l'Académie royale des sciences de l'Institut de France, t. VII, s. 570 a 604. Paris, Didot; 1827 // Gallica-Math: Œuvres complètes (länk otillgänglig) . Hämtad 23 maj 2008. Arkiverad från originalet 6 december 2008. (obestämd)
↑ Värmen som genererades till följd av mänsklig aktivitet ansågs inte av Joseph Fourier som en betydande faktor.
↑ Horace Bénédict de Saussure, Supplement au No. 108 du Journal de Paris , publicerad den 17 april 1784.
↑ Samuel P. Langley (och Frank W. Very) . The Temperature of the Moon, Memoir of the National Academy of Sciences, vol. iv. 9:e mem. 193 s (1890)
↑ "On the Influence of Carbonic Acid in the Air Upon the Temperature of the Ground" Arkiverad 18 november 2020 på Wayback Machine , Philosophical Magazine och Journal Science, serie 5, volym 41, sidorna 237-276
↑ 1 2 3 4 Alexander Chernokulsky. Klimat som en reflektion av moln // Vetenskap och liv . - 2017. - Nr 10 . - S. 70-77 . (ryska)
↑ Jämförande värden för tre jordiska planeter exklusive vattenångtryck, temperaturer anges i Kelvin .
↑ : Kiehl, JT; Kevin E. Trenberth. Jordens årliga globala medelenergibudget // Bulletin of the American Meteorological Society : journal. - 1997. - Februari ( vol. 78 , nr 2 ). - S. 197-208 . — ISSN 0003-0007 . - doi : 10.1175/1520-0477(1997)078<0197:EAGMEB>2.0.CO;2 .

Litteratur

Ivashchenko OV Klimatförändringar och förändringar i cirkulationscykler av växthusgaser i systemet atmosfär-litosfär-hydrosfär - återkoppling kan avsevärt förbättra växthuseffekten. . Hämtad 17 februari 2008. Arkiverad från originalet 18 maj 2012. (obestämd)
Pavlov A.V., Gravis G.F. Permafrost och modernt klimat . GEO.WEB.RU. Hämtad 17 februari 2008. Arkiverad från originalet 5 februari 2012. (obestämd)
Människan och växthuseffekten . Hämtad 23 juni 2008. Arkiverad från originalet 5 februari 2012. (obestämd)
O. G. Sorokhtin, akademiker, Institutet för oceanologi. P. P. Shirshov RAS. Adiabatisk teori om växthuseffekten . Hämtad 30 november 2012. Arkiverad från originalet 1 december 2012. (obestämd)

Länkar

Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)
FN:s ramkonvention om klimatförändringar - officiell webbplats Arkiverad 9 oktober 2004 på Wayback Machine

Ordböcker och uppslagsverk	Stor katalanska Stor norsk Stor ryss Britannica (online) Treccani
I bibliografiska kataloger	BNF : 119830305 J9U : 987007540900105171 LCCN : sh85057237 NDL : 00576626 NKC : ph125585

Förändring av klimatet
Grundläggande koncept	Klimatologi Paleoklimatologi Jordens värmebalans Värmeöverföring Vattnets kretslopp i naturen solklimat Atmosfärisk cirkulation Allmän cirkulation av atmosfären passadvind Monsun glaciär istid Glaciologi paleoglaciologi termisk hög istid interglacial massutrotning global nedbländning Climate Change Effectiveness Index
Mekanismer för klimatförändringar	Variationer i solstrålning Geokemisk cykel av kol Växthuseffekt Milankovitch cyklar Bond cykler Heinrich händelse Dansgaard-Eschgers svängningar
Global uppvärmning	avskogning Åtgärder mot klimatförändringar Anpassning till globala klimatförändringar El Niño Allmän cirkulationsmodell Paleocen-eocen termiskt maximum Ozonhålet Växthuseffekt Koldioxid Växthusgaser Mellanstatlig panel för klimatförändringar FN:s ramkonvention om klimatförändringar Kyotoprotokollet Parisavtalet (2015) Peak Oil Förnybar energi temperaturtrend höjning av havsnivån havsförsurning Köpenhamns konsensus värmeö Dole effekt
global kylning	Huron glaciation snöbollsjord Sturt-glaciation Proterozoisk glaciation Donau glaciation Pokrovskoe glaciation Dnepr-glaciationen näst sista istiden senaste istiden Max för den senaste nedisningen Antarktisk kyla omvänd
Klimatförändringar i sen Pleistocen - Holocen	Tidig dryas Boelling uppvärmning Mellan Dryas Allerød uppvärmning Yngre Dryas preboreal period boreala perioden Mezocco gunga Atlantens period Subboreal period Torka för 5900 år sedan , Piora vinglade , Torka för 4200 år sedan Subatlantisk period : Mellanbronsålderns kylning Kylning av järnåldern Romerskt klimat optimalt Klimatpessimum från tidig medeltid Kylning av 535-536 Medeltida klimatoptimum Lilla istiden