Под одним «одеялом»: парниковый эффект и вызывающие его газы

Расчищая авгиевы конюшни, нельзя забывать о проблеме экологии.

Б. Шапиро (Интернет)

Идею по поводу механизма парникового эффекта в 1827 г. изложил французский ученый Ж. Фурье (1768–1830). Чуть позже, в 1860 г., ирландский физик Д. Тиндаль (1820–1893) экспериментально установил, что углекислый газ CO₂ «не пропускает» исходящее от Земли тепловое излучение. Детальное же исследование парникового эффекта было проведено в 1896 г. шведским химиком С. Аррениусом (1859–1927).

О парниковом эффекте пишут много, но часто его смысл искажается.

Суть парникового эффекта – в поглощении атмосферой, точнее – парниковыми газами атмосферы и некоторыми аэрозолями, длинноволновой радиации, испускаемой нагретой подстилающей поверхностью. Поглощенная всяким парниковым газом энергия длинноволнового излучения вызывает повышение температуры воздуха. Увеличенное содержание парникового газа и подобное повышение температуры вызывают рост потока длинноволнового излучения вниз, к подстилающей поверхности, и вверх, к верхней границе атмосферы. В теплом воздухе повышается влажность, а водяной пар – самый сильный парниковый газ. Поглощение им длинноволнового излучения приводит к резкому повышению температуры воздуха. Так несколько положительных обратных связей[13]многократно усиливают парниковый эффект и делают его самым значительным среди всех других антропогенных климатоформирующих факторов (рис. 12 и рис. 10 цв. вклейки).

В иерархии эффективности парниковых газов на первом «королевском» месте безоговорочно располагается водяной пар. Его господство среди парниковых газов столь же незыблемо, как превосходство Солнца над прочими влияющими на климат Земли факторами. Водяной пар поглощает длинноволновую радиацию почти на всех частотах (иначе – полосах поглощения) инфракрасного излучения (λ > 0,7 мкм) и делает это много интенсивнее прочих парниковых газов. Лишь в диапазоне длин волн 8 мкм < λ < 13 мкм поглощение водяным паром минимально, и, как следствие, излучение с такими длинами волн может покидать атмосферу почти беспрепятственно. Поэтому специалисты обычно говорят об этом явлении как о «прозрачности» атмосферы в указанном интервале длин волн, а сам интервал именуют окном прозрачности. В этой связи главным критерием значимости всякого другого парникового газа является его способность эффективно поглощать инфракрасное излучение внутри такого окна прозрачности или вблизи его границ. Рис. 13 иллюстрирует, на каких длинах волн (отложенных на оси абсцисс) излучение поглощается газами (заштрихованная область), а на каких такое поглощение отсутствует. Снизу стрелками показаны основные полосы поглощения, а также газы, «ответственные» за каждую из этих полос.

На почтительном отдалении от «короля» – его «свита», в которой по ранжиру значимости выстраиваются углекислый газ (СО₂), метан (СН₄), озон (О₃) и оксид азота (I) (N₂О). Но, как известно, «короля делает свита»: если стабильность климата поддерживается водяным паром, то ответственность за последовавшие в ХХ веке его (климата) изменения ложится на «малые газы».

Рис. 12. Схема строения и состава атмосферы. Кривая – вертикальный профиль температуры стандартной атмосферы (средних широт); в скобках – длины волн интервалов поглощения радиации (1 мкм = 1 ·10^‑6 м)

Рис. 13. Спектр пропускания атмосферы Земли в оптической и инфракрасной областях. Отмечены полосы поглощения кислорода (O₂) (ультрафиолет), водяного пара (H₂O), углекислого газа (CO₂) и озона (О₃) (инфракрасная область)

«Малые» потому, что 78 % воздуха составляет азот, еще 21 % – кислород, а следовательно, на все остальные компоненты, в том числе и вышеперечисленные, остается всего около 1 %. Однако недаром говорят: «Мал золотник, да дорог». Самое время познакомиться с некоторыми из наших героев.