Парниковые газы и глобальное потепление

Физика > Парниковые газы и глобальное потепление

Парниковые газы увеличивают земную температуру, впитывая излучение.

Задача обучения

• Разобраться во влиянии парниковых газов на равновесную земную температуру.

Основные пункты

• Атмосфера способна впитывать и отражать лучи, увеличивая или уменьшая средний температурный показатель планеты.
• Все тела выпускают лучи. Более теплые создают больше фотонов с более высокими средними энергиями.
• При впитывании солнечного света и выпускании инфракрасных лучей, планета осуществляет энтропию.

Термины

• Черное тело – идеальный объект с точки зрения поглощения и выработки лучей.
• Радиальный перенос – передача энергии из одного объекта в другой.
• Парниковый газ – любой газ, способствующий парниковому эффекту.
• Парниковый эффект – процесс, из-за которого планета нагревается.
• Избирательный поглотитель – тело, поглощающее лучи определенных волн.

Излучение – естественный процесс обмена тепла. Если система пребывает в равновесии, то мы не отслеживаем этот обмен, потому что каждый объект при излучении и поглощении старается поддержать этот баланс. Чем выше температурный показатель объекта, тем быстрее он излучает фотоны.

Если мы будем воспринимать планету Земля как идеальный источник поглощения и излучения, то ее температура должна быть не 14°C, а 5°C. Дополнительный нагрев поступает от самой планеты, а атмосфера поглощает определенные длины волн, отбивая другие. Расхождение в 9°C вызвано парниковым эффектом.

Газы атмосферы выступают селективными поглотителями. Энергия в видимой части электромагнитного спектра проходит через атмосферу на земной поверхности. Планета впитывает энергии и выпускает в виде инфракрасных лучей. Газы особенно сильно поглощаются в этой части и не позволяют ей выйти в пространство. Поэтому парниковый эффект отображает цикл из поглощения и энергетической эмиссии между планетой и атмосферой. Это приводит к нагреву.

Радиационный перенос

Парниковый эффект выступает явлением радиационного переноса. Это процесс обмена энергией световых волн в веществе. Именно он указывает, какая энергия поглотится, отразится или будет излучаться.

Атмосферные поглотители

Свойства передачи тепла и химических веществ зависят от энергии излучения, и они уникальны для каждого химического элемента. Если мы говорим о глобальном потеплении, то можно заметить, что химические вещества и частички отбивают солнечный свет и впитывают излучаемую планетой энергию. Такие отражатели, особенно нитраты и сульфаты, отбивают свет еще до того, как он попадет на поверхность.

Парниковые газы, вроде метана (СН4), углекислого газа (СО2) и закись азота (N2O), характеризуются сильной способностью к поглощению планетарной энергии. Они улавливают тепло до того, как оно успело покинуть Землю, из-за чего температура растет.

Энтропия и солнечное излучение

Согласно второму закону термодинамики, для создания источников энергии должны присутствовать энтропия. В планетарном масштабе это проявляется как поглощение и повторная отдача лучей. То есть, наша планета отдает ту же энергию, что и получает. С ростом температуры энтропия уменьшается (S∝1/T). Земля прохладнее звезды и получает ее тепло, поэтому осуществляется чистое создание энтропии. Благодаря этому можем повторно использовать энергию. Это касается и химической (фотосинтез).

---