Парниковый эффект и поглощение атмосферой

Как водяной пар, углекислый газ и другие газы поглощают и переизлучают тепловое излучение, нагревая поверхность выше ее температуры радиационного равновесия.

Definition

Парниковый эффект — это нагревание поверхности планеты, вызванное атмосферными газами, которые прозрачны для поступающего солнечного света, но поглощают и переизлучают исходящее тепловое излучение, повышая температуру поверхности выше значения, устанавливаемого только солнечным нагревом.

Scope

Эта тема охватывает физические основы парникового эффекта: поглощение и излучение длинноволновой радиации молекулярными газами, спектральные диапазоны, в которых они действуют, и то, как эффективный излучающий уровень атмосферы контролирует температуру поверхности. В ней рассматриваются роли водяного пара, углекислого газа, метана, закиси азота и озона, концепция радиационного форсинга от изменений их концентраций, а также эффекты насыщения и перекрытия полос, которые определяют, как форсинг масштабируется с концентрацией.

Core questions

• Почему одни газы эффективно поглощают тепловое излучение, а другие нет?
• Как парниковый эффект повышает температуру поверхности выше радиационного равновесия?
• Как изменяется радиационный форсинг при увеличении концентрации парникового газа?
• Каков относительный вклад водяного пара и углекислого газа?

Key theories

Эффективный уровень излучения

Парниковые газы повышают высоту, с которой планета эффективно излучает в космос, и поскольку этот уровень холоднее поверхности, поверхность должна нагреваться, чтобы излучать достаточно энергии для балансирования поступающего солнечного света.

Логарифмический форсинг углекислого газа

Поскольку центральные полосы поглощения углекислого газа почти насыщены, его радиационный форсинг растет приблизительно логарифмически от концентрации, поэтому каждое удвоение добавляет аналогичное количество форсинга.

Mechanisms

Молекулы с подходящими колебательными и вращательными переходами поглощают исходящее инфракрасное излучение и переизлучают его во всех направлениях, включая обратно к поверхности; это повышает высоту, на которой излучение окончательно уходит в космос, и поскольку температура падает с высотой в тропосфере, поверхность нагревается до тех пор, пока более холодный уровень излучения не будет излучать достаточно, чтобы сбалансировать поглощенный солнечный свет. Добавление большего количества газа утолщает поглощающий слой и смещает уровень излучения выше и в более холодную область, увеличивая форсинг.

Clinical relevance

Радиационный форсинг от увеличения концентрации углекислого газа, метана и других парниковых газов является прямым физическим фактором антропогенного изменения климата, что делает этот механизм центральным для понимания и прогнозирования глобального потепления.

Evidence & guidelines

Шестой оценочный доклад МГЭИК количественно определяет эффективный радиационный форсинг каждого основного парникового газа и приписывает этим газам доминирующую долю наблюдаемого потепления с доиндустриальной эпохи.

History

Тиндаль в девятнадцатом веке продемонстрировал, что водяной пар и углекислый газ поглощают тепловое излучение, а Аррениус сделал первую количественную оценку потепления от удвоения углекислого газа; спектроскопия и радиационно-конвективное моделирование двадцатого века уточнили эти идеи в современную количественную теорию радиационного форсинга.

Debates

Исторические утверждения о насыщении полос

Ранние возражения о том, что поглощение углекислого газа уже насыщено, были разрешены путем признания того, что добавление газа повышает холодный уровень излучения, поэтому форсинг продолжает увеличиваться, а не выходит на плато.

Key figures

• Svante Arrhenius
• John Tyndall
• Raymond Pierrehumbert
• Syukuro Manabe

Seminal works

• arrhenius1896
• pierrehumbert2010

Frequently asked questions

Какой газ вносит наибольший вклад в парниковый эффект?

Водяной пар является наибольшим вкладчиком в целом, но он действует как обратная связь, которая реагирует на температуру, в то время как углекислый газ является основным долгоживущим газом, концентрацию которого увеличивает человек.

Почему углекислый газ все еще важен, если его полосы почти насыщены?

Добавление углекислого газа повышает высоту, с которой планета излучает в космос, до более холодного уровня, поэтому эффект потепления продолжает расти с каждым удвоением концентрации.