Много шума вокруг антропогенного парникового эффекта
Антропогенный парниковый эффект, вызванный увеличением концентрации определенных газовых примесей в атмосфере, обсуждается в средствах массовой информации очень противоречиво и иногда очень эмоционально. Прогнозы климата будущего варьируются от новых ледниковых периодов до Рождества под пальмами в Центральной Европе. В некоторых публикациях ставится под сомнение даже сам процесс. Однако глобальный климат представляет собой чрезвычайно сложную систему, и в расчеты трудно включить все соответствующие факторы. В качестве вклада в общую дискуссию Немецкое метеорологическое общество подготовило заявление на основе антропогенного парникового эффекта, в котором авторы также обращаются к различным аргументам климатических критиков. Текст этого заявления был подготовлен проф. Х. Фишер (Карлсруэ) при участии других специалистов по радиации (особенно проф. д-р Х. Грассль, Женева; проф. д-р Х. Квенцель и д-р П. Кёпке, Мюнхен) из Немецкого метеорологического общества.
Неоспорим тот факт, что антропогенный парниковый эффект до сих пор однозначно не доказан. Однако уже есть ряд признаков антропогенного потепления. Однако до сих пор ведутся дискуссии о различных процессах обратной связи в сложной климатической системе. Поскольку в последнее время в газетах и книгах появилось несколько публикаций так называемых климатических критиков, которые даже ставят под сомнение изменения в радиационном балансе системы земля/атмосфера, было составлено следующее заключение. Необходимо пояснить, как изменяются потоки электромагнитного излучения в атмосфере из-за увеличения концентрации сопутствующих климату газовых примесей и, как следствие, должно происходить потепление тропосферы, если предположить, что этого не происходит. привести к любым другим изменениям физических (особенно динамических) и химических процессов в системе земля/атмосфера. В этих идеализированных условиях неизбежен антропогенный, дополнительный парниковый эффект.
В качестве отправной точки сначала описывается радиационный баланс Земли без атмосферы. При этом неуменьшающаяся солнечная радиация, падающая на земную поверхность, частично поглощается и частично отражается. Поглощенная часть превращается в тепло и должна снова излучаться в состоянии равновесия в инфракрасном спектральном диапазоне. В этих условиях простые модельные расчеты дают среднюю температуру на поверхности земли около -18 градусов по Цельсию. Если включить атмосферу, то солнечное излучение, падающее на земную поверхность, лишь немного ослабляется, так как атмосфера в значительной степени проницаема в видимом спектральном диапазоне. С другой стороны, в инфракрасном спектральном диапазоне излучение, испускаемое землей, в значительной степени поглощается атмосферой (особенно такими газами, как H2O, CO2)., O3) и переизлучаются из него во все стороны - правда, в зависимости от их температуры. Лишь в так называемых оконных зонах (особенно в большом атмосферном окне в диапазоне длин волн от 8 до 13 микрометров) инфракрасное излучение земли может частично уходить прямо в космос. Инфракрасное излучение, испускаемое из атмосферы вниз (так называемое обратное излучение), увеличивает энергообеспеченность земной поверхности. Состояние равновесия может быть установлено только в том случае, если температура земли увеличивается и, таким образом, становится возможным увеличение излучения в соответствии с законом Планка. Этот неоспоримый естественный парниковый эффект приводит к тому, что средняя температура поверхности составляет +15 градусов по Цельсию.
На этой основе можно объяснить и антропогенный дополнительный парниковый эффект. Из-за антропогенного увеличения концентрации вредных для климата газовых примесей (CO2, O3 (Trop.), CH 4, N2O, CFC) уменьшает проницаемость земной атмосферы. Большое атмосферное окно обеспечивается дополнительным поглощением в крыльях полос 15 мкм CO2 и 7,63 мкм CH4 и7, 78 микрон N2O полоса более плотная. Его коэффициент пропускания уменьшается по мере увеличения поглощения в полосах озона, CFC и CO2 (полоса 10,4 мкм) в пределах окна. В результате земная поверхность может выделять в космос меньше энергии (см. природный парниковый эффект) и должна нагреваться, чтобы достичь нового энергетического баланса.
За пределами атмосферных окон сама атмосфера излучает инфракрасное излучение. Это излучение может выйти непосредственно в космос только в том случае, если между этим излучающим слоем атмосферы и экзосферой имеется лишь определенное число поглощающих молекул в рассматриваемом спектральном диапазоне. Количество этих молекул и, следовательно, высота преимущественно излучающего слоя атмосферы зависит от силы коэффициента поглощения в рассматриваемом спектральном диапазоне. С увеличением концентрации поглощающих газов и, следовательно, большего поглощения этот уровень эмиссии в атмосферу смещается вверх. В тропосфере (высотой примерно от нуля до десяти километров) это означает, что из-за понижения температуры с высотой первоначально в космос может излучаться меньше инфракрасного излучения в соответствующем спектральном диапазоне и состояние равновесия требует более высокой температуры в связанном атмосферный слой; значит прогревается не только земная поверхность, но и тропосфера.
В спектральных диапазонах с особенно сильным поглощением атмосферы (например, в центре 15-микрометрового диапазона CO2) этот уровень излучения находится уже в нижней стратосфере. Поскольку в этом диапазоне высот температура снова увеличивается с высотой, рассуждение меняется на противоположное. Если уровень излучения сместить на более высокий уровень, стратосфера в этом спектральном диапазоне излучает больше энергии из-за более высокой температуры и неизбежно должна остыть. Этот эффект, подтвержденный измерениями, является экспериментальным свидетельством правильного понимания радиационных процессов в атмосфере.
Приведенные выше утверждения были подтверждены различными научными группами в международном масштабе с помощью точных расчетов с использованием уравнения переноса излучения. Лежащая в основе теория переноса излучения является общеизвестной в физике и не оспаривается всеми экспертами. Точность результатов при переносе излучения в атмосферу сегодня зависит, прежде всего, от точности входных параметров (например, спектроскопических данных).
В частности, полосы поглощения СО2 подробно исследованы лабораторными измерениями в последние годы, так что их спектроскопические данные нам очень хорошо известны. По этой причине изменения лучистых потоков при изменении содержания CO2 в атмосфере можно рассчитать с высокой точностью (в процентном диапазоне). Для других важных для климата газовых примесей неопределенность спектроскопических данных выше, но погрешность постоянно составляет менее десяти процентов.
Изменение потока инфракрасного излучения связано с изменением концентрации вредных для климата газовых примесей с эквивалентным CO2 удвоением примерно на 4 Вт/м 2"Эквивалент CO2 удвоение" означает, что влияние на лучистый поток увеличения различных газовых примесей эквивалентно удвоению CO 2 концентрация. 4 Вт/м2 относительно малы по сравнению с полным потоком инфракрасного излучения в космос около 240 Вт/м2, но они достаточно в атмосфере без учета эффектов обратной связи в климатической системе для повышения температуры значительно более чем на один градус.
Еще один аргумент в пользу правильности приведенных выше объяснений вытекает из успешного использования методов дистанционного зондирования для получения параметров атмосферы. По спутниковым измерениям в районе диапазонов CO2, напр. B. Полученные вертикальные профили температуры. Можно показать, что погрешности яркости в десять процентов не позволяют определить профили температуры с требуемым качеством (погрешности менее двух кельвинов). Таким образом, высокое качество расчетов по уравнению переноса излучения подтверждается на практике современным универсальным применением дистанционного зондирования для исследования атмосферы.
В дальнейшем будут обсуждаться два основных утверждения так называемых климатических критиков. Многие другие уже опровергнуты приведенными выше утверждениями. С одной стороны, утверждается, что потепление земной поверхности за счет антропогенного дополнительного парникового эффекта противоречило бы второму началу термодинамики, так как «тепло не может перетекать от более холодного (т.е. атмосферы) к более теплому телу (т.е. земной поверхности)»..
Антропогенный дополнительный парниковый эффект согласуется со вторым законом термодинамики по следующей причине: Для прогрева земной поверхности все радиационные потоки, в том числе и потоки солнечной радиации горячего солнца, конечно же, должны приниматься в учетную запись. В течение дня земная поверхность нагревается за счет солнечного излучения и потока инфракрасного излучения атмосферы. Ночью более теплая земная поверхность остывает в результате радиационного обмена с более холодной атмосферой, но это будет происходить медленнее в более поглощающей атмосфере из-за дополнительных парниковых газов (в принципе тот же эффект, что и в облачном случае).).
Второе утверждение: «Поглощение в полосе 15 микрон уже настолько сильное, что увеличение концентрации CO2 больше не изменяет проницаемость атмосферы и поэтому никакого влияния ожидать не приходится. По оценкам, смена крыльев банды CO2 настолько мала, что не может играть никакой роли».
Радиационные потоки в центре полосы CO2 не влияют на тропосферное потепление, но лидируют на полосе CO2- Увеличение до стратосферного охлаждения (см. выше). Оценивая влияние крыльев 15-микронных полос CO2, климатологи допускают несколько ошибок. Неточность в области крыла диапазона CO2 и слишком низкое спектральное разрешение оказывают особенно серьезное влияние на измерение, сделанное климатическим критиком. Кроме того, когда лабораторные измерения переносились на атмосферу, она просто предполагалась однородной. За исключением CFC, полосы поглощения газовых примесей, имеющих отношение к климату, показывают линейчатый спектр в тропосферных условиях, что означает, что между линиями имеется много микроокон. В этих микроокнах увеличение CO2 естественным образом влияет на поток инфракрасного излучения.
Сужение атмосферного окна из-за увеличения CO2 можно легко проверить с помощью точных расчетов переноса излучения. На рисунке показан спектр пропускания для вертикальной атмосферной трассы в средних широтах между 10 микронами и 15 микронами. При пропускании 1 излучение, испускаемое земной поверхностью, может беспрепятственно уходить в космос, но если оно имеет значение 0, то все излучение этой длины волны поглощается в атмосфере. По оси абсцисс указаны длина волны в микрометрах и волновое число (1/длина волны) в см-1. В то время как полоса сильного поглощения CO2 видна в диапазоне выше 13 мм, пропускание в диапазоне ниже 13 мкм имеет значения между 0,7 и 0,9 (из-за слабого поглощения различных газовых примесей и сплошной абсорбции). Удвоение содержания CO2 в атмосфере с 368 ppmv до 736 ppmv (штриховая кривая) изменяет спектр только в диапазоне CO2. - Полосы поглощения, в которых пропускание еще не приняло слишком малые значения. Таким образом, снижение пропускания можно увидеть в области края полосы CO2 на 13 микрометрах, а также в области между 10,1 микрометрами и 10,8 микрометрами (совместная полоса CO 2). В нижней части рисунка показана разница между двумя спектрами.
Таким образом, научно доказано, что потоки радиации в системе земля/атмосфера изменяются в результате увеличения количества газовых примесей, имеющих значение для климата. Без учета обратной связи со сложной климатической системой это непременно привело бы к потеплению земной поверхности и тропосферы. Актуальные, сложные с научной точки зрения дебаты касаются того, в какой степени различные процессы обратной связи усиливают или ослабляют радиационное потепление.