Как работает парниковый эффект: энергетический баланс, радиационное воздействие и чувствительность климата

Энергия приходит, энергия уходит

Температура Земли устанавливается там, где энергия, поглощаемая от Солнца, равна энергии, излучаемой в космос. На верхней границе атмосферы солнечный свет приходит с плотностью S₀ = 1361 Вт/м². Земля перехватывает его диском, но её площадь как шара вчетверо больше, поэтому в среднем по всей поверхности приходится S₀ ÷ 4 = 340 Вт/м². Около 30% (альбедо, α) сразу отражается облаками, льдом и светлой поверхностью, и поглощается 238 Вт/м².

Тело излучает σT⁴ с квадратного метра (закон Стефана — Больцмана, σ = 5,67 × 10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴)). Приравняв σT⁴ = 238, получаем

T_e = (S₀(1 − α) ÷ 4σ)^1/4 = 255 К = −18 °C

Такой была бы температура Земли без парникового эффекта. Реальная средняя температура поверхности около 15 °C — на 33 градуса теплее.

Парниковый эффект

Солнечный свет — в основном видимый, и воздух его пропускает. Нагретая поверхность излучает в инфракрасном диапазоне, около 10 мкм, а водяной пар, углекислый газ, метан и несколько других газов поглощают большую часть этого излучения и переизлучают его во всех направлениях, в том числе обратно вниз. Поэтому поверхность получает энергию и от Солнца, и от атмосферы и нагревается, пока не станет излучать достаточно, чтобы уравновесить обе. В однослойной модели, где атмосфера поглощает долю ε инфракрасного излучения поверхности,

T_s = T_e × (2 ÷ (2 − ε))^1/4

и ε = 0,77 даёт наблюдаемые 288 К. (Настоящая теплица сохраняет тепло в основном тем, что не даёт тёплому воздуху подниматься, а не так, но название прижилось.)

Радиационное воздействие

Добавление парникового газа заставляет атмосферу поглощать больше уходящего инфракрасного излучения, поэтому планета теряет меньше энергии, чем получает, пока не нагреется. Дисбаланс сразу после изменения — это радиационное воздействие (радиационный форсинг), ΔF. Для CO₂ оно растёт как логарифм концентрации:

ΔF = 5,35 ln(C ÷ C₀) Вт/м², где C₀ = 280 ppm до индустриальной эпохи

так что каждое удвоение добавляет 5,35 × ln 2 = 3,7 Вт/м² при любом исходном уровне. Логарифм появляется потому, что сильнейшие полосы поглощения уже почти насыщены, и дополнительный CO₂ работает в основном на их краях. Метан добавляет около 0,036(√M − √M₀) Вт/м² при M в ppb, а изменение альбедо добавляет −(S₀ ÷ 4) Δα.

Чувствительность климата

Температура растёт, пока дополнительное уходящее излучение не скомпенсирует воздействие: ΔT = λ ΔF. Без обратных связей, только от σT⁴, λ ≈ 0,3 К на Вт/м², около 1,2 °C на удвоение CO₂. Но тёплый воздух удерживает больше водяного пара (на 7% больше на градус), а он сам парниковый газ; сокращающиеся снег и лёд делают поверхность темнее; меняются облака. Вместе эти обратные связи поднимают λ примерно до 0,8, и потепление на удвоение, равновесная чувствительность климата, вероятно, составляет от 2,5 до 4 °C с наилучшей оценкой 3 °C.

Разобранный пример

CO₂ растёт с 280 до 420 ppm, а метан — с 722 до 1920 ppb.

Воздействие CO₂: 5,35 × ln(420 ÷ 280) = 5,35 × 0,405 = 2,17 Вт/м².
Воздействие метана: 0,036 × (√1920 − √722) = 0,036 × (43,8 − 26,9) = 0,61 Вт/м².
Всего: 2,78 Вт/м². При λ = 0,81 К на Вт/м² потепление после установления равновесия 0,81 × 2,78 = 2,25 °C.

Наблюдаемое до сих пор потепление около 1,2 °C, меньше этого, потому что океаны ещё не догнали, а аэрозольное загрязнение (здесь не учтённое) отражает солнечный свет и компенсирует примерно треть парникового воздействия.

Как быстро реагирует температура

У поверхностного слоя океана большая теплоёмкость, около 8 Вт·год на м² на К для перемешанного слоя 60 м. Тогда температура подчиняется C dT ÷ dt = ΔF − (T − T₀) ÷ λ и приближается к новому равновесию с постоянной времени Cλ ≈ 6,5 года. Глубинный океан, который эта модель не учитывает, нагревается веками и заставляет реальный климат ещё долго догонять после того, как воздействие перестаёт расти.

Как пользоваться симуляцией

В Симулятор парникового эффекта жёлтые фотоны солнечного света идут вниз, а красные инфракрасные — вверх; серая молекула, поймавшая фотон, вспыхивает и отправляет его в случайном направлении. Температура начинается с доиндустриальных 13,8 °C и движется к равновесию для выбранных настроек. Попробуйте:

Удвойте CO₂ с 280 до 560 ppm с каждым набором обратных связей: потепление в равновесии 1,2, 2, 3 или 4,5 °C.
Уменьшите вдвое с 560 до 280: воздействие меняется на те же 3,7 Вт/м² — работает логарифм.
Поднимите альбедо с 0,30 до 0,31: охлаждение на 3,4 Вт/м² перевешивает сегодняшнее воздействие CO₂ в 2,2 Вт/м², поэтому облака и лёд так важны.
Измените солнечную постоянную на 1 Вт/м² (типичный солнечный цикл): воздействие всего 0,17 Вт/м², гораздо меньше, чем у CO₂.

Что предполагает модель

Нульмерная планета: одна глобальная средняя температура, без дня и ночи, времён года, широт, суши и океана.
Один перемешанный слой океана с постоянной теплоёмкостью, без глубинного океана.
Упрощённые формулы воздействия для CO₂ и метана, без перекрытия полос метана и закиси азота, без других газов, аэрозолей, озона и землепользования.
Постоянная чувствительность климата λ, одинаковая при любой температуре, выбираемая из списка.
Фотоны показывают идею, а не числа. Вероятность, что инфракрасный фотон будет пойман, растёт с CO₂ для наглядности; температура берётся из уравнений энергетического баланса, а не из подсчёта фотонов.

Крайние случаи

CO₂ 280 ppm, метан 722 ppb, альбедо 0,30: воздействия нет, и температура остаётся 13,8 °C.
Очень низкий CO₂ даёт отрицательное воздействие и охлаждение; ниже примерно 150 ppm растениям трудно фотосинтезировать — это нижний предел ползунка.
Без обратных связей остаётся только реакция Планка: потепление наименьшее, а приближение к равновесию самое быстрое, поскольку постоянная времени пропорциональна λ.
Большие изменения альбедо (ледниковые периоды, «Земля-снежок») подавляют всё остальное: переход от 0,30 к 0,60 убирает около 100 Вт/м².

Где модель перестаёт быть верной

Обратные связи не постоянны. Обратные связи льда и альбедо и облаков меняются вместе с самим климатом; у некоторых порогов (ледяные щиты, вечная мерзлота, океанская циркуляция) реакция может быть резкой и медленно обратимой.
Региональный климат. Потепление неравномерно: Арктика теплеет в три-четыре раза быстрее среднего, суша быстрее океана. Модель с одним числом ничего не может сказать об осадках, штормах или местных температурах.
Переходное потепление. Поскольку глубинного океана нет, модель приходит к равновесию за десятилетия; реальный климат продолжает теплеть веками после стабилизации концентраций, а уровень моря растёт ещё гораздо дольше.
Углеродный цикл. Здесь CO₂ задаётся вручную; в реальности океаны и леса поглощают около половины выбросов, а потепление может ослабить эти стоки.
Крайности, как на Венере. При очень высоком CO₂ логарифмическая формула и простая слоевая модель не работают; нужен подробный расчёт переноса излучения.

Связанные инструменты

Симулятор излучения абсолютно чёрного тела показывает, почему Солнце светит в видимом свете, а Земля — в инфракрасном, а Симулятор времён года и продолжительности дня показывает, как солнечный свет распределяется по широтам и в течение года. Температуры переводит Конвертер температуры.

Как работает парниковый эффект