Может ли кто-нибудь объяснить НАСТОЯЩУЮ причину, по которой CO22_2 повышает глобальную температуру (а не упрощенную аналогию с теплицей, предназначенную для общественного потребления)?

Таким образом, процесс поглощения инфракрасного излучения уже полностью насыщен, и, таким образом, дальнейшее увеличение содержания CO2 в атмосфере не приведет к дополнительному поглощению.

1. Не существует такой вещи, как полностью насыщенный процесс поглощения$\mathrm{CO}_2$линия.

Позволять$I_{\nu}(\nu)$— спектральное распределение ближнего инфракрасного излучения, которое наблюдатель измерил бы после того, как оно пересекло слой атмосферы.

Если определенная интенсивность$I_{\nu, 0}$излучается землей с частотой$\nu = \nu_0$, пропускание молекулярной линии описывается уравнением переноса излучения:

$I_{\nu}(\nu) = I_{\nu, 0}(\nu) \left( 1 - \mathrm{exp}(-\tau(\nu)) \right)$

Где$\tau(\nu)$— оптическая толщина, связанная со слоем газа, зависящая как от количества абсорбентов на луче зрения (в нашем случае$\mathrm{CO_2}$молекул) и частота. Частотную зависимость непрозрачности линии можно записать следующим образом:

$\tau(\nu) = \tau_0 \mathrm{exp} (-(\nu - \nu_0)^2 / 2\sigma^2)$

Где$\tau_0$- центральная непрозрачность (при$\nu = \nu_0$), напрямую связанный с плотностью столбца$\mathrm{CO_2}$($\tau_0 \propto N_{\mathrm{CO_2}}$[$\mathrm{cm^{-2}}$]),$\nu_0$- центральная частота линии поглощения и$\sigma$– собственная дисперсия скорости газа. Это гауссово распределение непрозрачности линии справедливо для газа с собственным максвелловским распределением скоростей. (Для получения дополнительной информации см. Эффекты Доплера в линии излучения молекул )

На рисунке ниже я представил спектральное распределение величины$\left( 1-I_{\nu}(\nu) \right) / I_{\nu, 0}$для представления количества радиации, которое может быть поглощено слоем атмосферы. Единственный параметр, который варьируется между различными кривыми, это$\tau_0$, непрозрачность при$\nu = \nu_0$.

Мы можем четко различать два режима:

• Оптически тонкий режим ($\tau_0 \ll 1$) ( не насыщенный ): это красные кривые, полученные с$\tau_0 = 0.1, 0.25, 0.5$. В этом режиме количество излучения, поглощаемого$\mathrm{CO_2}$растет линейно с$\tau_0$, т.е. с плотностью столбца$\mathrm{CO_2}$.

• Оптически толстый режим ($\tau_0 \gg 1$) ( насыщенные ): это черные кривые, полученные с$\tau_0 = 10, 30$. Как видите, поглощение эффективно насыщается в центре линии (при$\nu = \nu_0$), но уширение непрозрачности крыльев линии позволяет нелинейно увеличивать количество поглощаемой радиации.

(Примечание: это потому, что мы заполняем высокоскоростные крылья максвелловского распределения скоростей$\mathrm{CO_2}$молекул в атмосфере. Действительно, усиление$\mathrm{CO_2}$плотность столбца обеспечивает пропорционально большее количество молекул, которым разрешено иметь большие отклонения скорости, что приводит к сильному излучению с доплеровским сдвигом. Фотоны, испускаемые в$\nu = \nu_0 + \Delta \nu_{\mathrm{Doppler}}$этими высокоскоростными$\mathrm{CO_2}$молекулы распространяются в оптически тонкой среде, потому что$\tau(\nu = \nu_0 + \Delta \nu_{\mathrm{Doppler}}) \ll \tau(\nu)$.)

Если просуммировать площади под различными кривыми предыдущего рисунка, мы получим следующее соотношение между величиной поглощения и непрозрачностью центра линии$\tau_0$:

Черные маркеры соответствуют площади каждого профиля линии на первом рисунке. Как видите, в режиме насыщения увеличение плотности столба (приводящее к увеличению$\tau_0$) действительно увеличивает площадь, т. е. количество поглощаемого слоем атмосферы ближнего инфракрасного излучения. Единственная разница между оптически тонким и насыщенным режимами заключается в скорости, с которой происходит усиление (линейное или логарифмическое). Наклон действительно намного ниже в насыщенном режиме, что нам очень повезло .

Однако это объяснение технически неверно, потому что при нынешних концентрациях CO2 в атмосфере достаточно одного километра атмосферы, чтобы полностью поглотить все инфракрасное излучение, испускаемое Землей, на длинах волн, на которых поглощается CO2.

2. Я считаю, что существует неправильное понимание того, как здесь работает парниковый эффект.

Мы не можем рассуждать об одном слое атмосферы данной ширины на данной высоте. Необходимо учитывать тепловой баланс всей атмосферы. Тот 1 км атмосферы, полностью поглощающий все инфракрасное излучение, испускаемое Землей, о котором вы говорите, не только поглощает сердце, но и теряет его. Вся энергия, которая в какой-то точке поглощается средой, переизлучается за счет радиационных потерь в обоих направлениях (к Земле и к верхним слоям атмосферы, куда она переносится). Если нижняя тропосфера насыщена$\mathrm{CO_2}$как вы утверждаете, это не обязательно относится к верхней тропосфере, которая постоянно обменивается теплом с последней. То, что регулирует энергетический баланс в атмосфере, на самом деле является радиационным балансом в верхней тропосфере, где радиационные потери излучаются в космос, откуда они могут уйти. я бы сказал, что$\mathrm{CO_2}$концентрация там гораздо более решающая, чем в нижней тропосфере.

^{Подробное описание процесса расширения непрозрачности в астрофизических рамках см. в разделе 2 этой статьи https://arxiv.org/pdf/1603.08521.pdf . Это статья о расширении непрозрачности линии CO в молекулярных облаках, но физика та же.}

^{См. также http://www.pas.rochester.edu/~ebubar/CurvesOfGrowth.pdf для представления кривой роста в рамках звездных атмосфер.}

Температура Земли определяется энергетическим балансом: Земля должна быть достаточно горячей, чтобы исходящая энергия уравновешивала поступающую энергию от Солнца. Если Земля ведет себя как черное тело с альбедо$\alpha$, то температура Земли определяется выражением

Это связано с тем, что парниковый эффект (в такой оптически плотной атмосфере, как наша) вызван вертикальной структурой атмосферы.

По мере того, как мы поднимаемся в атмосферу, атмосфера становится все менее и менее плотной. Чем менее плотный слой атмосферы, тем больше излучения, испускаемого этим слоем, достигает космоса. С поверхности практически никакое излучение не достигает космоса, но выше это не так. Мы можем рассматривать «эффективный излучающий слой» (это примерно соответствует стратосфере), в котором все излучение, достигающее космоса, исходит из этого слоя. В результате этот слой имеет температуру$255\mathrm{K}$.

Второй факт о вертикальной структуре, который нам нужен, — это градиент . Это говорит вам, как быстро температура падает с высотой. Это один из первых расчетов, который вы делаете на уроке термодинамики атмосферы, и оказывается, что для сухой атмосферы

Теперь, объединив эти факты, если$255\mathrm{K}$высоко в атмосфере должно быть жарче на поверхности - это парниковый эффект. Если вы сейчас сбросите груз$\mathrm{CO_2}$в атмосферу вы делаете атмосферу более плотной, и повышаете эффективный уровень излучения, но градиент не меняется , поэтому Земля должна быть соответственно горячее!

У Эндрю Десслера есть хорошее видео на эту тему .

Я пробежался по многим деталям здесь, но концептуально это правильно.

Вопреки заявлениям о том, что парниковый эффект сложен, на самом деле все очень просто. Определение МГЭИК в глоссарии AR5 WG1 прекрасно, но его можно сделать еще более ясным с помощью пятого рисунка на http://clim8.stanford.edu/Images/ . Все парниковые газы работают таким образом, нет необходимости рассматривать определенные линии поглощения, если только вы не используете их для оценки чувствительности климата без обратной связи для определенного вида конкретной молекулы, что чрезвычайно трудно подтвердить экспериментально.

ZeroTheHero предложил мне расширить это, так что начнем. Хотя теперь, когда я смотрю на ответ jobal6, я не вижу, что мой ответ ниже добавляет к нему много.

Длинноволновое излучение в атмосфере, имеющее отношение к парниковому эффекту (GHE), делится на три вида: нисходящее, восходящее и уходящее, соответственно DLR, ULR и OLR.

OLR — это то, что убегает в космос. Он на 100% отвечает за поддержание теплового равновесия Земли с Солнцем, состояния, в котором OLR равен поглощенной солнечной радиации (доля 1-A, не отраженная обратно в космос, где A - альбедо Земли, номинально 0,3).

Игнорируя эффекты линзирования, которые вызывают миражи, все длинноволновое излучение в атмосфере делится на DLR и ULR в зависимости от того, указывает ли оно ниже или выше горизонта соответственно. (По крайней мере, так я бы это определил, ваш пробег может отличаться.)

ULR является кандидатом на превращение в OLR, что происходит, когда он не поглощается молекулой парникового газа (ПГ) или частицей аэрозоля. В противном случае оно либо нагревает поглощающую молекулу или частицу, тем самым возвращая ей тепло Земли, либо переизлучается в случайном направлении (например, вынужденное излучение?).

DLR отличается от ULR только тем, что ни один из них не может напрямую стать OLR. 100% DLR либо поглощается поверхностью, либо иным образом ведет себя во всех отношениях так же, как часть ULR, которая не становится OLR.

Поскольку это может показаться удивительным, следует отметить, что, хотя DLR увеличивается с увеличением выбросов парниковых газов, как вы прочтете во многих отчетах об обратном излучении, ULR также увеличивается, что люди, не обученные физике, склонны упускать из виду. Что важно для нагрева поверхности, так это не только DLR, но DLR - ULR, поскольку ULR отводит тепло, в то время как DLR отдает тепло.

Как следствие (i) соотношения Стефана-Больцмана F = σT⁴, (ii) того факта, что ULR в любой данной точке происходит из более горячего места, чем DLR в той же точке, и (iii) градиент поддерживает постоянную разницу температур между любыми двумя высотами ULR увеличивается быстрее, чем DLR, поэтому суммарный нисходящий поток DLR - ULR фактически уменьшается с увеличением CO2.

Так что это не может быть причиной того, что поверхность нагревается с увеличением выбросов парниковых газов. (IPCC знает об этом, и вы не найдете ничего об обратном излучении в AR5 WG1. Этого также нет на рисунке 7 Kiehl & Trenberth 1997, где ULR > DLR, что часто упускается из виду.)

Причина, по которой поверхность нагревается, заключается в том, что увеличение выбросов парниковых газов затрудняет превращение ULR в OLR. Это захватывает больше тепла, которое нагревает не только поверхность, но и атмосферу, и смешанный слой океана, OML, достаточно для увеличения ULR до тех пор, пока часть, которая становится OLR, не восстановится до уровня, необходимого для поддержания теплового равновесия Земли с Солнцем.

Тепловой инерции поверхности, атмосферы и особенно ОЛС достаточно, чтобы тепловое равновесие растянулось на столетия. Вот почему равновесная чувствительность климата, ECS, выше, чем нестационарная реакция климата, TCR, которой для потепления отведено всего 70 лет.

Можно было бы также ожидать, что глубины океана станут еще одним препятствием для равновесия. Хитрость здесь заключается в том, что глубокий океан имеет гораздо большую тепловую инерцию, чем OML, и при этом он лучше связан с ледяными шапками, чем с OML, а именно через тысячелетнее путешествие великого океанского конвейера. Это делает сами ледяные шапки реальным дополнительным препятствием для равновесия. В основном глубина океана остается холодной, оставляя OML для достижения видимости теплового равновесия.

В конце концов, ледяные шапки тают, что, как я полагаю, по крайней мере, некоторые люди имеют в виду под чувствительностью земной системы (но я немного расплывчат в этом, может быть, здесь помогут специалисты по моделированию климата). Очевидно, что это равновесие занимает гораздо больше времени, чем равновесие, связанное с ECS, поскольку для таяния требуется чертовски много льда.

Я думаю, что это относится к основному парниковому эффекту, GHE. В климате есть нечто большее, чем это, но GHE является частью, фундаментально ответственной за глобальное потепление.

«не упрощенная аналогия с теплицей, предназначенная для общественного потребления»

Жозеф Фурье отвечает за аналогию. Это гораздо лучшая аналогия, чем принято считать в наши дни. Во-первых, гравитация Земли препятствует конвекции земной атмосферы в космос точно так же, как стекло теплицы препятствует конвекции воздуха в окружающую среду. А во-вторых, причина, по которой в теплицах нужны открывающиеся окна, заключается в том, что без них тепло, улавливаемое стеклом в течение дня, перегревало бы растения, что не было бы проблемой в случае не теплицы, а полностью неподвижного (неконвективного) воздуха. .

В парижском Лувре остро стоит проблема парникового эффекта, как у главного входа под стеклянной пирамидой IMPei (я сам там вспотел, в солнечный день это ужасно), так и на застекленном Cour Marly внутри.

Наконец, следует отметить, что хотя земная атмосфера в тысячи раз толще листа стекла, CO2 при концентрации 1000 частей на миллион, если его охладить до состояния сухого льда, покроет Землю слоем толщиной в один сантиметр. Таким образом, 400 частей на миллион — это отличное приближение к стеклянной сфере толщиной 4 мм, подвешенной каким-то образом над Землей.

FWIW, вот мой ответ от Earth Sciences SE, ключ в том, чтобы сосредоточиться на том, как энергия покидает планету, а не на судьбе ИК-фотонов, испускаемых с поверхности:

Заимствуя объяснение из одного из моих других ответов , основной механизм парникового эффекта примерно таков (обратите внимание, что это также упрощенная модель)

Земля находится (во всех смыслах и целях) в вакууме, поэтому она может получать или терять тепло только за счет излучения. Солнце излучает большую часть своего излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Атмосфера Земли довольно прозрачна на этих длинах волн, поэтому солнечное излучение в основном проходит через нее и попадает на поверхность. Часть этого излучения (определяемого альбедо Земли) отражается от поверхности обратно в космос, но остальная часть поглощается поверхностью, из-за чего поверхность нагревается. Поверхность теряет тепло, излучая инфракрасные волны. Парниковые газы поглощают часть ИК-излучения, что вызывает нагревание атмосферы (молекулы ПГ передают часть этого тепла непарниковым газам путем столкновений, но тепло также передается вверх за счет конвекции). Теплая атмосфера переизлучает часть этой энергии как вверх в космос, так и вниз обратно на поверхность. Часть, которая излучается вниз, также известна как «обратное излучение» (и ее можно непосредственно наблюдать). Теперь важным фактором является не количество исходящего ИК-излучения от поверхности, которая поглощается, а высота, на которой наверху недостаточно парниковых газов, чтобы поглотить ИК-излучение вверх от этого слоя, чтобы он мог уйти в космос. Градиентность означает, что температура атмосферы уменьшается с увеличением высоты. Это означает, что чем больше CO2 мы выбрасываем в атмосферу, тем выше становится этот излучающий слой и тем он холоднее. Поскольку количество излучаемого ИК-излучения зависит от температуры этого слоя, если эта высота увеличивается, количество ИК-излучения от планеты падает, что приводит к энергетическому дисбалансу, когда планета поглощает больше солнечного излучения, чем излучает в виде инфракрасного излучения, и поэтому планета нагревается. Это продолжается до тех пор, пока излучающий слой не прогреется настолько, чтобы исходящее ИК-излучение сбалансировалось с приходящим излучением от солнца. Таким образом, чем больше CO2, тем выше средняя температура поверхности, при прочих равных условиях.

Таким образом, неважно, что большая часть ИК-излучения, излучаемого поверхностью, поглощается атмосферой, важна высота, с которой ИК-излучение не поглощается . Если он холоднее поверхности, он будет излучать меньше инфракрасного излучения, чем излучает поверхность, и, следовательно, в космос излучается меньше энергии.

Более подробное объяснение того, почему поглощение на поверхности не имеет большого значения, см. в этой статье RealClimate Спенсера Уиарта.

Просто добавлю историческую заметку: это объяснение восходит, по крайней мере, к статье Экхольма 1901 года «Об изменениях климата геологического и исторического прошлого и их причинах»:

Атмосфера играет очень важную роль в двойственном характере температуры на поверхности земли, из которых первый был указан Фурье, а другой — Тиндалем. Во-первых, атмосфера может действовать как стекло теплицы, относительно легко пропуская световые лучи солнца и поглощая большую часть темных лучей, испускаемых землей, и тем самым может повышать среднюю температуру воздуха. поверхность Земли. Во-вторых, атмосфера действует как аккумулятор тепла, расположенный между относительно теплой землей и холодным пространством, и тем самым в значительной степени уменьшает годовые, суточные и местные колебания температуры.

Есть два качества атмосферы, которые производят эти эффекты. Одна состоит в том, что температура атмосферы вообще понижается с высотой над землей или уровнем моря, отчасти вследствие динамического нагрева нисходящих воздушных потоков и динамического охлаждения восходящих, как это объясняется в механической теории теплоты. . Другая состоит в том, что атмосфера, поглощающая лишь небольшую часть инсоляции и большую часть радиации от земли, получает от земли значительную часть своего запаса тепла посредством излучения, контакта, конвекции и теплопроводности, тогда как земная поверхность нагревается главным образом прямым излучением солнца через прозрачный воздух.

Отсюда следует, что излучение земли в космос идет не непосредственно от земли, а в среднем из слоя атмосферы, имеющего значительную высоту над уровнем моря. Высота этого слоя зависит от теплового качества атмосферы и будет меняться в зависимости от этого качества. Чем больше способность воздуха поглощать тепловые лучи, испускаемые землей, тем выше будет этот слой. Но чем выше слой, тем ниже его температура относительно температуры земли; а так как излучение слоя в космос тем меньше, чем ниже его температура, то отсюда следует, что земля будет тем горячее, чем выше находится излучающий слой».

[Экхольм , 1901, с19-20]

(ч/т статья в блоге Стива Истербрука )

Среднее время, в течение которого возбужденная молекула CO2 излучает инфракрасную волну LR, составляет около 1 секунды или больше. А возбужденная молекула СО2 через пару микросекунд столкнется с другой молекулой кислорода или азота и потеряет при столкновении свою энергию. Это будет происходить примерно в 99,8% случаев по сравнению с испусканием фотона LR. Имея всего одну молекулу уплотнения две на 2500 других молекул в атмосфере, кажется очень маловероятным, что произойдет какое-либо значительное обратное излучение на Землю. CO2 в атмосфере не может быть причиной изменения климата.