ОБСУЖДЕНИЕ И ДИСКУССИИ
 ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА

Сорохтин О.Г.*, Ушаков С.А.**
* Институт океанологии РАН, г.Москва
** Музей землеведения МГУ, г.Москва


СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Основные положения теории
Проверка теории
Расчет влияния на климат изменений состава атмосферы
Заключение
Литература

 
Аннотация
В работе рассматриваются основы адиабатической теории парникового эффекта и показывается, что температурные режимы тропосферы Земли определяются интенсивностью солнечного излучения, давлением атмосферы и ее теплоемкостью. Значительное накопление в атмосфере углекислого газа, при прочих равных условиях, может приводить только к снижению средней температуры земной поверхности. Оценка влияния антропогенного выброса СО2 в атмосферу показала, что при этом средний температурный режим земного климата практически не меняется.  

  
  Введение

В последние годы резко возрос интерес к проблеме парникового эффекта на Земле, особенно к последствиям антропогенного выброса в атмосферу газов, поглощающих инфракрасное излучение (ИК) и, прежде всего, углекислого газа - продукта сжигания угля, углеводородного топлива и производства цемента. При этом обычно прогнозируются печальные последствия для климата нашей планеты: его резкое потепление и, как следствие этого, таяние ледниковых покровов, повышение уровня Мирового океана с затоплением густо населенных прибрежных регионов суши. Опасения аналогичных катастрофических явлений и давления экологических организаций заставляют Правительства разных стран выделять огромные средства на борьбу с последствиями потепления климата, якобы связанного с антропогенными выбросами в атмосферу "парниковых газов". А насколько справедливы эти расходы? Не ведем ли мы борьбу с "ветряными мельницами"?

Сторонники "классического" подхода к проблеме парникового эффекта исходят из идеи С. Аррениуса о прогреве атмосферы за счет поглощения ею инфракрасного излучения и представления, что передача тепла в тропосфере происходит в основном радиационным путем [1, 2, 5]. Однако в тропосферах плотных атмосфер (с давлением, большим 0,2 атм.) всегда доминирует конвективный вынос тепла. Отсюда следует необходимость рассматривать процесс прогрева воздуха в тропосфере с точки зрения адиабатической теории парникового эффекта. Первое приближение такой теории было разработано нами и опубликовано в периодической печати [7- 9]. Здесь мы дадим следующее приближение адиабатической теории, частично уже изложенной в нашей предыдущей работе [10]. Учитывая большую важность проблемы, горячие споры о природе парникового эффекта и далеко идущие политические решения по предотвращению негативных последствий антропогенного влияния на этот эффект, приведем здесь последовательный вывод всех основных уравнений, определяющих количественную сторону это явление. Кроме того, в качестве проверки теории, приведем теоретические расчеты распределений температуры в тропосферах Земли и Венеры, а в качестве прогноза, - оценим влияние на климат Земли антропогенного выброса в атмосферу так называемых “парниковых газов”.

Основные положения теории

Для нахождения средней поверхностной температуры планеты Ts и определения зависимости распределения температуры в ее тропосфере от параметров атмосферы необходимо задаться моделью передачи тепла в атмосфере. Будем исходить из того, что на Землю падает Солнечное излучение, характеризуемое температурой абсолютно черного тела

,                                                     (1)
где s = 5,67·10- 5 эрг/см2·с·К4 - постоянная Стефана - Больцмана; S - солнечная постоянная на удалении планеты от Солнца (для Земли S = 1,37·106 эрг/см2? с). На выходе же системы устанавливается приземная температура Ts. Поэтому температуру абсолютно черного тела Тbb (для Земли Tbb = 278,8 K), будем рассматривать в качестве входного воздействия на тропосферу, а поверхностную температуру Ts (для Земли Ts = 288 K) - в качестве ее выходной реакции. Будем считать также, что радиационный механизм теплообмена доминирует только в стратосфере и мезосфере, тогда как вынос тепла из наиболее плотного слоя планетной атмосферы - ее тропосферы в основном происходит благодаря конвекции. Последнее утверждение, правда, не является строго доказанным, но его можно проверить путем сопоставления теоретических распределений температуры в тропосферах, например, Земли и Венеры с осредненными эмпирическими данными. В рамках модели передачи тепла через конвектирующую среду, распределение температуры, как известно, определяется адиабатическим законом [3]
T = Ca· pa                                                            (2)
где р - давление, а a - показатель адиабаты, зависящий от теплоемкости воздуха.

Для нахождения зависимости между Ts и Tbb необходимо учитывать, что температурный режим тропосферы во многом определяется сильной отрицательной обратной связью, возникающей через отражательную способность планеты - ее альбедо, которое, в свою очередь, регулируется облачным покровом тропосферы (см. рис. 1).

Действие этой обратной связи наглядно иллюстрируется простым примером. Предположим, что средняя приземная температура по тем или иным причинам повысилась. Сразу же увеличивается испарение влаги с поверхности Земли и возрастает площадь облачного покрова, а это приводит к увеличению альбедо Земли. В результате, большая доля солнечной энергии отражается в космос, а доля падающего на земную поверхность излучения, наоборот, сокращается. В результате, происходит компенсационное снижение приземной температуры, и она вновь возвращается к равновесному уровню.

Но существование сильной отрицательной обратной связи приводит к линейной зависимости выходного сигнала от входного, т.е. в этом случае Ts~ Tbb. Учитывая это, можно записать

Ts = ba·Tbb· psa                                                   (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.

Таким образом, распределение температуры в планетной тропосфере можно представить себе схемой, изображенной на рис. 1.
 Рис. 1
Зная среднюю поверхностную температуру планеты Ts и давление на ее поверхности ps, можно теперь по уравнению (2) определить и температуру на любом уровне тропосферы (при p<0,2 атм)

                                               (4)
Для Земли Ts = 288 K и ps = 1 атм., следовательно, распределение температуры в земной тропосфере определяется простой зависимостью
                                                 (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 Tbb ~ S1/4, Следовательно, для обобщения выражения (3) на случай переменного S, с учетом того, что для Земли Tbb = 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)
                                                       (7)
где cp и cv - теплоемкости газа соответственно при постоянном давлении и объеме. Для всех трехатомных газов (СО2 и Н2О) g = 1,3 и a = 0,2308, а для двухатомных газов (N2 и О2) g =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 cp и cv поправочного коэффициента с размерностью теплоемкости Сq = Cw + Cr, учитывающего суммарный тепловой эффект процессов конденсации влаги Cw (во влажной атмосфере) и поглощения “парниковыми газами” теплового излучения Земли и Солнца Cr. Для планет с атмосферами другой природы под параметром Сq следует понимать характеристику любого теплофизического или химического процесса, приводящего к выделению (или поглощению при Cq < 0) тепла в недрах тропосферы.

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

                             (8)
где  - парциальные давления азота, кислорода углекислого газа и аргона; p - суммарное давление атмосферы; cp(N2)=0,248; cp(O2)=0,218; cp(CO2)=0,197; cp(Ar)=0,124 и cv(N2)=0,177; cv(O2)=0,156; cv(CO2)=0,152; cv(Ar)0,075 кал/г·град - теплоемкости азота, кислорода, углекислого газа и аргона, соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме [11];

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 [12]. 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 ё 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 Cr сложнее. Однако, учитывая, что наилучшее совпадения распределения температуры по выражению (7) с моделью стандартной атмосферы Земли получается при Cq » 0,126, можно найти Cr » 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 Cq » 0,045.
Проверка теории

В качестве проверки нашей теории, определим теперь температуру на поверхности Венеры по выражению (5) с использованием двух параметров ее атмосферы: р = 90,9 атм. и a = 0,1726, значению ее солнечной постоянной S = 2,62·106 эрг/см2 ·c, но с применением характеристик земной тропосферы: S0 = 1,37·106 эрг/см2 ·c; (Ts )0 = 278,8 K; b = 1,186 атм.-1. После подстановки всех параметров в уравнение (8), находим Ts = 735,4 K. В книге [6] приводится значение Ts = 735,3 K.

Выражения (4) и (5) позволяют определять температуру на любом уровне тропосферы с давлением р < 0,2 атм. Это позволяет нам значительно усилить проверку адиабатической теории парникового эффекта, выполнив сравнение теоретических распределений температуры в тропосферах Земли и Венеры с моделью стандартной атмосферы Земли и с эмпирическими данными по Венере, приведенными в книге [6] (результаты такой проверки приведены в таблицах 1 и 2, а также на рис. 2).

Table 1
Table 2
Как видно из сравнения, распределение температуры для тропосферы Земли, построенное по приведенным условиям, является линейной функцией высоты и практически полностью совпадает с распределением температуры в тропосфере стандартной модели земной атмосферы с температурным градиентом 6,5 град/км. При расчете распределения температуры в плотной углекислотной тропосфере Венеры по заданному давлению и составу ее атмосферы использовалось адиабатическое уравнение (5), нормированное по условиям земной атмосферы. Тем не менее, оказалось, что теоретическое распределение температуры в тропосфере Венеры весьма близко совпало с экспериментально определенными значениями температуры: с точностью до 0,5 - 1 % на высотах от 0 до 35 - 40 км. Выше теоретическая кривая располагается между двумя эмпирически полученными распределениями температуры в низких и высоких широтах Венеры (выше 60 км в атмосфере Венеры начинается тропопауза). Отсюда можно сделать вывод, что развиваемая здесь теория адекватно описывает столь непохожие друг на друга температурные режимы тропосфер двух разных планет. Это позволяет нам надеяться, что и выполненные на ее базе климатические прогнозы также окажутся правильными.

Рис.2

Определим теперь величину парникового эффекта. Напомним, что парниковым эффектом DT называется разность между средней поверхностной температурой планеты Ts и ее радиационной (эффективной) температурой Те, под которой планета видна из космоса:

DT = Ts - Te                                              (10)
Эффективная температура планеты легко находится по известной формуле Стефана - Больцмана
                                       (11)
где А - альбедо планеты: для Земли А = 0,3, для Венеры А = 0766 [4]. Теперь по выражению (11) легко находится радиационная температура планеты: для Земли она равна 255 К, для Венеры - 228 К. После определения поверхностной и радиационной температуры планеты, по выражению (1) нетрудно найти и сам парниковый эффект: для Земли он равен 33 ° С, а для Венеры DT » 507 ° C.
Расчет влияния на климат изменений состава атмосферы 

Убедившись в работоспособности рассматриваемой здесь теории, рассчитаем теперь в качестве примера мысленный эксперимент замены азотно-кислородной атмосферы Земли на углекислотную, но с тем же давлением р0 = 1 атм. Уравнение (3) можно переписать в виде

                                 (12)
Подставляя в (12) современные значения параметров атмосферы Ts = 288 K, Tbb = 278,8 K, рs = 1 атм. и a = 0,1905, находим, что b = 1,186 атм.- 1. Для углекислотной атмосферы с той же влажностью и тем же поглощением радиационной энергии (Cq = 0,126 кал/г? град) a = 0,153. В этом случае находим новое значение отношения Ts/Tbb = 1,026 (вместо 1,033 для азотно-кислородной атмосферы). Теперь по выражению (12) и значению Tbb = 278,8 K, находим: Ts =286,2 K или 13 ° С (вместо современного значения 14,8 ° С). При этом радиационная температура практически не меняется Те = 255 К. Следовательно, при замене азотно-кислородной атмосферы Земли на углекислотную должно произойти незначительное похолодание климата на 1,8 ° С, а не его значительное потепление, как это обычно принято думать. Более того, если принять, что углекислотная атмосфера будет поглощать значительно больше инфракрасного излучения (чем азотно-кислородная атмосфера), то это должно привести к дополнительному уменьшению показателя адиабаты a < 0,153. Следовательно, еще больше понизится и приземная температура. Аналогично этому, мысленно заменяя углекислотную атмосферу Венеры на азотно-кислородную (при Cq = 0,045 кал/г·град a = 0,241), но с тем же давлением ps =90,9 атм., получим значительное повышение температуры до Ts » 1013 K (вместо современной температуры 735 К).

Объясняются эти, казалось бы, парадоксальные результаты тем, что вынос тепла из тропосферы в основном происходит благодаря конвекции, а главными факторами в этом процессе, определяющими температурный режим плотных планетных тропосфер, являются давление (т.е. масса) атмосферы и ее теплоемкость. Но при одинаковых давлениях (т.е. массах) теплоемкость углекислотной атмосферы всегда меньше теплоемкости азотно-кислородной атмосферы. Иными словами, углекислотная атмосфера, подобно тонкому одеялу, хуже сохраняет тепло на поверхности планеты, по сравнению с более толстым “пуховым одеялом” азотно-кислородной атмосферы, обладающим к тому же и большей теплоемкостью.

В связи с техногенными выбросами углекислого газа в земную атмосферу происходит слабое уменьшение показателя адиабаты воздуха a, но одновременно с этим несколько увеличивается и давление. Из выражения (13), с учетом, что рs » 1, находим

                             (14)
где Tbb = 278,8 K; b » 1,186 атм.-1; a = 0,1905. Так, например, при двукратном увеличении концентрации углекислого газа в земной атмосфере с 0,035 до 0,07 объемных процентов, которое ожидается к 2100 г., увеличение давления dp достигнет 0,15 мбар. Судя по выражениям (9) и (10) da = - 4·10- 6. Оба эти фактора противоположны по воздействию, но доминирует первый из них. Тогда по уравнению (14) находим dTs » +7,8·10- 3 K. Практически же оказывается, что выбросы углекислого газа в атмосферу заметно не сказываются на парниковом эффекте земной атмосферы.

Из приведенных оценок следует важный практический вывод, что даже значительные выбросы техногенного углекислого газа в земную атмосферу фактически не меняют осредненные показатели теплового режима Земли и ее парниковый эффект. Более того, увеличение концентрации этого газа в земной атмосфере, безусловно, является полезным фактором, повышающим продуктивность сельского хозяйства и способствующим более эффективному восстановлению растительной массы в районах сведения лесов.

По-видимому, аналогичный вывод о слабом влиянии СО2 на парниковый эффект земной атмосферы следует распространить и на другие выбросы в воздух техногенных ИК-активных примесей. При этом правда, следует учитывать, что повышение концентрации углекислого газа в земной атмосфере, как и другие техногенные источники тепла, могут приводить к некоторой интенсификации конвективного массообмена в тропосфере Земли и к соответствующему сглаживанию контрастности климатических зон между высокими и низкими широтами. Однако, учитывая, что поступающая на Землю энергия солнечной радиации, по крайней мере, на три порядка превосходит всю производимую человечеством энергию, можно ожидать, что и эти явления также будут весьма скромными.

Если же глобальный климат Земли в настоящее время все-таки действительно испытывает заметное потепление, то, скорее всего, это окажется временным явлением и причину ему надо искать в других процессах и явлениях, например, в изменениях циркуляции океанических течений. В эволюционном же плане, начиная приблизительно с середины мезозоя, происходит постепенное похолодание климата. Объясняется это удалением азота из атмосферы и связыванием его в нитратах и нитритах почвенного покрова. В результате атмосферное давление постепенно падает, а это приводит к похолоданию климата, причем сейчас такое похолодание не компенсируется даже плавным увеличением солнечной постоянной [10]. Об эволюционном похолодании климата говорят и многочисленные геологические данные. Например, полное отсутствие следов оледенений в мезозое и появление первых ледниковых покровов в середине кайнозоя (в Антарктиде), а в четвертичное время и периодических оледенений в Северном полушарии. Сейчас мы живем в межледниковый стадиал, но когда ему на смену наступит новая фаза оледенения, то следует ожидать ее повышенной суровости.

Рассматривая проблемы парникового эффекта, нельзя обойти молчанием и аргументы последователей идеи С. Аррениуса о прямом воздействии концентрации углекислого газа на температуру тропосферы и земной поверхности. Так, сторонники этих идей [1, 2, 5] обычно приводят данные по содержанию СО2 в пробах воздуха из древних слоев фирна Гренландии и Антарктиды, показывающие, что в периоды межледниковых потеплений концентрация СО2 в атмосфере всегда повышалась. Аналогичный эффект, только в значительно большей степени, по их мнению, наблюдался в теплые климатические эпохи, например, в меловом периоде [1]. Формально это так. Однако, при объяснении этих явлений происходит явная подмена причины следствием - ведь повышение парциального давления СО2 в атмосфере может быть не причиной потепления климата, а только его следствием.

Объясняется это отрицательной температурной зависимостью растворимости СО2 в океанических водах и законом Генри, устанавливающим динамическое равновесие между парциальным давлением газа в атмосфере и его содержанием в гидросфере. Сейчас в водах океанов растворено углекислого газа приблизительно в 57ё60 раз больше, чем его содержится в атмосфере. Если же за счет изменения температуры океанических вод содержание СО2 в Мировом океане изменится, то установится новое равновесие, при котором часть углекислого газа перейдет из океана в атмосферу или, наоборот, из атмосферы в океан. Но поскольку растворимость СО2 в воде заметно уменьшается с ростом температуры, то всегда потеплениям климата будут соответствовать увеличения парциального давления этого газа в атмосфере, а похолоданиям - снижения давления. Так, например, по нашим оценкам [8] в атмосфере “теплого” мелового периода, когда средняя температура вод Мирового океана была приблизительно на 15 °С выше современной, парциальное давление углекислого газа превышало его современный уровень приблизительно в 1,7ё2 раза. Однако такое повышение содержания углекислого газа в атмосфере мелового периода являлось естественным следствием климатических изменений того времени, а вовсе не его причиной. Истинная же причина теплого климата мелового периода была связана, вероятно, с некоторым повышением давления атмосферы в мезозое [10] (за счет усиления генерации кислорода после появления и широкого распространения тогда цветковых растений) и с дрейфом континентов. В результате, все материки тогда располагались только в низких и умеренных широтах, а теплые океанические течения проникали глубоко в высокие широты, согревая своими водами берега наиболее приближенных к полюсам континентов. Поэтому, средняя температура Земли в меловом периоде была приблизительно на 2,5 - 3 ° С выше современной, а климат - более равномерным, без ледяных шапок на полюсах.

Заключение

Таким образом, было показано, что средняя температура на любом уровне достаточно плотной планетной тропосферы (с давлениями выше 200 мбар) однозначно определяется интенсивностью солнечного излучения, атмосферным давлением на этом уровне, теплоемкостью тропосферы, влажностью воздуха и его способностью поглощать инфракрасное (тепловое) излучение. Однако, чем интенсивнее происходит поглощение теплового излучения в тропосфере, тем ниже становится ее средняя приземная температура. Приведенный парадоксальный, на первый взгляд, вывод объясняется тем, что при этом снижается температурный градиент в тропосфере и возрастает интенсивность конвективного выноса тепла из тропосферы в стратосферу. Найденная закономерность позволила выполнить ряд прогнозных расчетов. Так, при мысленной замене азотно-кислородной атмосферы Земли на углекислотную, но с тем же давлением 1 атм., средняя приземная температура понижается (а не повышается) почти на 2 ° С. Отсюда видно, что насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им инфракрасного излучения, при прочих равных условиях, всегда приводит не к повышению, а только к понижению и парникового эффекта и средней поверхностной температуры планеты.

Реакция земного климата на антропогенный выброс в атмосферу углекислого газа определяется двумя факторами: во-первых, при этом несколько повышается атмосферное давление и, во-вторых, несколько снижается значение показателя адиабаты смеси атмосферных газов. Оба эти фактора действуют в противоположных направлениях, в результате средний температурный режим тропосферы практически остается неизменным. Более того, увеличение концентрации углекислого газа в земной атмосфере оказывается полезным фактором, повышающим эффективность сельского хозяйства и увеличивающим скорость восстановления вырубленных лесов.

Литература

1. Будыко М.И. Проблема углекислого газа. -Л. Гидрометеоиздат, 1997.-60 с.

2. Глобальное потепление: Доклад Гринпис.- М.: Изд-во МГУ, 1993.- 272 с.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика, ч.1.- М.: Наука, 1979.-484 с.

4. Маров М.Я. Планеты солнечной системы. М., Наука, 1986.-320 с.

5. Парниковый эффект, изменение климат и экосистемы.- Л.:Гидрометеоиздат,1989.-558 с.

6. Планета Венера (атмосфера, поверхность, внутреннее строение).- М.:Наука, 1989.-482 с.

7. Сорохтин О.Г. Парниковый эффект атмосферы в геологической истории Земли. -Докл. АН СССР, 1990, т. 315, № 3, с. 587-592.

8. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Глобальная эволюция Земли.-М.: Изд-во МГУ, 1991. 446 с.

9. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Адиабатическая теория парникового эффекта атмосферы. Вестник МГУ, сер. 5, География, 1996, №5, с. 27- 37.

10. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Эволюция климатов Земли. Электронный научно-информационный журнал "Вестник ОГГГГН РАН" № 2'97, т. 1, М.: ОНТИ ОИФЗ РАН, 1997
http://www.scgis.ru/russian/cp1251/dgggms/2-97/evol-klm.htm

11. Справочник термодинамических величин (для геологов) (авт.: Наумов г.б., Рыженко Б.Н., Ходаковский И.Л.)- М., Атомиздат, 1971, 240 с.

12. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. -М.: Изд-во МГУ, 1994.- 520 с.