Солнечная система (Астрономия и астрофизика). Парниковый эффект на планетах солнечной системы Парниковый эффект на Венере
Чем больше мы узнаем о Венере нового, тем больше возникает новых проблем. Вот одна из них: чем объяснить столь существенное различие в химическом составе атмосфер соседних планет — Земли и Венеры?
Миллионы лет назад атмосфера нашей планеты тоже была в изобилии насыщена углекислым газом, выделявшимся из земных недр при вулканических извержениях. Но с появлением на Земле растений углекислота вес больше и больше связывалась, так как шла на образование растительной массы. Большое содержание свободной углекислоты в атмосфере Венеры, по-видимому, свидетельствует о том, что там никогда но было органической жизни, подобной земной. Следовательно, обилие углекислого газа и атмосфере соседнем планеты — явление вполне закономерное. И то, что на Венере царит очень высокая температура, тоже не случайность.
Не в меру высокая температура на планете объясняется так называемым парниковым эффектом. Физическая сущность этого явления состоит в том, что поверхность Венеры, нагреваемая солнечными лучами, отдает от себя энергию и инфракрасном (тепловом) диапазоне:. Но плотная углекислая венерианская атмосфера, да еще с небольшой приметьте паров воды, почти полностью непрозрачна для инфракрасных лучом. В результате происходит накапливание избыточного тепла — создается парниковый эффект, вследствие которого раскаляются поверхность планеты и прилегающая к пей атмосфера.
Высокая температура стала причиной и других особенностей необычного мира Венеры. Как известно, при температуре 374 °С для воды наступает так называемое критическое состояние, когда она уже независимо от величины атмосферного давления полностью переходит в пар. Следовательно, открытые водоемы на Венере могли бы находиться только в высоких широтах (не ниже 60-х параллелей), где температура не достигает критического значения. Поэтому можно было предположить, что полярные «шапки» Венеры, в отличие от земных и марсианских, представляют собой... горячие моря! Со всей же остальной, сильно раскаленной венерианской поверхности вода должна была непременно испариться.
Сейчас точно установлено, что никаких водных бассейнов па Венере нет. И в атмосфере планеты водяных паров слишком мало. Спрашивается: куда же исчезла вола? В чем причина столь сильного обезвоживания венерианской атмосферы?
Академик Александр Павлович Виноградов объяснял исчезновение воды и атмосферы Венеры усиленным (благодаря близости планеты к Cолнцу) фотохимическим процессом. В результате этого происходило разложение испарившейся воды па составные элементы: кислород и водород. Кислород окислял горные породы, а легкие атомы водорода улетучивались из атмосферы и межпланетное пространство. Тем более что рассеиванию водорода и а Венере благоприятствует несколько меньшая, чем па Земле, сила тяжести и высокая температура. Все это должно было неизбежно привести планету к «усыханию».
14 все же разложение водяного пара под действием солнечного ультрафиолета не могло привести к такому сильному высушиванию венерианской атмосферы. Что ни говори, а вопрос об исчезновении воды на Венере остается для нас большой загадкой.
Отсутствие у Венеры заметного собственною магнитного поля полностью согласуется с ее очень медленным вращением. Даже если ядро Венеры подобно земному ядру, скорость вращения планеты слишком мала, чтобы в ее ядре могли возникнуть внутренние токи, способные генерировать магнитное поле.
Структура недр Венеры, по-видимому, похожа на строение Земли. Л вот мощность теплового потока, идущего из глубин Beнеры, соответствует примерно тем значениям, которые отмечены на Земле в вулканических областях.
Сравнение Венеры с Землей было бы неполным, если бы мы не коснулись вопроса возможности жизни па этой соседней с нами планете. Самое большое препятствие для жизни на Венере — чрезвычайно высокая температура. Да и атмосферное давление нельзя сбрасывать со счета. Можно сказать, жилые существа, находящиеся на венерианской поверхности, должны постоянно испытывать на себе 90 атмосфер! Не каждый глубоководный батискаф находится в таких трудных условиях, как все то, что может оказаться на дне воздушного океана Венеры, состоящего из спрессованной углекислоты. Английский ученый Бернард Ловелл так характеризует природные условия планеты: «На Венере пришельцев ждет раскаленное, ядовитое и неприветливое окружение».
И все же полностью исключить возможность жизни на этой планете мы не вправе. Известно, что с удалением от поверхности Венеры атмосферное давление падает и температура понижается, с каждым километром высоты уменьшаясь примерно на 8 °С. Так, на главной вершине гор Максвелла температура должна быть почти на 100 °С ниже, чем у подножия. Однако и здесь она продолжает оставаться высокой и составляет около 300 °С.
Еще недавно считалось, что при такой температуре жизнь, пусть самая простейшая, становится совершенно невозможной. Но не будем торопиться со столь категоричным выводом. Вспомним хотя бы то, что па дне Тихого океана в районе Галапагосских островов были открыты горячие источники с температурой 300 °С. И что удивительно: и этих источниках обнаружены живые микроорганизмы. Почему же не допустить, что в самом примитивном виде жизнь может быть даже на Венере? Конечно, не па раскаленной поверхности планеты, а в тех слоях венерианской атмосферы, где физические условия близки к земным, то есть где температура +20 °С при давлении в 1 атмосферу. На Венере такие условия сложились где-то на высоте около 50 км над поверхностью планеты. Только вот как избавиться от излишней углекислоты и обогатить венерианскую атмосферу кислородом? Как устранить парниковый эффект?
Американский ученый-астроном Карл Саган (1934—1996) считал, что коренная перестройка атмосферы Венеры и избавление планеты от парникового эффекта — вещь вполне реальная. Для этого требуется лишь одно: наладить фотосинтез. А в атмосфере Венеры есть все необходимое для производства фотосинтеза в самых широких масштабах: углекислый газ, водяные пары, солнечный свет. Поэтому в верхние, относительно прохладные слои венерианской атмосферы ученый предлагал забросить с помощью космических аппаратов бурно размножающуюся водоросль — хлореллу. Ома очистит атмосферу от избытка углекислого газа и пополнит ее кислородом. Лишившись углекислого газа, атмосфера перестанет быть ловушкой для солнечной энергии. Когда же парниковый эффект ослабнет, температура пойдет на убыль, водяной пар сконденсируется в воду, которая обильно прольется на остывающую поверхность планеты. Это еще в большей мере уменьшит парниковый эффект, и тогда на Венере появятся условия, благоприятные для развития растительного и животного мира. Со временем климат негостеприимной планеты изменится настолько, что она, возможно, станет пригодной для обитания человека.
В последние десятилетие словосочетание «парниковый эффект» практически не сходит ни с экранов телевидения, ни со страниц газет. Учебные программы сразу по нескольким дисциплинам предусматривают его тщательное изучение, причем практически всегда указывается его негативное значение для климата нашей планеты. Однако это явление на самом деле намного более многогранно, чем это преподносится обывателю.
Без парникового эффекта жизнь на нашей планете была бы под вопросом
Можно начать с того, что парниковый эффект на нашей планете существовал на протяжении всей ее истории. Такое явление просто-напросто неизбежно для тех небесных тел, у которых, как и у Земли, присутствует устойчивая атмосфера. Без него, например, Мировой океан давно бы замерз, а высшие формы жизни вообще не появились бы. Ученые уже давно научно доказали, что если бы в нашей атмосфере отсутствовал углекислый газ, наличие которого является необходимой оставляющей процесса возникновения парникового эффекта, то температура на планете колебалась бы в пределах -20 0 С, так что речь о возникновении жизни вообще бы не шла.
Причины и сущность парникового эффекта
Отвечая на вопрос: "Что такое парниковый эффект?", в первую очередь следует отметить, что свое название данное физическое явление получило по аналогии с теми процессами, которые происходят в теплице у садоводов. Внутри нее, независимо от времени года, всегда на несколько градусов теплее, чем в окружающем пространстве. Все дело в том, что растения поглощают видимые солнечные лучи, которые абсолютно свободно проходят и через стекло, и через полиэтилен, и вообще практически через любое препятствие. После этого сами растения также начинают излучать энергию, однако уже в инфракрасном диапазоне, лучи которого уже не могут свободно преодолевать то же стекло, поэтому возникает парниковый эффект. Причины этого явления, таким образом, лежат именно в дисбалансе между спектром видимых солнечных лучей и теми излучениями, которые отдают во внешнюю среду растения и другие предметы.
Физическая основа парникового эффекта
Что касается нашей планеты в целом, то парниковый эффект здесь возникает из-за наличия устойчивой атмосферы. Чтобы поддерживать свой температурный баланс, Земля должна отдавать столько же энергии, сколько она получает от Солнца. Однако наличие в атмосфере углекислого газа и воды, которые поглощают инфракрасные лучи, выполняя, таким образом, роль стекла в теплице, вызывает образование так называемых парниковых газов, часть из которых возвращается обратно к Земле. Эти газы создают "эффект одеяла", повышая температуру у поверхности планеты.
Парниковый эффект на Венере
Из вышесказанного можно сделать вывод, что парниковый эффект характерен не только для Земли, но и для всех планет и других небесных тел, обладающих устойчивой атмосферой. И действительно, проведенные учеными исследования показали, что, например, у поверхности Венеры данное явление имеет гораздо более выраженный характер, что связано, в первую очередь, с тем, что ее воздушная оболочка практически на сто процентов состоит из углекислого газа.
Парниковый эффект
Количество водяного пара в атмосфере прямо связано с «парниковым эффектом», суть которого заключается в следующем. Хотя большую часть солнечного света облака отражают обратно, часть его все же проходит сквозь атмосферу, падает на поверхность планеты и поглощается ею. Поскольку планета пребывает в тепловом равновесии (т.е. не становится со временем горячее), вся поглощенная энергия должна снова излучаться в космос. Если бы не препятствовала атмосфера, поверхность планеты справилась бы с этой задачей, нагревшись примерно до 230 К (в среднем по двум полушариям; конечно, дневное было бы немного горячее, а ночное - холоднее). При этом излучение поверхности лежало бы в инфракрасном диапазоне с максимумом между 10 и 15 мкм. Но именно в этом диапазоне атмосфера малопрозрачна. Она перехватывает значительную часть излучения поверхности и возвращает ее назад. От этого поверхность нагревается еще сильнее, до такой температуры, при которой выходящий в космос поток тепла все же уравновешивает его приток от Солнца. Таким образом, равновесие восстанавливается, но уже с повышенной температурой поверхности (735 К).
Этот эффект назван «парниковым», поскольку стекло или пленка в садовом парнике играет ту же роль, что и атмосфера планеты: прозрачная для света крыша парника пропускает направленные к земле солнечные лучи, но задерживает идущее от земли инфракрасное излучение и восходящие потоки теплого воздуха.
Расчет показывает, что температура поверхности Венеры как раз соответствует концентрации водяного пара около 3?10 -5 ; если бы его было больше, непрозрачность для инфракрасных лучей значительно возросла бы и температура поверхности стала бы еще выше. По-видимому, начальная температура Венеры из-за ее сравнительной близости к Солнцу была относительно высока. Это способствовало выделению из поверхности воды и углекислого газа, стимулировавших парниковый эффект и дальнейший рост температуры.
Глобальное потепление на нашей планете стало, вроде бы, уже общеизвестным фактом. И специалисты предупреждают, что это глобальное потепление, которое происходит из-за парникового эффекта в атмосфере, может иметь самые серьезные последствия. Поэтому планируется проведение исследований действия парникового эффекта не только на Земле, но и на Венере, Марсе и Титане (спутнике Сатурна), чтобы человечество более четко могло себе представить, какие превратности климата его могут ожидать в дальнейшем.
Пока человечество было немногочисленным и не обремененным техническими достижениями оно своей деятельностью слабо влияло на климат Земли. Но сейчас человек активно вмешивается в процесс теплообмена на нашей планете, зачастую не задумываясь о последствиях.
Энергия Солнца нагревает поверхность Земли, которая в свою очередь излучает эту энергию обратно в космос. Но некоторые атмосферные газы не дают этой энергии выйти за пределы атмосферы. В этом и состоит парниковый эффект. Без него средняя температура на Земле, которая сейчас составляет 15 o С, была бы на 30 o ниже. Человек, сжигая топливо и вырубая леса, выбрасывает в атмосферу массу парниковых газов, тем самым усиливая парниковый эффект. В итоге за последнее столетие глобальная температура на Земле увеличилась больше, чем на полградуса.
Пример того, что может произойти, когда парниковый эффект становится слишком сильным, можно увидеть на Венере. Эта планета по размерам и массе лишь немного уступает Земле. Но температура на ее поверхности составляет около 460 o С. Сейчас атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, который является парниковым газом. В земной атмосфере доля углекислого газа составляет пока около 0,03%. Вроде бы, это очень мало, но со времен начала развития промышленности доля углекислого газа в атмосфере увеличилась на 30%.
Почему же на Венере состав атмосферы отличается так сильно от земного? Может быть, Землю тоже ждет судьба Венеры? На этот вопрос, возможно, удастся ответить европейскому зонду Venus Express, который отправится исследовать Венеру в 2005 г.
Совсем не похожа на Венеру другая наша соседняя планета - Марс. На Марсе пока не замечено никаких признаков парникового эффекта. В его атмосфере есть углекислый газ, но сама атмосфера такая тонкая и разреженная, что ее давление на поверхности составляет лишь сотую долю от "земных" 760 мм рт. ст. Поэтому никакую энергию Солнца она не задерживает, и между днем и ночью, а также светом и тенью существуют резкие контрасты температуры. Многие специалисты полагают, что в прошлом на Марсе было намного теплее, и что там были даже океаны, а, следовательно, и атмосфера была совсем другой. Однако около 3,6 млрд лет назад на Марсе что-то произошло, и он со временем пришел в нынешнее состояние. Что могло стать толчком для такого изменения климата? Ответить на этот вопрос ученые планируют с помощью европейского зонда Mars Express, который отправится к Марсу в мае этого года.
Некий промежуточный по интенсивности парниковый эффект имеется на самом большом спутнике Сатурна Титане. Правда, в его атмосфере он объясняется большими концентрациями метана, который также является парниковым газом. Но на Титане все-таки гораздо холоднее, чем на Земле - около -180 o
С. Сейчас к Сатурну летит зонд Cassini с минизондом Huygens. Последний предназначен как раз для исследований Титана. Для этого он будет сброшен в атмосферу на парашюте. Возможно, эти исследования позволят землянам узнать что-то полезное и для понимания процессов на своей планете.
Средняя температура поверхности Земли (или другой планеты) повышается за счет наличия у нее атмосферы.
Садоводы хорошо знакомы с этим физическим явлением. Внутри парника всегда теплее, чем снаружи, и это помогает выращивать растения, особенно в холодное время года. Вы можете почувствовать аналогичный эффект, когда находитесь в автомобиле. Причина его состоит в том, что Солнце с температурой поверхности около 5000°С излучает главным образом видимый свет — часть электромагнитного спектра , к которой чувствительны наши глаза. Поскольку атмосфера в значительной степени прозрачна для видимого света, солнечное излучение легко проникает к поверхности Земли. Стекло также прозрачно для видимого света, так что солнечные лучи проходят внутрь парника, и их энергия поглощается растениями и всеми объектами, находящимися внутри. Далее, согласно закону Стефана—Больцмана , каждый объект излучает энергию в какой-либо части электромагнитного спектра. Объекты с температурой около 15°С — средней температурой у поверхности Земли — излучают энергию в инфракрасном диапазоне. Таким образом, объекты в парнике испускают инфракрасное излучение. Однако инфракрасное излучение не может легко проходить сквозь стекло, поэтому температура внутри парника повышается.
Планета с устойчивой атмосферой, такая как Земля, испытывает практически такой же эффект — в глобальном масштабе. Чтобы поддерживать постоянную температуру, Земле необходимо самой излучать столько же энергии, сколько она поглощает из видимого света, излучаемого в нашу сторону Солнцем. Атмосфера служит как бы стеклом в парнике — она не столь прозрачна для инфракрасного излучения, как для солнечного света. Молекулы различных веществ в атмосфере (важнейшие из них — углекислый газ и вода) поглощают инфракрасное излучение, действуя как парниковые газы . Таким образом, инфракрасные фотоны, излучаемые земной поверхностью, не всегда уходят прямо в космос. Некоторые из них поглощаются молекулами парниковых газов в атмосфере. Когда эти молекулы вторично излучают энергию, которую они поглотили, они могут излучать ее как в сторону космоса, так и внутрь, обратно к поверхности Земли. Присутствие таких газов в атмосфере создает эффект укрывания Земли одеялом. Они не могут прекратить утечку тепла наружу, но позволяют сохранить тепло около поверхности более долгое время, поэтому поверхность Земли значительно теплее, чем была бы в отсутствие газов. Без атмосферы средняя температура поверхности составляла бы —20°С, что намного ниже точки замерзания воды.
Важно понимать, что парниковый эффект на Земле был всегда. Без парникового эффекта, обусловленного наличием углекислого газа в атмосфере, океаны давно бы замерзли, и высшие формы жизни не появились бы. В настоящее время научные дебаты о парниковом эффекте идут по вопросу глобального потепления : не слишком ли мы, люди, нарушаем энергетический баланс планеты в результате сжигания ископаемых видов топлива и прочей хозяйственной деятельности, добавляя при этом излишнее количество углекислого газа в атмосферу? Сегодня ученые сходятся во мнении, что мы ответственны за повышение естественного парникового эффекта на несколько градусов.
Парниковый эффект имеет место не только на Земле. В действительности самый сильный парниковый эффект, о котором мы знаем, — на соседней планете, Венере. Атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, и в результате поверхность планеты разогрета до 475°С. Климатологи полагают, что мы избежали такой участи благодаря наличию на Земле океанов. Океаны поглощают атмосферный углерод, и он накапливается в горных породах, таких как известняк — посредством этого углекислый газ удаляется из атмосферы. На Венере нет океанов, и весь углекислый газ, который выбрасывают в атмосферу вулканы, там и остается. В результате мы наблюдаем на Венере неуправляемый парниковый эффект.