Катастрофы в природе и обществе - Абрам Фет

Другая половина поступающего на Землю излучения – это невидимые длинноволновые лучи, так называемое инфракрасное или тепловое излучение. Мы можем ощутить такое излучение, приблизив руку к радиатору водяного отопления.

Земля, в свою очередь, излучает в космос, но только инфракрасные лучи, длиной от 3 до 30 микронов. Видимого света Земля не излучает: она "не светится". Поскольку температура Земли (на ее излучающей поверхности) меняется очень медленно, то, по законам термодинамики, Земля должна находиться в "термодинамическом равновесии" с окружающей средой, то есть излучает столько же энергии, сколько поглощает. Так как величина падающего на Землю излучения известна, то известно и ее собственное излучение, которое мы обозначим через W.

Энергия, излучаемая телом, конечно, зависит от его температуры. Например, горячая металлическая крышка плиты излучает тем больше, чем сильнее она нагрета. Оказывается, существует важный класс тел, излучение которых вполне определенным образцом зависит от их температуры: это так называемые "абсолютно черные тела". Абсолютно черным называется тело, поглощающее все падающее на него излучение. Термин этот объясняется тем, что тела, окрашенные в черный цвет, поглощают большую часть падающего излучения. Зеркала, напротив, почти не поглощают излучения, а отражают его. Звезды и планеты, как доказано в астрофизике, с большой точностью можно считать абсолютно черными телами. Конечно, они светятся "отраженным светом", вследствие чего Луну и Землю можно видеть из космоса, но доля отраженного излучения очень мала. Для вычисления баланса энергии Землю можно считать, с большой точностью, абсолютно черным телом. Как уже было сказано, при постоянной температуре Земля излучает столько же энергии, сколько поглощает – хотя и в другом спектре излучения, только инфракрасном.

Оказывается, для любого абсолютно черного тела полная мощность его излучения W определяется температурой T его излучающей поверхности. Температура T измеряется в термодинамике по шкале Кельвина, в которой величина градуса та же, что в шкале Цельсия, но началом отсчета служит "абсолютный нуль" – наименьшая возможная в природе температура, равная -273° Цельсия. Тогда при абсолютном нуле температура Кельвина T = 0, в точке таяния льда T = 274°, в точке кипения воды T = 373°. Средняя температура земной поверхности составляет в наше время около +20°, то есть, по Кельвину, T = 300°. Для любого абсолютно черного тела полная мощность его излучения W связана с температурой его излучающей поверхности T законом Стефана – Больцмана:

W = CT4,

где C – "мировая постоянная", одна и та же для всех таких тел, значение которой нас здесь не интересует.

Этот закон, установленный опытами Стефана, был затем выведен Больцманом из основных принципов термодинамики и является одним из самых важных законов природы. Он постоянно применяется в астрофизике, и нет никаких сомнений в его применимости к Земле. (Напомним, что имеется в виду Земля без атмосферы, а не бо'льшая система, состоящая из Земли вместе с ее атмосферой). Поясним на примере, какие выводы следуют из закона Стефана – Больцмана в применении к Земле. Предположим, что Земля перешла в другое состояние, с температурой поверхности T' = T + ΔT; спрашивается, как изменится мощность ее излучения W? Или, обратно, пусть известно, насколько изменилось излучение W ; спрашивается, как изменится температура? На эти вопросы можно дать однозначный и совершенно бесспорный ответ. При температуре T' излучаемая мощность W' равна

W' = CT'4,

с тем же универсальным множителем C. Деля это соотношение на предыдущее, получаем

или, полагая T' = T + ΔT, W' = W + ΔW,

Если изменение температуры ?T мало по сравнению с T, то можно, вычислив степень справа, отбросить высшие степени малой величины ΔT/T ; тогда имеем

или

Пусть теперь известно, что излучение Земли – по любым причинам – изменилось на 1%, то есть ΔW/W = 0,01. Насколько изменится температура земной поверхности T?. Из предыдущей формулы =0,0025, и полагая T = 300°, имеем ΔT = 0,75°, так что температура Земли изменится примерно на один градус.

Парниковые газы. Инфракрасное излучение Земли уходит в космос через атмосферу. Молекулы газов, составляющих атмосферу, могут рассеивать это излучение, в конечном счете возвращая часть его обратно на Землю. Примечательным образом, главные составляющие земной атмосферы – двухатомные молекулы азота N2, кислорода O2 и одноатомные молекулы аргона Ar – не ответственны за этот процесс. Это весьма малые молекулы, по сравнению с длиной волны инфракрасного излучения, а столь малые молекулы почти не задерживают длинноволнового излучения. Если бы атмосфера состояла только из этих главных газов, то она свободно пропускала бы излучение Земли. Препятствие для этого излучения составляют большие молекулы таких газов, как углекислый газ CO2, метан CH4 и некоторые другие, о которых еще будет речь. Несмотря на небольшое содержание этих газов в атмосфере, они перехватывают (вместе с облаками) почти 90% длинноволнового излучения Земли и отсылают обратно на Землю значительную его часть. В конечном счете, после повторного отражения газовыми молекулами, большая часть излучения Земли прорывается в космос. Но все же определенная часть его задерживается "парниковыми газами", и поскольку оптические свойства всех газов известны, то можно вычислить, какую часть излучения не выпускают в космос эти газы.

Если эта часть излучения возрастает на ΔW, вследствие промышленного выброса "парниковых газов", то это добавочное излучение возвращается на Землю. Тогда полное излучение, падающее на Землю, увеличивается на ΔW, а следовательно, по закону сохранения энергии, на столько же возрастает излучение Земли. Но тогда возрастает и температура земной поверхности, и ее приращение ΔT можно вычислить по закону Стефана – Больцмана, как мы видели выше. Таким образом, если известно, как изменился состав атмосферы, то строгие методы физики позволяют вычислить вызванное этим изменение температуры.

"Парниковый эффект" – вовсе не новое явление, связанное с технической деятельностью человека; это явление существовало всегда. Можно подсчитать, что если бы вообще не было парниковых газов, то средняя температура Земли была бы не +20° C, как сейчас, а –18° C и скорее всего, при такой температуре не могла бы возникнуть жизнь. Таким образом, сам по себе "парниковый эффект" благотворен; опасно его быстрое нарастание, наблюдаемое с 1750го года – с начала "технической революции".

Важнейшим из "парниковых газов" является углекислый газ CO2, который один ответственен за 60% "парникового эффекта". Содержание CO2 в атмосфере тщательно изучено исследованием воздуха, извлеченного из глубинных слоев антарктического льда. Оказалось, что с конца последнего ледникового периода (около 10000 лет назад) до 1750-го года это содержание было почти неизменно, а после этого возрастало по отчетливому экспоненциальному закону, как это видно из рисунка 7. В начале технической революции концентрация CO2 составляла, по объему, 280 миллионных атмосферного воздуха, а теперь – 360 миллионных, то есть выросла на 30%. Тот же закон подтверждается современными измерениями, выполненными на десятках независимых обсерваторий. Например, на рисунке 8 изображен рост концентрации CO2 в течение последних десятилетий, по данным обсерватории Мауна-Лоа на Гавайских островах. Поскольку на этих островах нет никакой промышленности, эти данные должны быть близки к средним величинам, образующимся путем перемешивания во всей атмосфере Земли

Рис.7

Изменение концентрации CO2 в атмосфере начиная примерно с 1750 года по данным анализа глубинного льда ледника Siple в западной Антарктиде.

Рис.8

Рост атмосферного CO2 с 1959 по 1999 годы, по измерениям на различных станциях: 1=Лоу Доум, Антарктика; 2=Мауна Лоа, Гавайи; 3=Барроу, Аляска; данные станции Лоу Доум представляют концентрации CO2 в воздушных пузырьках ледяной коры; данные двух других станций представляют среднегодовые концентрации CO2 в воздухе близ поверхности Земли, согласно инструментальным измерениям (по Etheridge et al., 1998; Keeling and Worf, 2004). Рисунок заимствован у С.М. Семенова, 2004.

(пилообразные колебания, видные на этом рисунке, соответствуют сезонным циклам растительности в северном полушарии; такие колебания незаметны в кумулятивных данных рисунка 7). Отчетливый экспоненциальный рост содержания CO2, вытекающий из рисунка 8, полностью подтверждается данными всех других обсерваторий, собранными в отчете Всемирного центра данных о парниковых газах [5]. Результат всех этих измерений никем не оспаривается: содержание CO2 ежегодно увеличивается на 0,4%, то есть в 1,004 раза. При этой геометрической прогрессии оно достигнет в 2100-ом году 500 миллионных объема воздуха, то есть станет вдвое больше доиндустриального уровня.