Физико-химическая сущность явления

Парниковый эффект.

Парниковый эффект связан со способностью атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать излучение Земли и в результате способствовать накоплению теплоты у ее поверхности. Атмосфера Земли достаточно хорошо пропускает коротковолновое солнечное излучение, которое почти целиком поглощается земной поверхностью из-за малого значения альбедо (отражательной способности) последней. Благодаря этому поверхность Земли нагревается, и, в свою очередь, становится источником, но уже длинноволнового излучения. Атмосфера почти полностью его поглощает, что приводит к повышению температуры у поверхности Земли.

Рассмотрим данное явление более подробно. Если воспользоваться эффективными температурами Солнца и Земли, то можно считать, что они излучают как абсолютно черные тела. Зависимость спектральной плотности потока излучения абсолютно черного тела от длины волны и температуры устанавливается законом Планка

, (1)

где – спектральная плотность потока излучения, Вт/м³ ; – длина волны, м ; T – абсолютная температура излучающего тела, К ; Вт×м² ; м×К.

Е _0,l×10^-6, Вт/м³

Рис. Графическое представление закона Планка

При исследовании функции (1) на экстремум получается зависимость

, (2)

которая называется законом смещения Вина. Согласно этому закону при уменьшении температуры максимум спектральной плотности потока излучения смещается в сторону более длинных длин волн.

Используя уравнение (2), можно определить длину волны, соответствующую максимуму спектральной плотности потока излучения абсолютно черного тела с абсолютной температурой Т.

При условии, что Солнце и Земля – абсолютно черные тела с эффективными температурами 5631 К и 253 К соответственно, необходимо сделать вывод о возможности возникновения парникового эффекта на Земле из-за присутствия в атмосфере диоксида углерода и других «парниковых» газов. Наиболее интенсивная и наиболее широкая полоса поглощения диоксида углерода лежит в диапазоне 12,5–16,5 мкм. Диаметр Солнца км. Расстояние от Земли до Солнца км.

Чтобы ответить на поставленный вопрос, необходимо построить зависимости спектральных плотностей потоков излучения от длины волны для Земли и Солнца и определить, какая из них перекрывается указанной полосой поглощения диоксида углерода и полосами поглощения других «парниковых» газов.

Для построения данных кривых вычислим положения их максимумов, используя уравнение (2), а затем зададимся длинами волн слева и справа от них. Верхний индекс «З» использован для Земли, «С» - для Солнца

,

.

Далее приведен расчет значений спектральных плотностей потоков излучения лишь для двух этих точек, поскольку вычисления для остальных аналогичны.

Поскольку интенсивность излучения сферического тела обратно пропорциональна квадрату расстояния до него, для Солнца необходимо ввести дополнительный коэффициент, представляющий собой отношение квадрата солнечного радиуса к квадрату расстояния от Земли до Солнца. На этот коэффициент в данном случае и нужно умножить правую часть уравнения (1)

Рис. Зависимости спектральных плотностей потоков излучения от длины волны для Солнца за пределами земной атмосферы и для Земли около ее поверхности

Кривая зависимости спектральной плотности потока излучения от длины волны для Земли, в отличие от аналогичной кривой для Солнца, перекрывается указанной в условии задачи полосой поглощения диоксида углерода. Это означает, что находящийся в атмосфере Земли диоксид углерода пропускает солнечную радиацию, но задерживает земное излучение и тем самым способствует усилению парникового эффекта. Это влияние будет тем больше, чем выше концентрация диоксида углерода в атмосфере.

Парниковый эффект имеет место и на других планетах, имеющих свою атмосферу.