Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли, страница 2

Итак, 1. 1. Салнечнае излучение н атмосфера Земли габщие сведения) Треть приходящей к Земле энергии солнечного излучения отразкается от атмосферы и земной поверхности, а оставшиеся две трети поглощаютсн Землей и ее атмосферой. Это поистине гигантская энергия, равная 2Е,/3 = 1,17 10п Дж/с. Для сравнения заметим, что энергия, выделившаяся при взрыве атомной бомбы на атолле Бикини в 1946 г., составляла примерно 1О" Дж. Как видим, энергия световых лучей, поглощаемая нашей планетой каждую секунду, оказывается в 100 000 раз больше всей эиергии, выделившейся при ядерном взрыве! Примерно 0,01 % от энергии 2Е,/3 ежесекундно поглощается живой биомассой; она расходуется на все процессы, происходящие в живых организмах.

Из остальных 99,9% энергии около 0,85 1О" Дж поглощаются ежесекундно в гидросферс и литосфере Зелыи и 0,3 !Оп Дж— в земной атмосфере. Воздушные массы атмосферы все время находятся в движении. На кинетическую энергию их движения ежесекундно расходуется примерно 1О" Дж энергии.

Таким образом, атмосферу можно рассматривать как гигантскую тепловую машину с коэффициентом полезного действия, приблизительно равным 10" = 3% 0,3 10" Обратим внимание: перемещения воздушных масс в атмосфере являются по своему характеру циркуляционными — оии представляют собой замкнутые или почти замкнутые воздушные потоки, имеющие размеры от метров до тысяч километров. Существование циркуляций воздушных масс объясняется условием стациоиариости их движения. В противном случае масса воздуха в одной области пространства возрастала бы за счет уменьшения массы воздуха в другой области. Фактически всякое наблюдаемое движеиие воздуха в атмосфере — это некая циркуляция воздушных масс или же часть (элемент) какой-то достаточно крупной циркуляции.

Как распределена энергия солнечного излучения по длинам волн? Иными словами, как выглядит спектр Солнца? Ответ на этот вопрос дает рис. 1.1. Здесь штриховкой выделена область спектра, в пределах которой солиечиое излучение поглощается атмосферным озоном. На интервал длин волн между 0,1 и 4 мкм приходится 99 % всей энергии солнечного излучения.

При этом 46 % приходится иа видимые лучи, 47 % иа инфракрасные, 1% иа ультрафиолетовые. Максимум интенсивности излучения реализуется вблизи 0,47 мкм (зелеио-голубые лучи). 10 Глава 1. 11ирауллиив воэдушных масс в атмосфере е 30 сь25 $20 в!5 л 0 1О Л 5 Ультрафиолетовые Инфраирасные Видимые лучи лучи лучи Рис. 1.1 Рарнмковый эффект Часть приходящего к Земле солнечного излучения поглощается атмосферой и земной поверхностью. Поглощая излучение, тела нагреваются, а остывая, испускают собственное излучение, т. е. сами становятся источниками излучения. Излучение, которое испускают атмосфера и земная поверхность, почти полностью попадает в интервал длин волн между 4 и 100 мкм.

Обратим внимание: на этот интервал приходится менее 1% икгенсивности солнечного излучения, но практически 100 % интенсивности излучения Земли и ее атмосферы! Солнечное излучение в интервале длин волн от 0,32 до 4 мкм относительно легко (с небольшими потерями на поглощение) проходит сквозь земную атмосферу и достигает поверхности Земли. А вот излучение с длинами волн в интервале от 4 до 100 мкм испытывает заметное поглощение в атмосфере. Для солнечного излучения этот факт значения не имеет, поскольку в спектре Солнца указанному диапазону соответствует менее 1% интенсивности.

Зато это весьма важно для излучения испускаемого земной поверхностью. Проходя через атмосферу, инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью, в значительной степени поглощается молекулами водяного пара (Н 0), углекислого газа (СО ), метана 1 1 Солнечное изечение и антмосфера Земли (общие сведения) 11 (СН4), озона (0,) и некоторых других газов.

Заметим, что азот (Х,) и кислород (О, и 0) для этого излучения прозрачны. Поглощенная энергия подогревает атмосферу, и в результате возникает излучение, распространяющееся обратно к поверхности Земли; его называют противоизлучением атмосферы. Происходит подогрев земной поверхности в данном случае уже не излучением Солнца, а излучением атмосферы. Атмосфера уподобляется своеобразному одеялу, накрывающему земную поверхность и тем самым препятствующему ее охлаждению. Это напоминает парник. Поэтому и возник термин «парниковый эффект», Газы, поглощающие излучение земной поверхности и испускающие противоизлучение, получили название парниковых газов. Суть парникового эффекта такова: испускаемое земной поверхностью излучение не уходит полностью в космос, а частично поглощается парниковыми газами, которые, в свою очередь, становятся источником излучения, возвращающегося обратно к поверхности Земли.

Атмосф ротиаоизятчание атмосферы Собственное из»знание поверхности Земная поверхность Рис. 1.2 Схема парникового эффекта дана на рис. 1.2. Для лучшего понимания происходящих процессов атмосфера условно изображена на рисунке как бы приподнятой над поверхностью Земли. Через 1н 1п 1 здесь обозначены интенсивности (плотности потока), соответственно, собственного излучения земной поверхности, противоизлучения ат- 12 Глава Л цириуллцив ваздутаил масс в атмосфере мое(веры, излучения, избежавшего поглощения в атмосфере и «прорвавшегосяв в космос (его называют эффективным излучением). Доля эффективного излучения (величина са = )а/2,) будет тем меньше, чем выше концентрация парниковых газов.

С уменьшением а увеличивается интенсивность противоизлучения /„ поскольку (1.2) 2 ! 0 1( А это, в свою очередь, должно приводить к повышению температуры земной поверхности вследствие ее подогрева за счет поглощения энергии противоизлучения. В настоящее время среднеглобальная и среднесезонная температура земной поверхности равна +15 'С (288 К). Расчеты показывают, что если бы не было парникового эффекта, то средняя температура земной поверхности была бы на 33' ниже, т. е. равнялась бы †18 'С (255 К). Для существования жизни на Земле наличие парникового эффекта является, таким образом, счастливым обстоятельством.

Без него земная поверхность была бы сильно переохлаждена, ее средняя температура была; бы на двадцать градусов ниже точки замерзания воды. Вряд ли оказалось бы возможным развитие растительного мира на суше. Однако было бы весьма опасным также и перегревание земной поверхности в том случае, если бы парниковый эффект существенно усилился. Примером последствий такого перегрева служит Венера. Ее атмосфера практически целиком состоит из углекислого газа (а он является парниковым газом) и, к тому же, отличается весьма высокой плотностью (давление у поверхности достигает 90 атм).

Вследствие наличия на Венере мошного парникового эффекта температура ее поверхности достигает 460 'С. В наше время все чаще высказывается тревога по поводу возможного перегревания земной поверхности из-за усиления парникового эффекта, которое может произойти вследствие увеличения концентрации в атмосфере техногенных парниковых газов. Основным парниковым газом является водяной пар, а следуюшими по значимости идут углекислый газ и метан.

Обусловленное производственной деятельностью людей увеличение в атмосфере углекислого газа (и ряда других газов) действительно чревато заметным возрастанием температуры земной поверхности и, как следствие, настояшей глобальной катастрофой — повышением уровня Мирового океана. П Д Солнечное излучение и атмосфера Земли (общие сведения) За последние двести лет концентрация углекислого газа в воздухе возросла на 25%, а метана на 60% По данным долголетних наблюдений выявлена тенденция — потепление климата на 0,55 С за 100 лет.

Это повышение температуры согласуется с теоретическими моделями, построенными на основе учета усиления парникового эффекта в результате возрастания концентрации в атмосфере техногенных парниковых газов. Радиационное равновесие Зевали Ранее мы выяснили, какая поистине гигантская энергия ежесекундно поглошается Землей. Около трех миллиардов лет назад начался и продолжается поныне так называемый океана-континентальный этап геологической истории нашей планеты. Из его названия ясно, что все это время на Земле уже сушествовала гидросфера и, значит, температура земной поверхности заведомо была ниже точки кипения воды.

И в продолжение всех этих миллиардов лет планета ежесекундно получала от Солнца и получает поныне энергию порядка 1О" Дж Почему же, поглошая солнечную радиацию так долго и в таких огромных количествах, наша планета продолжает стабильно существовать? Ответ очевиден: приток энергии солнечного излучения к Земле уравновешивается укодящеи в космос энергией излучения самой Земли. Иными словами, Земля пребывает в состоянии радиационного равновесия: поглошаемая Землей интенсивность излучения Солнца (обозначим ее через )е„,т) равна интенсивности излучения, испускаемого Землей в космос (обозначим эту интенсивность через Игт„): (1. 3) Рассмотрим более конкретно условие радиационного равновесия (1.3).

Для простоты будем сначала полагать, что парниковый эффект отсутствует. Это предполагает отсутствие в атмосфере небольшой добавки (менее 1%), которой являются парниковые газы. Правда, озоновую добавку исключать не будем, учитывая ее принципиальную важность для подогрева стратосферы и весьма малый вклад в парниковый эффект. В отсутствие парникового эффекта радиационная картина (картина потоков излучений) выглядит так, как это показано схематически на рис. !.3, а.