Атмосферный парниковый эффект: неожиданная сложность, которая, кажется, полна парадоксов
Понимание механизма парникового эффекта требует рассмотрения нескольких видов очевидных парадоксов, которые возникают по мере того, как мы вникаем в сложность процессов. В этой статье мы попытаемся представить два из них, каждый из которых связан с разным уровнем образования.
Научное сообщество в этом вопросе единодушно. Текущее глобальное потепление в основном вызвано увеличением выбросов парниковых газов (ПГ). В частности, диоксид углерода (CO2), метан (CH4) и закись азота (N2O). Для удобства это нарушение климатической системы часто суммируется как единственный эффект избытка CO2.
Чтобы понять, как увеличение концентрации некоторых второстепенных газов в атмосфере может вызвать серьезные изменения климата, мы должны, в частности, посмотреть, как работает парниковый эффект. Однако, если последнее хорошо изучено с научной точки зрения, это остается сложным явлением. Кроме того, сообщение, предназначенное для широкой публики - или для публики, незнакомой с понятиями физической климатологии - обязательно очень упрощено.
Слишком упрощенная концептуальная модель
Самое простое объяснение, которое можно было бы назвать чрезмерным упрощением, предполагает, что чем больше увеличивается содержание CO2, тем больше воздух поглощает инфракрасное (ИК) излучение, испускаемое поверхностью. Таким образом, атмосфера будет нагреваться за счет увеличения ее средней поглощающей способности. Однако CO2 уже поглощает почти всю радиацию, которую может поглотить. Другими словами, его емкость почти достигла насыщения и поэтому вряд ли может увеличиваться. Рисунок ниже хорошо это иллюстрирует.
С этим объяснением напрашивается вывод, что в конечном счете сам парниковый эффект насыщен. На практике это все равно, что сделать и без того непрозрачное инфракрасное стекло оранжереи еще толще. Влияние на входящие и исходящие потоки энергии было бы незначительным. Некоторые климатически-скептические аргументы настаивают на том, что увеличение концентраций ПГ не может существенно изменить климат.
Однако объяснение, которое мы находим на более продвинутом уровне образования, учитывает фундаментальное свойство, которое упускалось из виду в предыдущем рассуждении: в атмосфере температура понижается с высотой. Поскольку инфракрасное излучение, излучаемое поверхностью, полностью поглощается, оно никогда не достигает космоса. Таким образом, климатическая система рассеивает тепло за счет излучения инфракрасного излучения на высоте - в среднем около 5 километров. На этом уровне плотность фактически становится достаточно низкой для выхода ИК-излучения.
На пути к более реалистичному представлению парникового эффекта
С этой точки зрения, способность CO2 нагревать климатическую систему зависит от ее способности изменять среднюю высоту, на которой ИК-излучение выходит из атмосферы. При увеличении концентрации ПГ высота излучения увеличивается с увеличением количества этих молекул: чтобы найти ту же самую концентрацию, нужно подниматься все выше и выше.
В предыдущей модели с одинарным непрозрачным стеклом вертикальный градиент неявно предполагался равным нулю. Другими словами, увеличение высоты выброса ничего не изменило, потому что температура осталась прежней. И наоборот , при наличии отрицательного вертикального градиента любое увеличение высоты выброса вызовет уменьшение исходящего потока энергии. Диаграмма ниже наглядно иллюстрирует этот эффект.
На этот раз излучение будет происходить при более низкой температуре. Таким образом, исходящий инфракрасный поток будет меньше входящего солнечного потока. Радиационный дисбаланс, ответственный за накопление энергии и, следовательно, за потепление климатической системы. В последнем будет наблюдаться повышение температуры до тех пор, пока он не достигнет нового равновесия с выходящим потоком, снова равным входящему потоку. Новая высота выброса достигла температуры предыдущей высоты выброса.
Таким образом, мы можем понять, как CO2 может согреть климат, несмотря на почти полную поглощающую способность. Чтобы лучше представить вещи, приведем аналогию. Представьте себе резервуар для воды, который постоянно подается из-под крана и опорожняется пробкой. Уровень воды (обозначающий тепло) может увеличиться, если кран открыть более широко или если пробка частично заблокирована. Здесь важен последний эффект (уменьшение исходящего потока).
Исключительный парадокс?
Окончательный уровень рассуждений подчеркивает слабость предыдущей модели. В частности, наблюдения и моделирование показывают, что при глобальном потеплении, вызванном парниковыми газами, уходящее излучение увеличивается слишком быстро, чтобы объяснить накопление тепла в климатической системе. На самом деле, похоже, что большая часть этого накопления обусловлена в большей степени увеличением солнечной энергии, поглощаемой Землей. Другими словами, уменьшение количества, отраженного нашей планетой. Как мы можем понять этот новый очевидный парадокс?
Этот довольно сложный вопрос был подробно рассмотрен в исследовании 2014 года, в журнале Proceedings of the National Academy of Science. На основе численного моделирования и спутниковых измерений авторы показывают, что воздействие ПГ фактически приводит к снижению исходящего излучения. Этот процесс инициирует потепление климата. Однако после одного-двух десятилетий исходящий поток уже вырос выше своего начального значения. То есть земля, по-видимому, излучает больше энергии, чем поглощает ее, и поэтому должна остыть. В таком случае, почему потепление продолжается?
Как это ни парадоксально, но оказывается, что накопление тепла поддерживается за счет обратной связи, вызванной начальным повышением температуры. В частности, уменьшение площадей, покрытых льдом, и увеличение количества водяного пара в воздухе увеличивает поглощение солнечного излучения (видимого и инфракрасного). Следовательно, чтобы уравновесить увеличение притока, отток должен превышать его первоначальное значение. В заключение, Земля не теряет больше энергии, чем получает. Рисунок выше дает лучшее представление о только что объясненном механизме. Прекрасная иллюстрация сложности естественного мира и физических наук, которые стремятся его описать!