Что нужно принести
- Урок 5: Что нарушает равновесие
- Урок 7: Входит видимое, выходит инфракрасное
- Урок 8: Почему CO₂ — да, а N₂ — нет
Короткое напоминание: резервуар растёт, если поступает больше, чем уходит, и не меняется, если поступает столько же, сколько уходит (урок 5). От Солнца приходит в основном видимое излучение, а поверхность испускает инфракрасное (урок 7). Парниковые газы поглощают это инфракрасное излучение и переизлучают его во всех направлениях, в том числе к поверхности (урок 8).
Объяснение
Читать объяснение
Баланс
На уроке 5 мы использовали модель «приток — отток» для массы углерода. Теперь используем ту же модель для энергии планеты:
| Случай | Что происходит со средней температурой |
|---|---|
| Поступает больше энергии, чем уходит | Растёт, и при этом поверхность испускает больше инфракрасного излучения, пока отток снова не сравняется с притоком |
| Поступает столько же, сколько уходит | Не меняется: равновесие |
| Уходит больше, чем поступает | Снижается, пока отток снова не сравняется с притоком |
Условие равновесия:
$$E_{\text{приход}} = E_{\text{уход}}$$
где $E_{\text{приход}}$ — солнечная энергия, которую поглощает планета (то, что она не отражает), а $E_{\text{уход}}$ — энергия, которую планета возвращает в космос в виде инфракрасного излучения. Средняя температура — та, при которой эти две величины равны.
Два сценария
| Без парниковых газов | С нынешней атмосферой | |
|---|---|---|
| Средняя температура поверхности | Больше чем на 30 °C ниже нынешней: ниже нуля | Около 15 °C |
| Что происходит с инфракрасным излучением поверхности | Уходит в космос, не поглощаясь | Часть поглощается и переизлучается; часть этого переизлучения возвращается к поверхности |
| Пригодна для жизни? | Нет, в известном нам виде | Да |
Естественный и усиленный
| Естественный парниковый эффект | Усиленный парниковый эффект | |
|---|---|---|
| Механизм | Поглощение и переизлучение инфракрасного излучения | Тот же |
| Что меняется | — | Поглощающих газов больше, поэтому к поверхности переизлучается больше инфракрасного излучения |
| Что не меняется | Излучение, приходящее от Солнца, и критерий поглощения каждой молекулы | |
| Результат | Температура поверхности около 15 °C | Баланс сдвигается: температура растёт до нового равновесия |
Усиленный эффект — не новое явление: это тот же механизм с большим количеством газов. На уроке 5 ты видел, откуда берётся этот дополнительный углерод: из ископаемого топлива.
Проблема не в парниковом эффекте
Без парникового эффекта на Земле было бы ниже нуля (UCAR), и она была бы непригодна для жизни. Естественный парниковый эффект — условие, при котором возможна жизнь в известном нам виде. Беспокоит то, насколько и как быстро сдвигается баланс, когда добавляются газы, а не само существование явления.
Что нагревает, а что нет
Иногда говорят, что планета нагревается от тепла, которое напрямую выделяют двигатели, обогреватели и заводы. Чтобы сравнить эту энергию с лучистой энергией, удерживаемой в балансе, нужны данные, которых нет в прочитанных источниках.
Поисковое задание (с учителем): найди в официальном источнике (IPCC, NASA или NOAA), сколько энергии в год деятельность человека выделяет напрямую в виде тепла, и сравни её с энергией, которую удерживает усиленный парниковый эффект. Запиши, откуда взято каждое число.
Исследование
Прежде чем трогать: как ты думаешь, что будет с температурой, если удвоить парниковые газы, не меняя альбедо? А если увеличить альбедо, не меняя газы?
Важно: этот симулятор — упрощённая учебная модель. Он показывает направление изменения (теплее или холоднее, немного или сильно), а не численный прогноз температуры.
Опорные данные симулятора: эталонная температура около 15 °C и альбедо 0,29 (NASA Earth Observatory, Climate and Earth's Energy Budget); переизлучение к поверхности и Земля ниже нуля без парникового эффекта (UCAR, The Greenhouse Effect). Индекс, который двигает указатель, — качественное соотношение, а не физический расчёт.
В завершение: поставь альбедо на 1. Почему тогда парниковые газы уже ничего не меняют?
Анимация
Описание анимации
Планета получает энергию от Солнца и возвращает её в космос. Пока эти две величины равны, температура не меняется.
Поступает в основном видимое излучение. Часть отражается, ничего не нагрев: облака, лёд и светлые поверхности сразу возвращают её обратно. Остальное поглощается и нагревает поверхность, а поверхность испускает вверх инфракрасное излучение, соответствующее её температуре.
Если бы этим всё ограничивалось, температура была бы около восемнадцати градусов ниже нуля. Но это не всё. Часть поднимающегося инфракрасного излучения поглощается некоторыми газами атмосферы, которые переизлучают его во всех направлениях, и часть идёт обратно вниз.
Значит, поверхность получает энергию не с одной стороны: она получает её от Солнца и ещё от атмосферы. Поэтому она теплее, чем была бы без атмосферы.
Эта разница — около тридцати трёх градусов: вместо восемнадцати ниже нуля поверхность имеет около пятнадцати. Это и есть естественный парниковый эффект, и без него планета была бы непригодна для жизни.
Осторожно с поспешным выводом: проблема не в парниковом эффекте. Проблема — в усилении этого эффекта газами, которые мы добавляем.
Источники анимации: IPCC (2021), AR6 WG1, глава 7 и рис. 7.2 — энергетический баланс и разница в 33 °C. Схема, не в реальном масштабе.
Симуляторы для этого урока
Дополнительно: интерактивные симуляторы по теме этого урока. Можно открыть до или после объяснения.
Этот урок
Энергетический баланс Земли
Меняй парниковые газы и альбедо и смотри, куда движется температура.
Открыть симулятор →
Урок 8
Молекулы и свет (PhET)
Направляй разное излучение на молекулы воздуха и смотри, какие его поглощают.
Открыть симулятор →
Урок 8
Молекулы и излучение
Симулятор проф. Федерико Гарбери: молекулы воздуха, четыре вида излучения и задание.
Открыть симулятор →
Листы для скачивания (на испанском)
Естественный и усиленный
Задания
1. От молекулы к термометру
Средняя температура поверхности растёт, когда в атмосфере увеличивается $\mathrm{CO_2}$. Объясни этот рост, связав два уровня:
- Что происходит с молекулой $\mathrm{CO_2}$, когда до неё доходит инфракрасное излучение (урок 8).
- Куда идёт излучение, которое она переизлучает.
- Как в результате меняется энергия, приходящая к поверхности, и что происходит с балансом $E_{\text{приход}} = E_{\text{уход}}$.
- Почему температура не растёт бесконечно: что происходит, когда более тёплая поверхность испускает больше.
2. Причина жизни и причина изменений
Утверждение, которое нужно защитить: парниковый эффект — причина того, что на Земле существует жизнь, и одновременно причина того, что климат меняется.
Самопроверка
Девять вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…