същност на парниковия ефект

Общото определение за парников ефект е: механизмът, предизвикващ повишаване на температурата на земната повърхност и долните части на атмосферата. Причината за този ефект е различната прозрачност на въздушните слоеве към слънчевата светлина и топлинното излъчване на Земята. Ако планетата Земя нямаше атмосферата си, то въобще не би могло да се говори за парников ефект. Той е характерен за всички планети, имащи атмосфера.
В популярната литература парниковият ефект се свързва с повишаване на концентрацията на CO2 в атмосферата и действието му, наподобяващо стъкления покрив на оранжерия, откъдето е получил и наименованието си. Покривът на парника, и атмосферата са по-прозрачни за късовълновото слънчево лъчение, отколкото за дълговълновото топлинно излъчване на земната повърхност. Това намалява загубите на топлина чрез излъчване. Но аналогията между процесите, които протичат в атмосферата, и това, което става в парника, не е абсолютна. Въглеродният диоксид не е единственият газ, който има принос за това явление на затопляне. Освен това основната причина за задържането на топлината в парника е, че топлият въздух в него е изолиран от студения навън, т.е. липсва конвекционно отнасяне на количество топлина. В атмосферата такива прегради няма и съществуващите процеси на конвекции, хоризонтални движения на атмосферни слоеве и процесите с участие на влагата в атмосферата усложняват всичко.
За да се разбере същността на ефекта, трябва да се използват установени научни истини и факти.
Слънчевите лъчи, които достигат до Земята, поради голямата й отдалеченост от Слънцето (1,5.1011m), могат да се приемат за успоредни, а радиусът на Земята е 6,371.106m. Слънцето и Земята могат да се разглеждат като абсолютно черни тела и за тях са приложими основните закони на излъчването – на Стефан – Болцман и на Вин.
Законът на Стефан – Болцман гласи, че сумарната лъчиста енергия, която тялото излъчва, пренасяна от всички дължини на вълните, при температура Т е равна на температурата на четвърта степен умножена с Болцмановата константа, равна на 5,67.10-8W.m-2.K-4. А законът на Вин – температурата по максималната стойност на дължини на вълните на излъчваната енергия е равно на константа (2884µm.K). Слънцето излъчва енергия, равна на около 3,88.1026W. След множество изчисления следва, че температурата на Земята трябва да е 255K (-18C). Това съответства приблизително на температурата, която чрез сателитни измервания се определя като ефективно радиационна температура на земната атмосфера. Стойността -18C е значително по-ниска от действителната средна температура на земната повърхност, която е 288K (+15C). Разликата от 33C е следствие на естествения ефект на задържане на компонентите на атмосферата на излъчваната от Земята топлина и точно това представлява парниковия ефект.
А въглеродният диоксид практически абсорбира в инфрачервената област и е един типичен парников газ. Диазотният оксид и метана се числят също към парниковите газове. Тяхната абсорбционна област лежи между 3-10µm.
Ако приемем постъпващата на горната граница на атмосферата слънчева радиация за 100%, 24% от нея се отразяват и разсейват от облаците и атмосферните газове обратно в космическото пространство и само 6% - от земната повърхност. Около 17% се поглъщат от облаците и въздуха, а останалите 53% - от земната повърхност.
Ако приемем количеството на дълговълновата радиация, излъчвана от земната повърхност за 100%, 87% от нея се поглъщат от атмосферата и облаците и само 13% отиват в космическото пространство. От друга страна, атмосферата излъчва в Космоса 57% и към земната повърхност – 76%. По този начин радиационният обмен на системата Земя-атмосфера е балансиран, макар че за атмосферата той е отрицателен – тя повече губи, отколкото получава лъчиста енергия. Недостигащите 29% се осигуряват от притока на топлина чрез турбулентен топлообмен със земната повърхност и от фазовите преходи на водата.
От всичко дотук следва, че животът, такъв какъвто е, съществува благодарение на температурните условия, явяващи се сумарен ефект от слънчевата радиация към Земята и парниковия ефект на атмосферата й. Следователно наличието на парников ефект не следва да се разглежда като последица от антропогенното замърсяване на атмосферата, тъй като той съществува още от преди появата на човечеството. Друг обаче е проблемът, как би се изменил и в каква посока съществуващият парников ефект при изменение на концентрацията на парниковите газове в атмосферата. А в наши дни, това изменение се е породило точно заради човекът, защото само за един малък период от време, както е споменато по-горе, дейността му е променила състава на атмосферата значително, което ускорява парниковия ефект. Нещо повече – от 1750 г. до наши дни въглеродният диоксид се е увеличил с 31%!
Фактът, че естествените концентрации на парниковите газове са причина за поддържане на достатъчно висока температура на земната повърхност неизменно води до въпроса дали увеличаването на тези концентрации ще повиши още температурата на Земята. Това е вярно, но е много трудно да се даде количествена оценка. Основната трудност идва от съчетаването на всички параметри на процеса, както и от прогнозите за бъдещо увеличение на концентрацията на парниковите газове.
Много трудно за изследване е относителното влияние на водната пара. Важна е не само информацията за нейното количество, но и за пространственото й разпределение. Отражението или поглъщането на постъпващото слънчево лъчение, както и излъчването от земята в космоса зависят силно от местните условия като: количеството, вида и височината на облаците, цветът на земната повърхност, почвата, температурата на земната повърхност и на въздуха, наличието на снежна покривка и т.н. и докато концентрацията на въглероден диоксид е почти еднаква навсякъде, то количеството на водни пари е силно променлива величина и има локални стойности.
Усложнени са нещата и при изследване на ролята на другите парникови газове. Абсорбцията на всеки един от тях е със специфични максимуми в инфрачервената област и е пропорционална на концентрацията им в атмосферата. Установено е, че концентрацията на метана се увеличава с около 1% за година, тази на диазотния оксид – с около 0,3% годишно.
На пръв поглед това затопляне е нищожно, но и най-оптимистичните сценарии за последиците от такова повишаване на средните температури показват, че е възможно:

o        разтопяване на значителни обеми от ледените покривки на полюсите.;

o        повишаване на нивото на световния океан с 0,5-2m, което ще предизвика заливане на значителни части от сушата, предимно гъсто населени области като части от Бангладеш, Малайзия, Индонезия, острови в Карибския и Тихоокеанския басейн, Холандия и пр.;

o        резки промени в модела на валежите, което ще предизвика наводнения в едни части на планетата и продължителни суши в други.;

o        климатичните промени могат да имат негативно въздействие върху екосистемите, здравето на хората, ключови икономически сектори като селското стопанство, водните ресурси и т.н.