Drivhuseffekt på planetene i solsystemet. Drivhuseffekt på Venus

Den gjennomsnittlige overflatetemperaturen på jorden (eller en annen planet) øker på grunn av tilstedeværelsen av atmosfæren.

Gartnere er godt klar over dette fysiske fenomen. Innsiden av drivhuset er alltid varmere enn utsiden, og dette bidrar til å dyrke planter, spesielt i den kalde årstiden. Du kan føle en lignende effekt når du er i en bil. Grunnen til dette er at Solen, med en overflatetemperatur på rundt 5000°C, sender ut hovedsakelig synlig lys – den delen av det elektromagnetiske spekteret som øynene våre er følsomme for. Fordi atmosfæren stort sett er gjennomsiktig for synlig lys, trenger solstråling lett gjennom jordens overflate. Glass er også gjennomsiktig for synlig lys, så solstråler passerer inne i drivhuset, og energien deres absorberes av planter og alle gjenstander som befinner seg inne. Videre, i henhold til Stefan-Boltzmann-loven, sender hvert objekt ut energi i en del av det elektromagnetiske spekteret. Objekter med en temperatur på rundt 15°C – gjennomsnittstemperaturen ved jordoverflaten – sender ut energi i det infrarøde området. Dermed slipper gjenstander i et drivhus ut infrarød stråling. Imidlertid kan infrarød stråling ikke lett passere gjennom glass, så temperaturen inne i drivhuset stiger.

Planet med stabil atmosfære, slik som Jorden, opplever nesten den samme effekten - på global skala. For å opprettholde en konstant temperatur, trenger jorden selv å sende ut like mye energi som den absorberer fra det synlige lyset som sendes ut mot oss av solen. Atmosfæren fungerer som glass i et drivhus – den er ikke like gjennomsiktig for infrarød stråling som for sollys. Molekyler av forskjellige stoffer i atmosfæren (de viktigste av dem er karbondioksid og vann) absorberer infrarød stråling, og fungerer som drivhusgasser. Dermed går ikke alltid infrarøde fotoner som sendes ut av jordoverflaten direkte ut i verdensrommet. Noen av dem absorberes av klimagassmolekyler i atmosfæren. Når disse molekylene utstråler energien de har absorbert på nytt, kan de stråle den både utover i rommet og innover, tilbake mot jordoverflaten. Tilstedeværelsen av slike gasser i atmosfæren skaper effekten av å dekke jorden med et teppe. De kan ikke stoppe varmen fra å slippe utover, men de lar varmen forbli nær overflaten i lengre tid, så jordoverflaten er mye varmere enn den ville vært i fravær av gasser. Uten atmosfæren ville gjennomsnittlig overflatetemperatur vært -20°C, godt under frysepunktet for vann.

Det er viktig å forstå at drivhuseffekten alltid har eksistert på jorden. Uten drivhuseffekt, forårsaket av tilstedeværelsen av karbondioksid i atmosfæren, ville havene ha frosset for lenge siden, og høyere former for liv ville ikke ha dukket opp. For tiden er den vitenskapelige debatten om drivhuseffekten på temaet global oppvarming : Forstyrrer vi, mennesker, planetens energibalanse for mye ved å forbrenne fossilt brensel og andre økonomiske aktiviteter, og tilføre for store mengder karbondioksid til atmosfæren? I dag er forskerne enige om at vi er ansvarlige for å øke den naturlige drivhuseffekten med flere grader.

Drivhuseffekten forekommer ikke bare på jorden. Faktisk er den sterkeste drivhuseffekten vi vet om på vår naboplanet, Venus. Atmosfæren til Venus består nesten utelukkende av karbondioksid, og som et resultat blir overflaten av planeten oppvarmet til 475 ° C. Klimatologer mener at vi har unngått en slik skjebne takket være tilstedeværelsen av hav på jorden. Hav absorberer atmosfærisk karbon og det samler seg i bergarter som kalkstein - og fjerner dermed karbondioksid fra atmosfæren. Det er ingen hav på Venus, og all karbondioksidet som vulkaner slipper ut i atmosfæren forblir der. Som et resultat observerer vi på Venus ustyrlig Drivhuseffekt.

Drivhuseffekten er en økning i temperaturen i de nedre lagene av planetens atmosfære sammenlignet med den effektive temperaturen, det vil si temperaturen på planetens termiske stråling observert fra verdensrommet.

Gartnere er godt kjent med dette fysiske fenomenet. Innsiden av drivhuset er alltid varmere enn utsiden, og dette bidrar til å dyrke planter, spesielt i den kalde årstiden. Du kan føle en lignende effekt når du er i en bil. Grunnen til dette er at Solen, med en overflatetemperatur på rundt 5000°C, sender ut hovedsakelig synlig lys – den delen av det elektromagnetiske spekteret som øynene våre er følsomme for. Fordi atmosfæren stort sett er gjennomsiktig for synlig lys, trenger solstråling lett gjennom jordens overflate. Glass er også gjennomsiktig for synlig lys, slik at solstrålene passerer gjennom drivhuset og energien deres absorberes av plantene og alle gjenstander inne. Videre, i henhold til Stefan-Boltzmann-loven, sender hvert objekt ut energi i en del av det elektromagnetiske spekteret. Objekter med en temperatur på rundt 15°C – gjennomsnittstemperaturen ved jordoverflaten – sender ut energi i det infrarøde området. Dermed sender gjenstander i et drivhus ut infrarød stråling. Imidlertid kan infrarød stråling ikke lett passere gjennom glass, så temperaturen inne i drivhuset stiger.

En planet med en stabil atmosfære, for eksempel Jorden, opplever omtrent den samme effekten - på global skala. For å opprettholde en konstant temperatur, trenger jorden selv å sende ut like mye energi som den absorberer fra det synlige lyset som sendes ut mot oss av solen. Atmosfæren fungerer som glass i et drivhus – den er ikke like gjennomsiktig for infrarød stråling som for sollys. Molekyler av forskjellige stoffer i atmosfæren (de viktigste av dem er karbondioksid og vann) absorberer infrarød stråling og fungerer som klimagasser. Dermed går ikke alltid infrarøde fotoner som sendes ut av jordoverflaten direkte ut i verdensrommet. Noen av dem absorberes av klimagassmolekyler i atmosfæren. Når disse molekylene utstråler energien de har absorbert på nytt, kan de stråle den både utover i rommet og innover, tilbake mot jordoverflaten. Tilstedeværelsen av slike gasser i atmosfæren skaper effekten av å dekke jorden med et teppe. De kan ikke stoppe varmen fra å slippe utover, men de lar varmen forbli nær overflaten i lengre tid, så jordoverflaten er mye varmere enn den ville vært i fravær av gasser. Uten atmosfæren ville gjennomsnittlig overflatetemperatur vært -20°C, godt under frysepunktet for vann.

Det er viktig å forstå at drivhuseffekten alltid har eksistert på jorden. Uten drivhuseffekten forårsaket av tilstedeværelsen av karbondioksid i atmosfæren, ville havene ha frosset for lenge siden og høyere former for liv ville ikke ha dukket opp. For øyeblikket er den vitenskapelige debatten om drivhuseffekten på spørsmålet om global oppvarming: forstyrrer vi, mennesker, energibalansen på planeten for mye som følge av forbrenning av fossilt brensel og andre økonomiske aktiviteter, samtidig som vi tilfører for store mengder karbondioksid til atmosfæren? I dag er forskerne enige om at vi er ansvarlige for å øke den naturlige drivhuseffekten med flere grader.

Drivhuseffekten forekommer ikke bare på jorden. Faktisk er den sterkeste drivhuseffekten vi vet om på vår naboplanet, Venus. Atmosfæren til Venus består nesten utelukkende av karbondioksid, og som et resultat blir overflaten av planeten oppvarmet til 475 ° C. Klimatologer mener at vi har unngått en slik skjebne takket være tilstedeværelsen av hav på jorden. Havet absorberer atmosfærisk karbon og det samler seg i bergarter som kalkstein - og fjerner dermed karbondioksid fra atmosfæren. Det er ingen hav på Venus, og all karbondioksidet som vulkaner slipper ut i atmosfæren forblir der. Som et resultat observerer vi en ukontrollerbar drivhuseffekt på Venus.

Med et CO2-trykk på over 90 bar ved overflaten og en temperatur på 733 Kelvin, i stedet for den effektive temperaturen for Venus på rundt 240 K (Pollack 1979). I motsetning til Venus er drivhuseffekten for tiden rundt 33 K overoppheting, som også spiller en viktig rolle i å støtte livet. Drivhuseffekten er liten ved 5 K, selv om forskning tyder på at den var betydelig større tidligere (Carr og Head, 2010). Interessant nok har drivhuseffekten mye til felles med den på jorden, inkludert sammenlignbart overflatetrykk der (1,5 ganger det for jorden, i motsetning til Venus og Mars, som har trykk henholdsvis omtrent 100 ganger større og 100 ganger mindre), og også kondenserbart drivhusgasser er tilstede på Titan, til tross for de lave temperaturene (Koustenis, 2005).

Komparativ planetologi kan brukes til å se på disse planetene samlet og skissere de underliggende lovene og betydningen av drivhuseffekten. En slik komparativ analyse kan gi innsikt i mulige atmosfæriske konvolutter og forhold på jordlignende overflater. Dette arbeidet ser på mer enn bare fire sett med data om den nåværende tilstanden, fordi det også kan stole på de mulige atmosfæriske forholdene som eksisterte på dem i fortiden, under hensyntagen til geologiske, geokjemiske og isotopiske bevis og andre grunnleggende fysiske årsaker.

Strukturen til dette arbeidet er som følger: Først vurderer vi det fysiske grunnlaget for drivhuseffekten og gasser som absorberer stråling. For det andre, la oss kort se på hver av de fire kosmiske legemene som er oppført ovenfor, de viktigste absorberende gassene, strukturen til atmosfæren og de rådende overflateforholdene til de forskjellige legemene. Vi vil også vurdere mulige mønstre av tidligere forhold, og ta hensyn til hvordan de forholder seg til data om ulike atmosfæriske forhold i fortiden og paradokset til de svake unge. Og til slutt, la oss knytte alle disse trådene sammen og finne ut de grunnleggende fysiske prosessene knyttet til hver planet og tegne analogier mellom dem. Vær oppmerksom på at denne artikkelen først og fremst fokuserer på kvalitetsegenskaper.

GRUNNLEGGENDE DRIVHUSGASSER

Drivhusgasser lar synlig lys passere gjennom, slik at mesteparten av sollys slipper ut av atmosfæren og når overflaten, men de er ugjennomsiktige i det infrarøde, og påvirker strålingen på en slik måte at overflatetemperaturen øker og planeten er i termisk likevekt med strømmen av solstråling som kommer inn i den.

Den fysiske prosessen der atomer og molekyler absorberer stråling er kompleks, og involverer mange kvantemekaniske lover for å beskrive hele bildet. Det er imidlertid mulig å kvalitativt beskrive prosessen. Hvert atom eller molekyl har et sett med tilstander som tilsvarer forskjellige kvantiserte energinivåer. Et molekyl kan gå fra en lavere energitilstand til en høyere energitilstand enten ved å absorbere et foton eller fra en høyenergikollisjon med en annen partikkel (det er verdt å merke seg at det ikke er et faktum at alle mulige høyere energitilstander kan nås direkte fra en gitt lavere og omvendt). Etter å ha gått inn i en eksitert tilstand, kan et molekyl eksiteres til en lavere energitilstand eller til og med til grunntilstanden (laveste energitilstand) ved å sende ut et foton eller overføre noe av dets energi til en annen partikkel etter å ha kollidert med det. Det er tre typer overganger for absorberende gasser i jordens atmosfære. I rekkefølge av avtagende energi er de: elektroniske overganger, vibrasjonsoverganger og rotasjonsoverganger. Elektroniske overganger forekommer med energier i det ultrafiolette området, vibrasjons- og rotasjonsoverganger forekommer i det nære og midt-infrarøde området av spekteret. Ozon er et eksempel på oksygenabsorberende ultrafiolette stråler, mens vanndamp har merkbare vibrasjons- og rotasjonsenergier i det infrarøde området. Fordi infrarød stråling dominerer jordens stråling, er rotasjons- og vibrasjonsoverganger viktigst når man diskuterer jordens termiske balanse.

Dette er ikke hele historien, fordi hver absorpsjonslinje avhenger av partikkelhastighet (temperatur) og trykk. Endring av disse mengdene kan forårsake endringer i spektrallinjene og dermed endre absorpsjonen av stråling fra gassen. I tillegg gjenstår en annen absorpsjonsmåte knyttet til svært tette eller veldig kalde atmosfærer, kollisjonsindusert absorpsjon (kjent som COI), å diskutere. Betydningen er at ICP lar ikke-polare molekyler (dvs. symmetriske molekyler uten et sterkt dipolmoment) absorbere stråling. Dette fungerer på en av to måter: For det første forårsaker kollisjonen et midlertidig dipolmoment på molekylet, slik at fotonet kan absorberes, eller for det andre, to molekyler, slik som H2-N2, binder seg kort til ett supermolekyl med sin egen kvantiserte rotasjon stater. Disse forbigående molekylene kalles dimerer (Hunt et al. 1983; Wordsworth et al. 2010). Den direkte proporsjonaliteten til tetthet er ganske lett å forstå intuitivt: jo tettere gassen er, desto større er sannsynligheten for en kollisjon. Det negative forholdet til temperatur kan forstås som en effekt av oppholdstid - hvis et molekyl har mye translasjonsenergi, vil det tilbringe mindre tid i nærheten av et annet molekyl, og dimerdannelse er dermed mindre sannsynlig.

Når du kjenner til de numeriske verdiene til strålingskraftegenskapene, kan temperaturene enkelt beregnes i fravær av tilbakemeldingseffekter. Hvis overflatetemperaturen justeres, vil mer energi slippes ut i rommet (Hansen, Sato og Rudy 1997). Generelt er det viktig å forstå klimafeedback, siden negativ feedback stabiliserer temperaturen, mens positiv feedback øker forstyrrelser og skaper løpende prosesser. Den betydelig forskjellige timingen av tilbakemeldingseffekter er også veldig viktig. Det er ofte nødvendig å referere til en generell sirkulasjonsmodell (GCM) som inkluderer alle viktige tilbakemeldingseffekter på passende tidsskalaer for å gjøre nøyaktige spådommer (Taylor 2010). Eksempler på tilbakemeldingseffekter er: temperaturavhengig skydannelse (negativ tilbakemelding, korte tidsskalaer), smelting eller dannelse av betydelig isdekke (positiv tilbakemelding, kort/middels tidsskala), karbonat-silikat-syklus (negativ tilbakemelding, lang tidsramme) og biologiske prosesser(de er forskjellige).

DRIVHUSEFFEKT I SOLSYSTEMET

Jord

Jordens gjennomsnittlige årlige overflatetemperatur er 288 K og den effektive temperaturen er 255 K. Den effektive temperaturen bestemmes av forholdet mellom varmebalansen og den innkommende solstrålingsfluksen i henhold til ligningen nedenfor

hvor S er solkonstanten (på jorden ~ 1366 W / m2), A er jordens geometriske albedo, σ er Stefan-Boltzmann-konstanten, f er den geometriske faktoren, lik 4 for raskt roterende planeter, dvs. planeter med rotasjonsperioder i størrelsesorden dager (Catling og Kasting 2013). Derfor er drivhuseffekten ansvarlig for økningen i denne temperaturen på jorden med 33 K (Pollack 1979). Hele jorden skal stråle som en svart kropp, oppvarmet til 255 K, men absorpsjon av klimagasser, primært CO2 og H2O, returnerer varme tilbake til overflaten, og skaper en kald øvre atmosfære. Disse lagene stråler ved temperaturer godt under 255 K og derfor, for å stråle som en svart kropp ved 255 K, må overflaten være varmere og stråle mer. Det meste av strømmen går gjennom vinduet på 8-12 mikron (et bølgelengdeområde som er relativt gjennomsiktig for atmosfæren).

Det er viktig å understreke at den kalde øvre atmosfæren er positivt korrelert med en varm overflate – jo mer den øvre atmosfæren er i stand til å stråle, jo lavere er fluksen som må komme fra overflaten (Kasting 1984). Derfor bør det forventes at jo større forskjellen er mellom temperaturminimum på overflaten og de øvre lagene av planetens atmosfære, desto større drivhuseffekt. Hansen, Sato og Rudy (1997) viste at en dobling av CO2-konsentrasjonen tilsvarer en økning på 2 % i solstrålingsfluksen, og ignorerer tilbakemeldingseffekter.

De viktigste drivhusgassene på jorden er vanndamp og karbondioksid. Gasser med mye lavere konsentrasjon som ozon, metan og nitrogenoksider bidrar også (De Pater og Lisauer 2007). Spesielt, mens damp er den største bidragsyteren til drivhusoppvarming, kondenserer den og "synkroniserer" med ikke-kondenserbare klimagasser, spesielt CO2 (De Pater og Lisauer, 2007). Vanndamp kan frigjøre latent varme til atmosfæren ved å kondensere, og flytte temperaturgradienten i troposfæren til fuktig adiabatisk i stedet for tørr. Vann kan ikke komme inn i stratosfæren og gjennomgå fotolyse på grunn av den troposfæriske kuldefellen, som kondenserer vanndamp ved et minimumstemperatur (ved tropopausen).

Evolusjon av atmosfæren

Tilstedeværelsen av sedimentære bergarter og det tilsynelatende fraværet av isbreavsetninger på jorden for rundt 4 milliarder år siden antyder at den tidlige jorden var varm, kanskje varmere enn i dag (De Pater og Lisauer 2007). Dette er spesielt problematisk siden solstrålingsfluksen antas å ha vært rundt 25 % lavere på den tiden. Dette problemet er kjent som "Weak Young Sun Paradox" (Goldblatt og Zahnle 2011). En mulig forklaring kan være en mye større drivhuseffekt enn i dag. Konsentrasjonene av CH4, CO2 og H2O og muligens NH3 antas å ha vært større på den tiden (De Pater). Mange hypoteser har blitt fremsatt for å forklare dette avviket, inkludert mye større partialtrykk av CO2, en betydelig drivhuseffekt på grunn av metan (Pavlov, Kasting og Brown, 2000), et organisk tåkelag, økt uklarhet, utvidelse av spektrallinjer pga. til trykk fra -på grunn av betydelig høyere partialtrykk av nitrogen og totalt atmosfærisk trykk (Goldblatt et al. 2009).

Venus

Mens Venus ofte beskrives som jordens søster på grunn av dens lignende masse og størrelse, har overflaten og atmosfæriske forhold ingenting til felles med jorden. Overflatetemperaturen og trykket er henholdsvis 733 K og 95 bar (De Pater og Lisauer 2007, Krasnopolsky 2011). Takket være høy albedo og 100 % uklarhet er likevektstemperaturen ca 232 K. Derfor er drivhuseffekten på Venus rett og slett monstrøs og lik ca 500 K. Dette er ikke overraskende med et partialtrykk av CO2 på 92 bar. Utvidelse av linjer ved trykk har veldig viktig ved slike tettheter og gir et betydelig bidrag til oppvarming. CO2-CO2 ICP kan også bidra, men det finnes foreløpig ingen litteratur om dette. Vanndampinnholdet er begrenset til 0,00003 volum% (Meadows og Crisp 1996).

Evolusjon av atmosfæren

Det antas ofte at Venus begynte med et flyktig sett som ligner på Jorden og en lignende initial isotopsammensetning. Hvis dette er sant, så indikerer det målte Deuterium/Protium-forholdet på mer enn 150 for Jorden (Donahue et al. 1982) store tap av hydrogen tidligere, antagelig på grunn av fotodissosiasjon av vann (Chassefier et al. 2011), selv om Grinspoon Lewis (1988) foreslo at vanntilførsel kunne forklare denne isotopiske signaturen. Uansett kunne Venus ha hatt hav før sin nåværende tilstand hvis den hadde inneholdt så mye vann som jorden gjør (Kasting 1987). Tilstanden hennes kan ikke ha vært forårsaket av økte konsentrasjoner av CO2 (eller noen annen drivhusgass) alene, men antas generelt å være forårsaket av økt tilstrømning av solenergi (Kippenhahn 1994), selv om den interne varmestrømmen som forårsaker den løpende drivhuseffekten på tidevannslåste planeter er også mulig (Barnes et al. 2012).

Kasting (1987) undersøkte både løpende og vedvarende drivhuseffekter på Venus. Hvis Venus hadde et hav tidlig i historien, ville solenergifluksen i dens nåværende bane være slik at et drivhusscenario ville begynne nesten umiddelbart. Det er to scenarier for tap av havvann på grunn av økt solstrålingsfluks (Kasting 1987, Goldblatt et al. 2011, Catling og Kasting 2013). Det første ukontrollerte scenariet: havet begynner å fordampe inn i troposfæren, noe som øker oppvarmingen, men trykket øker også, slik at havene ikke koker. Vann akkumuleres i troposfæren mye raskere enn fotodissosiasjon og hydrogen slipper ut i verdensrommet. Værhendelser kan fortsatt forekomme og bremse utslippet av CO2. Temperaturen og trykket til vanndampen øker og havet vedvarer til vannet når det kritiske punktet på 647 K, hvor det er umulig å gjøre dampen om til vann under noe trykk, da alt det fortsatt flytende vannet fordamper og skaper en tett tåke av vanndamp, fullstendig ugjennomsiktig for utgående langbølget stråling. Overflatetemperaturen øker deretter til den begynner å stråle i de nær-infrarøde og synlige områdene, hvor gjennomsiktigheten av vanndamp er mye høyere og mer stabil. Dette tilsvarer en temperatur på 1400 K, høy nok til å smelte bergarter nær overflaten og frigjøre karbon fra dem. I tillegg, uten forvitring, kan CO2 slippes ut fra fjellet og ikke fjernes noe sted. I det andre scenariet gjør utslipp av vanndamp til atmosfæren temperaturfordelingen mer isotermisk, noe som øker tropopausen og ødelegger kuldefellen. Vanndamp kan derfor bevege seg inn i stratosfæren og gjennomgå fotolyse. I motsetning til det første scenariet går vann tapt med en hastighet som står i forhold til fordampningshastigheten fra havet, og fordampningen vil ikke stoppe før alt vannet er borte. Når vannet renner ut, slås karbonat-silikat-syklusen av. Hvis CO2 fortsetter å frigjøres fra mantelen, er det ingen tilgjengelig måte å fjerne den på.

Mars er på noen måter det motsatte av Venus når det gjelder temperatur og trykk. Overflatetrykket er omtrent 6 millibar og gjennomsnittstemperaturen er 215 K (Carr og Head 2010). Likevektstemperaturen kan vises til å være 210 K, så drivhuseffekten er ca. 5 K og er ubetydelig. Temperaturene kan variere mellom 180 K og 300 K avhengig av breddegrad, tid på året og tid på dagen (Carr og Head 2010). Teoretisk sett er det korte tidsperioder da flytende vann kunne eksistere på Mars-overflaten iht fasediagram for H2O. Generelt, hvis vi ønsker å se en våt Mars, må vi se til fortiden.

Evolusjon av atmosfæren

Mariner 9 sendte tilbake fotografier for første gang som viste tydelige spor etter elvestrømmer. Den vanligste tolkningen er at tidlig Mars var varm og våt (Pollack 1979, Carr og Head 2010). En eller annen mekanisme, antagelig drivhuseffekten (selv om skyer også har blitt vurdert), som må ha vært forårsaket av tilstrekkelig strålingspådriv, gjorde Mars varmere i løpet av sin tidlige historie. Problemet er enda verre enn det først ser ut til, gitt at solen var 25 % svakere for 3,8 milliarder år siden, da Mars hadde et mildt klima (Kasting 1991). Tidlig Mars kan ha hatt overflatetrykk i størrelsesorden 1 bar og temperaturer nær 300 K (De Pater og Lisauer 2007).

Kasting (1984, 1991) viste at CO2 alene ikke kunne ha varmet den tidlige overflaten av Mars til 273 K. Kondensering av CO2 til klatrater endrer den atmosfæriske temperaturgradienten og tvinger den øvre atmosfæren til å utstråle mer varme, og hvis planeten er i stråling likevekt, da avgir overflaten mindre slik at planeten har samme utgående fluks av langbølget infrarød stråling, og overflaten begynner å avkjøles. Dermed, ved trykk over 5 bar, kjøler CO2 planeten i stedet for å varme den. Og dette er ikke nok til å varme Mars-overflaten over frysepunktet til vann, gitt solfluksen på den tiden. I dette tilfellet vil CO2 kondensere til klatrater. Wordsworth, Foget og Amit (2010) presenterte en strengere behandling av fysikken til CO2-absorpsjon i en tett, ren CO2-atmosfære (inkludert ICP), og viste at Kasting i 1984 faktisk overvurderte overflatetemperaturer ved høyt trykk, og dermed forverret problemet med varm, våt tidlig Mars. Andre klimagasser i tillegg til CO2 kan løse dette problemet, eller kanskje støv hvis det reduserte albedoen.

Den mulige rollen til CH4, NH3 og H2S er tidligere diskutert (Sagan og Mullen, 1972). Senere ble SO2 også foreslått som klimagass (Jung et al., 1997).

Titans overflatetemperatur og trykk er henholdsvis 93 K og 1,46 bar (Koustenis). Atmosfæren består hovedsakelig av N2 med noen få prosent CH4 og ca. 0,3 % H2 (McKay, 1991). Titans tropopause med en temperatur på 71 K i en høyde på 40 km.

Titans drivhuseffekt er først og fremst forårsaket av trykkindusert absorpsjon av langbølget stråling av N2-, CH4- og H2-molekyler (McKay, Pollack og Cortin 1991). H2 absorberer sterkt strålingen som er typisk for Titan (16,7-25 mikron). CH4 ligner på vanndamp på jorden, ettersom den kondenserer i Titans atmosfære. Drivhuseffekten på Titan skyldes hovedsakelig kollisjonsindusert absorpsjon av N2-N2, CH4-N2 og H2-N2 dimerer (Hunt et al. 1983; Wordsworth et al. 2010). Dette er påfallende forskjellig fra atmosfæren til Jorden, Mars og Venus, hvor absorpsjon gjennom vibrasjons- og rotasjonsoverganger dominerer.

Titan har også en betydelig antidrivhuseffekt (McKay et al., 1991). Antidrivhuseffekten er forårsaket av tilstedeværelsen av Stor høyde et lag av dis som absorberer synlig lys, men er gjennomsiktig for infrarød stråling. Antidrivhuseffekten reduserer overflatetemperaturen med 9 K, mens drivhuseffekten øker den med 21 K. Dermed er netto drivhuseffekt 12 K (82 K effektiv temperatur sammenlignet med 94 K observert overflatetemperatur). Titan uten tåkelaget vil bli 20 K varmere på grunn av mangelen på antidrivhuseffekt og den forsterkede drivhuseffekten (McKay et al. 1991).

Overflatekjøling skyldes hovedsakelig stråling i området 17-25 mikron av spekteret. Dette er Titans infrarøde vindu. H2 er viktig fordi det absorberer i denne regionen, akkurat som CO2 er veldig viktig på jorden fordi det absorberer infrarød stråling fra jordoverflaten. Begge gassene er heller ikke begrenset av metningen av deres damp under forholdene i atmosfæren.

Metan er nær damptrykket, lik H2O på jorden.

Evolusjon av atmosfæren

På grunn av økt sollysstyrke er Titans overflatetemperatur sannsynligvis 20 K varmere enn den var for 4 milliarder år siden (McKay et al. 1993). I dette tilfellet vil N2 i atmosfæren bli avkjølt til is. Dannelsen og levetiden til Titans atmosfære er et interessant problem uten noen solide løsninger (Koustenis 2004). Et problem er at med denne hastigheten av CH4-fotolyse og etanproduksjon, vil den nåværende tilførselen av CH4 i Titans atmosfære bli utarmet på mye kortere tid enn solsystemets alder. I tillegg vil flytende etan hope seg opp på overflaten flere hundre meter under ved dagens produksjonshastigheter (Lunine et al., 1989). Enten er dette en ukarakteristisk periode i Titans historie, eller så er det ukjente kilder til metan og synker for etan (Catling og Kasting, 2013).

KONKLUSJONER OG DISKUSJON

Jorden, Mars og Venus er like ved at hver planet har en merkbar atmosfære, vær, tidligere eller nåværende vulkanisme og en kjemisk heterogen sammensetning. Titan har også en betydelig atmosfære, vær, muligens kryovulkanisme og potensielt delvis heterogen sammensetning (De Pater og Lisauer 2007).

Mars, Jorden og Venus har en drivhuseffekt med merkbar påvirkning av CO2, selv om størrelsen på oppvarmingen og partialtrykket av CO2 varierer med flere størrelsesordener. Det er ganske åpenbart at Jorden og Mars må ha hatt tilleggsoppvarming tidligere i solsystemets historie, da solen skinte svakere. Det er uklart hva kilden(e) til oppvarmingen var for disse to planetene, selv om mange løsninger er foreslått og mange forklaringer er mulige. Interessant nok tillater Mars sammenligninger med jordens fortid, siden begge planetene har mange geologiske bevis på at de var varmere, og hadde mer enn drivhuseffekten skapt av CO2-gass. Samtidig gir den løpende drivhuseffekten på Venus innsikt i fremtiden til Jorden if solenergi aktivitet vil fortsette å vokse. Ved å sammenligne modeller for alle tre planetene, og kjenne til de grunnleggende fysiske lovene som er de samme for alle planeter, kan vi få tak i ting som ville vært umulig å få tak i dersom solen ikke påvirket de jordiske planetene.

Titan er et spennende materiale for studier, ifølge forfatteren, spesielt siden, i motsetning til andre beskrevne verdener, er drivhuseffekten dominert av kollisjonsindusert absorpsjon. Oppvarming på grunn av ICP har mange mulige bruksområder for å beskrive forholdene og mulig beboelighet for eksoplaneter (Pierrehumbert). I likhet med jordens atmosfære inneholder Titans atmosfære nok materiale nær trippelpunktet som kan kondensere i atmosfæren og derfor er i stand til å påvirke temperaturfordelingen.

Hovedtypene av gasser i jordens atmosfære er selvfølgelig påvirket av levende organismer (Taylor 2010). Dette er åpenbart ikke sant for andre planeter i solsystemet. Imidlertid kan vi bruke sammenligninger mellom jorden og livløse verdener i systemet vårt for å bedre forstå mulige andre biosfærer.

INTRODUKSJON

Drivhuseffekten har en merkbar effekt på de kroppene i solsystemet som har en atmosfære. Det mest slående eksemplet er Venus, med et CO2-trykk på mer enn 90 bar ved overflaten og en temperatur på 733 Kelvin, i stedet for den effektive temperaturen for Venus på rundt 240 K (Pollack 1979). I motsetning til Venus, er drivhuseffekten på jorden for tiden rundt 33 K overheting, som også spiller en viktig rolle i å støtte liv. På Mars er drivhuseffekten liten ved 5 K, selv om studier tyder på at den var betydelig større tidligere (Carr og Head 2010). Interessant nok har drivhuseffekten på Titan mye til felles med den på jorden, inkludert sammenlignbart overflatetrykk (1,5 ganger jordens, i motsetning til Venus og Mars, som har trykk henholdsvis omtrent 100 ganger større og 100 ganger mindre), og også kondenserbare drivhusgasser er tilstede på Titan, til tross for de lave temperaturene (Koustenis, 2005).

Komparativ planetologi kan brukes til å se på disse planetene samlet og skissere de underliggende lovene og betydningen av drivhuseffekten. En slik komparativ analyse kan gi innsikt i mulige atmosfæriske konvolutter og overflateforhold til jordlignende eksoplaneter. Dette arbeidet ser på mer enn bare fire sett med data om den nåværende tilstanden til planeter, men ser også på mulige atmosfæriske forhold som eksisterte på disse planetene i fortiden, tar hensyn til geologiske, geokjemiske og isotopiske bevis og andre grunnleggende fysiske årsaker.

Strukturen til dette arbeidet er som følger: Først vurderer vi det fysiske grunnlaget for drivhuseffekten og gasser som absorberer stråling. For det andre, la oss kort se på hver av de fire kosmiske legemene som er oppført ovenfor, de viktigste absorberende gassene, strukturen til atmosfæren og de rådende overflateforholdene til de forskjellige legemene. Vi vil også vurdere mulige mønstre av tidligere forhold, og ta hensyn til hvordan de forholder seg til data om forskjellige atmosfæriske forhold i fortiden og paradokset til en svak ung sol. Og til slutt, la oss knytte alle disse trådene sammen og finne ut de grunnleggende fysiske prosessene knyttet til hver planet og tegne analogier mellom dem. Vær oppmerksom på at denne artikkelen først og fremst fokuserer på kvalitetsegenskaper.

GRUNNLEGGENDE DRIVHUSGASSER

Drivhusgasser overfører synlig lys, slik at det meste av sollys slipper ut av atmosfæren og når overflaten, men de er ugjennomsiktige i det infrarøde, og påvirker strålingen på en slik måte at overflatetemperaturen øker og planeten er i termisk likevekt med den innkommende solstrålingen.

Den fysiske prosessen der atomer og molekyler absorberer stråling er kompleks, og involverer mange kvantemekaniske lover for å beskrive hele bildet. Det er imidlertid mulig å kvalitativt beskrive prosessen. Hvert atom eller molekyl har et sett med tilstander som tilsvarer forskjellige kvantiserte energinivåer. Et molekyl kan gå fra en lavere energitilstand til en høyere energitilstand enten ved å absorbere et foton eller fra en høyenergikollisjon med en annen partikkel (det er verdt å merke seg at det ikke er et faktum at alle mulige høyere energitilstander kan nås direkte fra en gitt lavere og omvendt). Etter å ha gått inn i en eksitert tilstand, kan et molekyl eksiteres til en lavere energitilstand eller til og med til grunntilstanden (laveste energitilstand) ved å sende ut et foton eller overføre noe av dets energi til en annen partikkel etter å ha kollidert med det. Det er tre typer overganger for absorberende gasser i jordens atmosfære. I rekkefølge av avtagende energi er de: elektroniske overganger, vibrasjonsoverganger og rotasjonsoverganger. Elektroniske overganger forekommer med energier i det ultrafiolette området, vibrasjons- og rotasjonsoverganger forekommer i det nære og midt-infrarøde området av spekteret. Ozon er et eksempel på oksygenabsorberende ultrafiolette stråler, mens vanndamp har merkbare vibrasjons- og rotasjonsenergier i det infrarøde. Fordi infrarød stråling dominerer jordens stråling, er rotasjons- og vibrasjonsoverganger viktigst når man diskuterer jordens termiske balanse.

Dette er ikke hele historien, fordi hver absorpsjonslinje avhenger av partikkelhastighet (temperatur) og trykk. Endring av disse mengdene kan forårsake endringer i spektrallinjene og dermed endre absorpsjonen av stråling fra gassen. I tillegg gjenstår en annen absorpsjonsmåte knyttet til svært tette eller veldig kalde atmosfærer, kollisjonsindusert absorpsjon (kjent som COI), å diskutere. Betydningen er at ICP lar ikke-polare molekyler (dvs. symmetriske molekyler uten et sterkt dipolmoment) absorbere stråling. Dette fungerer på en av to måter: For det første forårsaker kollisjonen et midlertidig dipolmoment på molekylet, slik at fotonet kan absorberes, eller for det andre binder de to molekylene, slik som H2-N2, kort til ett supermolekyl med sine egne kvantiserte rotasjonstilstander. Disse forbigående molekylene kalles dimerer (Hunt et al. 1983; Wordsworth et al. 2010). Den direkte proporsjonaliteten til tetthet er ganske lett å forstå intuitivt: jo tettere gassen er, desto større er sannsynligheten for en kollisjon. Det negative forholdet til temperatur kan forstås som en effekt av oppholdstid - hvis et molekyl har mye translasjonsenergi, vil det tilbringe mindre tid i nærheten av et annet molekyl, og dimerdannelse er dermed mindre sannsynlig.

DRIVHUSEFFEKT I SOLSYSTEMET

Jord

Det årlige gjennomsnittet av jordoverflaten er 288 K og den effektive temperaturen er 255 K. Den effektive temperaturen bestemmes av forholdet mellom varmebalansen og den innkommende solstrålingsfluksen i henhold til ligningen nedenfor

Det er viktig å understreke at den kalde øvre atmosfæren er positivt korrelert med en varm overflate – jo mer den øvre atmosfæren er i stand til å avgi, jo lavere er fluksen som må komme fra overflaten (Kasting 1984). Derfor bør det forventes at jo større forskjellen er mellom temperaturminimum på overflaten og de øvre lagene av planetens atmosfære, desto større drivhuseffekt. Hansen, Sato og Rudy (1997) viste at en dobling av CO2-konsentrasjonen tilsvarer en økning på 2 % i solstrålingsfluksen, og ignorerer tilbakemeldingseffekter.

Evolusjon av atmosfæren

Venus

Mens Venus ofte beskrives som jordens søster på grunn av dens lignende masse og størrelse, har overflaten og atmosfæriske forhold ingenting til felles med jorden. Overflatetemperaturen og trykket er henholdsvis 733 K og 95 bar (De Pater og Lisauer 2007, Krasnopolsky 2011). Takket være høy albedo og 100 % uklarhet er likevektstemperaturen ca 232 K. Derfor er drivhuseffekten på Venus rett og slett monstrøs og lik ca 500 K. Dette er ikke overraskende med et partialtrykk av CO2 på 92 bar. Linjeutvidelse ved trykk er betydelig ved disse tetthetene og bidrar betydelig til oppvarming. CO2-CO2 ICP kan også bidra, men det finnes foreløpig ingen litteratur om dette. Vanndampinnholdet er begrenset til 0,00003 volum% (Meadows og Crisp 1996).

Evolusjon av atmosfæren

Det antas ofte at Venus begynte med et flyktig sett som ligner på Jorden og en lignende initial isotopsammensetning. Hvis dette er sant, så indikerer det målte Deuterium/Protium-forholdet på mer enn 150 for Jorden (Donahue et al. 1982) store tap av hydrogen tidligere, antagelig på grunn av fotodissosiasjon av vann (Chassefier et al. 2011), selv om Grinspoon Lewis (1988) foreslo at levering av vann fra kometer kunne forklare denne isotopiske signaturen. Uansett kunne Venus ha hatt hav før sin nåværende tilstand hvis den hadde inneholdt så mye vann som jorden gjør (Kasting 1987). Tilstanden hennes kan ikke ha vært forårsaket av økte konsentrasjoner av CO2 (eller noen annen drivhusgass) alene, men antas generelt å være forårsaket av økt tilstrømning av solenergi (Kippenhahn 1994), selv om den interne varmestrømmen som forårsaker den løpende drivhuseffekten på tidevannslåste planeter er også mulig (Barnes et al. 2012).

Mars

Mars er på noen måter det motsatte av Venus når det gjelder temperatur og trykk. Overflatetrykket er omtrent 6 millibar og gjennomsnittstemperaturen er 215 K (Carr og Head 2010). Likevektstemperaturen kan vises til å være 210 K, så drivhuseffekten er ca. 5 K og er ubetydelig. Temperaturene kan variere mellom 180 K og 300 K avhengig av breddegrad, tid på året og tid på dagen (Carr og Head 2010). Teoretisk sett er det korte tidsperioder da flytende vann kan eksistere på Mars-overflaten i henhold til fasediagrammet for H2O. Generelt, hvis vi ønsker å se en våt Mars, må vi se til fortiden.

Evolusjon av atmosfæren

Den mulige rollen til CH4, NH3 og H2S er tidligere diskutert (Sagan og Mullen, 1972). Senere ble SO2 også foreslått som klimagass (Jung et al., 1997).

Titanium

Titan har også en betydelig antidrivhuseffekt (McKay et al., 1991). Antidrivhuseffekten er forårsaket av tilstedeværelsen i store høyder av et lag med dis som absorberer synlig lys, men er gjennomsiktig for infrarød stråling. Antidrivhuseffekten reduserer overflatetemperaturen med 9 K, mens drivhuseffekten øker den med 21 K. Dermed er netto drivhuseffekt 12 K (82 K effektiv temperatur sammenlignet med 94 K observert overflatetemperatur). Titan uten tåkelaget vil bli 20 K varmere på grunn av mangelen på antidrivhuseffekt og den forsterkede drivhuseffekten (McKay et al. 1991).

Metan er nær damptrykket, lik H2O på jorden.

Evolusjon av atmosfæren

KONKLUSJONER OG DISKUSJON

Mars, Jorden og Venus har en drivhuseffekt med merkbar påvirkning av CO2, selv om størrelsen på oppvarmingen og partialtrykket av CO2 varierer med flere størrelsesordener. Det er ganske åpenbart at Jorden og Mars må ha hatt tilleggsoppvarming tidligere i solsystemets historie, da solen skinte svakere. Det er uklart hva kilden(e) til oppvarmingen var for disse to planetene, selv om mange løsninger er foreslått og mange forklaringer er mulige. Interessant nok tillater Mars sammenligninger med jordens fortid, siden begge planetene har mange geologiske bevis på at de var varmere, og hadde mer enn drivhuseffekten skapt av CO2-gass. Samtidig gir den løpske drivhuseffekten på Venus innsikt i jordens fremtid dersom solaktiviteten fortsetter å øke. Ved å sammenligne modeller for alle tre planetene, og kjenne til de grunnleggende fysiske lovene som er de samme for alle planeter, kan vi få tak i ting som ville vært umulig å få tak i dersom solen ikke påvirket de jordiske planetene.

LISTE OVER BRUKT KILDER

Carr M. H., Head J. W. (2010), Geological History of Mars, EPSL, 296, 185-203.

Den gjennomsnittlige overflatetemperaturen på jorden (eller en annen planet) øker på grunn av tilstedeværelsen av atmosfæren.

En planet med en stabil atmosfære, for eksempel Jorden, opplever omtrent den samme effekten – på global skala. For å opprettholde en konstant temperatur, trenger jorden selv å sende ut like mye energi som den absorberer fra det synlige lyset som sendes ut mot oss av solen. Atmosfæren fungerer som glass i et drivhus – den er ikke like gjennomsiktig for infrarød stråling som for sollys. Molekyler av forskjellige stoffer i atmosfæren (de viktigste av dem er karbondioksid og vann) absorberer infrarød stråling, og fungerer som drivhusgasser. Dermed går ikke alltid infrarøde fotoner som sendes ut av jordoverflaten direkte ut i verdensrommet. Noen av dem absorberes av klimagassmolekyler i atmosfæren. Når disse molekylene utstråler energien de har absorbert på nytt, kan de stråle den både utover i rommet og innover, tilbake mot jordoverflaten. Tilstedeværelsen av slike gasser i atmosfæren skaper effekten av å dekke jorden med et teppe. De kan ikke stoppe varmen fra å slippe utover, men de lar varmen forbli nær overflaten i lengre tid, så jordoverflaten er mye varmere enn den ville vært i fravær av gasser. Uten atmosfæren ville gjennomsnittlig overflatetemperatur vært -20°C, godt under frysepunktet for vann.

Det er viktig å forstå at drivhuseffekten alltid har eksistert på jorden. Uten drivhuseffekten forårsaket av tilstedeværelsen av karbondioksid i atmosfæren, ville havene ha frosset for lenge siden og høyere former for liv ville ikke ha dukket opp. For tiden er den vitenskapelige debatten om drivhuseffekten på temaet global oppvarming: Forstyrrer vi, mennesker, planetens energibalanse for mye ved å forbrenne fossilt brensel og andre økonomiske aktiviteter, og tilføre for store mengder karbondioksid til atmosfæren? I dag er forskerne enige om at vi er ansvarlige for å øke den naturlige drivhuseffekten med flere grader.