Парниковый эффект и проблема глобального потепления

Введение

Энергия от Солнца, которая пробивается к Земле, может столкнуться с трудностями в поиске «пути» обратно в космос. Парниковый эффект заставляет часть этой энергии уйти в атмосферу, поглощаться и выделяться парниковыми газами. Без парникового эффекта температура Земли будет ниже нуля, причем постоянно. Это, в частности, естественный процесс. Тем не менее, парниковый эффект Земли в XXI веке усиливается, учитывая, что мы выпускаем парниковые газы в атмосферу. Это согревает климат нашей планеты, что может быть опасным впоследствии. Солнечная энергия, поглощенная на поверхности Земли, излучается в атмосферу как тепло. Поскольку тепло проникает сквозь атмосферу и возвращается в космос, парниковые газы поглощают большую часть его. Парниковые газы более сложны по своему строению, чем другие молекулы газа в атмосфере, со структурой, которая может поглощать тепло. Они излучают тепло обратно к поверхности Земли, к другой молекуле парниковых газов или к пространству.
Существует несколько различных типов парниковых газов. Основными из них являются углекислый газ, водяной пар, метан и закись азота. Все эти молекулы газа состоят из трех или более атомов. Атомы удерживаются вместе достаточно свободно, чтобы они взаимодействовали, когда они поглощали тепло. В конце концов, молекулы выделяют излучение, которое, вероятно, будет поглощено другой молекулой парникового газа. Этот процесс сохраняет тепло вблизи поверхности Земли. Большая часть газа в атмосфере - азот и кислород - оба из которых представляют собой молекулы, состоящие из двух атомов. Атомы в этих молекулах тесно связаны друг с другом и не способны взаимодействовать, поэтому они не могут поглощать тепло и способствовать парниковому эффекту.
Несмотря на то, что лишь небольшое количество газов в атмосфере Земли - это парниковые газы, они оказывают огромное влияние на климат. В течение этого столетия количество углекислого газа парниковых газов в атмосфере, как ожидается, удвоится. Другие парниковые газы, такие как метан и закись азота, также увеличиваются в своих концентрациях. Количество парниковых газов увеличивается, когда сжигается ископаемое топливо, выделяя в атмосферу газы и другие загрязнители воздуха. Парниковые газы также проникают в атмосферу из других источников. Животные на многочисленных фермах, например, выделяют метан, когда они переваривают пищу. Поскольку цемент изготовлен из известняка, он тоже выделяет углекислый газ в процессе своего производства. С увеличением количества парниковых газов в воздухе более вероятно, что тепло, проходящее через его выход из атмосферы, будет прекращено. Постоянно поступающие парниковые газы поглощают тепло. Затем они излучают это тепло. Некоторая часть тепла уйдет от Земли, часть ее будет поглощена другой молекулой парникового газа, а часть ее снова вернется на поверхность планеты. С большим количеством парниковых газов, тепло будет придерживаться, согревая планету. Но вместе с тем наша планета будет нагреваться, что позволит изменить структуру течения Гольфстрим и тогда на всем Северном полушарии воцарится вечная зима. Могут так же растаять и ледники, способствуя повышения уровня Мирового океана и тогда произойдет затопление многим прибрежных территорий, на которых проживает более 1 млрд. человек. Именно поэтому проблема глобального потепления и парникового эффекта так важна сейчас.
Целью нашей работы является рассмотрение аспекта парникового эффекта и глобального потепления.
Задачи работы:
1. Проанализировать литературу по теме нашей работы;
2. Изучить явление парникового эффекта;
3. Рассмотреть парниковый эффект как причину глобального потепления.


1. Изучение явления парникового эффекта
Парниковый эффект - это процесс, с помощью которого излучение из атмосферы планеты нагревает поверхность планеты до температуры выше, чем она будет без ее атмосферы. Если атмосфера планеты содержит радиационно активные газы (т. е. парниковые газы), они будут излучать энергию во всех направлениях. Часть этого излучения направлена ​​на поверхность, нагревая ее. Интенсивность нисходящего излучения, то есть сила парникового эффекта, будет зависеть от температуры атмосферы и количества парниковых газов, содержащихся в ней. Естественный парниковый эффект Земли имеет решающее значение для поддержания жизни. Деятельность человека, главным образом сжигание ископаемого топлива и очистка лесов, укрепила парниковый эффект и вызвала глобальное потепление [3].

Рис. 1. Парниковый эффект
Термин «парниковый эффект» возник из-за ошибочной аналогии с воздействием солнечного света, проходящего через стекло, и потепления теплицы. То, как теплица сохраняет тепло, принципиально отличается, поскольку теплица работает главным образом за счет уменьшения воздушного потока, так что теплый воздух остается внутри. Существование парникового эффекта было аргументировано Джозефом Фурье в 1824 году. Аргумент и доказательства были еще более усилены Клодом Пуйле в 1827 и 1838 годах и обоснованы экспериментальными наблюдениями Джона Тиндалла в 1859 году, которые измеряли радиационные свойства конкретных парниковых газов. Эффект был более точно оценен Сванте Аррениусом в 1896 году, который сделал первое количественное предсказание глобального потепления из-за гипотетического удвоения атмосферного углекислого газа. Однако термин «теплица» не использовался для обозначения этого эффекта ни одним из этих ученых; этот термин впервые был использован таким образом Нильсом Густафом Экхольмом в 1901 году [7].
Идеальное теплопроводное черное тело на том же расстоянии от Солнца, что и Земля, будет иметь температуру около 5,3°C. Однако, поскольку Земля отражает около 30% входящего солнечного света, эта эффективная температура идеальной планеты (температура черного тела, которая излучала бы такое же количество излучения) была бы около -18°C. Температура поверхности этой гипотетической планеты составляет 33°C ниже фактической температуры поверхности Земли около 14°C.
Основной механизм действия парниковых газов можно квалифицировать несколькими способами, ни одна из которых не влияет на фундаментальный процесс. Атмосфера вблизи поверхности в значительной степени непрозрачна для теплового излучения, а большая потеря тепла с поверхности обусловлена ​​достаточным теплом и скрытым переносом тепла. Радиационные потери энергии становятся все более важными в атмосфере, в основном из-за уменьшения концентрации водяного пара, парникового газа. Более реалистично думать о парниковом эффекте как применении к «поверхности» в середине тропосферы, которая эффективно связана с поверхностью градиентом скорости. Простая картина также предполагает устойчивое состояние, но в реальном мире существуют вариации из-за суточного цикла, а также сезонного цикла и погодных помех. Солнечное отопление применяется только в дневное время. Ночью атмосфера немного охлаждается, но не сильно, потому что ее излучательная способность низкая. Суточные изменения температуры снижаются с высотой в атмосфере [7].

Рис. 2. Процентное соотношение количества парниковых газов, выпускаемые в атмосферу от стран
В регионе, где важны радиационные эффекты, описание, данное идеализированной парниковой моделью, становится реалистичным. Поверхность Земли, нагретая до температуры около 255 К, излучает длинноволновое инфракрасное излучение в диапазоне 4-100 мкм

. На этих длинах волн парниковые газы, которые были в значительной степени прозрачны для поступающего солнечного излучения, являются более абсорбирующими. Каждый слой атмосферы с парниковыми газами поглощает часть тепла, излучаемого вверх из нижних слоев. Он идет во всех направлениях, вверх и вниз; в равновесии (по определению) столько же, сколько он впитал. Это приводит к более высокой температуре на низких участках атмосферы. Увеличение концентрации газов увеличивает количество абсорбции и переизлучения, и тем самым дополнительно нагревает слои и, в конечном счете, поверхность в низких слоях атмосферы, где и находится непосредственно вся флора и фауна планеты. Парниковые газы, в том числе большинство двухатомных газов с двумя разными атомами (например, угарный газ, СО) и все газы с тремя или более атомами, способны поглощать и излучать инфракрасное излучение. Хотя более 99% атмосферы является ИК-прозрачной (поскольку основные составляющие - N2, O2 и Ar - не способны непосредственно поглощать или излучать инфракрасное излучение), межмолекулярные столкновения вызывают поглощение и выброс парниковых газов в атмосферу [8].
Причины парникового эффекта
Хотя парниковый эффект является естественным явлением и считается одной из причин того, что жизнь может существовать на Земле (поскольку парниковые газы удерживают поверхность Земли достаточно теплой, чтобы мы могли жить здесь: без них Земля будет примерно на 33 градуса по Цельсию холоднее средний, делая много мест неблагоприятными для проживания), парниковый эффект усиливает многие процессы, как, например, глобальное потепление. Существует ряд причин, по которым в атмосферу выливается больше обычных парниковых газов. Мы сами вызываем много лишних парниковых газов. В атмосфере есть несколько причин появления дополнительных парниковых газов.
1. Сжигание ископаемых топлив
Ископаемые виды топлива, такие как газ, нефть и уголь, представляют собой соединения на основе углерода, которые существовали в земной коре в течение многих миллионов лет. Они были созданы в результате разложения органического вещества, такого как растения и даже динозавры, которые жили на поверхности Земли сотни миллионов лет назад. Таким образом, этот углерод хранится на поверхности Земли в различных состояниях - твердом, жидком и газообразном, - и до недавнего времени не попадал в атмосферу.
Однако, поскольку мы начали использовать ископаемое топливо для наших автомобилей, электричество и тепло, например, мы начали выливать тысячи тонн двуокиси углерода в атмосферу каждый год. Сжигание топлива, такого как уголь, нефть, древесина, газ, производит углекислый газ, который выделяется в атмосферу. Таким образом, углерод, который когда-то содержался на Земле, высвобождается в атмосферу, и этот углекислый газ, как было сказано ранее, представляет собой парниковый газ, который задерживает тепло солнца в атмосфере Земли. CO2 является одним из газов, который в первую очередь отвечает за парниковый эффект. Отходы, образующиеся на заводах и в промышленности, содержащие токсичные вещества, сбрасываются на открытом воздухе, производя вредные газы. Поэтому сжигание ископаемого топлива напрямую способствует парниковому эффекту и в значительной степени глобальному потеплению.
2. Сельское хозяйство
Как ни странно, сельское хозяйство может оказать существенное влияние на парниковый эффект. В основном, потому что требования сельского хозяйства сейчас настолько велики - тот факт, что на Земле так много людей, которые все хотят получить пищу, например, еще больше животных содержатся на фермах, чтобы обеспечить людей пропитанием. Среди наиболее распространенных животных - коровы. Однако проблема заключается в том, что коровы выпускают метановый газ - один из основных парниковых газов - в атмосферу очень регулярно. И с таким количеством миллионов из них, живущих сейчас на Земле, в атмосферу каждый день выделяется огромное количество дополнительного метанового газа, что способствует парниковому эффекту.
 3. Обезлесение
Люди дышат кислородом, растения делают точно противоположное. Фактически, углекислый газ является ключевым элементом в фотосинтезе. Деревья и растения берут много углекислого газа из воздуха и возвращают кислород, что делает вещи сбалансированными в атмосфере. В конце концов, нам нужны парниковые газы и парниковый эффект, чтобы жить на Земле, но нам не нужно слишком много, иначе Земля начнет слишком быстро нагреваться, как сейчас, например. К сожалению, однако, поскольку мы каждый год вырубаем столько деревьев и не заменяем их вообще или не выращиваем достаточно новых деревьев, эти растения не могут не регулировать количество кислорода и углекислого газа в атмосфере. Это означает, что в воздухе больше углекислого газа, чем когда-либо, и это в значительной степени способствует парниковому эффекту.
С другой стороны, обезлесение способствует глобальному потеплению. В связи с увеличением проектов в сфере недвижимости, количество деревьев, которые вырубаются ежедневно, достигает больших количеств. Деревья поддерживают баланс окружающей среды, поскольку они потребляют углекислый газ и выделяют кислород. Поскольку рост новых заводов происходит не таким темпом, при котором вырубаются деревья, результат состоит в том, что для сохранения баланса окружающей среды осталось меньше деревьев.
4. Увеличение численности населения
Увеличение населения еще больше сказалось на окружающей среде. С ростом населения спрос на топливо, нефть, газ, дом, транспорт также увеличивается. Все это в той или иной степени повышает уровень CO2, что, в свою очередь, увеличивает глобальное потепление [1].
Таким образом, из-за парникового эффекта, в сочетании с увеличением уровней парниковых газов и, как следствие, глобальным потеплением, эти изменения на планете будут иметь серьезные последствия, с чем согласны ученые. Если глобальное потепление не прекратится, это вызовет значительное изменения климата, повышение уровня моря, увеличение подкисления океана, экстремальные погодные явления и другие серьезные природные и социальные последствия, согласно исследованиям NASA, EPA и других научных и правительственных органов. Но есть те, которые говорят, что парниковые газы не являются причиной глобального потепления, хотя это противоречит мнению мирового научного сообщества.
2. Следствие парникового эффекта – глобальное потепление
Глобальное потепление - это термин, используемый для описания постепенного повышения средней температуры атмосферы Земли и ее океанов, что, как полагают, постоянно изменяет климат Земли. Есть много дискуссий среди ученых, обычных людей, а иногда и в новостях о том, действительно ли глобальное потепление существуют (некоторые полагают, что это является мистификацией). Но ученые-климатологи, рассматривающие данные и факты, согласны с фактом потепления климата. Хотя многие считают, что последствия глобального потепления являются более значительными и более быстрыми темпами, чем другие, научный консенсус относительно климатических изменений, связанных с глобальным потеплением, заключается в том, что средняя температура Земли возросла между 0,4 и 0,8°C за последние 100 лет, что является действительно большим значением [3]