2. Парниковый эффект и парниковые газы. Раннее описание. Парниковый эффект возникает тогда, когда на пути
отвода тепловой энергии от земной поверхности в космос возникает препятствие, ухудшающее условия этого отвода, заворачивающее часть потока тепловой энергии назад. Это приводит к уменьшению уходящего от Земли в космос теплового потока, и заставляет дополнительно разогреваться поверхность, причем до тех пор, пока излучение этой поверхности не станет настолько сильным, что на выходе теплового потока после препятствия этот поток опять по величине сравняется с приходящим.
Рис. Что происходит с потоками уходящей тепловой энергии и температурой Земли при внесении парниковых компонентов в атмосферу Сам парниковый эффект как таковой, возможен в земных условиях потому, что некоторые газы, существующие в земной атмосфере, и в настоящее время концентрация которых увеличивается, способны поглощать инфракрасное излучение, в котором и идет основной отвод тепла от Земли. А поглотив
направленное от поверхности в космос излучение, далее молекула такого газа может переизлучить поглощенный фотон в
любом направлении, а значит часть
поглощенного потока заворачивается назад, к поверхности Земли.
Рис. Излучение (отвод) теплового потока поверхностью Земли, а также поглощение и переизлучение в любом направлении теплового фотона молекулой парникового газа. Однако потепление при парниковом эффекте происходит только тогда, когда влияние компонентов атмосферы, создающих парниковый эффект, больше, чем влияние компонентов, препятствующих
приходу тепловой энергии к поверхности. Т.е. когда, к примеру, после внесения в атмосферу парниковых и антипарниковых компонентов, атмосферные аэрозоли задерживают и отражают 1 Вт/м
2 солнечного излучения, а парниковые газы 3 Вт/м
2 теплового потока Земли.
В условиях Земли наблюдается ситуация, когда атмосферные компоненты (газы и аэрозоли) в основном пропускают приходящее солнечное излучение (за исключением некоторого вклада в общее альбедо Земли), и довольно плохо пропускают уходящее. Это происходит за счет того, что поступление энергии к Земле и отвод от нее, происходит излучением в разных диапазонах длин волн (поступление в видимом диапазоне, отвод в инфракрасном), и имеющиеся атмосферные компоненты по-разному взаимодействуют с излучением в этих диапазонах. Основные атмосферные газы (кислород, азот и т.п.) и аэрозоли, взаимодействуют практически только с видимым светом (правда слабо), часть которого благодаря рассеянию и отражению уходит обратно в космос, не влияя на тепловое состояние Земли. А парниковые газы (водяной пар, углекислый газ, метан и пр.) почти не взаимодействуют с солнечным светом, но зато хорошо поглощают (и переизлучают) излучение в инфракрасном диапазоне.
Рис. Спектры излучения Солнца и Земли (а), а также приблизительный спектр поглощения земной атмосферы (б) (0-отсутствие поглощения, 1 – полное поглощение). По А.С. Монин, Ю.А. Шишков, Климат как проблема физики, УФН, том 170, №4, апрель 2000 г. Болеее подробный спектр поглощения земной атмосферы, правда только в инфракрасном диапазоне см по ссылке http://ru.wikipedia.org/wiki/Изображение:Atmospheric.transmittance.IR.jpg (только там используется обратная величина – прозрачность атмосферы). Как видно на рисунке, в диапазоне видимого света поглощение компонентами земной атмосферы почти не происходит, возникая только в красной области и усиливаясь в инфракрасной. 
Рис. Спектр поглощения земной атмосферы в инфракрасной области в сравнении со спектром излучения абсолютно черного тела при температуре, примерно равной температуре земной поверхности Парниковый эффект существовал на Земле еще с момента ее возникновения, так как многие парниковые газы присутствовали в атмосфере изначально. И в далекие эпохи он бывал заметно сильнее, чем сейчас (в раннем архее температуры на поверхности Земли превышали 150 градусов Цельсия, в значительной степени и за счет мощного парникового эффекта). В современную эпоху парниковый эффект составляет около 33 градусов, но в последнее столетие он начал быстро меняться, необычайно быстро, что может привести к печальным последствиям (о прошлых эпохах и скорости изменений будет рассказано в другой главе).
- участник сейчас на форуме
- участник вне форума
