Парниковият ефект

Основният принцип на глобалното затопляне може да бъде разбран, като се вземе предвид енергията, излъчена от Слънцето и затопляща Земята, и топлинната енергия, излъчена от Земята и атмосферата към космоса. В идеалния случай тези два радиационни потока трябва да се компенсират. Веднъж нарушен (поради увеличаване на въглеродния двуокис в атмосферата), балансът може да бъде възстановен чрез повишаване на температурата на повърхността на Земята.

Как Земята запазва топлината си?

За да изясним процеса на затопляне на Земята и нейната атмосфера, нека използваме един много опростен модел на Земята. За миг да предположим, че можем да премахнем всички облаци, водна пара, въглероден двуокис и останалите газови компоненти, както и твърдите частици и прах, оставяйки атмосфера единствено от азот и кислород. Всичко останало се запазва същото. Как тези условия биха повлияли на атмосферната температура тогава? Какво би се случило и каква би била тя? Излъчената от Слънцето енергия, която достига високите слоеве на атмосферата,има стойност 1370 W/m2 - това е приблизително мощността на една домашна отоплителна печка. Част от тази енергия се отразява директно в космоса и само една четвърт, т. е. 343 W, преминава през атмосферата; около 6 % от нея се разсейват обратно, а останалата достига до земната повърхност, като 10% се разсейват от земната и водната повърхност, а оставащите 84 %, които се равняват на 288 W/m2, достигнали до повърхността на Земята, осъществяват нейното затопляне; това е енергия, достатъчна да захрани три електрически крушки.

За да се осъществи енергийният баланс, е необходимо Земята да излъчва приблизително същото количество енергия в околоземното пространство под формата на топлина.

Всички предмети излъчват топлина, което обаче е забележимо за човешкото око само когато са достатъчно загрети. При температура от 6000 °С Слънцето изглежда бяло; електрически реотан при температура 800 °С изглежда червен; по - хладните предмети също излъчват топлина, но вълните на тяхното излъчване са с дължина, по-голяма от тази на червените лъчи, и принадлежат на инфрачервената област, намираща се извън видимата част на спектъра. Охлаждащото действие на този вид радиация, излъчена от земната повърхност в пространството, се наблюдава в ясни зимни нощи, когато се образува слана.

Количеството радиация, излъчена от земната повърхност, зависи от нейната температура - колкото по-висока е тя, толкова по-интензивно е излъчването. Друг фактор, от който зависи количеството на излъчената радиация, е свързан със способността на дадената повърхност да поглъща; колкото по-голямо е поглъщането, толкова по-голямо е и нейното излъчване. Повечето от земните повърхности, в това число ледът и снегът, биха изглеждали черни, ако можехме да доловим техните инфрачервени честоти; това се дължи на факта, че те поглъщат по - голямата част от радиацията, която достига до тях, без да я отразят. Може да бъде изчислено, че за да се осъществи балансът между енергията, идваща отвън, и тази, излъчена от земната повърхност в пространството, средната температура на земната повърхност трябва да бъде около - 6 °С. Тази температурна стойност обаче е с няколко градуса по-ниска от фактическата. Средната годишна температура на въздуха близо до земната повърхност, като се вземе предвид и наличието на водни площи, е около 15 °С. Тази разлика може да бъде обяснена с наличието на фактор, за който още не е станало дума.

Парниковият ефект

Кислородът и азотът, които представляват основната част от състава на атмосферата, нито поглъщат, нито излъчват топлинна енергия. Такива компоненти като водната пара, въглерод

ния двуокис и някои други газове, които се съдържат в по-малки количества в атмосферата, поглъщат част от топлинната радиация, излъчена от земната повърхност, като по този начин формират изолационна обвивка, задържаща в себе си тази топлина, и в резултат на което се получава разлика от около 21 °С между фактическата средна температура, която е около 15 °С, и температурата, пресметната за атмосфера, съдържаща само кислород и азот, която е със стойност –6 оС. Действието па обвивката е известно като естествен парников ефект, а газове, които го причиняват, - като ествевенн парникови газове. Нарича се естествен, тъй като всички атмосферни газове (с изключение на CFCs) са съществували, като такива още преди появата на човека.

Наименованието "парников ефект" идва от сходните свойства на стъклото на парника и газовете в атмосферата (фиг.1).

фиг. 1
Парникът има същия ефект както атмосефрата по отношение на падащата слънчева радиация и излъчената топлинна радиация.

Видимата част от спектъра на слънчевата радиация преминава почти безпрепятствено през стъклото на парника и се поглъща от растенията и почвата в него. Топлинната радиация, излъчена от растенията и почвата, частично се поглъща от стъклото и се излъчва обратно в парника. По този начин стъклото играе ролята на обвивка, която поддържа температурата в парника винаги висока.

Преди да продължим нататък, е интересно да споменем заслугите на някои учени, първи изследвали парниковия ефект. За пръв път затоплящото дейст вие на парниковите газове в атмосферата бе открито през 1827 г. от френския учен Жан – Батист Фурие добре познат е приносите си в математиката. Той също така първи забелязва приликата между принципа на действие на парника и този в атмосферата, откъдето идва и наименованието "парников ефект". Следваща стъпка в тази област прави британският изследовател Джон Тиндъл, който приблизително около 1860 г. измерва количеството на погълнатата инфрачервена радиация от въглеродния двуокис и водните пари; той също така прави предположението, че причина за появата на ледников период би могло да бъде намаляването на "парниковия ефект" в резултат на намаляването на въглеродния двуокис. По-късно през 1896 г. шведският химик Сванте Арениус изчислява ефекта от увеличаването на концентрацията на парниковите газове; той оценява, че удвояването на количеството въглероден двуокис би довело до увеличаването на средната температура на планетата с 5-6 °С - оценка, която не е далеч от съвременното схващане. Петдесет години по-късно, около 1940 г., Г. С. Келандър, който работи в Англия, пръв пресмята затоплянето въз основа на увеличаването на въглеродния двуокис в атмосферата поради изгарянето на органични горива.

Първият израз на загриженост за вероятните климатични промени, които могат да настъпят вследствие увеличаването на парниковите газове, е формулиран през 1957 г. от Роджър Равел и Ханс Сюс от Института по океанография в Калифорния в техния доклад, в който се обръща внимание на това, че допринасяйки за увеличаването на въглеродния двуокис в атмосферата, човечеството се подлага на един мащабен геофизичен експеримент. През същата година бяха направени редица изследвания на съдържанието на въглероден двуокис в обсерваторията в Мауна Кеа - Хаваите. Темповете, с които нараства използването на органични горива, едновременно с нарастващия интерес към околната среда извеждат темата за глобалното затопляне на водещо място и в политическия живот през 80-те години, което естествено води до подписването на Климатичната конвенция през 1992 г.

Да се върнем към темата: преносът на радиация е само един от начините на топлообмен в парника. Циркулацията на въздуха вътре в него също предизвиква топлообмен. Някои от въздушните движения са хаотични, което способства топлообмена. От друга страна, топлообменът се дължи на факта, че затопленият въздух е с по-малка плътност и се издига нагоре, докато плътният и студен въздушен поток се придвижва надолу - процес, наречен конвекция. Конвективните електрически печки, използвани в домакинствата, действат на същия принцип - стимулират конвекцията в помещението. В случая с парника нещата нямаше да стоят толкова сложно, ако радиацията беше единственият процес на топлообмен, който протича вътре в него.

Размесването и конвекцията са процеси, които съществуват и в атмосферата, но в много по-голям мащаб, и за да достигнем до по - задълбочени познания за "парниковия ефект", трябва да се вземат под внимание както ролята на ковекцията за топлообмена, така и тази на радиацията.

В атмосферата (или в онази част от нея, която разглеждаме) конвекцията се явява като доминиращ процес при топлообмена. Принципът на действие е следният. Повърхността на Земята се загрява от слънчевите лъчи, които поглъща. Въздухът непосредствено до земната повърхност също се загрява, в резултат на което намалява плътността си и започва бавно да се издига нагоре. В процеса на издигане въздухът се разширява и охлажда. Така се формират два въздушни потока - топъл, който се издига нагоре, и хладен, който се спуска надолу - взаимно балансиращи се, те довеждат до състояние на т. нар. конвективно равновесие. Температурата в атмосферата се определя от скоростта на тези конвективни процеси; оказва се, че температурата се понижава във височина с 6 °С на километър.

Чрез измерителни уреди и системи за наблюдение на излъчваната от земната повърхност радиация, прикрепени към спътници, движещи се в околоземна орбита, може да бъде направена снимка на радиационния обмен в атмосферата. При някои дължини на вълните от инфрачервената област на спектъра и при отсъствие на облаци атмосферата изглежда в по - голямата си част прозрачна, така, както тя изглежда във видимата част на спектъра. Ако човешкото око беше чувствително към тези дължини на вълните, щеше да е възможно да се наблюдават звездите, Луната и Слънцето през облачната обвивка. Тъкмо в тази спектрална област Земята излъчва радиация към атмосферата и оттам към космоса.

Излъчването от земната повърхност с други дължини на вълните в по-голямата си част бива абсорбирано от парниковите газове в атмосферата, най - често водните пари и въглеродния двуокис.

Телата, които добре поглъщат радиацията, също така добре излъчват. Черните тела например еднакво добре поглъщат и излъчват за разлика от отразяващите повърхности, които поглъщат и излъчват много малко (това свойство се използва, когато повърхностите на дюаровите съдове се покриват с тънък слой силно отразяващо вещество; същото се отнася и за изолационните материали, използвани за термоизолация в строителството).

Абсорбиращите газове в атмосферата поглъщат част от излъчената от земната повърхност радиация, като впоследствие я излъчват към космическото пространство. Количеството на излъчената топлинна радиация зависи от температурата им.

Радиацията се излъчва към космическото пространство от газовете, намиращи се на височина между 5-10 кm, което е близко до горната граница на земната атмосфера. В резултат от конвекцията, за която вече стана дума, температурата там е с 30 до 50 °С по - ниска от тази на повърхността на Земята. Поради това, че газовете са студени, те излъчват по - малко. Ролята, която играят в този случай, е, че поглъщат някаква част от излъчената от земната повърхност радиация, но към космическото пространство те отдават нищожно малка част от нея. По този начин потокът енергия от земната повърхност и атмосферата към космоса е много по - малък благодарение на наличието на абсорбиращите газове. Така те създават защитна радиационна обвивка на Земята, като спомагат за това температурата на повърхността й да се запази по-висока (обърнете внимание на факта, че външната повърхност на тази покривка е по - студена от вътрешната), отколкото би била в друг случай.

Необходимо е да съществува баланс между радиацията, която постъпва и която напуска атмосферата.

Облаците отразяват част от падналата слънчева енергия отново в пространството. Освен това абсорбират и излъчват част от топлинната енергия, като по този начин играят роля, подобна на парниковите газове, формирайки изолационна обвивка. Тези две свойства на облаците оказват две различни влияния на земната повърхност - отразяването на слънчевата енергия способства за охлаждането на земната повърхност, докато абсорбирането на топлинна радиация я загрява. Ако вземем предвид и двата ефекта и отчетем тяхното действие, ще стане ясно, че като цяло влиянието на облаците върху общия радиационен баланс се проявява в слабо охлаждане на земната повърхност.

Марс и Венера

Както на Земята, така и на съседните планети Марс и Венера се наблюдава подобен парников ефект. Марс е по-малка планета от Земята и нейната атмосфера в сравнение със земната е много по-тънка. Барометър, поставен на повърхността на Марс, регистрира атмосферно налягане, по-ниско от 1 % от това на земната повърхност. Нейната атмосфера обаче се състои изцяло от въглероден двуокис, който, както вече казахме, е причина за парников ефект. Поради това, че Марс се намира на разстояние от Слънцето с 50 % по-голямо, отколкото Земята, той получава по-малко слънчева енергия. В случай, че Марс няма атмосферна обвивка, която да балансира проникващата от Слънцето енергия, температурата на неговата повърхност би била около - 57 °С. Действителната му температура е около -47 °С; тази разлика в температурата е резултат от парниковия ефект, предизвикан от наличието на въглероден двуокис в атмосферата му.

Венера е планетата, която може да бъде разпозната в близост до Слънцето при ясни утрини или вечери. По размери тя е почти толкова голяма, колкото и Земята. Барометър, поставен на повърхността на Венера, би имал задачата да отмерва налягане, почти сто пъти по-голямо от земното. В по-голямата си част атмосферата на Венера се състои от въглероден двуокис. Гъсти облаци от едри капки почти чиста сярна киселина покриват планетата, като по този начин не позволяват на слънчевата светлина да достигне повърхността й. Руски изследователски сонди, стигнали до нейната повърхност, описват условия като тези на Земята, само че в много дълбок сумрак - само 1 -2 % от слънчевата светлина, падаща върху облаците, прониква през тях. Фактът, че толкова малко количество слънчева енергия прониква до повърхността й, може да доведе до предположението, че нейната температура е по-скоро ниска. В действителност е тъкмо обратното - измерванията, направени от руските сонди, показват, че нейната температура е около 525 °С.

Причината за тази толкова висока температура е парниковият ефект. Дебелата обвивка от въглероден двуокис пропуска съвсем малка част от топлинната радиация навън от атмосферата й. Тази атмосфера играе ролята на толкова ефективна радиационна обвивка, че въпреки малкото количество слънчева енергия, достигаща и загряваща повърхността на Венера, съществуващият парников ефект способства за поддържането на температури от порядъка на 500 °С.

Изчерпаният парников ефект

Пример за изчерпания парников ефект е това, което е станало на Венера. То може да се обясни, като се върнем назад във времето, когато се е образувала атмосферата на Венера. Тя е била формирана от газове, отделени от вътрешността на планетата, при което водните пари, предизвикващи мощен парников ефект, преобладавали. Парниковият ефект, предизвикан от водните пари, довел до покачване на температурата на повърхността. От своя страна повишената температура стимулирала още повече изпарението на вода от повърхността, която се натрупвала в атмосферата под формата на водна пара. В резултат на това парниковият ефект нараствал, температурата на повърхността също. Този процес би могъл да продължи до момент, в който или атмосферата се насити с водни пари, или цялата вода от повърхността се изпари.

Това е приблизителният път, по който се е образувал изчерпаният парников ефект на Венера. Възниква въпросът, защо такива процеси не са протекли на Земята - планета с приблизително същите размери като тези на Венера и доколкото е известно, с подобен химичен състав на повърхността си. Причината е в това, че Венера се намира по - близо до Слънцето, отколкото Земята, вследствие на което количеството слънчева енергия, достигаща до Венера, е два пъти по-голямо от това, достигащо до Земята. По времето, когато атмосферата на Венера не е била още формирана, температурата там трябва да е била около 50 °С. В течение на времето и процесите, които вече описахме, водата на повърхността на Венера се е намирала в състояние на непрекъснато кипене. Поради високите температури атмосферата никога не може да достигне до състояние на насищане на водните пари. В случая със Земята нещата са различни. Нейната начална температура е по - ниска и поради това след всеки от ета¬пите съществува възможност за достигане на равновесие между повърхността на планетата и атмосферата, наситена с водни пари. На Земята не съществуват условия за възникването на изчерпан парников ефект.

Усилен парников ефект

След пътешествието си на Марс и Венера нека се завърнем отново на Земята. Естественият парников ефект е резултат от наличието на водни пари и въглероден двуокис в техните естествени количества. Количеството водна пара зависи главно от температурата на океаните на Земята, тъй като в по-голямата си част водната пара води началото си от океанската повърхност и количеството й не е свързано пряко с антропогенната дейност. За въглеродния двуокис нещата не стоят по този начин. Неговото количество непрекъснато нараства - с около 25 % до момента -вследствие на техническата революция, човешката индустриална дейност и изсичането на горите. Като прогноза за бъдещето с оглед на липсата на контролиращи фактори скоростта на натрупване на въглероден двуокис в атмосферата непрекъснато ще расте, като се очаква през следващите сто години количеството му да се удвои в сравнение с това преди започване на индустриалната революция.

Увеличеното количество въглероден двуокис довежда до глобално затопляне на земната повърхност поради усилен парников ефект. Нека за момент да си представим, че количеството въглероден двуокис в атмосферата внезапно се удвои, като всичко останало се запази същото. Какво би станало в цифри с радиационния баланс, за който говорихме по – рано? Притокът на слънчева радиация не е променен. Колкото по - голямо е количеството въглероден двуокис в атмосферата, толкова излъчването на енергия от нея ще се осъществява от по - високо атмосферно ниво с по - ниска температура. В резултат на това топлинната радиация също ще намалее с 4 W/m2.

По този начин цялостният баланс ще бъде нарушен с 4 W/m2. Енергията, постъпваща отвън, ще бъде повече от енергията, излъчена навън от системата. За да се установи ново равновесие между земната повърхност и атмосферата, общата температура трябва да се повиши. Ако в този случай нищо друго - облаците, водните пари, ледовете, снежната покривка и т. н., освен температурата, не се промени, промяната й би била 1,2 °С.

В действителност, разбира се, промяна в много от споменатите фактори има, като някои от тях засилват затоплянето (това се нарича положителна обратна връзка), а други го намаляват (отрицателна обратна връзка). Става ясно, че действителните условия са доста по - сложни от тези в опростения модел, който вземаме за пример. Достатъчно е тук да споменем, че най-добрите оценки за повишаване на температурата на земната повърхност са направени въз основа на предположението, че въглеродният двуокис се е увеличил двойно и като резултат температурата се е покачила с 2,5 °С. Това е една доста значителна промяна в глобалната средна температура. Именно това глобално затопляне като резултат от усиления парников ефект е причина за нашето безпокойство и загриженост.

След като проследихме последиците от удвояването на въглеродния двуокис в атмосферата, ще бъде интересно да разгледаме случая, при който в атмосферата липсва въглероден двуокис. Според някои предположения количеството на излъчената радиация би се променило с 4 W/m2, но в обратна на посочената по-горе посока и тогава температурата на Земята би се понижила с 1 -2 °С. Ако изходим от логиката на примера, споменат по - горе, ще стигнем до заключение, че това би се случило при положение, че количеството въглероден двуокис е намалено наполовина. А ако бъде изцяло премахнат от атмосферата, промяната в количеството на излъчената енергия ще е от порядъка на 25 W/m2, или около 6 пъти по - голяма, откъдето следва, че и температурата ще се измени по подобен начин.

Съвсем логично възниква въпросът: Наблюдава ли се явлението усилен парников ефект, като се вземат предвид последните климатични проучвания? Въпреки това тази тенденция в изменението на температурата не може все още категорично да бъде установена и обяснена само с увеличения парников ефект поради естествената изменчивост на климата. Ако не можем със сигурност да твърдим, че наблюдаваме явлението затопляне, как можем да сме сигурни, че парниковият ефект е действителен?

Да обобщим това, което сме казали до момента:

• Едва ли някой подлага на съмнение съществуването на естествения парников ефект, който поддържа на Земята температура 21 °С, т. е. по-висока, отколкото би била без наличието му. Значителните научни познания в тази област са приложими и при изследването на усиления парников ефект.

• Явлението парников ефект в значителна степен се наблюдава и в разположените най-близо до Земята планети Марс и Венера. Като се вземат предвид услови ята на тези планети, големината на парниковия ефект може да бъде оценена.