Начать блог на снобе
Все новости
Редакционный материал

Почему лето становится жарче

Авторы книги «Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий» (выходит в издательстве «Альпина нон-фикшн») — физик-теоретик Андрей Варламов, физик-экспериментатор Аттилио Ригамонти и физик-теоретик Жак Виллен — рассказывают о физических явлениях, с которыми мы сталкиваемся каждый день: о выработке электрической энергии, распространении звука, возникновении трения и многом другом. «Сноб» публикует одну из глав
13 августа 2020 12:35

Пять циклов ледниковых и межледниковых периодов сменили друг друга на протяжении последних 450 000 лет. Эти циклы тесно связаны с орбитальными параметрами Земли; интервал между двумя периодами таяния льдов составляет приблизительно 100 000 лет.

С течением времени на Земле установился климат, благоприятствующий для зарождения и дальнейшего существования жизни. Это заслуга и согревающего ее своими лучами Cолнца, и естественного парникового эффекта, и сложного динамического равновесия между океанами и атмосферой. В этой главе мы рассмотрим основные физические механизмы поддержания на земной поверхности температур, комфортных для человеческого организма. Однако производственная деятельность человека приобрела такие масштабы, что она уже не проходит бесследно для природы…

Какая погода устанавливается в той или иной точке Земли, определяется главным образом протеканием разнообразных физических явлений, хотя на ее формирование оказывают свое действие также химические и биологические процессы. Для предсказания погоды на ближайшие дни метеорологи применяют соответствующие законы физики. И, как нам хорошо известно, порой они ошибаются! Как же так, ведь они располагают уравнениями, которые, казалось бы, должны позволять предсказывать будущее, если хорошо известно «настоящее»? Дело, оказывается, в том, что «настоящее» никогда не известно в полном объеме, и сложнейшие уравнения, описывающие состояние атмосферы, решаются только приблизительно, с большей или меньшей точностью. При этом они оказываются крайне чувствительными к малейшей ошибке в начальных данных. Часто говорят (преувеличивая), что один взмах крыла чайки, изменяя совсем чуть-чуть состояние атмосферы, может повлечь радикальное изменение погодных условий и, например, стать косвенной причиной бури на другом краю света… Такая крайняя чувствительность к погрешностям в измерении начальных условий в метеорологии называется детерминистическим хаосом.

Спектры излучения (вверху) и поглощения (внизу) паров ртути, полученные путем пропускания излучаемого ими света через призму. Как и каждая из порождающих радугу капель воды, призма преломляет падающее на нее излучение. Показа- тель преломления света зависит от длины его волны. Спектр излучения, испускаемого возбужденным (например, нагретым) одноатомным газом, состоит из дискретного набора линий (линейный спектр). Изучая его, ученые судят о химической природе конкретного вещества.

Задача климатолога в некотором смысле кажется более простой, чем задача метеоролога. Если климатолог делает прогнозы, то они должны быть применимы для довольно обширных регионов и в течение длительных периодов времени. Так, в климатологии делаются прогнозы климата, который установится и через 50, и через 100 лет. Выходит, на климат детерминистический хаос не оказывает влияния? Едва ли. Однако не хаос является главным противником климатолога — прежде всего он должен учитывать сложные, разнообразные и взаимозависимые физические явления, формирующие климат. Эти явления происходят в различных — вплоть до космических — масштабах, в очень разных временны интервалах (они могут длиться дни, месяцы, века, тысячелетия). Те или иные существенные для формирования климата процессы могут протекать на любых высотах атмосферы, на любой глубине морей и т. д.

Радиационный баланс Земли

В климатологии температура оказывается наиболее просто прогнозируемой физической величиной. Температура Земли зависит в первую очередь от тепла, которое она получает от Солнца и которое приводит в движение все механизмы формирования климата. Это тепло до нас доходит в виде электромагнитного излучения, частóты которого в основном находятся в видимой области спектра. Часть этого тепла Земля, излучая, в свою очередь, электромагнитные волны, возвращает обратно в космическое пространство. Однако ввиду того, что температура Земли гораздо ниже температуры Солнца, частóты излучаемых ею электромагнитных волн оказываются гораздо меньшими. Это — инфракрасное — излучение человек без специальных приборов не видит, и жить оно ему никак не мешает.

Поскольку электромагнитное излучение играет важную роль в нашем рассказе, то, прежде чем углубиться в исследования климата, давайте обсудим его свойства.

Физик Николя Леонар Сади Карно (1796–1832) в форме Политехнической школы. Из семьи Карно вышло много известных людей: Лазар Карно (1753–1823) — военный министр времен Первой Республики, математик; его внук, Мари-Франсуа Сади Карно — президент Франции в 1887–1894 годах; брат последнего — химик Мари-Адольф Карно (1839–1920), в честь которого назван минерал карнотит.

От спектров атомов до спектра абсолютно черного тела

Все нагретые тела излучают электромагнитные волны. Излучение, испускаемое каким-то телом с заданной температурой, характеризуется своим спектром, то есть зависимостью мощности излучения, приходящейся на единичный интервал длин волн (или частот), как функцией величины длины волны (или частоты = c / ). Простой способ визуализировать спектр испускаемого телом света состоит в том, чтобы поставить на его пути призму и спроецировать полученное изображение на экран; при этом белый свет разделится на различные цвета, его составляющие.

Спектр излучения того или иного тела зависит от его химической природы, температуры и агрегатного состояния: газ ли это, жидкость либо твердое тело.

Атомарный газ (например, пары ртути) при низком давлении испускает излучение определенных частот, его спектр состоит из четких линий. Этот факт выражает собой фундаментальное свойство атомов: порции энергии, которые атомы могут излучать или поглощать, дискретны (объяснение ему дает квантовая механика. Каждая линия спектра излучения соответствует переходу атома из состояния с энергией E1 в другое состояние, с более низкой энергией E2. Такой переход сопровождается испусканием излучения частоты = (E1 – E2) / h, где h = 6,610–34 Джc — постоянная Планка. Единичный акт такого излучения соответствует испусканию «кванта света», или фотона. Напротив, если атом помещается в поле монохроматического излучения частоты, то он способен его поглотить только при условии, что в его спектре существует два энергетических состояния, такие, что для них E1 – E2 = h. Следовательно, атом поглощает только такое излучение, которое способен излучать. Таким образом, спектр поглощения нагретого газа очень походит на спектр его излучения: ярким линиям излучения в последнем соответствуют темные линии в спектре поглощения. 

Вышесказанное верно для газа, образованного атомами. А что можно сказать о свойствах молекулярных газов, таких как образующие земную атмосферу кислород (O2) и азот (N2)? Оказывается, что здесь ситуация принципиально схожа с описанной выше: молекулярные газы поглощают или излучают свет только определенных частот. Однако в определенных интервалах частот разрешенные энергетические состояния молекул оказываются весьма близкими друг к другу, так что форма спектра излучения молекулярного газа, как мы увидим далее, может весьма существенно отличаться от формы спектра газа атомарного.

Издательство: Альпина нон-фикшн

А что делается в твердых телах и жидкостях? Оказывается, что и их спектры имеют «запрещенные» диапазоны частот, в которых тела не поглощают и не испускают свет. Зато для остальных частот спектр излучения (и спектр поглощения) непрерывен, с чередованием максимумов и минимумов интенсивности, образующим сложную кривую.

Физики XIX века, в частности в Германии, расходились во мнениях по поводу всего этого разнообразия. Им хотелось бы иметь излучатель света с простыми свойствами — например, тело, которое поглощало бы все излучение, которое на него падает! Понятие такого идеального объекта, «абсолютно черного тела», в физику ввел немецкий ученый Густав Кирхгоф (1824–1887). Название соответствовало сущности: действительно, если предмет поглощает излучение во всей видимой области, то он кажется черным. Ниже мы увидим, что Солнце, подобные ему звезды и в некоторой степени планеты могут рассматриваться как абсолютно черные тела.

Температура Земли

Мы уже знаем, что Земля получает энергию, исходящую от Солнца, и что она теряет часть этой энергии (почти всю), излучая ее в космос после «использования». Последнее особенно важно, так как именно солнечная энергия поддерживает жизнь на Земле. Минимальное такое «использование», происходящее на всех планетах, — это не дать им остыть. Солнечное излучение поддерживает более или менее постоянной температуру поверхности планет, которая без него неумолимо уменьшалась бы. Мощность электромагнитного излучения, отдаваемая планетой в космос, является функцией температуры T ее поверхности и длины волны: F (T, λ). С другой стороны, мощность Р(λ), получаемая планетой от Солнца, известна. Поскольку эти две мощности практически равны, мы можем заключить, что F (T, λ) = P (λ); это уравнение теоретически определяет температуру T поверхности. Для этого хорошо бы вычислить функцию F (T, λ). Можно ли предположить, что эта функция соответствует спектральной плотности мощности излучения абсолютно черного тела? Такая гипотеза близка к реальности в случае планеты без атмосферы. К счастью для нас, Земля обладает атмосферой, ибо без нее средняя температура поверхности Земли была –16 °C, что не способствует поддержанию жизни, тогда как на самом деле она составляет 15 °C.

Нить лампы накаливания приближается к абсолютно черному телу, которое при нагревании излучает белый свет. Благодаря выделению джоулева тепла ее температура превышает 2000 °C. К сожалению, нить накаливания излучает значительную долю электромагнитного излучения и вне видимой области. Ввиду этой бессмысленной траты энергии производство таких ламп было прекращено в начале XXI века.

Атмосфера Земли, сфотографированная из космоса. Ее плотность уменьшается с набором высоты. Толщина атмосферы невелика по сравнению с радиусом Земли: 90% ее массы сосредоточено между земной поверхностью и высотой 16 км.

Парниковый эффект

Какую роль играет атмосфера для поддержания этой разницы в три десятка градусов? Она удерживает большую часть излучения, испускаемого Землей, с помощью механизма, который был объяснен Жозефом Фурье (1768–1830) в начале XIX века: «Температура повышается из-за наличия атмосферы, потому что тепло встречает меньше препятствий для проникновения сквозь воздух в виде света, чем после преобразования в скрытое тепло», — писал он. Сегодня «скрытое тепло» называется инфракрасным излучением (с длиной волны приблизительно от 0,7 до 500 мкм); помимо этого лексического уточнения, анализ Фурье точен. Атмосфера легко пропускает большую часть солнечного излучения с максимумом интенсивности в части видимого спектра, которое может «пронизывать воздух», в то время как инфракрасное излучение, испускаемое почвой, в значительной степени атмосферой поглощается и возвращается в космос только после длительных перипетий. А именно, сначала оно поглощается молекулами атмосферы, затем вновь переизлучается с различными частотами, и так много раз. Это явление называется парниковым эффектом, потому что в парниках — садовых теплицах — потери энергии посредством излучения ограничивают, устанавливая окна из стекла или пластика, которые не пропускают инфракрасное излучение.

Радиационный баланс теплообмена на земной поверхности и в атмосфере Земли. Тепло, исходящее от Солнца, частично отражается, частично рассеивается, частично поглощается, а затем повторно излучается после различных процессов. (R. Delmas et al., Atmosphère, océan et climat, Belin 2012).

Конвекционный нагрев атмосферы Земли

Мы говорили выше о том, что температура поверхности Земли определяется балансом между энергией, получаемой от Солнца, и энергией, излучаемой в космос. Последняя частично определяется излучением почвы, но в значительной степени — излучением атмосферы. В зависимости от длины волны максимум этого излучения приходится на разные высоты. Поэтому нам важно понять структуру атмосферы.

Атмосферное давление P уменьшается с ростом высоты z, так как сила, с которой атмосфера давит на выбранную поверхность, определяется весом находящегося над ней столба воздуха. Условие механического равновесия требует выполнения равенства dP / dz = –pg, где g — ускорение силы тяжести и p — плотность воздуха. Последняя, согласно закону Гей-Люссака, пропорциональна отношению P / T, где T — абсолютная температура. Таким образом, давление в предположении постоянства температуры атмосферы падает с увеличением высоты экспоненциально. Грубая оценка приводит к падению давления вдвое при увеличении высоты на 6000 м. Однако давление на любой высоте может меняться на несколько процентов в разные дни, а давление на уровне моря варьирует от одной точки к другой по отношению к «нормальному давлению» 101,3 кПа даже в одно и то же время. Почему любое понижение давления не компенсируется сразу же перемещением воздуха из зон более высокого давления? Дело в том, что такой компенсации часто противодействует вращение Земли, и сила Кориолиса, а также другие процессы иногда могут стабилизировать зоны высокого или низкого давления на протяжении нескольких недель.

Основные конвективные движения воздуха в атмосфере и циркуляция ветров. Характерными являются воздушные потоки вблизи экватора с образованием так называемых конвекционных ячеек Хэдли. Именно они в совокупности с силой Кориолиса являются причиной формирования пассатов — ветров, которые систематически дуют с востока на запад.

Кроме того, следует принимать во внимание, что в нижних слоях атмосферы температура, как правило, падает с ростом высоты. Причина этого явления заключается в том, что солнечное тепло в основном накапливается у поверхности Земли, откуда оно затем перераспределяется по толще атмосферы. Это перераспределение происходит частично путем излучения, но преимущественно посредством конвекции: находящийся у поверхности Земли горячий воздух поднимается вверх, в то время как более холодный опускается вниз.

Конвекция вовлекает в движение значительные воздушные массы, иногда даже в глобальном масштабе. Поднимающиеся тепловые массы доходят до областей с более низким давлением, и их объем увеличивается. Это увеличение объема в соответствии с законами термодинамики предполагает охлаждение (поскольку воздух является плохим проводником тепла, то его расширение адиабатично; именно расширение газов является одним из классических процессов охлаждения). Параметры такого охлаждения нетрудно рассчитать для сухого воздуха: при увеличении высоты на один километр его температура уменьшается на 6,5 °C. Однако понижение температуры с набором высоты не является абсолютным законом: она изменяется локально в зависимости от различных параметров. И главное, температура снижается только до высоты около 11 км, где она составляет в среднем –56 °C. При дальнейшем наборе высоты температура повышается! Это связано с тем, что конвекционные движения затрагивают лишь часть атмосферы, называемую тропосферой, которая находится ниже этой высоты. Выше находится стратосфера, где нагревание обеспечивается уже не Землей, а непосредственно Солнцем. Его ультрафиолетовые лучи поддерживают температуру около 0 °C на высоте в 50 км. Механизм выделения тепла здесь заключается в поглощении ультрафиолета кислородом O2, в результате чего образуется озон О3 и выделяется тепло.

Изменение средней атмосферной температуры (красная линия) с высотой в самых низких слоях атмосферы. Тропосфера, которая простирается до дюжины километров над уровнем моря, — место наибольшей активности большинства погодных явлений.

Круговорот воды в природе играет значительную роль в обмене тепловыми потоками на глобальном уровне. Воздух, который находится прямо над океанами, наполняется водяным паром посредством испарения. Охлаждение воздуха в результате восходящего движения приводит к конденсации водяного пара, в результате чего выделяется тепло. Таким образом формируются облака, и составляющие их микрокапельки позднее прольются дождем, который охладит почву.

Теплообмен осуществляется и через океанские течения. Они играют в формировании климата менее очевидную роль, чем атмосфера, но хорошо известно, что в зависимости от долготы морские течения могут делать локальный климат теплым или холодным на одной и той же широте. Например, Гольфстрим значительно согревает побережье Западной Европы, климат которой более мягок, чем климат Восточной Канады. Эти потоки имеют глобальные масштабы и весьма стабильны.

Хотя конвекция является основным видом теплопередачи от верхней к нижней части тропосферы, не следует забывать и о важности излучения. Именно оно несет всю ответственность за переизлучение энергии в космос, а также за передачу части энергии из почвы или моря в нижние слои атмосферы.

Участие разных молекул в парниковом эффекте

Атмосфера состоит преимущественно из молекул азота (около 78% по объему) и кислорода (около 21%). Вопреки предположению Фурье, инфракрасное излучение поглощают не эти газы. Поглощение происходит главным образом благодаря водяному пару H2O, углекислому газу CO2 и метану CH4 (эти так называемые парниковые молекулы составляют чуть более 1% воздуха по массе), а также облакам. Уже в середине XIX века Джон Тиндаль понял, что инфракрасное излучение молекулами кислорода и азота не поглощается.

Испускание (или поглощение) электромагнитного излучения молекулой обусловлено колебаниями отрицательных электрических зарядов относительно положительных. В видимой области эти колебания определяются переходами между электронными энергетическими уровнями. В инфракрасном диапазоне колеблются параметры химических связей между атомами: длина связи (межъядерное расстояние между химически связанными атомами) или угол между двумя связями колеблются вокруг их среднего значения. Таким образом, молекулу воды можно рассматривать как отрицательно заряженный атом кислорода, колеблющийся относительно положительно заряженных атомов водорода (эти заряды появляются из-за разницы электроотрицательности между атомами кислорода и водорода). Точно так же молекулу углекислого газа можно представить как положительно заряженный атом углерода, колеблющийся относительно отрицательно заряженных атомов кислорода. Когда такие молекулы возбуждены, они перестают быть симметричными, что приводит к смещению отрицательных электрических зарядов относительно положительных. С другой стороны, когда возбуждена молекула кислорода или азота, то ее центр симметрии, который также является центром тяжести положительных и отрицательных зарядов, остается на месте. Последнее обстоятельство делает невозможным поглощение и испускание этими двумя молекулами инфракрасного излучения.

Некоторые из молекул, составляющих атмосферу. Молекула кислорода O2 симметрична и сохраняет эту симметрию при колебаниях. Она не может поглощать или излучать инфракрасное излучение. То же касается и молекулы азота N2. Молекула воды асимметрична, и ее колебания изменяют место положительных и отрицательных электрических зарядов относительно друг друга, что позволяет ей поглощать и излучать инфракрасное излучение. Молекулы углекислого газа и метана в среднем симметричны, но колебания разрушают эту симметрию, позволяя испускать и поглощать инфракрасное излучение.

Поглощение инфракрасного излучения «парниковыми» молекулами (H2O, CO2, CH4) существенно зависит от длины волны. Разность между спектром поглощения этих молекул и спектрами линий атома или непрерывным спектром абсолютно черного тела поражает. В некоторых «запрещенных» полосах поглощение и излучение невозможны; в «разрешенных» полосах интенсивность излучения систематически колеблется на порядок.

Коэффициент поглощения чистого диоксида углерода при 20 °C под давлением 10 в 5 степени Па в двух разных масштабах. На оси абсцисс откладывается «волновое число» k, которое равно 2π, деленное на длину волны (то есть k = 2π /λ). Коэффициент поглощения определяется параметром kp (где p — плотность поглощающей среды), определяющим вероятность поглощения фотона на единицу длины. Значительные колебания (вплоть до десяти раз) коэффициента поглощения при малых изменениях длины волны приводят к существенным колебаниям и соответствующему вкладу в парниковый эффект. (По R. T. Pierrehumbert, Principles of Planetary Climate, Cambridge University Press, 2010).

В зависимости от длины волны инфракрасные фотоны, излучаемые Землей, могут иметь очень разное будущее. Они могут пройти через атмосферу Земли, не будучи поглощенными, если оказываются в «запрещенной» полосе длин волн как для воды, так и для углекислого газа. Если же их длины соответствуют максимальному поглощению молекул парниковых газов, то такие фотоны поглощаются уже через несколько метров. Затем эти молекулы вновь переизлучают фотоны, которые поднимаются выше, и т. д. Фотоны, которые в конечном итоге возвращаются в космос, оказываются переизлученными на большой высоте, где температура ниже земной. Таким образом, в инфракрасном излучении, возвращаемом в космос, оказывается меньше фотонов инфракрасного диапазона, чем поглощенных, и Земля, благодаря такому «естественному» парниковому эффекту, нагревается.

Влияние деятельности человека

С XIX века к природному парниковому эффекту, который обусловлен естественным наличием в атмосфере водяных паров и углекислого газа, добавился дополнительный парниковый эффект. Дело в том, что человек сжигает так называемое ископаемое топливо, которое природа накапливала в течение миллионов лет: уголь, нефть, газ. Сжигание этого топлива высвобождает углекислый газ, и в краткосрочной перспективе последнему некуда деваться. Он может раствориться в дождевой воде и оказаться в океане, но способность океанов накапливать углекислый газ ограничена (к счастью для рыб). Таким образом, с начала промышленной эры концентрация этого газа в атмосфере значительно возросла. Без изменений в энергетической политике она увеличится еще сильнее. Скорее всего, результатом этого станет повышение температуры нижних слоев атмосферы, что приведет к печальным последствиям.

 

Изменение концентрации CO2 в атмосфере, выраженное числом частиц на миллион, измеренное в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайском архипелаге.

Кроме того, в результате деятельности человека вырабатываются и другие парниковые газы, атмосферные объемы которых в прошлом были незначительными. Например, в настоящее время интенсивное сельское хозяйство производит значительное количество метана. Это для атмосферы относительно «новый» газ, хотя он известен с давних времен: например, из-за метана происходили многочисленные смертоносные взрывы в угольных шахтах. Его концентрация в атмосфере начала расти с середины XX века. Увеличение этой концентрации, в частности в результате интенсивного разведения жвачных животных, создает новые барьеры для инфракрасного излучения, которое когда-то уходило прямо в космос. Метан является фактором, усугубляющим глобальное потепление Земли.

Изменение температуры с 1880 по 2010 год. Температуры, показанные красной линией, — средние за пять лет, поэтому не отражают изменения, происходящие от года к году.

Факт глобального потепления неоспорим: средняя температура увеличилась на полградуса с 1970 года. Является ли это следствием увеличения концентрации диоксида углерода и, следовательно, деятельности человека? Скорее всего, да, утверждает Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК, от англ. IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change), хотя точная оценка его воздействия довольно сложна. К непосредственному воздействию углекислого газа, относительно низкому, добавляется множество усиливающих или компенсирующих косвенных факторов. Один из них — концентрация водяных паров в атмосфере: избыток углекислого газа приводит к небольшому повышению температуры, что приводит к возрастанию давления насыщенного водяного пара. Это значительно увеличивает концентрацию водяных паров в атмосфере и, следовательно, усиливает парниковый эффект!

Поддержать лого сноб
0 комментариев
Хотите это обсудить?
Войти Зарегистрироваться
Читайте также
Широкой публике нравится, когда ученые опровергают собственные теории. Сами же ученые, наоборот, очень любят, когда новые данные подтверждают старую теорию
Ученые очень хотели доказать, что они живут в единственно возможном мире, но все чаще начинают задумываться о том, как им жить дальше, если это совсем не так
«Сноб» поговорил с директором программы «Климат и энергетика» WWF России Алексеем Кокориным и выяснил, может ли вегетарианство повлиять на изменения климата и что должен делать каждый человек, чтобы помочь экологии