Венера атмосферасында парниктік эффект жасайды. Күн жүйесінің планеталарына парниктік эффект

Парниктік эффект-- эффективті температурамен, яғни ғарыштан байқалатын планетаның жылулық сәулелену температурасымен салыстырғанда планета атмосферасының төменгі қабаттарының температурасының жоғарылауы.

Бағбандар бұл физикалық құбылыспен жақсы таныс. Жылыжайдың іші әрқашан сыртқа қарағанда жылы болады, бұл әсіресе суық мезгілде өсімдіктерді өсіруге көмектеседі. Сіз көлікте болған кезде де осындай әсерді сезінуіңіз мүмкін. Мұның себебі, бетінің температурасы шамамен 5000 ° C болатын Күн негізінен көрінетін жарық шығарады - электромагниттік спектрдің біздің көзіміз сезімтал бөлігі. Атмосфера негізінен көрінетін жарыққа мөлдір болғандықтан, күн радиациясы жер бетіне оңай енеді. Шыны көрінетін жарыққа да мөлдір, сондықтан күн сәулелері жылыжай арқылы өтіп, олардың энергиясын өсімдіктер мен ішіндегі барлық заттар сіңіреді. Әрі қарай, Стефан-Больцман заңы бойынша әрбір объект электромагниттік спектрдің қандай да бір бөлігінде энергия шығарады. Температурасы шамамен 15 ° C болатын объектілер - Жер бетіндегі орташа температура - инфрақызыл диапазонда энергия шығарады. Осылайша, жылыжайдағы объектілер инфрақызыл сәуле шығарады. Дегенмен, инфрақызыл сәулелер шыныдан оңай өте алмайды, сондықтан жылыжай ішіндегі температура көтеріледі.

Тұрақты атмосферасы бар планета, мысалы, Жер, жаһандық ауқымда бірдей әсерге ие. Тұрақты температураны ұстап тұру үшін Жердің өзі Күннің бізге қарай шығаратын көзге көрінетін сәулесінен қаншалықты жұтатын болса, сонша энергия шығаруы керек. Атмосфера жылыжайда шыны ретінде қызмет етеді - ол күн сәулесі сияқты инфрақызыл сәулеленуге мөлдір емес. Молекулалар әртүрлі заттаратмосферада (олардың ең маңыздысы көмірқышқыл газы мен су) парниктік газдар ретінде әрекет ететін инфрақызыл сәулелерді сіңіреді. Осылайша, жер беті шығаратын инфрақызыл фотондар әрқашан ғарышқа тікелей бара бермейді. Олардың кейбіреулері атмосферадағы парниктік газдардың молекулаларымен жұтылады. Бұл молекулалар өздері сіңірген энергияны қайта сәулелендіргенде, олар оны ғарышқа сыртқа да, ішке де, Жер бетіне кері қарай тарата алады. Атмосферада мұндай газдардың болуы Жерді көрпемен жабу әсерін тудырады. Олар жылудың сыртқа шығуын тоқтата алмайды, бірақ олар жылудың жер бетіне жақын жерде ұзақ уақыт сақталуына мүмкіндік береді, сондықтан жер беті газдар болмаған кездегіден әлдеқайда жылы болады. Атмосфера жоқ орташа температурабеті -20°C болады, бұл судың қату нүктесінен әлдеқайда төмен.

Парниктік эффект Жерде әрқашан болғанын түсіну маңызды. Болуына байланысты парниктік әсерсіз көмірқышқыл газыатмосферада мұхиттар әлдеқашан қатып қалар еді, және жоғары формаларөмір пайда болмас еді. Қазіргі уақытта парниктік эффект туралы ғылыми пікірталас жаһандық жылыну мәселесінде: біз, адамдар, көмірқышқыл газын шамадан тыс қосу кезінде қазба отындарын жағу және басқа да экономикалық әрекеттер нәтижесінде планетаның энергетикалық балансын тым көп бұзамыз ба? атмосфераға? Бүгінгі таңда ғалымдар табиғи парниктік әсерді бірнеше дәрежеге арттыруға жауаптымыз дегенге келіседі.

Парниктік эффект тек Жерде ғана емес. Шын мәнінде, біз білетін ең күшті парниктік эффект біздің көрші планетамыз Венера. Венера атмосферасы толығымен дерлік көмірқышқыл газынан тұрады, нәтижесінде планетаның беті 475 ° C дейін қызады. Климатологтар жер бетінде мұхиттардың болуының арқасында мұндай тағдырдан құтылдық деп есептейді. Мұхиттар атмосфералық көміртекті сіңіреді және ол әктас сияқты тау жыныстарында жиналады - осылайша атмосферадан көмірқышқыл газын жояды. Венерада мұхиттар жоқ, жанартаулар атмосфераға шығаратын барлық көмірқышқыл газы сонда қалады. Нәтижесінде біз Венерада бақыланбайтын парниктік әсерді байқаймыз.

Венера – Ежелгі римдіктерді бұл әсерлі планета таң қалдырды және оны махаббат пен сұлулық құдайының атымен атады. Оның аспанда әдемі көрінгені сонша, байланыс анық көрінді. Ұзақ уақыт бойы Венера құрылымы, тартылыс күші, тығыздығы мен өлшемі бойынша ұқсастығына байланысты біздің бауырлас планетамыз болып саналды. Көптеген жолдармен Венера мен Жер егіз дерлік, олар бірдей дерлік және Венера - Жерге ең жақын планета.

Ғалымдар ғасырлар бойы бұл планета, Жердің егізі, терең мұхиттармен, тығыз тропикалық ормандармен көмкерілген және оның климаты онда интеллектуалды өмір сүру үшін барлық жағдайды жасайды деп есептеді. Ғарыш дәуірі пайда болғанға дейін Венера Жерге өте ұқсас деп есептелді, бірақ біз Венераны зерттей бастағанда, ондағы жағдайлардың мүлдем басқаша екендігі анықталды. Венера Жердің экзотикалық әпкесі емес, зұлым егіз екені белгілі болды. Бұл негізгі белгілері бойынша өте ұқсас екі планета, олардың эволюциясы да болған жоқ әртүрлі кейіпкер, бұл бізді планетарлық эволюция мәселесін басқаша түсінуге мәжбүр етеді. Екі ұқсас планета болды, олар төрт миллиард жыл болды және неге олар соншалықты әртүрлі болды.

Климат және парниктік эффект

Негізгі себептердің біріншісі - Венераның күшті метеориттердің соққыларына ұшырауы. Бір соққының күшті болғаны сонша, ғалымдар бұл планетаның айналуына әсер етті деп есептейді. Венераның айналуы өте баяу және мұны біз регрессивті айналу деп атаймыз. Яғни, Венера басқа планеталар сияқты емес, керісінше айналады. Регрессивті айналуына байланысты Күн сол жерде батыста шығып, шығыста батады. Венерадағы күн өте ұзақ, бір күн шыққаннан екіншісіне дейінгі уақыт шамамен сегіз Жер айын құрайды. Бірақ бұл Венерадағы өмірді төзгісіз ететін ерекшеліктер емес. Бұл ішінара қатал климатқа байланысты, бетінің температурасы шамамен 750 градус Цельсий. Венера - күн жүйесіндегі ең ыстық планета; Егер біз сонда бірнеше секунд қалсақ, қуырылған болар едік.

Парниктік эффект мәселесі

Аяусыз жылу толқыны парниктік эффект деп аталатын процесс арқылы жасалады. Жерде бірдей процесс климатты басқарады. Венераны мұқият зерттеген кезде біз таныс нәрсенің өмір немесе өлім цикліне айналуы мүмкін екенін түсіне бастаймыз. Бүгінде жер бетіндегі температура көтеріліп жатыр, ғалымдар мұның себебін Венерада анықтады. «Жаһандық жылыну барған сайын көбейіп келе жатқан парниктік газдардың салдары болып табылады, сондықтан Жер барған сайын ыстық болып келеді», - Роберт Стром (Аризона университетінің ғалымы). «Біз Венераға қарап, мұнда да дәл солай болып жатыр» дедік.

Венераға парниктік әсердің салдары

Іске қосылғаннан кейін 90-жылдары ғарыш кемесіМагеллан, Венера Жердегі жаман нәрселердің қалай болатынын мысал ретінде көрсете бастады. «Ғарышты зерттеу бізге Жер және туралы көп нәрсені үйретті орта, - дейді Роберт Стром. «Қазір жаһандық жылынуға байланысты айтылып жүрген парниктік эффект, шын мәнінде, Венерадан табылды». Венерадағы ашылу Жердегі парниктік эффектке жаңа жарық түсіреді. Венера өзінің эволюциясының басында әрқашан соншалықты ыстық болған жоқ. Ол парниктік эффект деп атайтын нәрсеге байланысты мұхиттарынан айырылды. «Венера планетадағы жаһандық өзгерістердің ең нашар сценарийді қалай орындайтынының мысалы болып табылады. Қиындыққа душар болу үшін Венераның жолымен жүрудің қажеті жоқ. Бізге сәл басқа бағытқа бұрылу керек, және біз мұны істеп жатырмыз ».

Парниктік әсердің себептері

Венераны зерттеу бізге климаттық модельдерді сынауға мүмкіндік береді. Ғалымдар жалпы айналымның компьютерлік модельдерін пайдалана отырып, Венерадағы парниктік газдардың мөлшеріне негізделген Жердегі температураның жоғарылауын есептей алды. Венерада парниктік эффект қалай жұмыс істейді, бұл планетаны соншалықты ыстық етеді? Венерада парниктік газдар күннің жылуын ұстамайды, бірақ олар оның дамуын өте баяулатады. Кез келген планетадағы парниктік эффект атмосферадағы газдар күн сәулесін өткізіп, жылуды сақтайтындықтан жер бетіндегі температураның жоғарылауын білдіреді. Венерадағы біз үшін өлімге әкелетін бұл парниктік газдар Жердегі тіршілік үшін өте маңызды. Парниктік эффект болмаса, орташа температура қатудан әлдеқайда төмен болар еді, мұхиттар толығымен қатып, Жерде өмір мүлдем болмауы мүмкін.

Венера неге сонша ыстық? Жауап - атмосфераның құрамы. Бұл толығымен дерлік көмірқышқыл газы. Көмірқышқыл газы немесе СО2 Венера атмосферасының 95% құрайды. Ал мұндай үлкен мөлшердегі газ жылуды көбірек сақтайды. «Бұл өте күшті парниктік әсер береді, сондықтан Венера соншалықты ыстық», - деп түсіндіреді Дэвид Гринспун. Бұл төтенше жаһандық жылынудың мысалы».

Венера үшін тиімді температура шамамен 240 К (Поллак 1979) емес, бетіндегі СО2 қысымы 90 бар және 733 Кельвин температурасымен. Венерадан айырмашылығы, парниктік эффект қазіргі уақытта шамамен 33 К қызып кетеді, бұл да рөл атқарады маңызды рөлөмірді сақтауда. Парниктік эффект 5 К шамасында шамалы, дегенмен зерттеулер оның бұрын айтарлықтай үлкен болғанын көрсетеді (Карр және Хед, 2010). Бір қызығы, парниктік эффект Жердегімен көп ортақ, соның ішінде ондағы салыстырмалы қысым (Сәйкесінше қысымы шамамен 100 есе үлкен және 100 есе аз болатын Венера мен Марсқа қарағанда Жердің қысымынан 1,5 есе), сонымен қатар конденсацияланатын Төмен температураға қарамастан, парниктік газдар Титанда бар (Кустенис, 2005).

Салыстырмалы планетаологияны осы планеталарды бірге қарастыру және парниктік әсердің негізгі заңдары мен маңыздылығын анықтау үшін пайдалануға болады. Мұндай салыстырмалы талдаумүмкін болатын атмосфералық конверттер мен Жер типті беттердегі жағдайлар туралы түсінік бере алады. Бұл жұмыс қазіргі жай-күй туралы деректердің төрт жиынтығын ғана қарастырады, өйткені ол геологиялық, геохимиялық және изотоптық дәлелдемелерді және басқа да іргелі физикалық себептерді ескере отырып, оларда бұрын болған ықтимал атмосфералық жағдайларға сүйене алады.

Бұл жұмыстың құрылымы келесідей: біріншіден, қарастырыңыз физикалық негізіпарниктік эффект және сәуле жұтатын газдар. Екіншіден, жоғарыда аталған төрт ғарыштық дененің әрқайсысына, негізгі сіңіргіш газдарға, атмосфераның құрылымына және әртүрлі денелердің үстемдік ететін беттік жағдайларына қысқаша тоқталайық. Біз сондай-ақ өткен жағдайлардың мүмкін үлгілерін қарастырамыз, олардың өткендегі әртүрлі атмосфералық жағдайлар туралы деректермен және әлсіз жастардың парадоксымен байланысын ескере отырып. Соңында, осы жіптердің барлығын біріктіріп, әрбір планетамен байланысты негізгі физикалық процестерді анықтап, олардың арасында ұқсастықтар жасайық. Біз ең алдымен сапа сипаттамаларына қатысты екенін ескеріңіз.

ПАРниктік ГАЗДАР НЕГІЗДЕРІ

Парниктік газдар көрінетін жарықты өткізеді, бұл күн сәулесінің көп бөлігі атмосферадан шығып, бетіне жетуге мүмкіндік береді, бірақ олар инфрақызыл сәулелерде мөлдір емес, радиацияға әсер ететіндей, бетінің температурасы жоғарылайды және планета келіп түсетін күн радиациясымен жылулық тепе-теңдікте болады.

Атомдар мен молекулалардың сәулеленуді жұтуының физикалық процесі күрделі және көптеген заңдарды қамтиды. кванттық механикатолық суретті сипаттау. Дегенмен, процесті сапалы сипаттауға болады. Әрбір атом немесе молекула әртүрлі квантталған энергия деңгейлеріне сәйкес келетін күйлер жиынтығына ие. Молекула фотонды жұту арқылы немесе басқа бөлшекпен жоғары энергетикалық соқтығысудан төмен энергетикалық күйден жоғары энергетикалық күйге ауыса алады (айта кету керек, барлық мүмкін болатын жоғары энергия күйлеріне тікелей берілген төменгі және керісінше). Молекула қоздырылған күйге өткеннен кейін фотонды шығару немесе онымен соқтығысқаннан кейін энергиясының бір бөлігін басқа бөлшекке беру арқылы төменгі энергетикалық күйге немесе тіпті негізгі күйге (ең төменгі энергетикалық күйге) қозуы мүмкін. Жер атмосферасында сіңіргіш газдардың ауысуының үш түрі бар. Энергияның азаю реті бойынша олар: электронды ауысулар, тербеліс ауысулар және айналмалы ауысулар. Электрондық ауысулар ультракүлгін диапазондағы энергиямен жүреді, діріл және айналмалы ауысулар спектрдің жақын және орта инфрақызыл аймағында болады. Озон ультракүлгін сәулелерді сіңіретін оттегінің мысалы болып табылады, ал су буының инфрақызыл сәулелерде айтарлықтай тербеліс және айналу энергиясы бар. Жердің радиациясында инфрақызыл сәулелер басым болғандықтан, Жердің жылулық тепе-теңдігін талқылағанда айналу және тербеліс ауысулары өте маңызды.

Бұл бүкіл тарих емес, өйткені әрбір сіңіру сызығы бөлшектердің жылдамдығына (температура) және қысымға байланысты. Бұл шамаларды өзгерту спектрлік сызықтардағы өзгерістерді тудыруы мүмкін және осылайша газ беретін сәулеленудің жұтылуын өзгертуі мүмкін. Сонымен қатар, өте тығыз немесе өте суық атмосфераға қатысты басқа сіңіру режимі, соқтығысқан жұтылу (COI ретінде белгілі) әлі де талқылануы керек. Оның мағынасы ICP полярлы емес молекулаларға (яғни, күшті дипольдік моменті жоқ симметриялы молекулалар) сәулеленуді сіңіруге мүмкіндік береді. Бұл екі жолдың бірімен жұмыс істейді: біріншіден, соқтығыс фотонның жұтылуына мүмкіндік беретін молекулада уақытша дипольдік момент тудырады немесе екіншіден, H2-N2 сияқты екі молекула өздерінің квантталған айналуымен бір супермолекулаға қысқаша байланысады. мемлекеттер. Бұл өтпелі молекулалар димерлер деп аталады (Hunt et al. 1983; Wordsworth et al. 2010). Тығыздықтың тура пропорционалдылығын интуитивті түсіну өте оңай: газ неғұрлым тығыз болса, соқтығыстың ықтималдығы соғұрлым жоғары болады. Температурамен теріс қатынасты тұру уақытының әсері ретінде түсінуге болады - егер молекулада трансляциялық энергия көп болса, ол басқа молекулаға жақын жерде аз уақыт жұмсайды, осылайша димердің пайда болу ықтималдығы аз болады.

Радиациялық күштеу сипаттамаларының сандық мәндерін біле отырып, кез келген кері байланыс әсері болмаған кезде температураны оңай есептеуге болады. Егер беттің температурасы реттелсе, ғарышқа көбірек энергия бөлінеді (Hansen, Sato and Rudy 1997). Жалпы алғанда, климаттық кері байланысты түсіну өте маңызды, өйткені теріс кері байланыстемператураны тұрақтандырады, ал оң кері байланыс бұзылуларды арттырады және бақыланбайтын процесті тудырады. Кері байланыс әсерлерінің айтарлықтай әртүрлі уақыты да өте маңызды. Дәл болжамдар жасау үшін тиісті уақыт шкалаларында барлық маңызды кері әсерлерді қамтитын жалпы айналым үлгісіне (GCM) сілтеме жасау қажет (Taylor 2010). Кері байланыс әсерлерінің мысалдары: температураға тәуелді бұлттың пайда болуы (теріс кері байланыс, қысқа уақыт шкаласы), айтарлықтай мұз жамылғысының еруі немесе қалыптасуы (оң кері байланыс, қысқа/орта уақыт шкаласы), карбонат-силикат циклі (теріс кері байланыс, ұзақ уақыт шеңберлері) және биологиялық процестер (әртүрлі).

КҮН ЖҮЙЕСІНДЕГІ парниктік эффекті

Жер

Жер бетінің орташа жылдық температурасы 288 К және тиімді температура 255 К. Тиімді температура төмендегі теңдеу бойынша келетін күн радиациясының ағынына жылу балансының қатынасымен анықталады.

мұндағы S – күн тұрақтысы (жердегі ~ 1366 Вт/м2), А – Жердің геометриялық альбедосы, σ – Стефан-Больцман тұрақтысы, f – геометриялық коэффициент, жылдам айналатын планеталар үшін 4-ке тең, яғни. Күн тәртібі бойынша айналу кезеңдері бар планеталар (Catling and Kasting 2013). Демек, парниктік эффект Жердегі осы температураның 33 К-қа артуына жауап береді (Поллак 1979). Бүкіл Жер 255 К-ге дейін қызған қара дене ретінде сәулеленуі керек, бірақ парниктік газдармен, ең алдымен, CO2 және H2O арқылы сіңіру, жылуды бетіне қайтарып, суық атмосфераны жасайды. Бұл қабаттар 255 К-ден әлдеқайда төмен температурада сәулеленеді, сондықтан 255 К-де қара дене сияқты сәулелену үшін бет жылырақ және көбірек сәулеленуі керек. Ағынның көп бөлігі 8-12 микрон терезе арқылы өтеді (атмосфераға салыстырмалы түрде мөлдір толқын ұзындығы аймағы).

Суық жоғарғы атмосфераның жылы беткеймен оң корреляцияланатынын атап өту маңызды – атмосфераның жоғарғы қабаты неғұрлым сәуле шығаруға қабілетті болса, соғұрлым жер бетінен келетін ағын төмен болады (Кастинг 1984). Сондықтан жер бетінің температуралық минимумдары мен планета атмосферасының жоғарғы қабаттары арасындағы айырмашылық неғұрлым көп болса, парниктік эффект соғұрлым жоғары болады деп күту керек. Хансен, Сато және Руди (1997) СО2 концентрациясының екі есе артуы кері байланыс әсерін елемей, күн радиациясы ағынының 2%-ға артуына барабар екенін көрсетті.

Жердегі негізгі парниктік газдар - су буы және көмірқышқыл газы. Озон, метан және азот оксидтері сияқты әлдеқайда төмен концентрациядағы газдар да ықпал етеді (De Pater and Lisauer 2007). Атап айтқанда, бу парникті жылытуға ең үлкен үлес қосқанымен, ол конденсацияланбайтын парниктік газдармен, әсіресе СО2-мен конденсацияланады және «синхрондалады» (De Pater and Lisauer, 2007). Су буы конденсациялау арқылы атмосфераға жасырын жылуды шығара алады, тропосферадағы температура градиентін құрғақ емес, ылғалды адиабатаға ауыстырады. Су буын минимум температурада (тропопаузада) конденсациялайтын тропосфералық суық ұстағыштың әсерінен су стратосфераға түсе алмайды және фотолизге ұшырайды.

Атмосфераның эволюциясы

Шамамен 4 миллиард жыл бұрын жер бетінде шөгінді жыныстардың болуы және мұздық шөгінділерінің анық болмауы ертедегі Жердің жылы болғанын, мүмкін қазіргіден де жылы болғанын көрсетеді (De Pater and Lisauer 2007). Бұл әсіресе проблемалы, өйткені сол кезде күн радиациясының ағыны шамамен 25% төмен болды. Бұл мәселе «әлсіз жас күн парадоксы» (Goldblatt and Zahnle 2011) ретінде белгілі. Ықтимал түсініктеме бүгінгіден әлдеқайда үлкен парниктік эффект болуы мүмкін. CH4, CO2 және H2O және, мүмкін, NH3 концентрациясы сол кезде жоғары болды деп есептеледі (Де Патер). Осы сәйкессіздікті түсіндіру үшін көптеген гипотезалар ұсынылды, соның ішінде СО2-нің әлдеқайда жоғары парциалды қысымы, метанның әсерінен айтарлықтай парниктік эффект (Павлов, Кастинг және Браун, 2000), органикалық тұман қабаты, бұлттылықтың жоғарылауы, спектрлік сызықтардың кеңеюі. азоттың ішінара қысымы мен жалпы атмосфералық қысымның айтарлықтай жоғары болуына байланысты қысымға дейін (Goldblatt et al. 2009).

Венера

Массасы мен өлшемі ұқсас болғандықтан Венера жиі Жердің әпкесі ретінде сипатталғанымен, оның беті мен атмосфералық жағдайларының Жермен ешқандай ортақтығы жоқ. Бетінің температурасы мен қысымы сәйкесінше 733 К және 95 бар (De Pater and Lisauer 2007, Krasnopolsky 2011). Жоғары альбедо және 100% бұлттылықтың арқасында тепе-теңдік температурасы шамамен 232 К құрайды. Сондықтан Венерадағы парниктік әсер жай ғана құбыжық және шамамен 500 К-ге тең. Бұл 92 бар СО2 ішінара қысымымен таңқаларлық емес. Қысым арқылы желілерді кеңейту бар үлкен құндылықосындай тығыздықтарда және жылынуға айтарлықтай үлес қосады. CO2-CO2 ICP де үлес қосуы мүмкін, бірақ бұл туралы әлі әдебиет жоқ. Су буының мөлшері көлемі бойынша 0,00003% шектелген (Meadows and Crisp 1996).

Атмосфераның эволюциясы

Көбінесе Венера Жерге ұқсас ұшпа жиынтықтан және ұқсас бастапқы изотоптық құрамнан басталды деп есептеледі. Егер бұл рас болса, онда Жер үшін 150-ден астам өлшенген дейтерий/протий қатынасы (Donahue және т.б. 1982) бұрын сутегінің үлкен шығындарын көрсетеді, бұл судың фотодиссоциациясына байланысты болуы мүмкін (Chassefier et al. 2011), дегенмен Grinspoon Льюис (1988) суды жеткізу бұл изотоптық қолтаңбаны түсіндіре алады деп ұсынды. Қалай болғанда да, егер оның құрамында Жердегідей көп су болса, Венераның қазіргі күйіне дейін мұхиттары болуы мүмкін еді (Кастинг 1987). Оның жағдайы тек СО2 (немесе кез келген басқа парниктік газдар) концентрациясының жоғарылауынан туындауы мүмкін емес, бірақ әдетте күн энергиясының ұлғаюымен байланысты деп есептеледі (Kippenhahn 1994), дегенмен ішкі жылу ағыны жылыжай әсерін тудырды. толқынды құлыпталған планеталар да мүмкін (Barnes et al. 2012).

Кастинг (1987) Венераға қашып кететін және тұрақты парниктік әсерлерді зерттеді. Егер Венера өзінің тарихында ерте мұхитқа ие болса, оның қазіргі орбитасында күн энергиясының ағыны жылыжай сценарийі бірден басталады. Күн радиациясының ұлғаюына байланысты мұхит суының жоғалуының екі сценарийі бар (Kasting 1987, Goldblatt et al. 2011, Catling and Kasting 2013). Бірінші бақыланбайтын сценарий: мұхит тропосфераға булана бастайды, қызуды арттырады, бірақ қысым да жоғарылайды, сондықтан мұхиттар қайнамайды. Су тропосферада фотодиссоциациядан және сутегінің ғарышқа шығуынан әлдеқайда жылдамырақ жиналады. Ауа райы оқиғалары әлі де орын алуы және СО2 бөлінуін бәсеңдетуі мүмкін. Су буының температурасы мен қысымы артады және мұхит су 647 К сыни нүктеге жеткенге дейін сақталады, бұл кезде буды кез келген қысыммен суға айналдыру мүмкін емес, бұл кезде барлық тынық сұйық су буланып, пайда болады. ұзақ толқынды сәулеленуге мүлдем мөлдір емес су буының тығыз тұманы. Содан кейін бетінің температурасы су буының мөлдірлігі әлдеқайда жоғары және тұрақты болатын жақын инфрақызыл және көрінетін аймақтарда сәуле шығара бастағанға дейін артады. Бұл 1400 К температураға сәйкес келеді, жер бетіне жақын тау жыныстарын еріту және олардан көміртекті шығару үшін жеткілікті жоғары. Сонымен қатар, атмосфералық әсерсіз CO2 тау жыныстарынан босатылуы мүмкін және еш жерде жойылмайды. Екінші сценарийде атмосфераға су буының шығуы температураның таралуын анағұрлым изотермиялық етеді, тропопаузаны жоғарылатады және суық тұзақты бұзады. Сондықтан су буы стратосфераға өтіп, фотолизге ұшырауы мүмкін. Бірінші сценарийден айырмашылығы, су мұхиттан булану жылдамдығына сәйкес жылдамдықпен жоғалады және булану барлық су жойылмайынша тоқтамайды. Су таусылғанда карбонат-силикат циклі өшеді. Егер СО2 мантиядан шығарыла берсе, оны жоюдың қол жетімді жолы жоқ.

Марс қандай да бір жолмен температура мен қысым тұрғысынан Венераға қарама-қарсы. Беткі қысым шамамен 6 миллибар және орташа температура 215 К (Carr and Head 2010). Тепе-теңдік температурасын 210 К деп көрсетуге болады, сондықтан парниктік эффект шамамен 5 К және шамалы. Температура ендікке, жыл мезгіліне және тәулік уақытына байланысты 180 К пен 300 К арасында өзгеруі мүмкін (Карр және Хид 2010). Теориялық тұрғыдан, H2O фазалық диаграммасына сәйкес Марс бетінде сұйық су болуы мүмкін қысқа уақыт кезеңдері бар. Жалпы, дымқыл Марсты көргіміз келсе, өткенге үңілу керек.

Атмосфераның эволюциясы

Mariner 9 алғаш рет өзен ағынының айқын іздерін көрсететін фотосуреттерді қайтарды. Ең көп тараған интерпретация - ерте Марс жылы және ылғалды болды (Pollack 1979, Carr and Head 2010). Кейбір механизм, мүмкін парниктік эффект (бұлттар да қарастырылды), ол жеткілікті радиациялық күштерден туындаған болуы керек, Марсты өзінің алғашқы тарихында жылытады. 3,8 миллиард жыл бұрын, Марста жұмсақ климат болған кезде Күн 25% күңгірт болғанын ескерсек, мәселе бірінші рет көрінгеннен де қиынырақ (Кастинг 1991). Ерте Марстың беттік қысымы 1 бар және температурасы 300 К-ге жақын болуы мүмкін (De Pater and Lisauer 2007).

Кастинг (1984, 1991) СО2 жалғыз ғана Марстың ерте бетін 273 К-ға дейін қыздыра алмайтынын көрсетті. СО2-нің клатраттарға конденсациялануы атмосфералық температура градиентін өзгертеді және атмосфераның жоғарғы бөлігін көбірек жылу шығаруға мәжбүр етеді, ал егер планета радиациялық жағдайда болса. тепе-теңдік, содан кейін планетаның бірдей шығыс ағыны ұзын толқынды инфрақызыл сәулеленуге ие болу үшін бет аз шығарады және бет салқындай бастайды. Осылайша, 5 бардан жоғары қысымда СО2 планетаны жылытудың орнына салқындатады. Және бұл сол кездегі күн ағынын ескере отырып, Марс бетін судың қату нүктесінен жоғары қыздыру үшін жеткіліксіз. Бұл жағдайда СО2 клатраттарға айналады. Wordsworth, Foget және Amit (2010) тығыз, таза СО2 атмосферасында (ICP қоса алғанда) СО2 сіңіру физикасының неғұрлым қатаң емделуін ұсынды, бұл 1984 жылы Кастингтің жоғары қысымда бетінің температурасын шын мәнінде асыра бағалағанын көрсетті, осылайша бұл мәселені күшейтті. жылы, ылғалды ерте Марс. CO2-ден басқа басқа парниктік газдар бұл мәселені шешуі мүмкін немесе, мүмкін, егер ол альбедоды азайтса, шаң.

CH4, NH3 және H2S ықтимал рөлі бұрын талқыланған болатын (Саган және Муллен, 1972). Кейінірек SO2 парниктік газ ретінде де ұсынылды (Джунг және т.б., 1997).

Титанның бетінің температурасы мен қысымы сәйкесінше 93 К және 1,46 бар (Кустенис). Атмосфера негізінен бірнеше пайыз CH4 және шамамен 0,3% Н2 бар N2-ден тұрады (МакКэй, 1991). Титанның тропопаузы 40 км биіктікте температурасы 71 К.

Титанның парниктік әсері, ең алдымен, N2, CH4 және H2 молекулаларымен ұзақ толқынды сәулеленуді қысыммен индукцияланған сіңірумен байланысты (МакКэй, Поллак және Кортин 1991). Н2 Титанға тән сәулеленуді (16,7-25 мкм) күшті сіңіреді. СН4 Жердегі су буына ұқсас, өйткені ол Титан атмосферасында конденсацияланады. Титанға парниктік әсер негізінен N2-N2, CH4-N2 және H2-N2 димерлерінің соқтығысты жұтуымен байланысты (Hunt және т.б. 1983; Wordsworth және т.б. 2010). Бұл тербеліс және айналмалы ауысулар арқылы сіңіру басым болатын Жер, Марс және Венера атмосфераларына мүлдем қарама-қайшы.

Титанның сонымен қатар парникке қарсы әсері бар (McKay et al., 1991). Парниктік әсерге қарсы әсер жоғары биіктікте көрінетін жарықты жұтатын, бірақ инфрақызыл сәулеленуге мөлдір болатын тұман қабатының болуынан туындайды. Антипарниктік эффект бет температурасын 9 К төмендетеді, ал парниктік эффект оны 21 К жоғарылатады. Осылайша таза парниктік эффект 12 К (94 К байқалған бет температурасымен салыстырғанда 82 К тиімді температура) құрайды. Тұман қабаты жоқ титан жылыжайға қарсы әсердің жоқтығына және парниктік әсердің күшеюіне байланысты 20 К жылы болады (McKay et al. 1991).

Беттік салқындату негізінен спектрдің 17-25 микрон аймағындағы сәулеленуге байланысты. Бұл Титанның инфрақызыл терезесі. H2 маңызды, себебі ол осы аймақта сіңіріледі, СО2 Жерде өте маңызды, өйткені ол жер бетінен инфрақызыл сәулелерді сіңіреді. Екі газ да атмосфера жағдайында буларының қанығуымен шектелмейді.

Метан өз буының қысымына жақын, жердегі H2O-ға ұқсас.

Атмосфераның эволюциясы

Күннің жарқырауының жоғарылауына байланысты Титанның бетінің температурасы 4 миллиард жыл бұрынғыға қарағанда 20 К жылы болуы мүмкін (McKay et al. 1993). Бұл жағдайда атмосферадағы N2 мұзға дейін салқындатылады. Титан атмосферасының қалыптасуы мен өмір сүру ұзақтығы - бұл ешқандай нақты шешімдерсіз қызықты мәселе (Koustenis 2004). Бір мәселе мынада, CH4 фотолизі мен этан өндірісінің осы қарқынында Титан атмосферасындағы CH4-тің ағымдағы қоры күн жүйесінің жасына қарағанда әлдеқайда аз уақыт ішінде таусылады. Сонымен қатар, сұйық этан бүгінгі өндіру қарқыны бойынша бірнеше жүз метр төмен жер бетінде жинақталады (Lunine және т.б., 1989). Немесе бұл Титан тарихындағы ерекше кезең, немесе метанның белгісіз көздері мен этанды сіңіру бар (Катлинг және Кастинг, 2013).

ҚОРЫТЫНДЫ ЖӘНЕ ТАЛҚАЛАУ

Жер, Марс және Венера әр планетаның байқалатын атмосферасы, ауа-райы, өткен немесе қазіргі вулканизм және химиялық гетерогенді құрамымен ұқсас. Титанның сонымен қатар маңызды атмосферасы, ауа-райы, мүмкін криоволканизм және ықтимал ішінара гетерогенді құрамы бар (De Pater and Lisauer 2007).

Марс, Жер және Венера СО2-нің айтарлықтай әсері бар парниктік эффектке ие, дегенмен СО2 жылынуының шамасы мен парциалды қысымы бірнеше реттік тәртіппен ерекшеленеді. Күн жүйесінің тарихында, Күн әлсіреген кезде, Жер мен Марс қосымша жылытуға ие болғаны анық. Көптеген шешімдер ұсынылған және көптеген түсініктемелер мүмкін болса да, бұл екі планета үшін жылыну көзі(дер)і неден болғаны белгісіз. Бір қызығы, Марс Жердің өткенімен салыстыруға мүмкіндік береді, өйткені екі планетаның да CO2 газы тудыратын парниктік әсерден гөрі жылырақ болғаны туралы көптеген геологиялық дәлелдер бар. Сонымен қатар, Венерадағы жылыжай эффектісі күн белсенділігі арта берсе, Жердің болашағы туралы түсінік береді. Үш планетаның модельдерін салыстыру, негізгісін білу физикалық заңдар, барлық планеталар үшін бірдей, егер Күн жердегі планеталарға әсер етпесе, алу мүмкін емес нәрселерді аламыз.

Титан - бұл зерттеу үшін қызықты материал, автордың айтуынша, әсіресе басқа сипатталған әлемдерден айырмашылығы, оның парниктік әсері соқтығысты сіңіру басым. ICP есебінен жылытудың экзопланеталардың (Пьеррехумберт) жағдайлары мен ықтимал өмір сүру мүмкіндігін сипаттау үшін көптеген мүмкін қосымшалары бар. Жер атмосферасы сияқты, Титанның атмосферасында атмосферада конденсациялануы мүмкін және сондықтан температураның таралуына әсер ете алатын үштік нүктеге жақын материал жеткілікті.

Жер атмосферасындағы газдардың негізгі түрлеріне, әрине, тірі организмдер әсер етеді (Taylor 2010). Бұл күн жүйесіндегі басқа планеталарға қатысты емес екені анық. Дегенмен, біз басқа биосфераларды жақсы түсіну үшін Жер мен жүйеміздегі жансыз әлемдер арасындағы салыстыруды пайдалана аламыз.

Соңғы онжылдықта «парниктік эффект» тіркесі іс жүзінде теледидар экрандарынан да, газет беттерінен де кетпеді. Оқу бағдарламаларыбірден бірнеше пәндер оны мұқият зерттеуді қамтамасыз етеді және оның біздің планетамыздың климаты үшін теріс мәні әрдайым дерлік көрсетіледі. Дегенмен, бұл құбылыс қарапайым адамға ұсынылғаннан әлдеқайда көп қырлы.

Парниктік эффект болмаса, біздің планетамыздағы тіршілік күмәнді болар еді

Біз парниктік эффект біздің планетамызда оның бүкіл тарихында болғанынан бастауға болады. Бұл құбылыс олар үшін сөзсіз аспан денелері, Жер сияқты тұрақты атмосфераға ие. Онсыз, мысалы, Дүниежүзілік мұхит баяғыда қатып, тіршіліктің жоғары формалары мүлде пайда болмас еді. Ғалымдар бұрыннан бері біздің атмосферада көмірқышқыл газы болмаса, оның болуы парниктік эффект процесінің қажетті құрамдас бөлігі болса, онда планетадағы температура -20 0 C шамасында ауытқитын еді, сондықтан өмірдің пайда болуы туралы мүлде айтылмайды.

Парниктік әсердің себептері мен мәні

«Парниктік эффект дегеніміз не?» деген сұраққа жауап бере отырып, ең алдымен оның атауы берілгенін атап өткен жөн. физикалық құбылысбағбандар арасында жылыжайда болатын процестерге ұқсастық арқылы алынған. Оның ішінде жыл мезгіліне қарамастан, ол әрқашан қоршаған кеңістікке қарағанда бірнеше градус жылы болады. Мәселе мынада, өсімдіктер көзге көрінетін күн сәулесін сіңіреді, ол шыныдан, полиэтиленнен және жалпы кез келген кедергіден мүлдем еркін өтеді. Осыдан кейін өсімдіктердің өзі де энергия шығара бастайды, бірақ инфрақызыл диапазонда сәулелері бұдан былай бірдей әйнекті еркін жеңе алмайды, сондықтан парниктік эффект пайда болады. Демек, бұл құбылыстың себептері көрінетін спектрлер арасындағы теңгерімсіздікте жатыр. күн сәулелеріжәне өсімдіктер мен басқа объектілердің сыртқы ортаға шығаратын сәулеленуі.

Парниктік эффектінің физикалық негіздері

Жалпы біздің планетамызға келетін болсақ, мұнда парниктік эффект тұрақты атмосфераның болуына байланысты туындайды. Температуралық тепе-теңдікті сақтау үшін Жер Күннен қанша энергия алса, сонша энергия бөлуі керек. Алайда, атмосферада инфрақызыл сәулелерді сіңіретін, осылайша жылыжайдағы шыны рөлін атқаратын көмірқышқыл газы мен судың болуы парниктік газдар деп аталатындардың пайда болуына себеп болады, олардың бір бөлігі Жерге қайта оралады. Бұл газдар планета бетіндегі температураны жоғарылатып, «көрпе эффектісін» жасайды.

Венераға жылыжай әсері

Жоғарыда айтылғандардан парниктік эффект тек Жерге ғана емес, сонымен қатар тұрақты атмосферасы бар барлық планеталар мен басқа аспан денелеріне тән деген қорытынды жасауға болады. Шынында да, ғалымдар жүргізген зерттеулер көрсеткендей, мысалы, Венера бетіне жақын жерде бұл құбылыс әлдеқайда айқын көрінеді, бұл, ең алдымен, оның ауа қабығының жүз пайызға жуық көмірқышқыл газынан тұратындығына байланысты.