Гипотеза парникового эффекта

Физика парникового эффекта

Парниковый эффект вокруг планеты связан с наличием вокруг неё устойчивой атмосферы.

Рисунок 1. Физика парникового эффекта. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Земля, для поддержания своего температурного баланса, должна отдавать энергии столько же, сколько получает её от Солнца. Но, атмосфера не однородна, в её состав входят углекислый газ и водяной пар. Они играют роль стекла в теплице, поглощая инфракрасные лучи. Их наличие в атмосфере вызывает образование парниковых газов, некоторые из них частично возвращаются обратно к Земле. У поверхности планеты эти газы повышают температуру, создавая «эффект одеяла».

Впервые идея парникового эффекта, создаваемого атмосферой Земли, была сформулирована французским математиком и физиком Жаном Фурье в 1824 г, но ему были неизвестны те газы, которые поглощают инфракрасное излучение. Выяснил это в 1859 г Джон Тиндаль.

Один из основоположников современной физической химии – Сванте Аррениус выдвинул свою гипотезу относительно парникового эффекта. Он показал, что диоксид углерода, находящийся в атмосфере в ничтожно малом количестве (0,3%), поддерживает её температуру на 5-6 градусов выше, чем, если бы он отсутствовал.

Любое тело, температура которого отличается от абсолютного нуля, будет испускать электромагнитное излучение. От температуры зависит максимум интенсивности этого излучения. Максимум солнечного излучения, температура на поверхности которого составляет 6000 градусов, находится в видимой области спектра (длина волны будет около 0,5 микрона).

Гипотеза парникового эффекта

Атмосфера в данной области находится в прозрачном состоянии, поэтому значительная часть лучей Солнца доходит до поверхности Земли, поглощается и нагревает её. Через излучение Земля тоже отдает свою энергию, но, средняя температура планеты составляет всего 15 градусов, а это значит, что максимум её излучения смещается в инфракрасную область (длина волны около 15 микрон) и излучение поглощается атмосферой уже очень сильно.

При отсутствии парникового эффекта температура на Земле была бы ниже современной на 33 градуса.

Атмосфера не пропускает часть солнечной энергии и отражает почти 1/3 дошедшей энергии обратно в космос. На каждый квадратный метр доходит 342 ватта, из которых отражается 102 ватта, а 240 ватт проходят через атмосферу. Часть дошедшей энергии отражается обратно и ещё раз проходит через атмосферу с новыми потерями. От атмосферы ещё раз отражается часть энергии и снова возвращается к поверхности Земли.

Дополнительная энергия, возвращенная к поверхности, и повышает температуру планеты.

Главная роль в парниковом эффекте принадлежит способности поверхности Земли отражать солнечные лучи и способность атмосферного экрана пропускать их туда и обратно. Е

сли бы парниковый эффект отсутствовал, то поверхность Земли получала бы 240 ватт на каждый квадратный метр и отражала бы их обратно, но этого не происходит. Из 240 ватт полученной энергии поглощается 2/3 и 1/3 отражается. Каждый квадратный метр территории нагревается этими 160 ваттами (2/3), а 80 ватт уходит обратно в небо.

Для сохранения энергетического баланса планета должна отдать космосу те же 240 ватт. Поскольку Земля имеет горячее ядро, то она излучает как отраженную энергию Солнца и ещё имеет свое инфракрасное излучение, равное 300 ваттам на квадратный метр.

Таким образом, Земля получает 240 ватт, а отдает 380 ватт, из которых через атмосферу проходит около 150 ватт. Остальное количество энергии возвращается к поверхности Земли и нагревает её. Получается, что планета сама себя греет.

Парниковый эффект: причины и последствия

Первое упоминание о природе парникового эффекта появилось в 1827-м в статье ученого-физика Жана Батиста Жозефа Фурье. Его труды были основаны на опыте швейцарца Никола Теодора де Соссюра, который измерил температуру внутри сосуда с затемненным стеклом, когда его поставили под солнечный свет. Ученый выяснил, что температура внутри выше из-за того, что тепловая энергия не может пройти сквозь мутное стекло.

На примере этого опыта Фурье описал, что не вся солнечная энергия, достигающая поверхности Земли, отражается в космос. Парниковый газ удерживает в нижних слоях атмосферы часть тепловой энергии. Он состоит из:

  • углекислоты;
  • метана;
  • озона;
  • водяного пара.

Что такое парниковый эффект? Это увеличение температуры нижних атмосферных слоев из-за скопления тепловой энергии, которую удерживают парниковые газы. Атмосфера Земли (ее нижние слои) из-за газов получается достаточно плотной и не пропускает в космос тепловую энергию. В результате поверхность Земли нагревается.

По состоянию на 2005 год среднегодовая температура земной поверхности выросла на 0,74 градуса за последнее столетие. В ближайшие годы ожидается ее стремительное повышение по 0,2 градуса за каждое десятилетие. Это необратимый процесс глобального потепления. Если динамика сохранится, то через 300 лет произойдут непоправимые экологические изменения. Поэтому человечеству грозит вымирание.

Ученые называют такие причины возникновения глобального потепления, как:

  • масштабная промышленная деятельность человека. Она ведет к увеличению выброса газов в атмосферу, что изменяет ее состав и приводит к росту запыленности;
  • сжигание ископаемого топлива (нефти, угля, газа) на тепловых электростанциях, в двигателях автомобилей. В результате увеличиваются выбросы углекислоты. Кроме того, растет интенсивность энергопотребления — при увеличении населения земного шара на 2% в год потребность в энергии увеличивается на 5%;
  • бурное развитие сельского хозяйства. Результат — увеличение выбросов метана в атмосферу (чрезмерная выработка удобрений из органики в результате гниения, выбросы из биогазовых станций, увеличение количества биологических отходов при содержании скота/птицы);
  • увеличение количества свалок, из-за чего растут выбросы метана;
  • вырубка лесов. Она приводит к замедлению поглощения углекислого газа из атмосферы.

Химия парникового эффекта

Почти весь поток инфракрасного излучения парниковые газы возвращают из тропосферы. Безвозвратно в космос излучение уходит с уровня тропопаузы. Исключением из этого правила является слой озона, относительное содержание которого растет с высотой.

Своего максимума озоновый слой достигает на высоте 20-25 км. Озон тропосферы от общего его содержания составляет только 10%. Если он будет истощен на 6,8%, то его содержание сократится на 2,6%, а содержание метана сократится на 5,5%. Одновременно с этим в тропосфере увеличивается концентрация свободных радикалов ОН, являющихся важным окислителем, на 5%, атомарного кислорода на 12%.

Истощение озонового слоя в тропосфере приводит к повышенному потоку ультрафиолетового излучения в диапазоне 290-320 нм.

ОН, вступая в реакции с молекулами метана и фторуглеродов, уменьшают их концентрацию в тропосфере и снижают прямой парниковый эффект этих веществ.

Гипотеза парникового эффекта

При разрушении небольшого количества тропосферного озона происходит дополнительное снижение парникового эффекта.

В значительной степени на парниковый эффект влияют тропосферные химические процессы.

Причины этого:

  • рост тропосферного озона связан с концентрацией и эмиссией метана, оксида углерода, оксидов азота;
  • расходование ОН радикалов в реакциях с увеличившимся количеством метана и оксида углерода, уменьшает их концентрацию;
  • дополнительное увеличение концентрации ОН радикалов.

Окисление метана и оксида углерода с образованием озона, происходит следующим образом – сначала идет окисление метана, затем оксида углерода и оксида азота.

К парниковым газам относятся углекислый газ, метан, закись азота, перфторуглероды, гидрофторуглероды, гексафторид серы.

Источником изменений климата является углекислый газ (диоксид карбона), на долю которого приходится 64% глобального потепления. Что касается метана (СН4), то он имеет природное и антропогенное происхождение. Его доля в глобальном потеплении составляет 20%. По значимости на третьем месте находится закись азота (N2O), на которую приходится 6% глобального потепления.

В таких углеводородных соединениях, как перфторуглероды, фтор частично замещает углерод и основным источником этих газов является производство алюминия, растворителей, электроники.

В углеводородных соединениях гидрофторуглероды водород частично замещается галогенами.

Парниковый газ – гексафторид серы используется в электроэнергетике в качестве электроизоляционного материала. В атмосфере он сохраняется длительное время и относится к активным поглотителям инфракрасного излучения, поэтому имеет потенциальную возможность оказывать влияние на климат длительное время.

Парниковый эффект: пути решения проблемы

Глобальные проблемы экологии, связанные с парниковым эффектом, можно предотвратить. Для этого человечество должно согласованно устранить причины возникновения глобального потепления.

Что следует предпринять в первую очередь:

  1. Уменьшить количество выбросов в атмосферу. Этого можно добиться, если повсеместно ввести в эксплуатацию более экологичное оборудование и механизмы, установить фильтры и катализаторы; внедрить «зеленые» технологии и процессы.
  2. Снизить энергопотребление. Для этого потребуется перейти на выпуск менее энергоемкой продукции; увеличить КПД на электростанциях; задействовать программы термомодернизации жилья, внедрить технологии, повышающие энергоэффективность.
  3. Изменить структуру источников энергии. Увеличить в общем объеме вырабатываемой энергии долю полученной из альтернативных источников (солнце, ветер, вода, температура грунта). Сократить использование ископаемых энергетических источников.
  4. Развивать экологически чистые и низкоуглеродные технологии в сельском хозяйстве и промышленности.
  5. Увеличить использование ресурсов вторичной переработки сырья.
  6. Восстановить леса, эффективно бороться с лесными пожарами, увеличивать площади зеленых насаждений.

Пути решения проблем, возникших из-за парникового эффекта, известны каждому. Человечеству необходимо осознать, к чему приводят его непоследовательные действия, оценить масштаб надвигающейся катастрофы и принять участие в спасении планеты!

Геополитика глобального потепления

В борьбе с потеплением есть политическая подоплека, всегда находившаяся за «кулисами». Проявилась она в период противостояния Большой восьмерки и Большой пятерки в 2008 г.

Страны Большой пятерки заявили о своем несогласии с этой политикой.

Геополитика глобального потепления имеет тесную связь с энергетикой. Суть заключается в том, что в основе энергетики таких стран, как Индия и Китай, лежит каменный уголь, стратегические запасы которого у них огромны.

Уголь является грязным, а значит опасным топливом для всей планеты, потому что при сжигании тонны угля в атмосферу выделяется 0,5 тонны углекислого газа. Если индийские и китайские выбросы углекислого газа сократить, то это негативно скажется на экономическом росте стран и уровне жизни их населения.

Производство электроэнергии и уровень жизни находятся в прямой зависимости друг от друга. Население Индии и Китая хочет жить хорошо и работать для достижения этого высокого уровня. Развитые же страны предлагают им вместо благополучия жить в неотапливаемых и неэлектрофицированных трущобах.

Китайское правительство приняло программу строительства большого количества тепловых электростанций и китайцы эту программу перевыполняют. В 2005 г в строй вошли мощности на 70 000 мегаватт, а в 2006 г введены мощности более чем на 100 000 мегаватт. Китайская энергетика на 85% работает на угле.

В Индии доступ к электричеству имеет только 60% населения, т.е. 400 млн. человек.

Отсюда понятно, что развитые страны хотят иметь механизм ограничения экономического роста Индии и Китая. Таким механизмом стал протокол Киото.

Американцы сумели в ООН убедить многие страны присоединиться к этому протоколу по «спасению планеты», а сами Протокол ещё не подписали.

Китай Киотский документ не подписал.

Киотский протокол является попыткой старого мира держать на контроле развитие мира молодого и более «энергичного», с единственной целью – сохранить привилегированный образ жизни.

Отсюда, совершенно понятно, что ни Индия, ни Китай не подпишут этот документ на основании одной теории о глобальном потеплении. Вопрос глобального потепления стал сегодня важным фактором международного политического давления на те страны, которые занимаются производством углеводородов.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
MinProduct.ru