про парниковый эффект для чайников (например, для меня)

Борис Штерн

53 мин.

Пару слов про парниковый эффект. Для тех, кто знает, что такое адиабата. Пишу, поскольку многие поверили статье Городницкого, который, судя по тексту статьи, с адиабатой не дружит и вообще не понимает, как работает парниковый эффект. Это будет в текущем ТрВ, выкладываю заранее, чтобы обкатать.

Атмосферный парниковый эффект на пальцах

Если бы атмосфера земли была прозрачна для всех длин волн, то равновесие между поглощением солнечного света и тепловым излучением Земли произошло бы при средней температуре -15С (по другим оценкам -18С) – все бы замерзло. На самом деле эта величина зависит от широты, но для ориентации оценка годится. Мы точно знаем, что Земля намного теплей. Причина в парниковом эффекте. Сразу отметим, что процесс в атмосфере происходит не совсем так, как в теплицах, но название закрепилось намертво.
Для начала, предположим, что облаков нет. Тогда солнечный свет беспрепятственно достигает поверхности и нагревает ее. Поверхность излучает на других длинах волн – в основном больше 5 микрон. Но в этом диапазоне у атмосферы есть широкие спектральные интервалы низкой прозрачности из-за парниковых газов (см. рис.1). Это, прежде всего водяной пар, и углекислый газ.
Но от равновесной температуры никуда не денешься: Земля обязана излучить всю энергию, которую она получила от Солнца. И сделать это она может только при эффективной температуре, близкой к равновесной. Так это и происходит: Земля излучает при эффективной температуре минус 15С (термин «эффективная» включает в себя правильное усреднение по широте, и спектру), но не с поверхности, а из высоких слоев тропосферы, где температура как раз такого порядка. Это соответствует эффективной глубине прозрачности для инфракрасных фотонов – оттуда они беспрепятственно улетают в космос. А на поверхности температура в то же время намного выше – это нам хорошо известно, и понятно, почему это так. Если есть вертикальная конвекция, то воздух, поднимаясь, охлаждается, и температурная кривая с высотой соответствует адиабатическому закону. Если нет конвекции, то в игру вступает диффузия фотонов при поглощении и излучении. Поскольку первичный источник тепловых фотонов – поверхность земли (переводит оптический фотон в несколько инфракрасных, которые потом переизлучаются в атмосфере лишь с небольшим изменением энергии и числа), то концентрация фотонов, а следовательно и температура должна убывать снизу вверх.
Чем больше концентрация парниковых газов, тем выше должны излучаться фотоны, чтобы они могли улететь в космос, значит, тем выше должен лежать слой с эффективной температурой -15С. А соотношение температур для разных высот остается тем же. Значит, у поверхности при росте концентрации парниковых газов потеплеет.
Облачность меняет картину, она становится более сложной, равновесная температура немного падает, но парниковый эффект в целом продолжает работать, иногда даже сильней – экстремальным примером такой ситуации является Венера.
Это объяснение, конечно, содержит сильные упрощения (в частности, основные вычислительные проблемы «сидят» в усреднении по спектру), но в целом ухватывает главные эффекты. Из него, в частности ясно, что атмосферная конвекция никак не ослабляет парниковый эффект.

Если кто не понял предыдущий пост

Оценку эффективной температуры поверхности Земли можно сделать по тому, сколько энергии дает Солнце, а оно излучает, как черное тело при ~5500С.

Зная радиус орбиты Земли и радиус Солнца, можно посчитать баланс и он получается где-то -24С (или -18, -15 это не большая разница для оценки), при этом температура от радиуса Земли зависеть не будет в этом приближении, так как радиус Земли войдет в балансы излучения и поглощения с одинаковой степенью 2. (легко понять почему).

Как видно, температура -24С чуть ниже,чем мы  наблюдаем.
Почему? А потому, что есть атмосфера, содержащая парниковые газы , не слишком хорошо пропускающие инфракрасное излучение, и таким образом слой -24С сдвигается в ее верхнюю часть.

Этот слой с температурой Т=-24C не может нагреваться непосредственно от Солнца, так как он прозрачен для максимума излучения Солнца, а нагревается от поверхности Земли, которая находится при большей температуре, чем
этот слой T=-24C (если бы находился при такой же или меньшей температуре, то тепловой поток просто не мог бы дойти до этого слоя).