Именно под этим названием широкой публике была преподнесена гипотеза о потеплении климата Земли вследствие повышения в её атмосфере концентрации углекислого газа. Между тем, парник на дачном участке – очень слабая аналогия Земли в космосе. Ещё в 1909 г. американский физик Роберт Вуд провёл опыты на модели парника и доказал, что степень поглощения инфракрасного излучения прозрачным покрытием практически не влияет на температурный режим парника. Полученные Вудом на модели результаты совершенно правомерно перенести на парник, но, увы, к теплообмену Земли с космосом они почти никакого отношения не имеют, ибо парник не является моделью Земли. Применительно же к парнику эти результаты большой ценности не представляют, т.к. с теплотехнической точки зрения вполне очевидны.
Благодаря многолетним усилиям массовой пропаганды в обществе сложилось превратное представление о работе довольно простого теплообменного устройства, каковым является парник. Большинство людей убеждено в том, что повышенная температура в парнике обеспечивается оптическими свойствами пленки, якобы пропускающей всю солнечную энергию и задерживающей всё тепло, накопившееся в парнике.
Для того чтобы разобраться с реальными процессами теплообмена между парником и окружающей средой, стоит вспомнить, что в природе, кроме излучения, существуют еще два вида теплопередачи – теплопроводность и конвекция. Обычно мы сталкиваемся с сочетанием всех трех видов теплопередачи. Но в каждом конкретном случае вклад отдельных видов теплопередачи различен. В твердых телах теплота передается теплопроводностью. А конвекция возможна только в текучих средах (газах и жидкостях). Причем, чем больше скорость среды, тем сильнее конвекция.
Парник получает тепло от Солнца только в дневное время, а отдает тепло окружающей среде круглые сутки (если, конечно, температура окружающей среды ниже температуры в парнике). Воздух в парнике изолирован от окружающей среды пленкой, поэтому прямой теплообмен парника с окружающей средой посредством конвекции незначителен (некоторое количество холодного воздуха все-таки проникает в парник через всегда существующие неплотности). Тем не менее, вследствие разности плотностей воздуха, обусловленной неравномерностью температур, в парнике возникает определенное движение воздуха. Такое движение воздуха определяет существование так называемой естественной конвекции.
Благодаря естественной конвекции теплота от нагретой Солнцем почвы передается воздуху, нагретые слои воздуха поднимаются вверх и посредством той же естественной конвекции передают теплоту внутренней поверхности плёнки, а охлажденные слои воздуха опускаются вниз. Теплота от почвы к плёнке передается также излучением. Часть излучения проходит через плёнку, а другая часть – поглощается ею. Теплота от внутренней поверхности передается теплопроводностью внешней поверхности плёнки. А от неё теплота передается окружающей среде конвекцией и… излучением (о таком физическом факте борцы с углекислым газом умалчивают). Ввиду небольшой толщины плёнки её термическое сопротивление очень мало, вследствие чего температуры внутренней и внешней поверхностей плёнки очень близки. А это означает, что плёнка почти не задерживает тепловое излучение, т.е. коэффициент поглощения инфракрасного излучения плёнкой практически не влияет на температурный режим парника. Плёнка в парнике выполняет иные функции: пропускает солнечные лучи и препятствует проникновению в парник холодного воздуха.
Теплообмен Земли с космосом кардинально отличается от теплообмена парника с окружающей средой. Во-первых, Земля обменивается теплом с космосом посредством только излучения (теплопроводность и конвекция участвуют в теплообмене на промежуточной стадии обмена теплотой между Землёй и её атмосферой). А во-вторых, Земля излучает тепло в пространство, температура в котором близка к абсолютному нулю, в отличие от парника, излучающего теплоту в среду с близкими температурами.
Отрицательные обратные связи
Отрицательные обратные связи используются в системах автоматического управления для обеспечения устойчивости системы. Природа в целом представляет собой огромную систему, для устойчивости которой необходимы бесчисленные отрицательные обратные связи, роль которых исполняют объективные законы природы. В любой природной системе, большой или малой, при появлении возмущения включаются отрицательные обратные связи, направленные против возникшего возмущения и стремящиеся вернуть систему в первоначальное состояние. И чем сильнее возмущение, тем большее сопротивление оно встречает. Например, чем сильнее мы сжимаем пружину, тем с большей силой она стремится разжаться. Или: сопротивление движению тела пропорционально квадрату его скорости.
Современные климатологи уверяют нас, что за последние сто лет температура на планете увеличилась на 0,7°C. Допустим, что действительно по каким-то причинам за сто лет температура на планете повысилась на 0,70°C. Но повышение температуры является возмущением системы. Земля не может остаться к этому равнодушной и сразу же включает обратные связи, направленные на снижение температуры.
Во-первых, повышение температуры вызывает дополнительное таяние льдов, что требует определенных затрат тепла (теплота плавления льда составляет 333 кДж/кг). Во-вторых, усиливается испарение воды, требующее ещё больших затрат тепла – теплота парообразования воды составляет 2260 кДж/кг. Для сравнения: теплоёмкость воды равна 4,2 кДж/(кг·град), воздуха – 1 кДж/(кг·град). Иными словами, таяние 1 кг льда приводит к уменьшению температуры на один градус 79 кг воды, или 333 кг воздуха. А испарение 1 кг воды вызовет уменьшение температуры на один градус 540 кг воды или 2260 кг воздуха.
В-третьих, повышение температуры Земли приводит к увеличению её теплового излучения. Если средняя температура Земли в настоящее время составляет 0°C или 273°К, то сто лет назад, в соответствии с данными климатологов, она равнялась 272,3°К. Согласно закону Стефана-Больцмана, за счёт повышения температуры излучение Земли в настоящее время должно было бы увеличиться по сравнению с излучением сто лет назад в (273/272,3)4 =1,01 раза. Следовательно, только для того, чтобы температура на Земле не снижалась, необходимы, по сравнению с началом прошлого века, увеличение поглощения теплоты атмосферой, как минимум, на 1%, либо соответствующий прирост тепла, поступающего от Солнца.
Углекислый газ в атмосфере
Атмосфера Земли состоит в основном из азота (78%) и кислорода (21%). В относительно малых концентрациях в атмосфере присутствуют и другие газы: аргон, водяной пар, углекислый газ, неон, метан, водород и др.
Концентрация различных газов в зависимости от их плотности распределяется неравномерно по высоте атмосферы – концентрация тяжелых газов выше в нижних слоях, а легких – в высоких слоях атмосферы. Плотность газа пропорциональна его молекулярному весу. Молекулярный вес азота (N2), составляющего 78% атмосферы, 14·2=28, кислорода (O2) – 16·2=32, водяного пара (H2O) – 1·2+16=18, углекислого газа (CO2) – 12+16·2=44. Углекислый газ концентрируется в основном в нижних слоях атмосферы. Водяной пар поднимается на определенную высоту и образует облака. Подняться еще выше пару мешает конденсация, усиливающаяся с понижением температуры и с увеличением концентрации водяных паров. Концентрация кислорода уменьшается с высотой, но её изменение не такое сильное, как у других газов, ввиду близости молекулярных весов азота и кислорода.
Содержание CO2 в атмосфере составляет примерно 0,04%. Несмотря на малую концентрацию, углекислый газ играет важную роль в нашей жизни, обеспечивая пищей всю растительность Земли. Однако, невзирая на несомненные заслуги, углекислый газ в последние десятилетия подвергается постоянным нападкам. Его уже причислили к «вредным выбросам» и назвали главным виновником грозящей человечеству катастрофы в виде глобального потепления. Появились даже предложения своеобразного «уголовного наказания» углекислого газа в виде закачивания его под землю.
Попробуем спокойно разобраться, насколько обоснованны эти обвинения. CO2 обладает свойством поглощать часть инфракрасного излучения. Причём задерживает он не только излучение, идущее от Земли, но и излучение, идущее от Солнца. Но т.к. CO2 концентрируется в нижних слоях атмосферы, задержка солнечных лучей не приводит к охлаждению воздуха вблизи земли, а поглощение земного излучения нагревает нижние слои атмосферы. Так что CO2 виноват не в том, что задерживает инфракрасное излучение, а в том, что слишком тяжёлый и не может подняться наверх (водяной пар ещё сильнее поглощает тепловое излучение – и никаких претензий!). Вина углекислого газа в повышении температуры воздуха несомненна, но насколько она велика?