Газета "Своими Именами" №28 от 09.07.2013 - страница 28
Проблему «глобального потепления» можно разделить на три части. Во-первых, это – собственно потепление климата. Во-вторых, влияние углекислого газа на изменение климата планеты. И в-третьих, влияние промышленных выбросов углекислого газа на его содержание в атмосфере. Попробуем с этими вопросами последовательно разобраться.
Земля получает тепло из трех источников. Самым мощным источником является, конечно, Солнце, температура поверхности которого составляет 5800°C. Второй источник тепла – ядро планеты. По оценкам, температура в центре Земли достигает 5-7 тысяч°C. Третий источник – промышленная деятельность человечества, в ходе которой различные виды энергии (химическая, атомная, гидроэнергия, ветровая и др.) преобразуются в тепловую энергию.
Тепловой баланс на планете поддерживается тепловым излучением Земли в космос. При нарушении теплового баланса температура на планете, соответственно, увеличивается или уменьшается.
Солнечный тепловой поток частично отражается, но в основном поглощается поверхностью Земли и её атмосферой. Часть попадающей на Землю солнечной энергии тратится растениями на преобразование углекислого газа (CO>2) в углеродные соединения. Растения служат пищей травоядным животным, а теми, в свою очередь, питаются хищники. Все животные являются своеобразными тепловыми двигателями, преобразующими энергию «топлива» (в качестве которого выступает органическая пища, содержащая углерод) в механическую энергию. Конечно, какая-то часть потребляемого углерода идет на строение живого организма, но его значительная часть тратится на совершение работы и переходит, в основном, в тепловую энергию. Таким образом, часть солнечной энергии при помощи растений и животных снова преобразуется в тепловую энергию.
Но значительная часть растительной массы, не пройдя полный цикл преобразований, остается в земле в виде своеобразной «консервированной солнечной энергии». Для приготовления различных видов «консервов» требуется различное время. Сухую траву природа изготавливает за несколько месяцев, слой торфа растет со скоростью 1-2 мм в год, для «приготовления» бурых углей требуется 10-60 млн. лет, антрацита – 200-250 млн. лет.
При составлении теплового баланса планеты необходимо учесть, что не вся поглощённая Землей солнечная энергия излучается в космос – часть её консервируется в виде органического топлива.
С учетом этого, уравнение теплового баланса Земли запишется следующим образом: Qт + Qя + Qпр = Qизл + Qконс, где Qт – часть поглощенной Землей солнечной энергии, преобразованной в тепло; Qя – тепло, поступающее к поверхности Земли из ядра планеты; Qпр – тепло, получаемое планетой от производственной деятельности человечества; Qизл – тепло, излучаемое Землей в космос; Qконс – «консервируемая» солнечная энергия.
Изменение любого из членов этого уравнения может привести к нарушению теплового баланса Земли и, соответственно, к её охлаждению или нагреву. Однако составляющие теплового баланса далеко не равноценны по своей величине. Для их оценки нам потребуется провести некоторые расчеты. При этом мы не будем стремиться к большой точности – нам нужно будет просто «почувствовать цифры». И не очень страшно, если мы ошибёмся даже на порядок.
Легче всего оценить величину теплового излучения Земли. Для этого воспользуемся законом Стефана-Больцмана, согласно которому излучение тела пропорционально его абсолютной температуре в четвертой степени. Абсолютные температуры измеряются в градусах Кельвина, а шкала температур Кельвина смещена относительно шкалы Цельсия на 273 градуса (абсолютный нуль равен -273 °C). Поэтому, чтобы получить абсолютную температуру, нужно к температуре по Цельсию просто прибавить 273 градуса.
Закон Стефана-Больцмана для абсолютно чёрного тела можно записать в следующем виде: Q = c>0F (T/100)4 Вт, где T – абсолютная температура, °К; F – излучающая поверхность, м>2; c>0 =5,67 Вт/(м2 К4 ) – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.
Абсолютно чёрное тело поглощает все, падающее на него излучение. Реальные тела поглощают не всё излучение, часть его отражают, а часть – пропускают через себя. Их поглощательная способность оценивается степенью черноты, которая для разных тел находится в пределах от 0 до 1.