Газета "Своими Именами" №28 от 09.07.2013

Концентрация различных газов в зависимости от их плотности распределяется неравномерно по высоте атмосферы – концентрация тяжелых газов выше в нижних слоях, а легких – в высоких слоях атмосферы. Плотность газа пропорциональна его молекулярному весу. Молекулярный вес азота (N₂), составляющего 78% атмосферы, 14·2=28, кислорода (O₂) – 16·2=32, водяного пара (H₂O) – 1·2+16=18, углекислого газа (CO₂) – 12+16·2=44. Углекислый газ концентрируется в основном в нижних слоях атмосферы. Водяной пар поднимается на определенную высоту и образует облака. Подняться еще выше пару мешает конденсация, усиливающаяся с понижением температуры и с увеличением концентрации водяных паров. Концентрация кислорода уменьшается с высотой, но её изменение не такое сильное, как у других газов, ввиду близости молекулярных весов азота и кислорода.

Содержание CO₂ в атмосфере составляет примерно 0,04%. Несмотря на малую концентрацию, углекислый газ играет важную роль в нашей жизни, обеспечивая пищей всю растительность Земли. Однако, невзирая на несомненные заслуги, углекислый газ в последние десятилетия подвергается постоянным нападкам. Его уже причислили к «вредным выбросам» и назвали главным виновником грозящей человечеству катастрофы  в виде глобального потепления. Появились даже предложения своеобразного «уголовного наказания» углекислого газа в виде закачивания его под землю.

Попробуем спокойно разобраться, насколько обоснованны эти обвинения. CO₂ обладает свойством поглощать часть инфракрасного излучения. Причём задерживает он не только излучение, идущее от Земли, но и излучение, идущее от Солнца. Но т.к. CO₂  концентрируется в нижних слоях атмосферы, задержка солнечных лучей не приводит к охлаждению воздуха вблизи земли, а поглощение земного излучения нагревает нижние слои атмосферы. Так что CO₂  виноват не в том, что задерживает инфракрасное излучение, а в том, что слишком тяжёлый и не может подняться наверх (водяной пар ещё сильнее поглощает тепловое излучение – и никаких претензий!). Вина углекислого газа в повышении температуры воздуха несомненна, но насколько она велика?

Все газы отличаются селективным (избирательным) излучением и поглощением: они поглощают излучение только в определенных интервалах длин волн, для волн, не входящих в эти интервалы, газ является прозрачным. CO₂ имеет только три заметные полосы поглощения: в интервалах длин волн от 2,4 до 3,0 мк, от 4,0 до 4,8 мк и от 12,5 до 16,5 мк. (Всё инфракрасное излучение находится в диапазоне от 0,8 до 800 мк.) Но и в этих узких полосах поглощения даже максимальные значения коэффициентов поглощения меньше единицы.

Борцы с углекислым газом утверждают, что, по данным исследования полярных льдов, содержание CO₂  в атмосфере за последние 150 лет увеличилось на 30%. Иными словами, концентрация CO₂  увеличилась с 0,03% до нынешних 0,04%, т.е. на 0,01%. Представляется крайне сомнительным, что эти несчастные 0,01% концентрации CO₂, поглощающего тепло в узких диапазонах, способны поглотить более 1% всего излучения Земли (как мы выяснили выше, это необходимо для того, чтобы повышенная на 0,7°C, по сравнению с началом прошлого века, температура планеты не снижалась). Попробуем проверить наши сомнения оценочными расчётами.

Земля обладает сплошным спектром излучения. Тем не менее предположим, что максимум её излучения приходится на диапазон длин волн от 2,4 до 16,5 мк, в котором расположены полосы поглощения CO₂, а излучение в этом диапазоне составляет половину всего излучения Земли.

Полосы поглощения   CO₂  составляют менее 0,4 этого диапазона. Примем средний коэффициент поглощения CO₂  равным 0,5.

В том же диапазоне от 2,4 до 16,5 мк поглощает тепло и водяной пар, причем полосы поглощения H2O в основном перекрывают полосы поглощения CO₂. Учитывая, что концентрация водяных паров в атмосфере примерно на порядок больше концентрации CO₂, логично предположить, что в полосах поглощения CO₂  основную часть излучения поглощает водяной пар. Допустим всё же, что на долю CO₂  остается 0,2 излучения.

Углекислый газ не только поглощает земное излучение, но и сам излучает тепло на Землю. Разница между отданным и полученным тепловыми потоками называется результирующим тепловым потоком. Результирующий тепловой поток пропорционален разности четвертых степеней абсолютных температур (излучение газов несколько отклоняется от закона Стефана-Больцмана, но для упрощения рассуждений эти отклонения не будем учитывать).

Предположим, что средняя температура CO₂  в атмосфере на 15°C ниже температуры поверхности Земли. Тогда в соответствующем диапазоне длин волн поглощённое CO₂ и H₂O тепло составит 0,2 земного излучения.

Все наши расчёты нужно отнести к относительному приросту за сто лет содержания CO₂  в атмосфере, равному 0,3. После перемножения коэффициентов получим относительную величину уменьшения излучения Земли в космос за счет 30% увеличения содержания CO₂  в атмосфере:

0,5x0,4x0,5x0,2x0,2x0,3 = 0,0012.