Парниковый эффект и роль в нем углекислого газа

В  последнее  время  огромное  количество  работ  разных  научных  уровней,  а  также  совещаний,  симпозиумов,  саммитов,  международных  встреч  посвящено  глобальному  потеплению  и  роли  в  нем  углекислого  газа,  как  создателя  парникового  эффекта  [4].  Активное  участие  принимают  в  этом  СМИ. 
В  работе  [2]  представлен  исторический  ракурс  изменения  углекислого  газа  в  атмосфере  нашей  планеты,  охватывающий  миллионы  лет.  Показаны  колебания  количества  углекислого  газа.  Они  наблюдались  задолго  до  возникновения  человека  на  планете  и,  естественно,  независимо  от  антропогенной  деятельности.  Колебания  возможны  на  планете  и  в  дальнейшем,  как,  например,  и  ледниковые  периоды.  Но  это  уже  другие  временные  масштабы.
Парниковый  эффект  связан  с  поглощением  длинноволнового  излучения  Земли.  Поглощение  зависит  от  количества  поглощающего  вещества,  от  эффективной  массы  поглощающего  вещества  [3].  Линии  поглощения  лучистой  энергии  водой  преобладают  в  ближнем  коротковолновом  инфракрасном  и  в  дальнем  длинноволновом  инфракрасном  участках  лучистой  энергии.  Линии  поглощения    перекрывают  линии  поглощения .  В  коротковолновой  области  спектра  поглощающая  роль  углекислого  газа  исчезающее  мала.  Почти  такая  же  она  и  в  области  длинноволновой  радиации. 
Углекислый  газ  относится  к  малым  химическим  составляющим  атмосферного  воздуха.  Его  максимальное  количество  в  атмосферном  воздухе,  измеряемое  миллионными  долями,  приближается  в  настоящее  время  к  369.  Это  соответствует  0,0369  процента  объема  воздуха.  В  среднем,  в  атмосферном  воздухе  углекислый  газа  составляет  около  0,03  %.  Над  океанами  его  содержание  на  треть  меньшее  —  0,02  %. 
Сравним  содержание  углекислого  газа  с  содержанием  водяного  пара  в  атмосфере.  Максимальное  количество  водяного  пара  составляет  4  %  от  объема  воздуха.  А  это  значит,  что  в  процентном  отношении  количество  водяного  пара  примерно  в  100  раз  превышает  содержание  углекислого  газа  в  атмосфере. 
Углекислый  газ,  как  и  все  другие  постоянные  компоненты  атмосферного  воздуха,  находится  в  одинаковом  процентном  отношении  до  высоты  100  км.  Проведем  примерный  расчет  массы  углекислого  газа    в  столбе  воздуха  единичного  сечения,  исходя  из  процентного  его  содержания.  Давление  у  земли  примерно  1000  гПа.  Давление,  которое  оказывает  углекислый  газ,  составляет  30  Па,  а  масса  углекислого  газа  во  всем  вертикальном  столбе  воздуха  в  таком  случае  составляет: 
 
=  3  кг,
 
где:  —  ускорение  свободного  падения  (принимается  за  константу).
В  целом  во  всей  атмосфере  количество  углекислого  газа  примерно  составляет
 
  кг.,
 
где:  —  площадь  поверхности  Земли.
Масса  же  всей  атмосферы  равна    кг,  что  на  5  порядков  (в  100  тыс.  раз)  больше  массы  углекислого  газа. 
Проведем  расчет  массы  водяного  пара,  содержащегося  в  атмосфере.  В  отличие  от  углекислого  газа,  распределение  водяного  пара  с  высотой  не  носит  гомогенный  характер.  Количество  водяного  пара  в  атмосфере  с  высотой  уменьшается.  Используем  средние  многолетние  профили  влажности  воздуха.  Это  обработка  результатов  радиозондирования  в  конкретные  моменты  времени  в  конкретных  районах.  Такие  данные  можно  взять  в  аэрологических  справочниках.  Рассчитаем  массу  водяного  пара  в  вертикальном  столбе  от  поверхности  земли  до  верхней  границы  атмосфера.  Почти  весь  водяной  пар  сосредоточен  в  тропосфере.  Однако  для  более  точных  расчетов  будем  рассматривать  всю  толщу  атмосферы.  Масса  водяного  пара    во  всем  вертикальном  столбе  от  поверхности  земли  до  верхней  границы  атмосферы  равна
 
,
где:  —  плотность  водяного  пара, 
—  высота. 
Проведем  некоторые  преобразования.  Введем  вместо  плотности  водяного  пара  массовую  долю  водяного  пара    потому,  что  именно  эта  характеристика  представлена  в  радиозондовых  наблюдениях
 
,
 
где:  —  масса  водяного  пара,
  —  масса  влажного  воздуха,
  —  плотность  воздуха
Отсюда,  плотность  водяного  пара  можно  рассчитать  как  произведение  массовой  доли  водяного  пара  на  плотность  воздуха  .  Найдем  значение    из  основного  уравнения  статики,  поменяем  пределы  интегрирования,  чтобы  избавиться  от  появившегося  отрицательного  знака  и  получим
 
,
 
где:  —  давление  воздуха, 
Вид  подынтегральной  функции  в  данном  случае  неизвестен.  Однако  имеется  таблица  значений  величин ,  по  которой  можно  получить  подынтегральную  функцию  заменяя  интеграл  полиномом  и  применяя  методы  численного  интегрирования  (использовалась  формула  прямоугольников).
 
,
 
где:  —  числовой  коэффициент,  равный  0,01, 
—  значение  массовой  доли  водяного  пара  на  уровне,  где  давление  . 
Входными  параметрами  для  расчетов  эффективной  поглощающей  массы  являются  средние  многолетние  зональные  значения  вертикальных  профилей  массовой  доли  водяного  пара  в  вертикальном  столбе  атмосферы  на  широте  10º  северного  полушария  и  давление  воздуха  на  соответствующих  высотах.
Расчеты  по  последней  формуле  показали,  что  в  вертикальном  столбе  воздуха  единичного  сечения  содержится  около  50  кг  воды.  Как  видно,  это  существенно  больше  3  кг,  то  есть  больше  количества  углекислого  газа  в  вертикальном  столбе  воздуха.  Хотя  расчеты  довольно  грубые,  тем  не  менее,  они  показывают  несопоставимость  количеств  этих  поглощающих  газов  в  атмосфере.
Парниковый  эффект  от  воды  обусловлен  главным  образом  тем,  что  воды  в  атмосфере  много  по  сравнению  с  количеством  углекислого  газа,  и,  как  уже  указывалось,  линии  поглощения  воды  и  углекислого  газа  перекрываются.  Следует  отметить,  что  в  атмосфере  помимо  водяного  пара  есть  еще  вода  в  жидком  и  твердом  состоянии,  которая  тоже  поглощает  земное  излучение.  Это  облака  в  атмосфере.  Суммарное  количество  воды  в  атмосфере  огромно.  Водяной  пар,  капли  и  кристаллы  воды  в  атмосфере  являются  мощными  поглотителями  тепловой  инфракрасной  радиации.  В  сравнении  с  этим  роль  углекислого  газа  как  поглотителя  тепловой  инфракрасной  радиации  ничтожно  мала.  Таким  образом,  роль  углекислого  газа  как  создателя  парникового  эффекта  в  атмосфере  Земли  очень  сильно  преувеличивается.  Даже  если  количество  углекислого  газа  в  атмосфере  удвоится,  что  нереально,  его  утепляющий  парниковый  эффект  останется  незаметным,  ибо  воды  в  атмосфере  несравненно  больше.  Вода  в  атмосфере  естественна  для  нашей  планеты.  И  все  эффекты,  связанные  с  водой  в  атмосфере,  естественны.  Как  показывает  жизнь  и  расчеты,  эти  эффекты  не  приводят  к  повышению  температуры  планеты.
Известно,  что  не  только  углекислый  газ,  но  и  многие  другие  вещества  являются  поглотителями  тепловой  радиации.  Так,  пыль,  дым,  другие  аэрозоли  поглощают  инфракрасное  излучение.  Дым  издревле  применяют  для  предохранения  садов  и  других  насаждений  от  заморозков,  создавая  как  раз  парниковый  эффект.  Но  это  частные,  локальные  воздействия  и  дым,  конечно  же,  не  может  рассматриваться  как  парниковый  газ  для  всей  планеты. 
Известна  поглощательная  способность  метана.  Она  примерно  в  21  раз  выше,  поглощательной  способности  углекислого  газа.  Однако  метана  в  атмосфере  по  объему  на  два  порядка  меньше,  чем  углекислого  газа  (метан,  ,  объемное  содержание  —    %).  Как  следует  из  работы  [1],  концентрация  метана  у  поверхности  планеты  меньше  концентрации  углекислого  газа  в  220  раз  и  меньше  концентрации  водяного  пара  —  в  6000  раз.  Соответственно,  роль  метана  как  парникового  газа  еще  меньшая,  чем  углекислого  газа. 
Мы,  люди,  очень  преувеличиваем  свое  влияние  на  планету,  на  ее  климат,  состав  атмосферного  воздуха,  циркуляцию  атмосферы,  на  кинематику  и  динамику  атмосферы  и  гидросферы.  Мы,  люди,  составляем  всего  лишь  очень  малую  часть  малой  части  нашей  планеты  —  биоты.  Если  собрать  все  человечество  в  одном  месте,  то  площадь,  которую  мы  бы  заняли,  составит  всего  около  трех  тысячных  поверхности  Земли.  Эпоха  научно-технического  и  экономического  прогресса  породила  иллюзорное  представление  о  всемогуществе  человечества.  Однако  мы  ,  например,  не  можем  заставить  даже  самый  слабый  ветер  дуть  с  другой  скоростью  или  в  другом  направлении.  Мы  не  в  силах  изменять  физические  процессы  в  атмосфере.  Наша  сила  заключается  только  в  наших  знаниях.  Задача  ученых  изучать  окружающий  нас  мир,  получать  новые  сведения  о  нем,  проникать  в  суть  физических  процессов,  понимая,  что  мы  не  единственные  и  далеко  не  самые  многочисленные  жители  планеты  и  этот  мир  принадлежит  не  только  нам  [5]. 
Что  касается  углекислого  газа  и  его  роли  в  парниковом  эффекте,  то  следует  еще  подчеркнуть,  что  у  самой  поверхности  Земли  концентрация  водяного  пара  примерно  в  30  раз  большая,  чем  углекислого  газа  [1].  Уменьшение  интенсивности  излучаемой  Землей  радиации  линейно  зависит  от  самой  интенсивности  поступающей  радиации  и  от  количества  ослабляющего  вещества  на  пути  луча  (закон  Ламберта-Буге).  Именно  в  самых  нижних  слоях  атмосферы  наиболее  интенсивно  излучение  Земли  и  наибольшее  количество  поглощающего  вещества  —  воды  во  всех  ее  фазовых  состояниях.  Соответственно  в  самых  нижних  слоях  атмосферы  наиболее  интенсивно  происходит  поглощение  инфракрасного  излучения  Земли.  И  мы  непосредственно  это  ощущаем.  Чем  ниже  и  чем  плотнее  облачность,  тем  теплее  ночь.  Потоки  восходящей  инфракрасной  радиации  с  высотой  уменьшаются  по  экспоненте  и  роль  углекислого  газа  в  этом  ничтожно  мала.
 
Список  литературы:
1.Бажин  Н.М.  Метан  в  атмосфере.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  window.edu.ru/resource/444/21444/files/0003_052.pdf ‎  (дата  обращения  26.02.2014).
2.Гиляров  Алексей.  300  миллионов  лет  назад  углекислого  газа  в  атмосфере  было  гораздо  больше,  чем  сейчас.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://elementy.ru/news/430432  (дата  обращения  10.02.2014).
3.Динамическая  метеорология.  Под  ред.  Д.Л.  Лайхтмана  .  Гидрометеоиздат,  Л.,1976.  —  С.  607. 
4.МГЭИК,  2007:  Изменение  климата,  2007:  Обобщающий  доклад.  МГЭИК,  Женева,  Швейцария,  104  с.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/syr/ar4_syr_ru.pdf ‎  (дата  обращения  12.02.2014).
5. Скорер  Р.  Аэрогидродинамика  окру