1.6.7. Парниковый эффект
Каждое материальное тело, температура которого выше температуры окружающей среды, как известно, испускает электромагнитное излучение. Чем выше температура тела, тем больше энергия и короче длина волны этого излучения. Поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К, и максимальное количество энергии солнечного излучения приходится на длины волн в интервале от 340 до 4000 им. Для абсолютно черного тела при температурах, характерных для земной поверхности, максимальное количество энергии выделяется с излучением, имеющим длину волны около 10000 нм. Таким образом, Земля поглощает солнечное излучение (преимущественно в видимом диапазоне) и испускает тепло в инфракрасном диапазоне. Поскольку средняя глобальная температура на протяжении последних 10-15 тыс. лет оставалась практически постоянной, можно утверждать, что на планете наблюдался тепловой баланс. Оценка средней температуры Земли, выполненная на основании этого баланса, при условии отсутствия атмосферы вокруг планеты (см. Пример 1.32) дает значение, отличающееся от реально наблюдаемого более чем на 35 градусов. В случае отсутствия атмосферы температура на планете была бы более чем на 20 градусов ниже 0°С. Однако, являясь смесью газов, атмосфера Земли не излучает в непрерывном диапазоне волн, как абсолютно черное тело. Компоненты атмосферы, молекулы которых содержат 3 и более атомов в своем составе, — такие, как вода, диоксид углерода и многие другие, интенсивно поглощают излучение в инфракрасном диапазоне, на которое приходится максимальное количество энергии, излучаемой Землей.
Водяной пар интенсивно поглощает излучение в диапазоне длин волн 5-7 мкм и более 14 мкм, диоксид углерода — в диапазоне длин волн 4-5 мкм и более 12 мкм. Область длин волн 8-11 мкм не поглощается этими компонентами и является практически прозрачной для излучения Земли. Эту область длин волн называют «окном прозрачности» атмосферы, образно сравнивая его с открытой форточкой, через которую беспрепятственно осуществляется отвод тепловой энергии в окружающее пространство.
Увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере, особенно интенсивное в последние 200 лет, приводит к росту эффективности поглощения инфракрасного излучения. В результате этого температура Земли может возрастать. К повышению температуры может привести и увеличение концентрации в тропосфере таких газов, как 03,CH4,N20,N02,S02, фреонов. Эти газы, способные улавливать инфракрасное излучение и частично перекрывать «окна прозрачности» атмосферы, как и диоксид углерода, называют парниковыми газами.
I Необходимо отметить, что увеличение концентрации аэрозолей в атмосфере и рост альбедо земной поверхности приводят к обратному эффекту — уменьшению температуры в приземном слое. Это явление связано с усилением отражающей способности атмосферы и земной поверхности. Такое возможное резкре снижение температуры, связанное с увеличением запыленности атмосферы при столкновении с астероидом, рассматривается как одна из наиболее вероятных причин гибели динозавров. На климатические последствия, которые могут привести к гибели всего живого, — «ядерную ночь» и следующую за ней «ядерную зиму» — указывают и результаты оцен ки возможных военных действий с применением ядерного оружия, которые были впервые проведены советскими учеными во главе с Н. Н. Моисеевым. Мелкодисперсные, устойчивые в атмосфере аэрозоли, образующиеся при наземных ядерных взрывах, на длительный промежуток времени могут снизить количество энергии, поступающей на планету, и понизить температуру в приземном слое.