Метеорологія і кліматологія

Парниковий эффект – питання не нове. Ще в 1827 році французький учений Фур'є дав його теоретичне обґрунтування: атмосфера пропускає короткохвильове сонячне випромінювання, але затримує відбите Землею довгохвильове теплове випромінювання. Наприкінці XIX століття шведський вчений Арреніус прийшов до висновку, що через спалювання вугілля змінюється концентрація СО₂ в атмосфері, і це повинно привести до потепління клімату. У 1957 р. – Міжнародний Геофізичний Рік - спостереження вже показували, що йде значний ріст концентрації СО₂ в атмосфері. Російський учений Михайло Будыко зробив перші чисельні розрахунки і пророчив сильні зміни клімату. Парниковий ефект викликається водяною парою, вуглекислим газом, метаном, закисом азоту і рештою інших газів, концентрація, яких в атмосфері незначна. Звичайно парникових ефект існував з тих пір, як у Землі з'явилася атмосфера. Інша справа - посилення парникового ефекту через те, що людство стало спалювати копалини вуглеводневого палива і викидати СО₂, що мільйони років вилучався з атмосфери рослинами і “зберігався” у виді вугілля, нафти і газу. Але справа навіть не стільки власне в потеплінні, скільки в розбалансуванні кліматичної системи. Різкий викид СО₂ – свого роду хімічний поштовх кліматичній системі. Середня температура по планеті від цього змінюється не сильно, а от її коливання стають набагато сильнішими. Що ми і бачимо на практиці - різке посилення частоти і сили екстремальних погодних явищ: повеней, посух, сильної жари, різких перепадів погоди, тайфунів і т.п.

Кількісно величина парникового ефекту

визначається як різниця між середньою приповерхньою температурою атмосфери планети $\bar T_S$ і її ефективною температурою $\bar T_E$ . Парниковий ефект суттєвий для планет із щільними атмосферами, що містять гази, які поглинають в інфрачервоній області і пропорційний густині атмосфери. Наслідком парникового ефекту є також згладжування температурних контрастів як між полярними й екваторіальними зонами планети, так і між денними і нічними температурами (див. таблицю, температури дані в Кельвінах, $\bar T_{max}$ - середня максимальна температура (полудень на екваторі), $\bar T_{min}$ - середня мінімальна температура)


Планета	Атм. тиск біля поверхні, атм.	$\bar T_E$	$\bar T_S$	$\bar T_{max}$	$\bar T_{min}$
Венера	90	231	735	—	—	504
Земля	1	249	288	313	200	39
Місяць	0			393	113	0
Марс	0,006	210	218	300	147	8

Рис. 1. Тепловое излучение поверхности Земли и атмосферное поглощение в ИК-диапазоне.

Теплове випромінювання поверхні Землі і атмосферне поглинання ІЧ-діапазоні.

Парниковий ефект атмосфер обумовлений їхньою різною прозорістю у видимому і далекому інфрачервоному діапазонах. На діапазон довжин хвиль 400—1500 нм (видиме світло і ближній інфрачервоний діапазон) приходиться 75 % енергії сонячного випромінювання, більшість газів не поглинають у цьому діапазоні; релеєвське розсіяння в газах і розсіяння на атмосферних аерозолях не перешкоджають проникати випромінюванню цих довжин хвиль у глибини атмосфер і досягати поверхні планет. Сонячне світло поглинається поверхнею планети і її атмосферою (особливі випромінювання в ближній УФ- і ІЧ-областях) і розігріває їх. Нагріта поверхня планети й атмосфера випромінюють у далекому інфрачервоному діапазоні: так, у випадку Землі (~300°K) 75 % теплового випромінювання приходиться на діапазон 7,8—28 мкм, для Венери (~700°K) — 3,3—12 мкм. Атмосфера, що містить гази, які поглинають у цій області спектру (т.зв. парникові гази — — H₂O, CO₂, CH₄ і ін.) істотно непрозора для такого випромінювання, спрямованого від її поверхні в космічний простір, тобто має в ІЧ-диапазоні велику оптичну товщину. Унаслідок такої непрозорості атмосфера стає гарним теплоізолятором, що, у свою чергу, приводить до того, що перевипромінювання поглиненої сонячної енергії в космічний простір відбувається у верхніх холодних шарах атмосфери. У результаті ефективна температура Землі як випромінювача виявляється більш низькою, ніж температура її поверхні.