Drivhuseffekt

Drivhus [1] eller drivhus eller drivhuseffekt [2] er en stigning i temperaturen i de nederste lag af planetens atmosfære sammenlignet med den effektive temperatur , det vil sige temperaturen på planetens termiske stråling observeret fra rummet.

Forskningshistorie

Ideen om drivhuseffektens mekanisme blev først udtalt i 1827 af Joseph Fourier i artiklen "Note om temperaturerne på kloden og andre planeter", hvori han overvejede forskellige mekanismer til dannelsen af jordens klima , mens han betragtede som faktorer, der påvirker Jordens overordnede varmebalance (opvarmning ved solstråling, afkøling på grund af stråling, indre varme i Jorden), såvel som faktorer, der påvirker varmeoverførsel og temperaturer i klimatiske zoner (termisk ledningsevne, atmosfærisk og oceanisk cirkulation) ) [3] [4] .

Da han overvejede atmosfærens indflydelse på strålingsbalancen, analyserede Fourier Horace-Benedict de Saussures oplevelse med et heliotermometer. [5] . Enheden var en kasse dækket indefra med en sort kork til termisk isolering, den ene side var dækket af tre glasplader med mellemrum mellem dem. Når enheden var orienteret med glasset nøjagtigt mod solen, kunne temperaturen indeni nå 109°C. Fourier forklarede stigningen i temperatur inde i et sådant "minidrivhus" sammenlignet med den ydre temperatur ved påvirkning af to faktorer: blokering af konvektiv varmeoverførsel (glas forhindrer udstrømning af opvarmet luft indefra og indstrømning af kølig luft udefra ) og glassets forskellige gennemsigtighed i det synlige og infrarøde område.

Det er sidstnævnte faktor, der i den senere litteratur fik navnet på drivhuseffekten - ved at absorbere synligt lys opvarmes overfladen og udsender termiske (infrarøde) stråler; Da glas er gennemsigtigt for synligt lys og næsten uigennemsigtigt for termisk stråling, fører ophobningen af varme til en sådan temperaturstigning, ved hvilken antallet af termiske stråler, der passerer gennem glasset, er tilstrækkeligt til at etablere ligevægt.

Fourier postulerede, at de optiske egenskaber af Jordens atmosfære ligner de optiske egenskaber af glas, det vil sige, at dets gennemsigtighed i det infrarøde område er lavere end gennemsigtigheden i det optiske område, men kvantitative data om atmosfærisk absorption i det infrarøde område har lange været genstand for diskussion.

I 1896 analyserede Svante Arrhenius , en svensk fysisk kemiker, Samuel Langleys data om Månens bolometriske lysstyrke i det infrarøde område [6] for at kvantificere absorptionen af termisk stråling af Jordens atmosfære . Arrhenius sammenlignede data opnået af Langley ved forskellige højder af månen over horisonten (det vil sige ved forskellige værdier af banen for månens stråling gennem atmosfæren), med det beregnede spektrum af dens termiske stråling og beregnede både absorptionen koefficienter for infrarød stråling fra vanddamp og kuldioxid i atmosfæren, og temperaturændringer Jorden med variationer i kuldioxidkoncentrationen. Arrhenius fremsatte også en hypotese om, at faldet i koncentrationen af kuldioxid i atmosfæren kan være en af årsagerne til istider [7] .

Kvantificering af drivhuseffekten

Den samlede energi af solstråling absorberet per tidsenhed af en planet med en radius og sfærisk albedo er lig med: $R$ $EN$

E=\pi R^{2}{\frac {E_{0}}{r^{2}}}(1-A),

hvor er solkonstanten , og er afstanden til Solen.

E_{0}

r

I overensstemmelse med Stefan-Boltzmann-loven er den termiske ligevægtsstråling af en planet med radius , det vil sige arealet af den udstrålende overflade : $L$ $R$ $4\pi R^{2}$

L=4\pi R^{2}\sigma {\bar {T}}_{\text{E}}^{4},

hvor er den effektive temperatur på planeten.

{\bar {T}}_{\text{E}}

Tabel 1 [cm 1]

Planet	Atm. overfladetryk , atm.	${\bar {T}}_{\text{E}}$	${\bar {T}}_{\text{S}}$	$\Delta {\bar T}$	${\bar {T}}_{\text{max}}$	${\bar {T}}_{\text{min}}$	$\Delta T$
Venus	90	231	735	504	—	—	—
jorden	en	249	288	39	313	200	113
Måne	0	—	—	0	393	113	280
Mars	0,006	210	218	otte	300	147	153

↑ Temperaturer er angivet i kelvin , er den gennemsnitlige maksimale temperatur ved middagstid ved ækvator , er den gennemsnitlige minimumstemperatur. ${\bar {T}}_{\text{max}}$ ${\bar {T}}_{\text{min}}$

Kvantitativt defineres størrelsen af drivhuseffekten som forskellen mellem den gennemsnitlige nær overfladetemperatur af planetens atmosfære og dens effektive temperatur . Drivhuseffekten er signifikant for planeter med tætte atmosfærer, der indeholder gasser , der absorberer stråling i det infrarøde område af spektret, og er proportional med atmosfærens tæthed . En konsekvens af drivhuseffekten er også udjævningen af temperaturkontraster både mellem planetens polære og ækvatoriale zoner og mellem dag- og nattemperaturer. $\Delta {\bar T}$ ${\bar {T}}_{\text{S}}$ ${\bar {T}}_{\text{E}}$

Drivhuseffektens natur

Atmosfærers drivhuseffekt skyldes deres forskellige gennemsigtighed i det synlige og fjernt infrarøde område. Bølgelængdeområdet på 400-1500 nm i synligt lys og det nære infrarøde område tegner sig for 75 % af solstrålingens energi , de fleste gasser absorberer ikke stråling i dette område; Rayleigh-spredning i gasser og spredning på atmosfæriske aerosoler forhindrer ikke strålingen af disse bølgelængder i at trænge ind i atmosfærens dybder og nå planeternes overflade. Sollys absorberes af planetens overflade og dens atmosfære (især stråling i de nære UV- og IR-områder) og varmer dem op. Den opvarmede overflade af planeten og atmosfæren udstråler i det fjerne infrarøde område: for eksempel, i tilfældet med Jorden ved 300 K , falder 75% af termisk stråling i området 7,8-28 μm , for Venus ved 700 K - 3,3 -12 μm . ${\bar T}_{S}$ ${\bar T}_{S}$

En atmosfære, der indeholder polyatomiske gasser (diatomiske gasser er diatermiske - gennemsigtige for termisk stråling), der absorberer i dette område af spektret (de såkaldte drivhusgasser - H 2 O , CO 2 , CH 4 osv. - se fig. 1 ) , er væsentligt uigennemsigtig for sådan stråling rettet fra dens overflade ud i det ydre rum, det vil sige, at den har en stor optisk tykkelse i IR-området . På grund af en sådan uigennemsigtighed bliver atmosfæren en god varmeisolator, hvilket igen fører til, at genudsendelsen af absorberet solenergi til det ydre rum sker i de øvre kolde lag af atmosfæren. Som et resultat viser jordens effektive temperatur som radiator sig at være lavere end temperaturen på dens overflade.

I dannelsen af drivhuseffekten er skyernes rolle i atmosfæren meget stor og lidt undersøgt, især om natten og om vinteren på tempererede og polære breddegrader [8] .

Drivhuseffektens indflydelse på planeternes klima

Tabel 2 [9]

Planet	Atm. overfladetryk , atm.	CO 2 koncentration , %	${\displaystyle P_{{\ce {CO2))))$ atm.	$\Delta {\bar T}$
Venus	~ 93	~96,5	~ 89,8	504
jorden	en	0,038	~ 0,0004	39
Mars	~ 0,007	95,72	~0,0067	otte

Graden af drivhuseffektens indflydelse på planeternes overfladenære temperaturer (når den optiske tykkelse af atmosfæren <1) afhænger af den optiske tæthed af drivhusgasser, skyer i planetens atmosfære [8] , og følgelig, deres partialtryk nær planetens overflade. Drivhuseffekten er således mest udtalt for planeter med en tæt atmosfære, der svarer til ~500 K for Venus . $\Delta {\bar T}$

Drivhuseffektens størrelse afhænger af mængden af drivhusgasser i atmosfæren og afhænger følgelig af den kemiske udvikling og ændringer i sammensætningen af planetariske atmosfærer.

Drivhuseffekten og jordens klima

De vigtigste drivhusgasser i Jordens atmosfære

Gas	Formel	Bidrag (%)
vanddamp	H2O _ _	36 - 72 %
Carbondioxid	CO2 _	9 - 26 %
Metan	CH 4	4 - 9 %
Ozon	O 3	3 - 7 %

Med hensyn til graden af indflydelse på klimaet af drivhuseffekten indtager Jorden en mellemposition mellem Venus og Mars: For Venus er temperaturstigningen i den overfladenære atmosfære ~13 gange højere end Jordens, i i tilfældet med Mars er den ~5 gange lavere; disse forskelle er en konsekvens af de forskellige tætheder og sammensætninger af disse planeters atmosfærer.

Med solkonstantens invarians og følgelig fluxen af solstråling bestemmes de gennemsnitlige årlige overfladenære temperaturer og klima af jordens varmebalance. For varmebalancen er betingelserne for lighed mellem absorption af kortbølget stråling og emission af langbølget stråling i jord-atmosfæresystemet opfyldt. Til gengæld er andelen af absorberet kortbølget solstråling bestemt af Jordens samlede (overflade og atmosfære) albedo . Størrelsen af strømmen af langbølget stråling, der går ud i rummet, er væsentligt påvirket af drivhuseffekten, som igen afhænger af sammensætningen og temperaturen af jordens atmosfære og skydække i atmosfæren [8] .

De vigtigste drivhusgasser, i rækkefølge efter deres estimerede indvirkning på Jordens varmebalance , er vanddamp , kuldioxid , metan og ozon [10]

Det vigtigste bidrag til drivhuseffekten af jordens atmosfære er lavet af vanddamp eller troposfærens luftfugtighed , indflydelsen af andre gasser er meget mindre signifikant på grund af deres lave koncentration. Skydække i Jordens atmosfære yder også et væsentligt bidrag [8] .

Samtidig afhænger koncentrationen af vanddamp i troposfæren væsentligt af overfladetemperaturen: en stigning i den samlede koncentration af "drivhusgasser" i atmosfæren bør føre til en stigning i fugtigheden og drivhuseffekten forårsaget af vanddamp, hvilket igen vil føre til en stigning i overfladetemperaturen.

Når overfladetemperaturen falder, falder koncentrationen af vanddamp, hvilket medfører et fald i drivhuseffekten. Samtidig med et fald i temperaturen i polarområderne dannes et sneisdække, hvilket fører til en stigning i albedo og sammen med et fald i drivhuseffekten til et yderligere fald i den gennemsnitlige overfladenære temperatur.

Således kan klimaet på Jorden gå over i stadierne af opvarmning og afkøling, afhængigt af ændringen i albedo af jord-atmosfæresystemet og drivhuseffekten.

Klimatiske cyklusser korrelerer med atmosfæriske kuldioxidkoncentrationer : under mellem- og sen pleistocæn , forud for moderne tid, faldt atmosfæriske kuldioxidkoncentrationer under lange istider og steg kraftigt under korte mellemistider .

I løbet af de seneste årtier er der sket en stigning i koncentrationen af kuldioxid i atmosfæren .

Se også

Noter

↑ Eliseev A. V., Mokhov I. I. GREENHOUSE EFFECT Arkiveret 2. marts 2021 på Wayback Machine // Great Russian Encyclopedia . Bind 25. Moskva, 2014, s. 368
↑ S. P. Khromov, L. I. Mamontova. Meteorologisk ordbog. - 3. - L . : "Hydrometeoizdat", 1974. - S. 317, 330. - UDC 551,5 (03) .
↑ Joseph Fourier . Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires s.97-125 Mémoires de l'Académie royale des sciences de l'Institut de France, t. VII, s. 570 a 604. Paris, Didot; 1827 // Gallica-Math: Œuvres complètes (link utilgængeligt) . Hentet 23. maj 2008. Arkiveret fra originalen 6. december 2008. (ubestemt)
↑ Varmen genereret som et resultat af menneskelig aktivitet blev ikke betragtet af Joseph Fourier som en væsentlig faktor.
↑ Horace Bénédict de Saussure, Supplement au No. 108 du Journal de Paris , udgivet den 17. april 1784.
↑ Samuel P. Langley (og Frank W. Very) . The Temperature of the Moon, Memoir of the National Academy of Sciences, vol. iv. 9. mem. 193 sider (1890)
↑ "On the Influence of Carbonic Acid in the Air Upon the Temperature of the Ground" Arkiveret 18. november 2020 på Wayback Machine , Philosophical Magazine og Journal Science, serie 5, bind 41, side 237-276
↑ 1 2 3 4 Alexander Chernokulsky. Klima som afspejling af skyer // Videnskab og liv . - 2017. - Nr. 10 . - S. 70-77 . (Russisk)
↑ Sammenlignende værdier for tre jordiske planeter eksklusive vanddamptryk, temperaturer er angivet i Kelvin .
↑ : Kiehl, JT; Kevin E. Trenberth. Jordens årlige globale gennemsnitlige energibudget // Bulletin fra American Meteorological Society : journal. - 1997. - Februar ( bind 78 , nr. 2 ). - S. 197-208 . — ISSN 0003-0007 . - doi : 10.1175/1520-0477(1997)078<0197:EAGMEB>2.0.CO;2 .

Litteratur

Ivashchenko OV Klimaændringer og ændringer i cirkulationscyklusser af drivhusgasser i systemet atmosfære-lithosfære-hydrosfære - feedback kan øge drivhuseffekten betydeligt. . Hentet 17. februar 2008. Arkiveret fra originalen 18. maj 2012. (ubestemt)
Pavlov A.V., Gravis G.F. Permafrost og moderne klima . GEO.WEB.RU. Hentet 17. februar 2008. Arkiveret fra originalen 5. februar 2012. (ubestemt)
Mennesket og drivhuseffekten . Hentet 23. juni 2008. Arkiveret fra originalen 5. februar 2012. (ubestemt)
O. G. Sorokhtin, akademiker, Institut for Oceanologi. P. P. Shirshov RAS. Adiabatisk teori om drivhuseffekten . Hentet 30. november 2012. Arkiveret fra originalen 1. december 2012. (ubestemt)

Links

Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)
FN's rammekonvention om klimaændringer - officiel hjemmeside Arkiveret 9. oktober 2004 på Wayback Machine

Ordbøger og encyklopædier	Fantastisk catalansk Fantastisk norsk Stor russer Britannica (online) Treccani
I bibliografiske kataloger	BNF : 119830305 J9U : 987007540900105171 LCCN : sh85057237 NDL : 00576626 NKC : ph125585

Ændring af klimaet
Basale koncepter	Klimatologi Paleoklimatologi Jordens varmebalance Varmeoverførsel Vandets kredsløb i naturen solklima Atmosfærisk cirkulation Generel cirkulation af atmosfæren passatvind Monsun Gletscher istid Glaciologi palæoglaciologi termisk høj istid mellemistid masseudryddelse global dæmpning Indeks for klimaændringseffektivitet
Mekanismer for klimaændringer	Variationer i solstråling Geokemisk kredsløb af kulstof Drivhuseffekt Milankovitch cykler Bindingscyklusser Heinrich begivenhed Dansgaard-Eschger svingninger
Global opvarmning	skovrydning Handling mod klimaændringer Tilpasning til globale klimaændringer El Niño Generel cirkulationsmodel Paleocæn-eocæn termisk maksimum Ozonhullet Drivhuseffekt Carbondioxid Drivhusgasser Mellemstatsligt panel om klimaændringer FN's rammekonvention om klimaændringer Kyoto-protokollen Paris-aftalen (2015) Peak Oil Vedvarende energi temperaturtendens havniveaustigning havforsuring Københavns konsensus varme ø Dole effekt
global afkøling	Huron-glaciation sneboldjord Sturt istid Proterozoisk istid Donau-glaciation Pokrovskoe istid Dnepr-glaciation næstsidste istid sidste istid Maksimum af den sidste istid Antarktisk kulde omvendt
Klimaændringer i den sene Pleistocæn - Holocæn	Tidlig dryas Boelling opvarmning Mellem Dryas Allerød opvarmning Yngre Dryas præboreal periode boreal periode Mezocco gynge Atlanterhavsperiode Subboreal periode Tørke for 5900 år siden , Piora vaklede , Tørke for 4200 år siden Subatlantisk periode : Afkøling fra middelbronzealderen Afkøling af jernalderen Romersk klima optimalt Klimatisk pessimum fra den tidlige middelalder Køling af 535-536 Middelalderligt klimaoptimum Lille istid