Основы адиабатической теории парникового эффекта

Атмосфера представляет собой яркий пример открытой диссипативной (рассеивающей энергию) системы, описываемой нелинейными уравнениями математической физики. Эти два обстоятельства позволяют надеяться, что в атмосфере возможна самоорганизация физических полей и формирование в ней устойчивых термодинамических структур в масштабах пространства и времени, определяемых параметрами процесса. При таком подходе можно пользоваться только наиболее значимыми и достоверно установленными параметрами среды, такими как масса атмосферы, её теплоёмкость, осреднённое значение энергии падающего на Землю солнечного излучения, а также учитывать сильную отрицательной обратную связь между сферическим альбедо планеты и её осреднённой приземной температурой.

Из всех планет Солнечной системы только Земля обладает уникальными атмосферой и гидросферой, благоприятствующими развитию на земной поверхности высших форм жизни. Определяется это удачным стечением многих обстоятельств: и тем, что Солнце «спокойная» звезда, и тем, что Земля расположена на оптимальном расстоянии от светила, и тем, что у неё имеется массивный спутник – Луна, – и химическим составом первичной Земли, и многими другими причинами, рассмотренными более подробно в нашей монографии [6].

Согласно разработанной нами теории парникового эффекта, главными факторами, ответственными за возникновение комфортных климатических условий на Земле, являются величина солнечной радиации, а также давление и теплоёмкость земной атмосферы [4, 5]. Согласно этой теории, в классическом варианте приземная температура T_e, и вообще абсолютная температура на любом уровне тропосферы (нижнего слоя атмосферы) пропорциональна эффективной температуре вращающейся Земли на её расстоянии от Солнца. Как известно, эффективная температура планеты зависит от интенсивности солнечного излучения (солнечной постоянной) S, альбедо планеты (её отражательной способности) А, давления атмосферы р и показателя адиабаты где C_p и C_V – теплоёмкости воздушной смеси соответственно при постоянном давлении и постоянном объёме), зависящего от состава и теплоёмкости атмосферы:

(1)

где b – безразмерный коэффициент пропорциональности; = 5,67 • 10^–5 эрг/(см² • с • град⁴) – постоянная Стефана–Больцмана; р ₀ – единица давления (например, 1 атм).

В приведённом выражении солнечная постоянная делится на 4, поскольку освещаемый Солнцем земной диск в 4 раза меньше общей поверхности Земли. Однако, строго говоря, это справедливо только в случае, когда ось вращения планеты расположена строго перпендикулярно плоскости эклиптики, т.е. когда угол её прецессии равен нулю. Напомним, что углом прецессии называется угол между осью вращения планеты и перпендикуляром к плоскости эклиптики, по которой Земля и другие планеты обращаются вокруг Солнца. В общем же случае 0 выражение (1) несколько усложняется, но зато становится более универсальным и точным:

(2)

Для проверки адиабатической теории парникового эффекта по выражению (2) были рассчитаны (впервые в мире) распределения температуры в тропосфере Земли с азотно-кислородным составом умеренного давления и тропосфере Венеры с углекислотной атмосферой высокого давления (до 90,9 атм) [4]. Результаты дали весьма неплохое (с точностью до долей процента) совпадение с эмпирическими данными (температуры в тропосфере Венеры измерялись советскими и американскими космическими аппаратами). Такое совпадение нельзя считать случайным, скорее всего, оно убедительно свидетельствует о справедливости рассматриваемой здесь теории и о возможности её использования для восстановления климатов Земли в прошлые геологические эпохи и прогнозирования их изменений в будущем. Но для этого предварительно необходимо рассмотреть эволюцию состава и давления атмосферы как в прошлом, так и в будущем.