Üvegházhatás

Üvegház [1] vagy melegház vagy üvegházhatás [ 2] a bolygó légkörének alsó rétegeinek hőmérsékletének emelkedése az effektív hőmérséklethez képest , vagyis a bolygó űrből megfigyelt hősugárzásának hőmérsékletéhez képest.

Kutatástörténet

Az üvegházhatás mechanizmusának gondolatát először Joseph Fourier fogalmazta meg 1827 -ben "Megjegyzés a földgömb és más bolygók hőmérsékletéről" című cikkében, amelyben a Föld éghajlatának kialakulásának különféle mechanizmusait vizsgálta. a Föld általános hőháztartását befolyásoló tényezőknek (napsugárzás általi felmelegedés, sugárzás okozta lehűlés, a Föld belső hője), valamint a hőátadást és az éghajlati zónák hőmérsékletét befolyásoló tényezőket (hővezetőképesség, légköri és óceáni keringés) tekintette. ) [3] [4] .

Fourier a légkör sugárzási egyensúlyra gyakorolt hatásának vizsgálatakor Horace-Benedict de Saussure tapasztalatait egy heliotermométerrel elemezte. [5] . A készülék egy belülről hőszigetelés céljából megfeketedett parafával borított doboz volt, egyik oldalát három üveglap borította, melyek között rések voltak. Ha a készüléket az üveggel pontosan a nap felé irányították, a belső hőmérséklet elérheti a 109°C-ot. Fourier egy ilyen "mini üvegház" belsejében a hőmérséklet növekedését a külső hőmérséklethez képest két tényező hatására magyarázta: blokkolja a konvektív hőátadást (az üveg megakadályozza a meleg levegő kiáramlását belülről és a hideg levegő beáramlását kívülről ) és az üveg eltérő átlátszósága a látható és az infravörös tartományban.

Ez utóbbi tényező az, amely a későbbi irodalomban az üvegházhatás elnevezést kapta - a látható fény elnyelésével a felület felmelegszik és hősugárzást (infravörös) bocsát ki; Mivel az üveg a látható fény számára átlátszó és a hősugárzással szemben szinte átlátszatlan, a hő felhalmozódása olyan hőmérséklet-emelkedéshez vezet, amelynél az üvegen áthaladó hősugarak száma elegendő az egyensúly megteremtéséhez.

Fourier feltételezte, hogy a Föld légkörének optikai tulajdonságai hasonlóak az üveg optikai tulajdonságaihoz, vagyis az infravörös tartományban alacsonyabb az átlátszósága, mint az optikai tartományban, de az infravörös tartományban a légköri abszorpcióra vonatkozó kvantitatív adatok már régóta volt a vita tárgya.

1896-ban Svante Arrhenius svéd fizikai kémikus elemezte Samuel Langley adatait a Hold bolometrikus fényességéről az infravörös tartományban [6] , hogy számszerűsítse a hősugárzásnak a Föld légköre általi elnyelését . Arrhenius összehasonlította a Langley által a Hold különböző magasságaiban a horizont felett (vagyis a Hold légkörön áthaladó sugárzásának különböző értékeinél) kapott adatokat a termikus sugárzás számított spektrumával, és kiszámította az abszorpciót. a légkörben lévő vízgőz és szén-dioxid infravörös sugárzásának együtthatói, valamint a Föld hőmérsékletének változásai a szén-dioxid-koncentráció változásaival. Arrhenius azt a hipotézist is felvetette, hogy a légkör szén-dioxid -koncentrációjának csökkenése lehet a jégkorszakok egyik oka [7] .

Az üvegházhatás számszerűsítése

A sugarú és gömbölyű albedójú bolygó egységnyi idő alatt elnyelt napsugárzásának teljes energiája egyenlő: $R$ $A$

E=\pi R^{2}{\frac {E_{0}}{r^{2}}}(1-A),

hol a napállandó és a Nap távolsága.

E_{0}

r

A Stefan-Boltzmann törvény szerint egy sugarú bolygó egyensúlyi hősugárzása , azaz a sugárzó felület területe : $L$ $R$ $4\pi R^{2}$

L=4\pi R^{2}\sigma {\bar {T}}_{\text{E}}^{4},

hol van a bolygó effektív hőmérséklete.

{\bar {T}}_{\text{E}}

1. táblázat [cm 1]

Bolygó	Atm. felületi nyomás , atm.	${\bar {T}}_{\text{E}}$	${\bar {T}}_{\text{S}}$	$\Delta {\bar T}$	${\bar {T}}_{\text{max}}$	${\bar {T}}_{\text{min}}$	$\Delta T$
Vénusz	90	231	735	504	—	—	—
föld	egy	249	288	39	313	200	113
Hold	0	—	—	0	393	113	280
Mars	0,006	210	218	nyolc	300	147	153

↑ A hőmérsékletek kelvinben vannak megadva , az átlagos maximum hőmérséklet délben az egyenlítőn , az átlagos minimum hőmérséklet. ${\bar {T}}_{\text{max}}$ ${\bar {T}}_{\text{min}}$

Kvantitatív értelemben az üvegházhatás nagyságát a bolygó légkörének átlagos felszínközeli hőmérséklete és effektív hőmérséklete közötti különbségként határozzuk meg . Az üvegházhatás jelentős a sűrű atmoszférájú bolygókon, amelyek a spektrum infravörös tartományában elnyelő gázokat tartalmaznak , és arányos a légkör sűrűségével . Az üvegházhatás következménye az is, hogy a hőmérsékleti ellentétek enyhülnek mind a bolygó sarki és egyenlítői zónái, mind a nappali és éjszakai hőmérsékletek között. $\Delta {\bar T}$ ${\bar {T}}_{\text{S}}$ ${\bar {T}}_{\text{E}}$

Az üvegházhatás természete

A légkör üvegházhatása a látható és a távoli infravörös tartomány eltérő átlátszóságából adódik. A 400-1500 nm -es hullámhossz-tartomány látható fényben és a közeli infravörös tartomány a napsugárzás energiájának 75%-át teszi ki , a legtöbb gáz ebben a tartományban nem nyeli el a sugárzást; A Rayleigh-szórás a gázokban és a szórás a légköri aeroszolokon nem akadályozza meg, hogy e hullámhosszú sugárzás behatoljon a légkör mélyére, és elérje a bolygók felszínét. A napfényt a bolygó felszíne és légköre elnyeli (különösen a közeli UV- és infravörös tartomány sugárzása), és felmelegíti azokat. A bolygó fűtött felülete és a légkör a távoli infravörös tartományban sugárzik: például a Föld esetében 300 K hőmérsékleten a hősugárzás 75% -a a 7,8-28 μm tartományba esik , a Vénusz esetében 700 K - 3,3 -12 μm . ${\bar T}_{S}$ ${\bar T}_{S}$

Többatomos gázokat tartalmazó atmoszféra (a kétatomos gázok diatermikusak - átlátszóak a hősugárzásnak), a spektrum ezen tartományában elnyelődve (az ún. üvegházhatású gázok - H 2 O , CO 2 , CH 4 stb. - lásd 1. ábra ) , jelentősen átlátszatlan a felületéről a világűrbe irányított ilyen sugárzásra, vagyis nagy az optikai vastagsága az IR tartományban . Az ilyen átlátszatlanság miatt a légkör jó hőszigetelővé válik, ami viszont oda vezet, hogy az elnyelt napenergia visszabocsátása a világűrbe a légkör felső hideg rétegeiben történik. Ennek eredményeként a Föld effektív hőmérséklete radiátorként alacsonyabbnak bizonyul, mint a felszínének hőmérséklete.

Az üvegházhatás kialakulásában a felhők légkörben betöltött szerepe nagyon nagy és kevéssé vizsgált, különösen éjszaka és télen a mérsékelt és poláris szélességeken [8] .

Az üvegházhatás hatása a bolygók éghajlatára

2. táblázat [9]

Bolygó	Atm. felületi nyomás , atm.	CO 2 koncentráció , %	${\displaystyle P_{{\ce {CO2))))$ atm.	$\Delta {\bar T}$
Vénusz	~ 93	~96,5	~ 89,8	504
föld	egy	0,038	~ 0,0004	39
Mars	~ 0,007	95,72	~0,0067	nyolc

Az üvegházhatásnak a bolygók felszínközeli hőmérsékletére gyakorolt befolyásának mértéke (amikor a légkör optikai vastagsága <1) függ az üvegházhatású gázok, a bolygó légkörében lévő felhők optikai sűrűségétől [8] , és ennek megfelelően parciális nyomásuk a bolygó felszíne közelében. Így az üvegházhatás a sűrű atmoszférájú bolygókon a legkifejezettebb, a Vénusz esetében ~500 K. $\Delta {\bar T}$

Az üvegházhatás nagysága függ a légkörben lévő üvegházhatású gázok mennyiségétől, és ennek megfelelően függ a kémiai evolúciótól és a bolygó légkörének összetételének változásától.

Az üvegházhatás és a Föld klímája

A Föld légkörének fő üvegházhatású gázai

Gáz	Képlet	Hozzájárulás (%)
vízpára	H2O _ _	36-72%
Szén-dioxid	CO2_ _	9-26%
Metán	CH 4	4-9%
Ózon	O 3	3-7%

Az üvegházhatás klímára gyakorolt hatásának mértékét tekintve a Föld a Vénusz és a Mars között köztes pozíciót foglal el: a Vénusz esetében a felszínközeli légkör hőmérsékletnövekedése ~13 - szor nagyobb, mint a Földé, a Mars esetében ~5-ször alacsonyabb; ezek a különbségek a bolygók légkörének eltérő sűrűségéből és összetételéből adódnak.

A napállandó , és ennek megfelelően a napsugárzás fluxusának invarianciájával az éves átlagos felszínközeli hőmérsékleteket és klímát a Föld hőmérséklete határozza meg. A hőmérleghez a Föld-légkör rendszerben a rövidhullámú sugárzás elnyelésének és a hosszúhullámú sugárzás kibocsátásának egyenlőségének feltételei teljesülnek. Az elnyelt rövidhullámú napsugárzás részarányát viszont a Föld teljes (felszíni és légköri) albedója határozza meg. A világűrbe jutó hosszúhullámú sugárzás áramlásának nagyságát jelentősen befolyásolja az üvegházhatás, ami viszont függ a föld légkörének és a légkör felhőtakarójának összetételétől és hőmérsékletétől [8] .

A fő üvegházhatású gázok a Föld hőháztartására gyakorolt becsült hatásuk sorrendjében a vízgőz , a szén-dioxid , a metán és az ózon [10]

A földi légkör üvegházhatásához főként a vízgőz vagy a troposzféra levegő páratartalma járul hozzá , más gázok hatása alacsony koncentrációjuk miatt jóval kevésbé jelentős. A Föld légkörének felhőtakarója is jelentősen hozzájárul [8] .

Ugyanakkor a vízgőz koncentrációja a troposzférában jelentősen függ a felszíni hőmérséklettől: az "üvegházhatású" gázok összkoncentrációjának növekedése a légkörben a páratartalom növekedéséhez és a vízgőz okozta üvegházhatáshoz kell, hogy vezet. ami viszont a felületi hőmérséklet növekedéséhez vezet.

A felszíni hőmérséklet csökkenésével a vízgőz koncentrációja csökken, ami az üvegházhatás csökkenéséhez vezet. Ugyanakkor a sarki régiókban a hőmérséklet csökkenésével hó-jégtakaró képződik, ami az albedó növekedéséhez, az üvegházhatás csökkenésével együtt az átlagos felszínközeli állapot további csökkenéséhez vezet. hőfok.

Így a Föld éghajlata átmehet a felmelegedés és a lehűlés szakaszába, a Föld-légkör rendszer albedójának változásától és az üvegházhatástól függően.

Az éghajlati ciklusok korrelálnak a légkör szén-dioxid -koncentrációjával : a középső és késő-pleisztocénben , a modern időket megelőzően a légkör szén-dioxid-koncentrációja csökkent a hosszú jégkorszakok során , és meredeken emelkedett a rövid interglaciális időszakokban .

Az elmúlt évtizedekben a légkör szén-dioxid-koncentrációja nőtt .

Lásd még

Jegyzetek

↑ Eliseev A. V., Mokhov I. I. GREENHOUSE EFFECT Archiválva : 2021. március 2. a Wayback Machine -nél // Great Russian Encyclopedia . 25. évfolyam, Moszkva, 2014, 368. o
↑ S. P. Khromov, L. I. Mamontova. Meteorológiai szótár. - 3. - L . : "Hydrometeoizdat", 1974. - S. 317, 330. - UDC 551.5 (03) .
↑ Joseph Fourier . Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires p.97-125 Mémoires de l'Académie royale des sciences de l'Institut de France, t. VII, p.570 a 604. Paris, Didot; 1827 // Gallica-Math: Œuvres complètes (a hivatkozás nem elérhető) . Letöltve: 2008. május 23. Az eredetiből archiválva : 2008. december 6.. (határozatlan)
↑ Az emberi tevékenység eredményeként keletkező hőt Joseph Fourier nem tekintette jelentős tényezőnek.
↑ Horace Bénédict de Saussure, Supplement au No. 108 du Journal de Paris , publikáció, 1784. április 17.
↑ Samuel P. Langley (és Frank W. Very) . The Temperature of the Moon, Memoir of the National Academy of Sciences, vol. iv. 9. mem. 193 oldal (1890)
↑ "A levegőben lévő szénsav hatásáról a talaj hőmérsékletére" archiválva : 2020. november 18., a Wayback Machine , Philosophical Magazine and Journal Science, 5. sorozat, 41. kötet, 237-276 .
↑ 1 2 3 4 Alekszandr Csernokulszkij. Az éghajlat, mint a felhők tükörképe // Tudomány és élet . - 2017. - 10. sz . - S. 70-77 . (Orosz)
↑ Három földi bolygó összehasonlító értékei a gőznyomás nélkül, a hőmérsékletek Kelvinben vannak megadva .
↑ : Kiehl, JT; Kevin E. Trenberth. A Föld éves globális átlagos energiaköltségvetése // Bulletin of the American Meteorological Society : folyóirat. - 1997. - február ( 78. évf. , 2. sz.). - P. 197-208 . — ISSN 0003-0007 . - doi : 10.1175/1520-0477(1997)078<0197:EAGMEB>2.0.CO;2 .

Irodalom

Ivascsenko OV Az éghajlatváltozás és az üvegházhatású gázok keringési ciklusainak változásai a légkör-litoszféra-hidroszféra rendszerben - a visszacsatolás jelentősen fokozhatja az üvegházhatást. . Letöltve: 2008. február 17. Az eredetiből archiválva : 2012. május 18.. (határozatlan)
Pavlov A.V., Gravis G.F. Permafrost and modern klíma . GEO.WEB.RU. Letöltve: 2008. február 17. Az eredetiből archiválva : 2012. február 5.. (határozatlan)
Az ember és az üvegházhatás . Letöltve: 2008. június 23. Az eredetiből archiválva : 2012. február 5.. (határozatlan)
O. G. Sorokhtin, akadémikus, Oceanológiai Intézet. P. P. Shirshov RAS. Az üvegházhatás adiabatikus elmélete . Letöltve: 2012. november 30. Az eredetiből archiválva : 2012. december 1.. (határozatlan)

Linkek

Földsugárzási költségvetési kísérlet (ERBE)
Egyesült Nemzetek Éghajlatváltozási Keretegyezménye – hivatalos weboldal Archivált 2004. október 9. a Wayback Machine -nél

Szótárak és enciklopédiák	Nagy katalán Nagy norvég Nagy orosz Britannica (online) Treccani
Bibliográfiai katalógusokban	BNF : 119830305 J9U : 987007540900105171 LCCN : sh85057237 NDL : 00576626 NKC : ph125585

Az éghajlat változása
Alapfogalmak	Klimatológia Paleoklimatológia A Föld hőegyensúlya Hőátadás A víz körforgása a természetben szoláris éghajlat Légköri keringés A légkör általános keringése passzátszél Monszun Gleccser Jégkorszak Glaciológia paleoglaciológia termikus magas Jégkorszak interglaciális tömeges kihalás globális tompítás Klímaváltozási Hatékonysági Index
A klímaváltozás mechanizmusai	A napsugárzás változásai A szén geokémiai körforgása Üvegházhatás Milankovitch ciklusok Kötvényciklusok Heinrich esemény Dansgaard-Eschger oszcillációk
Globális felmelegedés	erdőirtás Az éghajlatváltozás elleni fellépés Alkalmazkodás a globális klímaváltozáshoz El Niño Általános keringési modell Paleocén-eocén termikus maximum Az ózonlyuk Üvegházhatás Szén-dioxid Üvegházhatású gázok Az éghajlatváltozással foglalkozó kormányközi testület ENSZ Éghajlatváltozási Keretegyezmény Kiotói Jegyzőkönyv Párizsi Megállapodás (2015) Peak Olaj Megújuló energia hőmérsékleti trend tengerszint emelkedés óceán savasodása Koppenhágai konszenzus hősziget Dole hatás
globális lehűlés	Huron eljegesedés hógolyó föld Sturt eljegesedés Proterozoikum eljegesedés Duna eljegesedése Pokrovskoe eljegesedés Dnyeper eljegesedés utolsó előtti jégkorszak utolsó jégkorszak Az utolsó eljegesedés maximuma Antarktiszi hideg fordított
Klímaváltozások a késő pleisztocénben - holocén	Korai Dryas Boell felmelegedés Középső Dryas Allerød felmelegedés Fiatalabb Dryas preboreális időszak boreális időszak Mezocco hinta Atlanti időszak Szubboreális időszak Szárazság 5900 évvel ezelőtt , Piora inog , szárazság 4200 évvel ezelőtt Szubatlanti időszak : középső bronzkori lehűlés A vaskor lehűlése Római éghajlati optimum A kora középkor éghajlati pesszimuma Hűtés 535-536 °C Középkori klimatikus optimum Kis jégkorszak