УДК 504.055

ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ

- студенты группы ХТ-14-1ра

– к. х.н., доцент

Введение

Известно, что под глобальным потеплением  понимают увеличение средней поверхностной температуры Земли из-за газов, создающих парниковый эффект [1]. Название глобальное потепление  указывает на то, что оно имеет отношение ко всей планете и затрагивает интересы всего человечества, т. е всех стран независимо от размеров территорий, численности населения, уровня экономического развития. Для того чтобы понять причины глобального потепления необходимо рассмотреть процесс формирования парникового эффекта и его роль в общем потеплении климата.

Какие газы образуют парниковую оболочку? Установлено, что атмосфера Земли в основном состоит из азота – 78% и кислорода – 21% . Содержание водяного пара в атмосфере колеблется от 0,2 % до 2,5 %, а углекислого газа составляет приблизительно 3,95·10−2%.  Хотя концентрации водяного пара и углекислого газа не так велики как концентрации кислорода и азота, именно они составляют большую часть парниковой оболочки. Концентрация CO2 в атмосфере за последнее время увеличилась приблизительно на тридцать процентов. Считается, что это увеличение связано с деятельностью человека. С увеличением использования ископаемого топлива увеличилось содержание CO2 в атмосфере. Деятельность человека может привести к такому увеличению концентрации углекислого газа, какого не было за предыдущие 50 миллионов лет существования Земли.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Анализ данных по глобальному потеплению показывает, что увеличение средней поверхностной температуры Земли может привести к следующим последствиям:

    поднятию уровня воды в море, что приведет к потоплению пресной воды равнины,  низменных городов и островов морской водой; изменению в выпадении осадков, что приведет к засухам и пожарам в некоторых областях, затоплениям в других областях; увеличению вероятности экстремальных явлений, таких как наводнение, ураганы, и т. д.; таянию ледниковых покровов, что означает потерю среды обитания около полюсов для белых медведей; массовому исчезновению популяций животных из-за потери среды обитания; распространению болезни, таких как малярия на новые более теплые области; отбеливанию коралловых рифов из-за нагревания морей; потере планктона из-за нагревания моря. Огромные экосистемы Алеутских островов (длиной почти 1 500 км), состоящих из касаток, морских львов, морских выдр, морских ежей, зарослей водорослей и популяции рыб разрушаются из-за потери планктона. Это приводит к потере морских львов, заставляющих касаток съесть слишком много морских выдр, что приводит к росту ежей, приводя к потере зарослей водорослей и связанных  с ними популяций рыб.

Серьезность данной проблемы привела  в 1997 году всемирное сообщество к принятию Киотского протокола.

Решение данной проблемы требует понимания физической природы парникового эффекта.

Физические аспекты парникового эффекта

Ни кислород, ни азот не являются парниковыми газами. Установлено, что небольшое увеличение содержания углекислого газа (CO2) в атмосфере может вызвать существенное увеличение температуры. Данное явление объясняется двумя факторами. Во-первых, молекулы и воды и CO2 состоят из трех атомов, в отличие от молекул кислорода и азота состоящих из двух атомов. При невысоких температурах, порядка до 500С у двухатомных молекул нет колебательных степеней свободы, которыми обладают молекулы, состоящие из трех и более атомов. Молекулы и воды и CO2 имеют колебательные степени свободы. Именно благодаря этим колебательным степеням свободы они могут поглотить и повторно излучать инфракрасное излучение, которое вызывает парниковый эффект. Во-вторых, молекулы CO2 имеют тенденцию оставаться в атмосфере в течение очень долгого времени (порядка сотен лет). А водяной пар легко конденсируется или испаряется, в зависимости от местных условий. Количество водяного пара быстро изменяется так, что солнечная энергия и энергия обратного излучения Земли достигают равновесия. Чем больше CO2 тем при более высоких температурах и большем количестве водяных паров  достигается равновесие.

Миллиарды тонн углекислого газа ежегодно поступают в атмосферу при сжигании дров, угля, нефти, газа. Миллионы тонн метана каждый год выделяются при разработках газа и гниении органических остатков. Кроме того, в атмосфере увеличивается содержание водяного пара. Все вместе эти газы и создают парниковый эффект. Как стеклянная крыша в парнике, пропуская солнечную радиацию, не дает, уходить теплу, так и накопившиеся в атмосфере «парниковые газы», задерживая длинноволновое инфракрасное тепловое излучение Земли, не дают уходить теплоте в космос. Солнечный свет, проходя через стратосферу и тропосферу, достигает поверхности Земли. Поглощенная Землей теплота излучается в окружающее пространство. Но только часть тепловых лучей, достигающих стратосферы, рассеивается в космическом пространстве.

Парниковые газы - водяной пар, углекислый газ, метан, фтор и хлорсодержащие углеводороды, закись азота - прозрачны для солнечного света, как стеклянная крыша парника, но задерживают тепловое инфракрасное излучение нагретой солнцем земной поверхности. Парниковое «одеяло» из газов делает нашу планету пригодной для жизни. Если бы парниковых газов в атмосфере не было, то средняя температура земной поверхности упала бы на 330С, с +140С до -190С, и наша Земля превратилась в ледяной шар. Известно, что сильная жара на Венере, атмосфера которой на 97% состоит из углекислого газа, непосредственно связана с парниковым эффектом, в результате которого температура поднимается до 5230С. На холодной планете Марс парниковый эффект повышает среднюю температуру лишь на 100С.

На рисунке 1 представлена модель парникового эффекта с указанием потоков солнечного и теплового излучений внутри парниковой коробки [2].

В этой модели  парникового эффекта рассматривается «идеальная» крышка, которая прозрачна для всех длин волн солнечного излучения и поглощает все тепловое далекое инфракрасное излучение (в действительности, никакая реальная крышка не соответствует эти условиям).

В диаграмме (рис.1) приняты следующие обозначения: L - крышка, P - пластина алюминиевая, находящаяся внутри коробки, RENV – поток излучения окружающей среды, RSUN – поток солнечное излучения, падающего на парниковую коробку, RLd – поток инфракрасного излучения, испускаемого крышкой вниз,  RLu – поток инфракрасного излучения, испускаемого крышкой вверх, Rp – поток инфракрасного излучения, испускаемого пластиной, QL - поток теплового излучения от пластины и коробки, рассеиваемый в окружающей среде, Qp – поток теплового излучения, текущего от пластины к крышке. Размеры стрел качественно соответствуют величинам энергетических потоков.

Вопреки общепринятому заблуждению о том, что парниковый эффект обусловлен «захватом» солнечного излучения внутри парниковой коробки, в данной работе  Rp, RL представляют собой не солнечное излучение, отраженное пластиной и крышкой, а соответствуют потокам инфракрасного излучения, испускаемого пластиной и крышкой в соответствии с их температурами.

Модель энергетических потоков, приведенная для парниковой коробки, достаточно корректно раскрывает физические аспекты парникового эффекта на Земле. Поверхность планеты играет ту же самую роль, что и черная алюминиевая пластина; роль атмосферы выполняет стеклянная крышка: она прозрачна для большей части солнечного излучения, но поглощает большую часть далекого инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью Земли. Это поглощение преимущественно обусловлено наличием в атмосфере водяного пара, облаков  и CO2, меньший вклад (около 5% ) в данное поглощение вносят газы O3, N2O и CH4 и незначительный процент составляет вклад других антропогенных газов, таких как хлорфторуглероды, подобные CFCl3. Инфракрасное  излучение испускается этими газами и воздухом и с сторону Земли и в сторону космоса.

Заключение

С точки зрения физики мы выяснили, что содержащиеся в атмосфере молекулы воды, CO2 и других многоатомных газов имеют колебательные степени свободы. Именно благодаря этим колебательным степеням свободы они могут поглотить и повторно излучать инфракрасное излучение, которое вызывает парниковый эффект.

Парниковые газы пропускают видимый и «ближний» инфракрасный свет, излучаемый солнцем, но поглощают «далекое» инфракрасное излучение, имеющее более низкую частоту и образующееся при нагревании земной поверхности солнечными лучами. Если бы этого не происходило, Земля была бы примерно на 30 градусов холоднее, чем сейчас, и жизнь бы на ней практически замерла.

Исходя из того, что «естественный» парниковый эффект — это устоявшийся, сбалансированный процесс, вполне логично предположить, что увеличение концентрации «парниковых» газов в атмосфере должно привести к усилению парникового эффекта, который в свою очередь приведет к глобальному потеплению климата.

Результаты экспериментов показывают, что излучение атмосферы в сторону поверхности Земли больше, чем солнечное излучение [3]. Благодаря такой динамике излучений на поверхности Земли поддерживается постоянная температура, совместимая с жизнью. Потенциально опасен не сам парниковый эффект, а его увеличение. Увеличение CO2 и других парниковых газов в атмосфере приводит к увеличение температуры у поверхности Земли.

Анализ проблемы глобального потепления показывает[4,5,6], что ее решение возможно, если наряду с применением методов изолирования CO2 развивать и внедрять возобновляемые источники энергии.

Если человечество волнует его будущее, то оно должно обратить пристальное внимание на проблему глобального потепления, поскольку это вопрос не просто экологии окружающей среды, но в первую очередь вопрос выживания человечества.

Литература

10;L=>5 ?>B5?;5=85.">http://www .igpp.lanl.gov. #G51=8: 4;O =0G8=0NI8E 87CG0BL 3;>10;L=>5 ?>B5?;5=85. Besson U., Ambrosis A. D., Mascheretti P. Studying the physical basis of global warming. Eur. J.Phys. 31 (2010) 375-388 Knox R. S. Physical aspects of the greenhouse effect and global warming Am. J.Phys. 67 (1999) 1227-38. и др. Антропогенные изменения климата в XXI веке в Северной Евразии.//Метеорология и гидрология. 2004, № 7, 5–26. IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Intergovernmental Panel on Climate Change. Fourth Assessment Report. Technical Summary. Мелешко климата: причины и последствия. // Химия и жизнь. 2007, № 4, 6-12