Климатические катастрофы: пособие по физике для старших школьников и младших студентов

Рассмотренные трехатомные газы называются парниковыми, потому, что они позволяют накапливать энергию излучения Солнца на Земле так же, как полиэтиленовая пленка накапливает тепло в парнике на огороде. Действие этих газов объясняется тем, что видимые лучи проходят сквозь них и нагревают поверхность Земли (рис.19). Нагретая поверхность преобразует эту энергию в инфракрасное тепловое излучение. Далее парниковые газы задерживают инфракрасное излучение. Парниковые газы – это шуба Земли и Венеры. На Марсе так холодно, потому что там нет этой шубы. Его поверхность – «голая».

Рис.19. Схема действия парниковых газов, зеленая стрелка – видимый солнечный свет, красные стрелки – инфракрасное излучение

Эффект действия парниковых газов хорошо известен в практической деятельности людей. В частности, земледельцы перед заморозками зажигают костры в садах, создавая тепловую завесу в виде углекислого газа. Известен также прием обрызгивания садов водой. Пары воды – тоже парниковый газ.

Расчеты показывают, что если бы не было парниковых газов, то средняя температура Земли составляла бы около – 20 °C. В действительности же она равна +14 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 34 °C. Подобным образом, разреженная поверхность Марса также получает добавку, связанную с парниковым эффектом, но она невелика, 8 °C. Что касается Венеры, то по современным представлениям именно парниковый эффект и приводит к повышению ее температуры более чем на 500 градусов.

Сдует отметить, что атмосфера Земли содержит ничтожную часть общего количества углекислого газа Земли. В частности, в океанах растворено в сто раз большее его количество, чем в воздухе. Еще больше, на несколько порядков величины, его содержится в известняке, мраморе и доломите, в форме Ca CO₃ и Mg CO₃ , рис.20.

Влияние парниковых газов на изменения климата Земли обусловлено в частности тем, что углекислый газ обладает способностью поглощаться океанами и земной корой и покидать их. По мнению автора брошюры, важнейшая физическая проблема будущих исследований климатических катастроф – это необходимость математического описания процессов поглощения и обратного выделения углекислого газа.

Важнейшая особенность этого процесса – обратимость. Нетрудно (в заводских условиях) «газировать» обычную воду углекислым газом. В закрытой бутылке он никак себя не проявляет. Однако, если открыть пробку, начнется бурное выделение пузырьков газа. Океанская вода также поглощает и выделяет углекислый газ.

Количество поглощаемой водой углекислоты зависит от температуры. При охлаждении газ абсорбируется, а при нагревании – выделяется. Океаны представляют огромные механизмы, которые могут либо поглощать CO₂ в глубинах океанов, либо извлекать их оттуда.

Рис.20. Альпы состоят из углекислого газа, заключенного в белом доломите, https://1peak.ru/upload/iblock/25c/dolomites_tre_cime_lavaredo_italy.jpg

Кроме того, существуют механизмы превращения углекислого газа в твердые минералы, называемые карбонатами. Морские моллюски и кораллы поглощают углекислый газ и строят из него свои панцири, состоящие из солей кальция и магния. Отмершие остатки живых организмов превращаются в течение миллионов лет в известняк и мрамор. Существуют и химические реакции образования карбонатов, https://www.geolib.net/lithology/karbonatnye-porody.html .

Можно сделать вывод, что выделение достаточного количества углекислого газа из океанов может прекращать очередной ледниковый период. Однако известно, что такие процессы, так же как возникновение ураганов до сих пор является математически непредсказуемым синергетическим явлением.

Более подробное описание механизмов движения углекислого газа в атмосфере и в гидросфере Земли выходит за рамки настоящей брошюры. Обратимся далее к следующему механизму, обнаруженному десять лет назад – процессам накопления и разложения метан-гидратов.

Метан-гидратное ружье

Метан C H₄ – парниковый газ, на порядок более мощный, чем углекислый газ. Он образуется в процессах гниения растительных и других органических остатков. В последние годы экологи обнаружили, что «вечная» мерзлота Сибири содержит огромные запасы «законсервированного» метана. Дело в том, что этот газ при низких температурах способен химически соединяться с водой, образуя твердое аморфное вещество «метан-гидрат», похожее внешне на парафин. При нагреве выше 7 градусов Цельсия он разлагается, выделяя исходные метан и воду.

Рис.21. Воронка после «взрыва» метангидрата, https://www.techcult.ru/science/8721-na-yamale-najden-gigantskij-proval-v-zemle

В некоторых случаях это происходит взрывным образом, создавая воронки, изображенные на рис.21. На краю воронки видны исследователи. Работы экологов последних лет показали, что приполярная тундра в настоящее время выделяет повышенное количество метана.