Природа и общество. Модели катастроф

Этот закон, установленный опытами Стефана, был затем выведен Больцманом из основных принципов термодинамики и является одним из самых важных законов природы. Он постоянно применяется в астрофизике, и нет никаких сомнений в его применимости к Земле. (Напомним, что имеется в виду Земля без атмосферы, а не бо'льшая система, состоящая из Земли вместе с ее атмосферой). Поясним на примере, какие выводы следуют из закона Стефана – Больцмана в применении к Земле. Предположим, что Земля перешла в другое состояние, с температурой поверхности T' = T + ΔT; спрашивается, как изменится мощность ее излучения W? Или, обратно, пусть известно, насколько изменилось излучение W ; спрашивается, как изменится температура? На эти вопросы можно дать однозначный и совершенно бесспорный ответ. При температуре T' излучаемая мощность W' равна

W' = CT'⁴,

с тем же универсальным множителем C. Деля это соотношение на предыдущее, получаем

или, полагая T' = T + ΔT, W' = W + ΔW,

Если изменение температуры ?T мало по сравнению с T, то можно, вычислив степень справа, отбросить высшие степени малой величины ΔT/T ; тогда имеем

или

Пусть теперь известно, что излучение Земли – по любым причинам – изменилось на 1%, то есть ΔW/W = 0,01. Насколько изменится температура земной поверхности T?. Из предыдущей формулы =0,0025, и полагая T = 300°, имеем ΔT = 0,75°, так что температура Земли изменится примерно на один градус.

Парниковые газы. Инфракрасное излучение Земли уходит в космос через атмосферу. Молекулы газов, составляющих атмосферу, могут рассеивать это излучение, в конечном счете возвращая часть его обратно на Землю. Примечательным образом, главные составляющие земной атмосферы – двухатомные молекулы азота N₂, кислорода O₂ и одноатомные молекулы аргона Ar – не ответственны за этот процесс. Это весьма малые молекулы, по сравнению с длиной волны инфракрасного излучения, а столь малые молекулы почти не задерживают длинноволнового излучения. Если бы атмосфера состояла только из этих главных газов, то она свободно пропускала бы излучение Земли. Препятствие для этого излучения составляют большие молекулы таких газов, как углекислый газ CO₂, метан CH₄ и некоторые другие, о которых еще будет речь. Несмотря на небольшое содержание этих газов в атмосфере, они перехватывают (вместе с облаками) почти 90% длинноволнового излучения Земли и отсылают обратно на Землю значительную его часть. В конечном счете, после повторного отражения газовыми молекулами, большая часть излучения Земли прорывается в космос. Но все же определенная часть его задерживается "парниковыми газами", и поскольку оптические свойства всех газов известны, то можно вычислить, какую часть излучения не выпускают в космос эти газы.

Если эта часть излучения возрастает на ΔW, вследствие промышленного выброса "парниковых газов", то это добавочное излучение возвращается на Землю. Тогда полное излучение, падающее на Землю, увеличивается на ΔW, а следовательно, по закону сохранения энергии, на столько же возрастает излучение Земли. Но тогда возрастает и температура земной поверхности, и ее приращение ΔT можно вычислить по закону Стефана – Больцмана, как мы видели выше. Таким образом, если известно, как изменился состав атмосферы, то строгие методы физики позволяют вычислить вызванное этим изменение температуры.

"Парниковый эффект" – вовсе не новое явление, связанное с технической деятельностью человека; это явление существовало всегда. Можно подсчитать, что если бы вообще не было парниковых газов, то средняя температура Земли была бы не +20° C, как сейчас, а –18° C и скорее всего, при такой температуре не могла бы возникнуть жизнь. Таким образом, сам по себе "парниковый эффект" благотворен; опасно его быстрое нарастание, наблюдаемое с 1750го года – с начала "технической революции".

Важнейшим из "парниковых газов" является углекислый газ CO₂, который один ответственен за 60% "парникового эффекта". Содержание CO₂ в атмосфере тщательно изучено исследованием воздуха, извлеченного из глубинных слоев антарктического льда. Оказалось, что с конца последнего ледникового периода (около 10000 лет назад) до 1750-го года это содержание было почти неизменно, а после этого возрастало по отчетливому экспоненциальному закону, как это видно из рисунка 7. В начале технической революции концентрация CO₂ составляла, по объему, 280 миллионных атмосферного воздуха, а теперь – 360 миллионных, то есть выросла на 30%. Тот же закон подтверждается современными измерениями, выполненными на десятках независимых обсерваторий. Например, на рисунке 8 изображен рост концентрации CO₂ в течение последних десятилетий, по данным обсерватории Мауна-Лоа на Гавайских островах. Поскольку на этих островах нет никакой промышленности, эти данные должны быть близки к средним величинам, образующимся путем перемешивания во всей атмосфере Земли

Рис.7

Изменение концентрации CO₂ в атмосфере начиная примерно с 1750 года по данным анализа глубинного льда ледника Siple в западной Антарктиде.

Рис.8