Физические и химические основы возникновения парникового эффекта

Физика парникового эффекта

Парниковый эффект вокруг планеты связан с наличием вокруг неё устойчивой атмосферы.

Рисунок 1. Физика парникового эффекта. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Земля, для поддержания своего температурного баланса, должна отдавать энергии столько же, сколько получает её от Солнца. Но, атмосфера не однородна, в её состав входят углекислый газ и водяной пар. Они играют роль стекла в теплице, поглощая инфракрасные лучи. Их наличие в атмосфере вызывает образование парниковых газов, некоторые из них частично возвращаются обратно к Земле. У поверхности планеты эти газы повышают температуру, создавая «эффект одеяла».

Впервые идея парникового эффекта, создаваемого атмосферой Земли, была сформулирована французским математиком и физиком Жаном Фурье в 1824 г, но ему были неизвестны те газы, которые поглощают инфракрасное излучение. Выяснил это в 1859 г Джон Тиндаль.

Один из основоположников современной физической химии – Сванте Аррениус выдвинул свою гипотезу относительно парникового эффекта. Он показал, что диоксид углерода, находящийся в атмосфере в ничтожно малом количестве (0,3%), поддерживает её температуру на 5-6 градусов выше, чем, если бы он отсутствовал.

Любое тело, температура которого отличается от абсолютного нуля, будет испускать электромагнитное излучение. От температуры зависит максимум интенсивности этого излучения. Максимум солнечного излучения, температура на поверхности которого составляет 6000 градусов, находится в видимой области спектра (длина волны будет около 0,5 микрона).

Атмосфера в данной области находится в прозрачном состоянии, поэтому значительная часть лучей Солнца доходит до поверхности Земли, поглощается и нагревает её. Через излучение Земля тоже отдает свою энергию, но, средняя температура планеты составляет всего +15 градусов, а это значит, что максимум её излучения смещается в инфракрасную область (длина волны около 15 микрон) и излучение поглощается атмосферой уже очень сильно.

При отсутствии парникового эффекта температура на Земле была бы ниже современной на 33 градуса.

Атмосфера не пропускает часть солнечной энергии и отражает почти 1/3 дошедшей энергии обратно в космос. На каждый квадратный метр доходит 342 ватта, из которых отражается 102 ватта, а 240 ватт проходят через атмосферу. Часть дошедшей энергии отражается обратно и ещё раз проходит через атмосферу с новыми потерями. От атмосферы ещё раз отражается часть энергии и снова возвращается к поверхности Земли.

Главная роль в парниковом эффекте принадлежит способности поверхности Земли отражать солнечные лучи и способность атмосферного экрана пропускать их туда и обратно. Е

сли бы парниковый эффект отсутствовал, то поверхность Земли получала бы 240 ватт на каждый квадратный метр и отражала бы их обратно, но этого не происходит. Из 240 ватт полученной энергии поглощается 2/3 и 1/3 отражается. Каждый квадратный метр территории нагревается этими 160 ваттами (2/3), а 80 ватт уходит обратно в небо.

Для сохранения энергетического баланса планета должна отдать космосу те же 240 ватт. Поскольку Земля имеет горячее ядро, то она излучает как отраженную энергию Солнца и ещё имеет свое инфракрасное излучение, равное 300 ваттам на квадратный метр.

Таким образом, Земля получает 240 ватт, а отдает 380 ватт, из которых через атмосферу проходит около 150 ватт. Остальное количество энергии возвращается к поверхности Земли и нагревает её. Получается, что планета сама себя греет.

Химия парникового эффекта

Почти весь поток инфракрасного излучения парниковые газы возвращают из тропосферы. Безвозвратно в космос излучение уходит с уровня тропопаузы. Исключением из этого правила является слой озона, относительное содержание которого растет с высотой.

Своего максимума озоновый слой достигает на высоте 20-25 км. Озон тропосферы от общего его содержания составляет только 10%. Если он будет истощен на 6,8%, то его содержание сократится на 2,6%, а содержание метана сократится на 5,5%. Одновременно с этим в тропосфере увеличивается концентрация свободных радикалов ОН, являющихся важным окислителем, на 5%, атомарного кислорода на 12%.

Истощение озонового слоя в тропосфере приводит к повышенному потоку ультрафиолетового излучения в диапазоне 290-320 нм.

ОН, вступая в реакции с молекулами метана и фторуглеродов, уменьшают их концентрацию в тропосфере и снижают прямой парниковый эффект этих веществ.

При разрушении небольшого количества тропосферного озона происходит дополнительное снижение парникового эффекта.

В значительной степени на парниковый эффект влияют тропосферные химические процессы.

Причины этого:

• рост тропосферного озона связан с концентрацией и эмиссией метана, оксида углерода, оксидов азота;
• расходование ОН радикалов в реакциях с увеличившимся количеством метана и оксида углерода, уменьшает их концентрацию;
• дополнительное увеличение концентрации ОН радикалов.

Окисление метана и оксида углерода с образованием озона, происходит следующим образом – сначала идет окисление метана, затем оксида углерода и оксида азота.

К парниковым газам относятся углекислый газ, метан, закись азота, перфторуглероды, гидрофторуглероды, гексафторид серы.

Источником изменений климата является углекислый газ (диоксид карбона), на долю которого приходится 64% глобального потепления. Что касается метана (СН4), то он имеет природное и антропогенное происхождение. Его доля в глобальном потеплении составляет 20%. По значимости на третьем месте находится закись азота (N2O), на которую приходится 6% глобального потепления.

В таких углеводородных соединениях, как перфторуглероды, фтор частично замещает углерод и основным источником этих газов является производство алюминия, растворителей, электроники.

В углеводородных соединениях гидрофторуглероды водород частично замещается галогенами.

Парниковый газ – гексафторид серы используется в электроэнергетике в качестве электроизоляционного материала. В атмосфере он сохраняется длительное время и относится к активным поглотителям инфракрасного излучения, поэтому имеет потенциальную возможность оказывать влияние на климат длительное время.

Геополитика глобального потепления

В борьбе с потеплением есть политическая подоплека, всегда находившаяся за «кулисами». Проявилась она в период противостояния Большой восьмерки и Большой пятерки в 2008 г.

Страны Большой пятерки заявили о своем несогласии с этой политикой.

Геополитика глобального потепления имеет тесную связь с энергетикой. Суть заключается в том, что в основе энергетики таких стран, как Индия и Китай, лежит каменный уголь, стратегические запасы которого у них огромны.

Уголь является грязным, а значит опасным топливом для всей планеты, потому что при сжигании тонны угля в атмосферу выделяется 0,5 тонны углекислого газа. Если индийские и китайские выбросы углекислого газа сократить, то это негативно скажется на экономическом росте стран и уровне жизни их населения.

Производство электроэнергии и уровень жизни находятся в прямой зависимости друг от друга. Население Индии и Китая хочет жить хорошо и работать для достижения этого высокого уровня. Развитые же страны предлагают им вместо благополучия жить в неотапливаемых и неэлектрофицированных трущобах.

Китайское правительство приняло программу строительства большого количества тепловых электростанций и китайцы эту программу перевыполняют. В 2005 г в строй вошли мощности на 70 000 мегаватт, а в 2006 г введены мощности более чем на 100 000 мегаватт. Китайская энергетика на 85% работает на угле.

В Индии доступ к электричеству имеет только 60% населения, т.е. 400 млн. человек.

Отсюда понятно, что развитые страны хотят иметь механизм ограничения экономического роста Индии и Китая. Таким механизмом стал протокол Киото.

Американцы сумели в ООН убедить многие страны присоединиться к этому протоколу по «спасению планеты», а сами Протокол ещё не подписали.

Китай Киотский документ не подписал.

Киотский протокол является попыткой старого мира держать на контроле развитие мира молодого и более «энергичного», с единственной целью – сохранить привилегированный образ жизни.