Парниковый эффект: механизмы, геологическая история и антропогенное влияние на климат Земли

Парниковый эффект представляет собой научную концепцию, объясняющую аномальное повышение температуры на Земле в результате задержки атмосферой поступающей солнечной радиации. Глобальный климат определяется балансом между количеством получаемой солнечной энергии и её удержанием в пределах данной территории. В экваториальных районах планета получает примерно в 2,4 раза больше тепла, чем в полярных. В ответ на это неравномерное нагревание атмосфера и океаны формируют течения и системы циркуляции, которые перераспределяют тепло по всему земному шару. На эти циркуляционные схемы влияет постоянно меняющееся расположение континентов, океанов и горных хребтов.

Состав и концентрация газов в атмосфере играют решающую роль в изменении количества поступающей солнечной радиации. Например, облачный покров может отражать значительную часть солнечного излучения обратно в космос до того, как оно достигнет нижних слоёв атмосферы. И наоборот, определённые типы газов, известные как парниковые газы (ПГ), пропускают коротковолновое солнечное излучение, но эффективно задерживают длинноволновое отражённое излучение при его попытке вырваться наружу. Этот процесс приводит к накоплению тепла в атмосфере, вызывая явление глобального потепления, известное как парниковый эффект.

Количество тепла, удерживаемого парниковыми газами, значительно колебалось на протяжении геологической истории Земли. Углекислый газ (CO₂) является одним из наиболее значимых парниковых газов, который в настоящее время поглощается растениями в процессе фотосинтеза – процесса, при котором в атмосферу поступает кислород (O₂). В ранний докембрийский период, до того как растительность покрыла поверхность суши, фотосинтез не удалял CO₂ из атмосферы, поэтому уровень углекислого газа был значительно выше современного. Кроме того, морские организмы участвуют в круговороте углерода, поглощая атмосферный CO₂ из поверхностных вод океана (находящихся в равновесии с атмосферой) и используя его вместе с кальцием для построения своих раковин и минерализованных тканей.

Эти организмы производят карбонат кальция (CaCO₃) – основной компонент известняка, осадочной породы, состоящей преимущественно из остатков вымерших морских организмов. В настоящее время примерно 99 % CO₂ на планете, поступившего из системы атмосфера–океан, заключено в известняковых отложениях на континентах и морском дне. Если бы это огромное количество CO₂ было выброшено обратно в атмосферу, глобальные температуры резко повысились бы. В раннем докембрии, когда такое количество CO₂ свободно оставалось в атмосфере, средние глобальные температуры достигали приблизительно 550°F (290°C).

Атмосфера быстро перераспределяет тепло за счёт образования и перемещения облаков и несконденсировавшегося водяного пара по ячейкам атмосферной циркуляции. Хотя океаны обладают большей теплоёмкостью и способны удерживать больше тепла из-за значительного объёма воды, они осуществляют это перераспределение гораздо медленнее, чем атмосфера. Поверхностные океанские течения развиваются главным образом в ответ на преобладающие ветровые режимы. Однако глубинные океанские течения, которые переносят большую часть тепла планеты, в большей степени определяются батиметрией (топографией морского дна) и силами вращения Земли, чем поверхностными ветрами.

Исторически сложилось так, что равновесие между поступающим и уходящим теплом определяло общую температуру Земли в геологических масштабах. Изучая геологические данные, палеоклиматологи успешно реконструировали различные климатические периоды, включая ледниковые эпохи, жаркие и засушливые периоды, жаркие и влажные фазы, а также холодные и сухие условия. В большинстве случаев Земля реагировала на эти климатические сдвиги расширением или сжатием своих климатических поясов. В тёплые периоды субтропические пояса расширяются в сторону высоких широт, тогда как в холодные периоды наблюдается распространение полярного климата в сторону более низких широт.

Историческое развитие концепции парникового эффекта. Теоретическая основа парникового эффекта базируется на концепции, впервые предложенной французским физиком Эдме Мариоттом (1620–1684) в 1681 году. Мариотт заметил, что солнечный свет и тепло легко проходят через лист стекла, в то время как тепло, излучаемое свечами и другими источниками, – нет. Позже, в 1824 году, этот принцип был расширен французским математиком Жозефом Фурье (1768–1830), который применил его к атмосфере. Фурье предположил, что солнечное тепло и свет могут проникать из космоса через атмосферу, но тепло, излучаемое обратно с поверхности Земли, задерживается определёнными атмосферными газами – аналогично тому, как стеклянная панель частично блокирует излучение от свечи.

В 1861 году ирландский физик Джон Тиндалл (1820–1893) сделал важное открытие, установив, что сложные молекулы водяного пара (H₂O) и углекислого газа (CO₂) в первую очередь ответственны за поглощение тепла, излучаемого Землёй. Тиндалл определил, что другие атмосферные газы, такие как азот и кислород, не способствуют этому эффекту. Он отметил, что простые колебания концентраций CO₂ и H₂O могут поочерёдно охлаждать и нагревать атмосферу, вызывая «все изменения климата, о которых свидетельствуют исследования геологов». Последующие достижения в понимании парникового эффекта стали результатом работы шведского физика и химика Сванте Аррениуса (1859–1927) в 1896 году.

Аррениус подсчитал, что 40-процентное увеличение или уменьшение концентрации CO₂ в атмосфере может спровоцировать наступление или отступление континентальных ледников, тем самым инициируя ледниковые и межледниковые периоды. Гораздо позже изменения содержания CO₂ в атмосфере такой величины были зафиксированы в ледяных кернах Гренландского ледникового щита, подтвердив предсказания Аррениуса. Концентрации углекислого газа в атмосфере естественным образом изменяются под действием множества механизмов, включая изменения в вулканизме, эрозии, тектонике плит и взаимодействии океана и атмосферы.

Современное понимание связи парниковых газов с деятельностью человека было сформулировано в 1938 году инженером-паротехником и метеорологом-любителем Гаем Стюартом Каллендаром (1898–1964). Каллендар подсчитал, что удвоение концентрации CO₂ в атмосфере за счёт сжигания ископаемого топлива приведёт к повышению средней глобальной температуры примерно на 3°F (2°C) с более выраженным потеплением на полюсах. Он прозорливо предсказал, что люди меняют состав атмосферы со скоростью, «исключительной» для геологических времён, и попытался понять климатические последствия этих изменений. Его основным предсказанием было то, что главным результатом увеличения содержания углекислого газа станет постепенное повышение средней температуры, особенно в более холодных регионах.

Эти прогнозы впервые подтвердились в 1947 году, когда шведский климатолог Ханс Вильгельмссон Альман (1889–1974) сообщил о повышении температуры в североатлантическом секторе Арктики на 1–2°F (1,3°C). В то время сложные взаимодействия в рамках углеродного цикла и обмена CO₂ в системе атмосфера–океан ещё не были до конца поняты, что привело многих учёных к объяснению всего повышения температуры исключительно антропогенными выбросами парниковых газов. Последующие исследования взаимосвязей океана и атмосферы и биогеохимии выявили более сложный набор взаимодействий. В 1970-х годах роль атмосферных аэрозолей, которые в первую очередь отражают солнечную радиацию обратно в космос и оказывают охлаждающее действие на Землю, стала признаваться в качестве дополнительного компонента парникового эффекта.

Современное понимание сложных физических, химических, биологических и сопутствующих процессов, связанных с парниковым эффектом, всесторонне описано в докладе об изменении климата за 2007 год, опубликованном Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК).

Для дальнейшего изучения рекомендуются следующие источники: Аренс К. Д. Метеорология сегодня: введение в погоду, климат и окружающую среду, 6-е изд. Пасифик-Гроув, Калифорния: Брукс/Коул, 2000; Эшворт, Уильям и Чарльз Э. Литтл. Энциклопедия экологических исследований, новое издание. New York: Facts On File, 2001;

Домашняя страница Межправительственной группы экспертов по изменению климата. URL: http://www.ipcc.ch/index.htm (дата обращения: 30 января 2008 года);
Межправительственная группа экспертов по изменению климата, 2007. Изменение климата, 2007: основы физической науки. Вклад Рабочей группы I в Четвёртый оценочный доклад МГЭИК. Под редакцией С. Соломона, Д. Цина, М. Мэннинга, З. Чена, М. Маркиза, К. Б. Эйвери, М. Тиньора и Х. Л. Миллера. Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2007.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.