12.9 Парниковий ефект
Зміна спектрального складу та енергетичної характеристики сонячного світла при проходженні крізь атмосферу
Основні компоненти атмосферного повітря - 02 та N2 не мають спектрів поглинання в інфрачервоній області. Проте, молекули води, вміст якої може сягати 4% об'єму повітря, характеризується поглинанням у широкому спектрі теплового випромінювання. Також ніші компоненти повітря характеризуються певною поглинальною здатністю.
Поглинання теплового випромінювання Землі різними компонентами атмосферного повітря
В результаті поглинання інфрачервоних променів відбувається розігрів нижніх шарів тропосфери, оскільки вони є найбільш насиченими водяною парою. Також значною поглинальною здатністю характеризується вуглекислий газ. Інші природні компоненти мають незначний вплив на інтенсивність парникового ефекту. В залежності від атмосферних умов та енергії сонячного випромінювання, водяна пара поглинає 36-95% випромінювання Землі; вуглекислий газ, 3-20%; Метан, 4-9%; Озон, 3-7%. На вираженість парникового ефекту значний вплив мають регіональні умови формування атмосферних мас.
Внесок природних компонентів у розвиток глобального парникового ефекту
Таким чином, завдяки поглинальній здатності компонентів атмосферного повітря відбувається перехоплення теплового випромінювання розігрітої земної поверхні, що призводить до розігріву нижніх шарів тропосфери. Це явище отримало назву парникового ефекту, який вперше був пояснений Ж.Фур'є́ у 1824 р. Насправді підвищена температура парників та теплиць безпосередньо не повязана з цим ефектом, а пояснюється ізоляцією нагрітого повітря від навколишнього середовища (припинення конвекції).
Тепловий баланс біосфери завдяки парниковому ефекту
(341 Ват/м2 - потужність сонячного випромінювання на рівні тропопаузи)
Явище парникового ефекту характерне для атмосфери Венери та Марсу. Завдяки перехопленню інфрачервоного випромінювання Землі, біосфера не розсіює теплову енергію до космосу. За умови відсутності атмосфери та парникового ефекту температура приземних шарів тропосфери не перевищувала -18 оС. За таких умов життя на планеті навряд чи могло існувати. При цьому протягом більшої частини еону фанерозою концентрація вуглекислого газу (та, ймовірно, водяної пари) у 4-6 разів перевищувала сучасну. Основною причиною зниження концентрації вуглекислого газу та зменшення інтенсивності парникового ефекту став розвиток наземної рослинності та формування потужних відкладів вапняків та вугілля. В кінці кайнозою концентрація вуглекислого газу знизилася на стільки, що це призвело до глобального охолодження біосфери, формування льодовиків, зменшення вологості атмосфери. Таким чином парниковий ефект в атмосфері Землі є цілком природним явищем, що забезпечує сучасні умови існування життя.
Діяльність людини з початку промислової революції призвела до 70% збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері, з 280 ppm в 1750 р. до 406 ppm на початку 2017 р. (від спалювання викопного палива, головним чином вугілля, нафти та природного газу, а також вирубки лісів, ерозії грунту, розвитку сільського господарства). Проте, діяльність людини пов'язана з викидами інших газів, які характеризуються поглинальною здатністю в інфрачервоному діапазоні і, головне, тривалим періодом перебування в атмосфері. Зокрема, найбільшим приростом вмісту в атмосфері характеризується метан, концентрація якого за останні 300 років зросла майже у 2 рази. Також до пріоритетних парникових газів відносять закис азоту (N2O); гідрофторвуглецеві сполуки; перфторвуглецеві сполуки, гексафторид сірки (SF6). Вони додають внеску у перехоплення теплового випромінювання від поверхні Землі. Як наслідок, сумарний приріст енергетичного балансу тропосфери завдяки цим газам складає не менше 3,3 Вт/м2 земної поверхні протягом року.
Зміна вмісту парникових газів у тропосфері та їх внесок у тепловий баланс Землі
Проте, слід пам'ятати, що сучасна діяльність людини супроводжується викидами інших забруднювачів, вплив яких на тепловий баланс може бути протилежним. В результаті, спостерігається складні процеси перерозподілу теплової енергії в окремих районах, що можуть призводити до значних кліматичних коливань. Але всі моделі вказують, що сумарна діяльність людини буде призводити до поступового посилення глобального парникового ефекту.
Сумарний вплив людської діяльності на тепловий баланс біосфери
Екологічні наслідки
Парниковий ефект є найважливішим кліматутворюючим явищем на планеті. Тому навіть незначна зміна його параметрів одразу відбивається на глобальному кліматі планети. Крім загально планетарних явищ, парниковий ефект обумовлює зменшення теплового контрасту між екваторіальними та полярними областями, між денними та нічними температурами.