Здесь самое место вспомнить, что такое альбедо. Альбедо — это и есть способность поверхности отражать часть солнечных лучей. Сточки зрения энергетического баланса — это та часть энергии, которая не используется для нагрева планеты Солнцем. Солнечное излучение отражается по-разному атмосферой, сушей, лесами и океаном. Чем альбедо выше, тем светлее нам кажется поверхность. Черная поверхность поглощает все лучи, падающие на нее, то есть альбедо равно нулю.
Альбедо Земли складывается из отражательной способности составляющих ее поверхность элементов. Все они, например из космоса, видятся более или менее светлыми. Те, что более светлые, имеют более высокое альбедо, более темные — более низкое. Например:
Свежий снег — 95%
Облака типа Cumulo-nimbus — 90%
Старый снег и ледники — 60%
Облака типа cirrus — 35%
Песок, пустыни — 30%
Растительность — 10%
Океан, реки, озера, вода — 7%
Таким образом, для всей земной поверхности среднее альбедо сегодня — около 30 %, что говорит о том, что Земля оставляет у себя 70 % солнечного излучения.
Тут надо сделать небольшое, но очень важное уточнение: с точки зрения энергетики, неправильно брать в расчет только видимую часть спектра. Если Солнце с температурой поверхности в 6000 градусов Цельсия поливает нас ультрафиолетом и лучами из верхней части спектра (солнце — желтая звезда), то отраженное ему обратно Землей излучение на 60 % состоит из видимого излучения и 40 % (!) из инфракрасного, которое и является основным «нагревателем» нашего планетарного «парника». Также, кстати, важно понимать, что альбедо растительности (листьев и травы) — всего 10 % в видимом спектре (они темные), но достигает 60 % в инфракрасном. Тут, кстати, наблюдается еще один забавный и немного провокационный парадокс: чем больше растительности — тем больше планета отражает инфракрасного излучения… Леса вырубить — парниковый эффект может стать и меньше… Все гораздо сложнее, чем представляется.
Но вернемся к энергетическому балансу земной поверхности. Получив 240 ватт энергии на квадратный метр, Земля поглощает две трети и треть отражает. То есть 160 ватт «нагревает» каждый квадратный метр Земли, и 80 ватт уходит «в небо». Но, чтобы сохранить энергетический баланс, Земля должна «отдавать» космосу те же 240 ватт. Земля — не холодная планета, у нее горячее ядро, наполненное магмой. Поэтому Земля излучает не только отраженную энергию Солнца, но и имеет свое инфракрасное (мы это помним) излучение. Это излучение на поверхности планеты сегодня равно 300 ваттам на квадратный метр. То есть поверхность Земли получает 240 ватт, а отдает больше — 380 ватт. Из этих 380 ватт через атмосферу проходит менее половины — около 150. Все остальное — 130 ватт возвращается обратно к земной поверхности и нагревает ее. Иными словами — Земля сама себя греет. Эта «дополнительная энергия» и есть проявление радиационного форсажа, или парникового эффекта.
Как вы видите, сам по себе парниковый эффект действительно оказывает существенное влияние на энергетический баланс планеты: оставленная им у поверхности планеты энергия (130 ватт на квадратный метр) почти сравнима с той частью энергии, которая доходит до нее через атмосферу от Солнца (160 ватт на квадратный метр).
Но данный факт сам по себе еще не говорит, что это вызывает потепление, как и не говорит о том, что именно углекислый газ — основной фактор парникового эффекта.
Физика парникового эффекта намного сложнее. Частота волн полученного и выпущенного излучения играет в нем важную роль. Вспомним тот факт, что Солнце излучает всю гамму лучей и много ультрафиолета, а основное излучение Земли — инфракрасное. Земля — темное небесное тело.
Так вот, разные молекулы атмосферы пропускают и отражают волны разной длины. Вода поглощает волны одной частоты — именно на эту частоту (2450 мегагерц) выставлены все, произведенные в Китае, микроволновки на всех кухнях всех домохозяек в мире. Но молекула азота поглощает волны на другой частоте, молекулы озона — на третьей, молекула углекислого газа СО2 — на четвертой, и так далее.
[2]
Основной диапазон волн, которые атмосфера пропускает, называется «окном». Главное «окно» земной атмосферы (излучение Земли) находится в диапазоне 9 и 11 микрометров. Именно в этом диапазоне и идет основное излучение Земли.
Как это ни парадоксально, но очевидно, что диапазон основного излучения Земли НЕ совпадает с длинной волн, которые поглощает СО2!
Поэтому, очевидно, что основное излучение Земли — инфракрасное — СО2 НЕ ПОГЛОЩАЕТ, а пропускает. Значит — влияние СО2 на радиационный форсаж (парниковый эффект) не должно быть существенным. Значит, что-то другое в атмосфере поглощает инфракрасное излучение и оставляет эту энергию у поверхности планеты, но не СО2.
То есть мы понимаем, что радиационный (и соответственно температурный) режим планеты очень сильно зависит от альбедо и от состава атмосферы (если в ней содержатся газы, молекулы которых поглощают энергию на тех же волнах, что сама планета излучает). От чего альбедо меняется? Ну во-первых, очевидны сезонные изменения в каждом полушарии. Летом растительность, зимой — снег и лед. Отмечу лишний раз, что сезонные вариации альбедо более заметны в Северном полушарии (там больше суши и резкого континентального климата). Долгосрочные и несезонные вариации альбедо происходят по следующим причинам: связанным с человеческой деятельностью — урбанизация, замещение лесов сельхозкультурами, таяние льдов, и природным — изменение облачного слоя планеты.
Например, вырубка лесов, драматическое с точки зрения экосистемы явление, на вариацию альбедо оказывает очень малое влияние. По рапортам ООН ежегодно Земля теряет до 150 000 квадратных километров лесов. То есть — за 25 лет поверхность теряет около 3,5 миллионов квадратных километров лесной поверхности. Но с точки зрения энергетического баланса планеты это значит, что 0,5 % Земной поверхности изменит свое альбедо с 10 % до 20 % или до 30 % (в зависимости от того — что будет на месте леса). Это будет соответствовать увеличению энергетического баланса примерно на 0,02 ватта на квадратный метр за четверть века. По подсчетам IPCC, все изменение отражающей поверхности земной поверхности человеком за XX век (меньше лесов, больше полей, городов и дорог) изменило энергетический баланс Земли не более, чем на 0,2 ватта на квадратный метр. Мы помним, что в среднем Земля получает 240 ватт энергии на квадратный метр поверхности, то есть человек в худшем случае изменил альбедо поверхности планеты на 0,08 % (восемь сотых процента), что чрезвычайно незначительно.
Напротив, облака являются очень существенным фактором, влияющим на альбедо и, соответственно, на энергетический баланс планеты. Облачный покров отвечает за две трети (!) отраженной в космос солнечной энергии. Именно из-за облаков альбедо Земли достигает 30 %. Однако привычные нам облака — не такой простой феномен. Во-первых, они состоят из мельчайших частиц воды и льда разного размера, в разных пропорциях и на разной высоте. Все это приводит к вариации альбедо. Именно непредсказуемость образования облаков и отсутствие исторических данных по величине и толщине облачного покрова планеты являются основной проблемой климатического моделирования.
