Антипарниковый эффект
Антипарниковый эффект — это процесс, который происходит, когда энергия солнца небесного объекта объекта поглощается или рассеивается верхними слоями атмосферы , не позволяя этой энергии достичь поверхности, что приводит к охлаждению поверхности — противоположности парниковому эффекту . В идеальном случае, когда верхние слои атмосферы поглощают весь солнечный свет и почти прозрачны для инфракрасной (тепловой) энергии от поверхности, температура поверхности снизится на 16%, что представляет собой значительное охлаждение. [1]
Этот эффект был обнаружен на Сатурна спутнике Титане . [2] [3] В стратосфере Титана дымка , состоящая из органических аэрозольных частиц, одновременно поглощает солнечную радиацию и почти прозрачна для инфракрасной энергии с поверхности Титана. Это уменьшает попадание солнечной энергии на поверхность и позволяет инфракрасной энергии уйти, охлаждая поверхность Титана. Титан обладает как парниковым, так и антипарниковым эффектом, которые конкурируют друг с другом. Парниковый эффект нагревает Титан на 21 К, а антипарниковый эффект охлаждает Титан на 9 К, поэтому общее потепление составляет 12 К (= 21 К - 9 К). [3] [4]
Было высказано предположение, что эоне Земля потенциально имела подобную дымку в архейском , вызывающую антипарниковый эффект. [5] Предполагается, что эта дымка помогла регулировать и стабилизировать климат ранней Земли. [5] Другие атмосферные явления, помимо органических дымок, действуют аналогично антипарниковому эффекту, например, стратосферный озоновый слой Земли. [4] и термосфера, [3] [4] частицы, образующиеся и испускаемые вулканами, [6] ядерные осадки , [3] [6] и пыль в верхних слоях атмосферы Марса. [6]
За пределами Солнечной системы проведены расчеты влияния этих дымок на тепловую структуру экзопланет. [7]
Теория энергетического баланса
[ редактировать ]Энергетический баланс
[ редактировать ]Чтобы понять, как антипарниковый эффект влияет на планету или большую луну со звездой-хозяином в качестве внешнего источника энергии, энергетический бюджет можно рассчитать , аналогично тому, как это делается для Земли. Для каждого компонента в системе поступающая энергия должна равняться исходящей энергии, чтобы поддерживать сохранение энергии и поддерживать постоянную температуру. [8] Если один источник энергии больше другого, возникает энергетический дисбаланс, и температура объекта изменится, чтобы восстановить баланс. источники энергии во всем электромагнитном спектре При расчете энергетического баланса необходимо учитывать . В случае с Землей, например, достигается баланс между приходящей коротковолновой радиацией Солнца и исходящей длинноволновой радиацией от поверхности и атмосферы. После установления энергетического баланса компонента можно определить температуру.
Идеальный антипарниковый эффект
[ редактировать ]В самом крайнем случае предположим, что верхняя атмосфера планеты содержит дымку, поглощающую весь солнечный свет, который не отражается обратно в космос, но в то же время почти прозрачную для инфракрасного длинноволнового излучения. По закону Кирхгофа , поскольку дымка не является хорошим поглотителем инфракрасного излучения, дымка также не будет хорошим излучателем инфракрасного излучения и будет излучать небольшое его количество в этой части спектра как в космос, так и в сторону поверхности планеты. По закону Стефана-Больцмана планета излучает энергию, прямо пропорциональную четвертой степени температуры поверхности. На поверхности энергетический баланс выглядит следующим образом:
где – постоянная Стефана–Больцмана , - температура поверхности, а — исходящее длинноволновое излучение из дымки в верхних слоях атмосферы. Поскольку дымка не является хорошим поглотителем этого длинноволнового излучения, можно предположить, что все оно проходит в космос. Поступающую солнечную энергию необходимо уменьшить, чтобы учесть количество энергии, которая теряется при отражении в космос, поскольку она не находится в системе планета-атмосфера. В верхних слоях атмосферы энергетический баланс выглядит следующим образом:
где - поступающий поток солнечной энергии, - планетарное альбедо (т. е. отражательная способность), и — эффективная средняя температура излучения . Приходящий солнечный поток делится на четыре, чтобы учесть временное и пространственное усреднение по всей планете и Фактор – это доля солнечной энергии, поглощаемая дымкой. Замена с во втором уравнении имеем,
и соотношение равно или 0,84. Это означает, что температура поверхности снижается по сравнению с эффективной средней температурой излучения на 16%, что является потенциально значительным охлаждающим эффектом. [1] Это идеальный случай, который представляет собой максимальное воздействие, которое может оказать антипарниковый эффект, и которое не будет таким же, как для реальной планеты или большой луны.
Устаревшая концепция антипарникового эффекта
[ редактировать ]Более ранние дискуссии в научном сообществе, предшествовавшие нынешнему определению, установленному доктором Кристофером Маккеем в 1991 году, называли антипарниковый эффект предшественником позднего докембрийского оледенения, описывая его скорее как процесс связывания углерода . [9] В настоящее время этот термин больше не используется, в котором подчеркивается охлаждение поверхности из-за поглощения солнечной радиации на большой высоте.
Сравнение с отрицательным парниковым эффектом
[ редактировать ]Отрицательный парниковый эффект — это явление, которое может вызвать локальное, а не планетарное похолодание. В то время как антипарниковый эффект включает в себя общую инверсию температуры в стратосфере, отрицательный парниковый эффект предполагает локальную инверсию температуры в тропосфере. Оба эффекта увеличивают исходящие тепловые выбросы — локально в случае отрицательного парникового эффекта и глобально в случае антипарникового эффекта. [10] [11]
На Титане
[ редактировать ]Органическая дымка в Титана стратосфере [4] поглощает 90% солнечной радиации , достигающей Титана, но неэффективен при улавливании инфракрасного излучения, генерируемого поверхностью. Титана Это связано с тем, что размер атмосферного окна составляет примерно от 16,5 до 25 микрометров. [4] Хотя сильный парниковый эффект действительно удерживает на Титане температуру, гораздо более высокую, чем тепловое равновесие , антипарниковый эффект из-за дымки снижает температуру поверхности на 9 К. Поскольку парниковый эффект из-за других компонентов атмосферы увеличивает ее на 21 К, конечный эффект заключается в том, что реальная температура поверхности Титана (94 К) на 12 К теплее, чем эффективная температура 82 К (которая была бы температурой поверхности в отсутствие какой-либо атмосферы при условии постоянного альбедо ). [3] [12] В идеальном противопарниковом случае, описанном выше, максимальное воздействие органической дымки на Титан составляет (1-0,84) 82 К = 13 К. Это выше, чем 9 К, обнаруженные на Титане.
Органическая дымка образуется в результате полимеризации продуктов метана фотолиза и нитрилов , то есть продукты объединяются в более длинные цепи и более крупные молекулы. Эти полимеры, полученные из метана, могут быть изготовлены из полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и полиацетилена. [13] Однако распределение этих полимеров в атмосфере Титана неравномерно по вертикали. Полимеры нитрила и полиацетилена образуются в верхних слоях атмосферы, а полимеры ПАУ – в стратосфере. [13] Эти полимеры затем объединяются, образуя частицы дымки. Непрозрачность этой органической дымки на Титане для солнечного света определяется в первую очередь скоростью образования дымки. Если образование дымки увеличивается, непрозрачность дымки увеличивается, что приводит к большему охлаждению температуры поверхности. [3] Кроме того, присутствие этой органической дымки является причиной температурной инверсии в стратосфере Титана. [4]
На Земле
[ редактировать ]Прошлое
[ редактировать ]Присутствие органической дымки в архейской атмосфере Земли было впервые предложено в 1983 году и могло быть причиной антипарникового эффекта. [14] [15] Эта гипотеза возникла в результате попыток разрешить парадокс слабого молодого Солнца , согласно которому уменьшение солнечной активности в прошлом должно быть согласовано с существованием жидкой воды на Земле в то время. Чтобы объяснить, как вода может оставаться в жидкой форме, было высказано предположение, что парниковые газы помогают сохранять Землю достаточно теплой, чтобы предотвратить полное замерзание воды. Одна гипотеза предполагает, что за дополнительное тепло отвечает только углекислый газ, другая предполагает наличие как углекислого газа, так и метана. Одна из моделей показала, что метан в постбиотическом архее мог существовать при соотношении смешивания 1000 частей на миллион или выше, в то время как содержание углекислого газа могло составлять всего 5000 частей на миллион, чтобы предотвратить замерзание Земли, что примерно в 12 раз больше, чем в 2022 году. [5] [16] [17] Однако при соотношении метана к углекислому газу, равном 0,2, продукты фотолиза метана могут полимеризоваться с образованием длинноцепочечных молекул, которые могут агрегироваться в частицы, образуя антипарниковую органическую дымку. [4] Дымка образуется, когда соотношение метана и углекислого газа превышает примерно 0,1. [14] [15] Предполагается, что органический туман позволил создать петлю отрицательной обратной связи для стабилизации климата на архейской Земле. [5] Если бы температура на архейской Земле повысилась, производство метана увеличилось бы из-за возможного предпочтения метаногенами более высоких температур (см. Термофилы ). [5] Повышение температуры также приведет к увеличению потерь углекислого газа в результате выветривания из-за предполагаемого увеличения количества осадков, что приведет к снижению концентрации углекислого газа. Это приведет к более высокому соотношению метана и углекислого газа и будет стимулировать образование органической дымки. Это увеличение производства органической дымки приведет к увеличению непрозрачности атмосферы для солнечного света, уменьшению количества солнечной энергии, достигающей поверхности, и, таким образом, к снижению температуры поверхности, тем самым сводя на нет первоначальное повышение температуры поверхности. Согласно одной из оценок антипарникового эффекта на архейской Земле, воздействие при охлаждении поверхности составит примерно 20 К. [18]
Подарок
[ редактировать ]В современном состоянии атмосферы Земли имеется несколько источников антипарникового эффекта. Было высказано предположение, что стратосферный озон и термосфера Земли создают частичный антипарниковый эффект из-за своей низкой термической непрозрачности и высоких температур. [3] Кроме того, было высказано предположение, что выбрасываемая пыль, подобная той, что выбрасывается из вулканов, и ядерные осадки после ядерной войны, являются типичным примером антипарникового эффекта. [3] [6] образование стратосферных аэрозолей серы в результате выбросов вулканического диоксида серы оказывает на Землю охлаждающий эффект, который длится примерно от 1 до 2 лет. Кроме того, было замечено, что [19] Все эти источники создают температурную структуру, при которой горячий верхний слой лежит над холодной поверхностью, что символизирует антипарниковый эффект.
На других планетах
[ редактировать ]Обсуждается слабый антипарниковый эффект на Марсе, где штормы переносят пыль в верхние слои атмосферы. Доказательства этого эффекта были получены в результате измерений «Викинга-1» , проведенных в 1976-77 годах, когда после глобального шторма средняя дневная температура над землей упала на 5 градусов по Цельсию. [6]
Исследования с использованием компьютерного моделирования изучили влияние фотохимических туманов на тепловую структуру экзопланет. Применяя эту модель к горячим Юпитерам, ученые обнаружили, что включение дымки HD 189733 b привело к расширению атмосферы, помогая объяснить наблюдаемый резкий транзитный сигнал в электромагнитном спектре. Кроме того, модель HD 209458 b предсказала как фотохимическую дымку, так и такие объекты, как облака. [7]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Кови, К.; Хаберле, РМ; Маккей, CP; Титов, Д.В. (2013), «Парниковый эффект и климатические обратные связи» (PDF) , Сравнительная климатология планет земной группы , University of Arizona Press, Bibcode : 2013cctp.book..163C , doi : 10.2458/azu_uapress_9780816530595-ch007 , ISBN 978-0-8165-3059-5 , OSTI 1240051 , получено 2 июня 2022 г.
- ^ «Титан: Теплица и Антитеплица» . Журнал «Астробиология» – наука о Земле – распределение эволюции Происхождение жизни во Вселенной – жизнь за ее пределами :: Астробиология – это изучение Земли . Архивировано из оригинала 22 июля 2020 года . Проверено 15 октября 2010 г.
{{cite news}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Маккей, Кристофер П.; Поллак, Джеймс Б.; Куртен, Режис (6 сентября 1991 г.). «Парниковый и антипарниковый эффект на Титане» (PDF) . Наука . 253 (5024): 1118–1121. Бибкод : 1991Sci...253.1118M . дои : 10.1126/science.11538492 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 11538492 . S2CID 10384331 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Кэтлинг, Дэвид К. (2017). Эволюция атмосферы на обитаемых и безжизненных мирах . Джеймс Ф. Кастинг. Вест Найак: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-139-02055-8 . OCLC 982451455 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Камп, Ли Р. (2010). Земная система . Джеймс Ф. Кастинг, Роберт Г. Крейн (3-е изд.). Сан-Франциско: Прентис Холл. ISBN 978-0-321-59779-3 . OCLC 268789401 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Куртин, Р.; Маккей, CP; Поллак, Дж. (май 1992 г.). «Парниковый эффект в Солнечной системе». Исследовать . 23 (243): 542–9. Бибкод : 1992Речь...23..542С .
- ^ Перейти обратно: а б Лавас, П; Арфо, А (04 марта 2021 г.). «Влияние фотохимических дымок и газов на тепловую структуру атмосферы экзопланеты» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 502 (4): 5643–5657. arXiv : 2102.05763 . дои : 10.1093/mnras/stab456 . ISSN 0035-8711 .
- ^ «Климат и энергетический бюджет Земли» . Earthobservatory.nasa.gov . 14 января 2009 г. Проверено 3 июня 2022 г.
- ^ Робертс, доктор юридических наук (ноябрь 1971 г.). «Позднее докембрийское оледенение: антипарниковый эффект?» . Природа . 234 (5326): 216–217. Бибкод : 1971Natur.234..216R . дои : 10.1038/234216a0 . ISSN 1476-4687 . S2CID 34163139 .
- ^ Шмитхузен, Хольгер; Нотхолт, Юстус; Кениг-Лангло, Герт; Лемке, Питер; Юнг, Томас (16 декабря 2015 г.). «Как увеличение выбросов CO 2 приводит к усилению отрицательного парникового эффекта в Антарктиде» . Письма о геофизических исследованиях . 42 (23). дои : 10.1002/2015GL066749 . ISSN 0094-8276 .
- ^ Сехас, ЮАР; Тейлор, ПК; Цай, М. (2018). «Разоблачение негативного парникового эффекта над Антарктическим плато» . npj Clim Atmos Sci . 1 (17): 17. Бибкод : 2018npjCA...1...17S . дои : 10.1038/s41612-018-0031-y . ПМЦ 7580794 . ПМИД 33102742 .
- ^ «Парниковый эффект и климат Титана: уроки более холодного родственника Земли» (PDF) . Проверено 24 февраля 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б Атрея, Сушил К.; Адамс, Елена Ю.; Ниманн, Хассо Б.; Демик-Монтелара, Хайме Э.; Оуэн, Тобиас К.; Фульчиньони, Марчелло; Ферри, Франческа; Уилсон, Эрик Х. (1 октября 2006 г.). «Метановый цикл Титана» . Планетарная и космическая наука . Поверхности и атмосферы внешних планет, их спутников и кольцевых систем по данным Кассини-Гюйгенса. 54 (12): 1177–1187. Бибкод : 2006P&SS...54.1177A . дои : 10.1016/j.pss.2006.05.028 . ISSN 0032-0633 .
- ^ Перейти обратно: а б Кастинг, Дж. Ф.; Занле, К.Дж.; Уокер, JCG (1 июня 1983 г.). «Фотохимия метана в ранней атмосфере Земли» . Докембрийские исследования . Развитие и взаимодействие докембрийской атмосферы, литосферы и биосферы: итоги и проблемы. 20 (2): 121–148. Бибкод : 1983PreR...20..121K . дои : 10.1016/0301-9268(83)90069-4 . hdl : 2027.42/25194 . ISSN 0301-9268 .
- ^ Перейти обратно: а б Кэтлинг, Дэвид К.; Занле, Кевин Дж. (28 февраля 2020 г.). «Архейская атмосфера» . Достижения науки . 6 (9): eaax1420. Бибкод : 2020SciA....6.1420C . дои : 10.1126/sciadv.aax1420 . ISSN 2375-2548 . ПМК 7043912 . ПМИД 32133393 .
- ^ Хакк-Мисра, Джейкоб Д.; Домагал-Голдман, Шон Д.; Кастинг, Патрик Дж.; Кастинг, Джеймс Ф. (декабрь 2008 г.). «Пересмотренная теплица с туманным метаном для архейской Земли» . Астробиология . 8 (6): 1127–1137. Бибкод : 2008AsBio...8.1127H . дои : 10.1089/ast.2007.0197 . ISSN 1531-1074 . ПМИД 19093801 .
- ^ Министерство торговли США, NOAA. «Лаборатория глобального мониторинга – парниковые газы углеродного цикла» . gml.noaa.gov . Проверено 3 июня 2022 г.
- ^ Арни, Джада; Домагал-Голдман, Шон Д.; Медоуз, Виктория С.; Вольф, Эрик Т.; Швитерман, Эдвард; Шарне, Бенджамин; Клэр, Марк; Эбрар, Эрик; Тренер Мелисса Г. (ноябрь 2016 г.). «Бледно-оранжевая точка: спектр и обитаемость туманной архейской Земли» . Астробиология . 16 (11): 873–899. arXiv : 1610.04515 . Бибкод : 2016AsBio..16..873A . дои : 10.1089/ast.2015.1422 . ISSN 1531-1074 . ПМК 5148108 . ПМИД 27792417 .
- ^ Стенчиков Георгий Л.; Киршнер, Инго; Робок, Алан; Граф, Ганс-Ф.; Антунья, Хуан Карлос; Грейнджер, Р.Г.; Ламберт, Алин; Томасон, Ларри (27 июня 1998 г.). «Радиационное воздействие в результате извержения вулкана Пинатубо в 1991 году» . Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 103 (Д12): 13837–13857. Бибкод : 1998JGR...10313837S . дои : 10.1029/98JD00693 . hdl : 21.11116/0000-0004-ECBD-E .