Efekti serë në planetët e sistemit diellor. Efekti serë në Venus

Temperatura mesatare e sipërfaqes së Tokës (ose një planeti tjetër) rritet për shkak të pranisë së atmosferës së saj.

Kopshtarët e dinë mirë këtë fenomen fizik. Pjesa e brendshme e serrës është gjithmonë më e ngrohtë se ajo e jashtme dhe kjo ndihmon në rritjen e bimëve, veçanërisht në stinën e ftohtë. Ju mund të ndjeni një efekt të ngjashëm kur jeni në një makinë. Arsyeja për këtë është se Dielli, me një temperaturë sipërfaqësore prej rreth 5000°C, lëshon kryesisht dritë të dukshme - pjesa e spektrit elektromagnetik ndaj së cilës sytë tanë janë të ndjeshëm. Për shkak se atmosfera është kryesisht transparente ndaj dritës së dukshme, rrezatimi diellor depërton lehtësisht në sipërfaqen e Tokës. Xhami është gjithashtu transparent ndaj dritës së dukshme, kështu që rrezet e diellit kalojnë brenda serrës dhe energjia e tyre absorbohet nga bimët dhe të gjitha objektet që ndodhen brenda. Më tej, sipas ligjit Stefan-Boltzmann, çdo objekt lëshon energji në një pjesë të spektrit elektromagnetik. Objektet me një temperaturë prej rreth 15°C - temperatura mesatare në sipërfaqen e Tokës - lëshojnë energji në rrezen infra të kuqe. Kështu, objektet në një serë lëshojnë rrezatimi infra të kuqe. Megjithatë, rrezatimi infra i kuq nuk mund të kalojë lehtësisht përmes xhamit, kështu që temperatura brenda serrës rritet.

Planeti me atmosferë e qëndrueshme, siç është Toka, përjeton pothuajse të njëjtin efekt - në shkallë globale. Për të mbajtur një temperaturë konstante, vetë Toka duhet të lëshojë aq energji sa thith nga drita e dukshme e emetuar drejt nesh nga Dielli. Atmosfera shërben si xhami në një serë - nuk është aq transparente ndaj rrezatimit infra të kuqe sa ndaj dritës së diellit. Molekulat e substancave të ndryshme në atmosferë (më të rëndësishmet prej tyre janë dioksidi i karbonit dhe uji) thithin rrezatimin infra të kuqe, duke vepruar si gazra serë. Kështu, fotonet infra të kuqe të emetuara nga sipërfaqja e tokës nuk shkojnë gjithmonë drejtpërdrejt në hapësirë. Disa prej tyre absorbohen nga molekulat e gazit serrë në atmosferë. Kur këto molekula ri-rrezatojnë energjinë që kanë thithur, ato mund ta rrezatojnë atë si nga jashtë në hapësirë ​​dhe nga brenda, përsëri drejt sipërfaqes së Tokës. Prania e gazrave të tillë në atmosferë krijon efektin e mbulimit të Tokës me një batanije. Ata nuk mund të ndalojnë nxehtësinë të dalë nga jashtë, por lejojnë që nxehtësia të qëndrojë pranë sipërfaqes për një kohë më të gjatë, kështu që sipërfaqja e Tokës është shumë më e ngrohtë se sa do të ishte në mungesë të gazeve. Pa atmosferën, temperatura mesatare e sipërfaqes do të ishte -20°C, shumë nën pikën e ngrirjes së ujit.

Është e rëndësishme të kuptohet se efekti serë ka ekzistuar gjithmonë në Tokë. pa Efekti serrë, i shkaktuar nga prania e dioksidit të karbonit në atmosferë, oqeanet do të ishin ngrirë shumë kohë më parë dhe forma më të larta të jetës nuk do të ishin shfaqur. Aktualisht, debati shkencor për efektin serë është mbi këtë çështje ngrohja globale : A po e shqetësojmë ne, njerëzit, shumë ekuilibrin energjetik të planetit duke djegur lëndë djegëse fosile dhe aktivitete të tjera ekonomike, duke shtuar sasi të tepërta të dioksidit të karbonit në atmosferë? Sot, shkencëtarët bien dakord se ne jemi përgjegjës për rritjen e efektit natyror të serrës me disa gradë.

Efekti serë nuk ndodh vetëm në Tokë. Në fakt, efekti më i fortë serrë që njohim është në planetin tonë fqinj, Venusin. Atmosfera e Venusit përbëhet pothuajse tërësisht nga dioksidi i karbonit, dhe si rezultat sipërfaqja e planetit nxehet në 475 ° C. Klimatologët besojnë se ne e kemi shmangur një fat të tillë falë pranisë së oqeaneve në Tokë. Oqeanet thithin karbonin atmosferik dhe ai grumbullohet në shkëmbinj të tillë si gëlqerorët - duke hequr kështu dioksidin e karbonit nga atmosfera. Nuk ka oqeane në Venus dhe i gjithë dioksidi i karbonit që lëshojnë vullkanet në atmosferë mbetet atje. Si rezultat, ne vëzhgojmë Venusin e paqeverisshme Efekti serrë.

Efekti serë është një rritje në temperaturën e shtresave më të ulëta të atmosferës së planetit në krahasim me temperaturën efektive, domethënë temperaturën e rrezatimit termik të planetit të vëzhguar nga hapësira.

Kopshtarët janë shumë të njohur me këtë fenomen fizik. Pjesa e brendshme e serrës është gjithmonë më e ngrohtë se ajo e jashtme dhe kjo ndihmon në rritjen e bimëve, veçanërisht në stinën e ftohtë. Ju mund të ndjeni një efekt të ngjashëm kur jeni në një makinë. Arsyeja për këtë është se Dielli, me një temperaturë sipërfaqësore prej rreth 5000°C, lëshon kryesisht dritë të dukshme - pjesa e spektrit elektromagnetik ndaj së cilës sytë tanë janë të ndjeshëm. Për shkak se atmosfera është kryesisht transparente ndaj dritës së dukshme, rrezatimi diellor depërton lehtësisht në sipërfaqen e Tokës. Xhami është gjithashtu transparent ndaj dritës së dukshme, kështu që rrezet e diellit kalojnë nëpër serë dhe energjia e tyre absorbohet nga bimët dhe të gjitha objektet brenda. Më tej, sipas ligjit Stefan-Boltzmann, çdo objekt lëshon energji në një pjesë të spektrit elektromagnetik. Objektet me një temperaturë prej rreth 15°C - temperatura mesatare në sipërfaqen e Tokës - lëshojnë energji në rrezen infra të kuqe. Kështu, objektet në një serë lëshojnë rrezatim infra të kuqe. Megjithatë, rrezatimi infra i kuq nuk mund të kalojë lehtësisht përmes xhamit, kështu që temperatura brenda serrës rritet.

Një planet me një atmosferë të qëndrueshme, siç është Toka, përjeton pothuajse të njëjtin efekt -- në shkallë globale. Për të mbajtur një temperaturë konstante, vetë Toka duhet të lëshojë aq energji sa thith nga drita e dukshme e emetuar drejt nesh nga Dielli. Atmosfera shërben si xhami në një serë - nuk është aq transparente ndaj rrezatimit infra të kuqe sa ndaj dritës së diellit. Molekulat e substancave të ndryshme në atmosferë (më të rëndësishmet prej tyre janë dioksidi i karbonit dhe uji) thithin rrezatimin infra të kuqe, duke vepruar si gazra serë. Kështu, fotonet infra të kuqe të emetuara nga sipërfaqja e tokës nuk shkojnë gjithmonë drejtpërdrejt në hapësirë. Disa prej tyre absorbohen nga molekulat e gazit serrë në atmosferë. Kur këto molekula ri-rrezatojnë energjinë që kanë thithur, ato mund ta rrezatojnë atë si nga jashtë në hapësirë ​​dhe nga brenda, përsëri drejt sipërfaqes së Tokës. Prania e gazrave të tillë në atmosferë krijon efektin e mbulimit të Tokës me një batanije. Ata nuk mund të ndalojnë nxehtësinë të dalë nga jashtë, por lejojnë që nxehtësia të qëndrojë pranë sipërfaqes për një kohë më të gjatë, kështu që sipërfaqja e Tokës është shumë më e ngrohtë se sa do të ishte në mungesë të gazeve. Pa atmosferën, temperatura mesatare e sipërfaqes do të ishte -20°C, shumë nën pikën e ngrirjes së ujit.

Është e rëndësishme të kuptohet se efekti serë ka ekzistuar gjithmonë në Tokë. Pa efektin serrë të shkaktuar nga prania e dioksidit të karbonit në atmosferë, oqeanet do të ishin ngrirë shumë kohë më parë dhe nuk do të shfaqeshin forma më të larta të jetës. Aktualisht, debati shkencor për efektin serë është mbi çështjen e ngrohjes globale: a po e shqetësojmë ne njerëzit shumë ekuilibrin energjetik të planetit si rezultat i djegies së lëndëve djegëse fosile dhe aktiviteteve të tjera ekonomike, duke shtuar sasi të tepërta të dioksidit të karbonit? në atmosferë? Sot, shkencëtarët bien dakord se ne jemi përgjegjës për rritjen e efektit natyror të serrës me disa gradë.

Efekti serë nuk ndodh vetëm në Tokë. Në fakt, efekti më i fortë serrë që njohim është në planetin tonë fqinj, Venusin. Atmosfera e Venusit përbëhet pothuajse tërësisht nga dioksidi i karbonit, dhe si rezultat sipërfaqja e planetit nxehet në 475 ° C. Klimatologët besojnë se ne e kemi shmangur një fat të tillë falë pranisë së oqeaneve në Tokë. Oqeanet thithin karbonin atmosferik dhe ai grumbullohet në shkëmbinj të tillë si gëlqerorët - duke hequr kështu dioksidin e karbonit nga atmosfera. Nuk ka oqeane në Venus dhe i gjithë dioksidi i karbonit që lëshojnë vullkanet në atmosferë mbetet atje. Si rezultat, ne vërejmë një efekt serë të pakontrolluar në Venus.

Me një presion të CO2 prej mbi 90 bar në sipërfaqe dhe një temperaturë prej 733 Kelvin, në vend të temperaturës efektive për Venusin prej rreth 240 K (Pollack 1979). Ndryshe nga Venusi, efekti i serrës aktualisht është rreth 33 K mbinxehje, e cila gjithashtu luan një rol të rëndësishëm në mbështetjen e jetës. Efekti serë është i vogël në 5 K, megjithëse hulumtimet sugjerojnë se ai ishte dukshëm më i madh në të kaluarën (Carr dhe Head, 2010). Është interesante se efekti i serrës ka shumë të përbashkëta me atë në Tokë, duke përfshirë presionin e krahasueshëm sipërfaqësor atje (1.5 herë më shumë se i Tokës, ndryshe nga Venusi dhe Marsi, të cilët kanë presione përkatësisht rreth 100 herë më të mëdha dhe 100 herë më pak), dhe gjithashtu të kondensueshëm. Gazet serrë janë të pranishme në Titan, pavarësisht nga temperaturat e ulëta (Koustenis, 2005).

Planetologjia krahasuese mund të përdoret për t'i parë këto planete kolektivisht dhe për të përshkruar ligjet dhe rëndësinë e efektit serë. Një analizë e tillë krahasuese mund të sigurojë një pasqyrë të mbështjellësve dhe kushteve të mundshme atmosferike në sipërfaqe të ngjashme me Tokën. Kjo punë shqyrton më shumë se vetëm katër grupe të dhënash për gjendjen aktuale, sepse mund të mbështetet gjithashtu në kushtet e mundshme atmosferike që ekzistonin në to në të kaluarën, duke marrë parasysh provat gjeologjike, gjeokimike dhe izotopike dhe arsye të tjera themelore fizike.

Struktura e kësaj pune është si më poshtë: së pari, ne kemi parasysh bazën fizike të efektit serë dhe gazeve që thithin rrezatimin. Së dyti, le të shohim shkurtimisht secilin nga katër trupat kozmikë të listuar më sipër, gazrat kryesorë absorbues, strukturën e atmosferës dhe kushtet mbizotëruese të sipërfaqes së trupave të ndryshëm. Ne do të shqyrtojmë gjithashtu modelet e mundshme të kushteve të së kaluarës, duke marrë parasysh se si ato lidhen me të dhënat për kushte të ndryshme atmosferike në të kaluarën dhe paradoksin e të rinjve të dobët. Dhe së fundi, le t'i lidhim të gjitha këto fije së bashku dhe të zbulojmë proceset themelore fizike që lidhen me secilin planet dhe të nxjerrim analogji midis tyre. Ju lutemi vini re se ky artikull fokusohet kryesisht në karakteristikat e cilësisë.

BAZAT E GAZËVE SERË

Gazet serrë lejojnë që drita e dukshme të kalojë, duke lejuar shumicën e dritës së diellit të largohet nga atmosfera dhe të arrijë në sipërfaqe, por ato janë të errëta në rrezet infra të kuqe, duke ndikuar në rrezatimin në atë mënyrë që temperatura e sipërfaqes rritet dhe planeti është në ekuilibri termik me rrjedhën e rrezatimit diellor që hyn në të.

Procesi fizik me të cilin atomet dhe molekulat thithin rrezatimin është kompleks dhe përfshin shumë ligje të mekanikës kuantike për të përshkruar pamjen e plotë. Sidoqoftë, është e mundur që procesi të përshkruhet në mënyrë cilësore. Çdo atom ose molekulë ka një sërë gjendjesh që korrespondojnë me nivele të ndryshme të energjisë të kuantizuara. Një molekulë mund të shkojë nga një gjendje energjie më e ulët në një gjendje energjie më të lartë ose duke thithur një foton ose nga një përplasje me energji të lartë me një grimcë tjetër (vlen të përmendet se nuk është fakt që të gjitha gjendjet e mundshme të energjisë më të larta mund të arrihen drejtpërdrejt nga një më të ulët të dhënë dhe anasjelltas). Pasi të hyjë në një gjendje të ngacmuar, një molekulë mund të ngacmohet në një gjendje energjie më të ulët apo edhe në gjendjen bazë (gjendja më e ulët e energjisë) duke emetuar një foton ose duke transferuar një pjesë të energjisë së saj në një grimcë tjetër pas përplasjes me të. Ekzistojnë tre lloje të tranzicionit për gazrat absorbues në atmosferën e Tokës. Sipas rendit të zvogëlimit të energjisë, ato janë: kalimet elektronike, kalimet vibruese dhe kalimet rrotulluese. Tranzicionet elektronike ndodhin me energjitë në rrezen ultravjollcë, tranzicionet vibruese dhe rrotulluese ndodhin në rajonin e afërt dhe të mesëm të infra të kuqe të spektrit. Ozoni është një shembull i rrezeve ultravjollcë që thithin oksigjenin, ndërsa avulli i ujit ka vibracione të dukshme dhe energjitë rrotulluese në rrezen infra të kuqe. Për shkak se rrezatimi infra i kuq dominon rrezatimin e Tokës, tranzicionet rrotulluese dhe vibruese janë më të rëndësishmet kur diskutohet ekuilibri termik i Tokës.

Kjo nuk është e gjithë historia, sepse çdo linjë absorbimi varet nga shpejtësia (temperatura) dhe presioni i grimcave. Ndryshimi i këtyre sasive mund të shkaktojë ndryshime në linjat spektrale dhe kështu të ndryshojë thithjen e rrezatimit të siguruar nga gazi. Për më tepër, një mënyrë tjetër përthithjeje që lidhet me atmosferat shumë të dendura ose shumë të ftohta, thithja e shkaktuar nga përplasja (i njohur si COI), mbetet për t'u diskutuar. Kuptimi i tij është se ICP lejon molekulat jopolare (d.m.th., molekulat simetrike pa një moment të fortë dipoli) të thithin rrezatimin. Kjo funksionon në njërën nga dy mënyrat: së pari, përplasja shkakton një moment dipoli të përkohshëm në molekulë, duke lejuar që fotoni të absorbohet, ose së dyti, dy molekula, si H2-N2, lidhen shkurtimisht në një supermolekula me rrotullimin e tyre të kuantizuar. shteteve. Këto molekula kalimtare quhen dimere (Hunt et al. 1983; Wordsworth et al. 2010). Proporcionaliteti i drejtpërdrejtë i densitetit është mjaft i lehtë për t'u kuptuar në mënyrë intuitive: sa më i dendur të jetë gazi, aq më e madhe është mundësia e një përplasjeje. Marrëdhënia negative me temperaturën mund të kuptohet si një efekt i kohës së qëndrimit - nëse një molekulë ka shumë energji përkthimore, ajo do të kalojë më pak kohë në afërsi të një molekule tjetër, kështu që formimi i dimerit është më pak i mundshëm.

Duke ditur vlerat numerike të karakteristikave që detyrojnë rrezatimin, temperaturat mund të llogariten lehtësisht në mungesë të ndonjë efekti reagimi. Nëse temperatura e sipërfaqes rregullohet, më shumë energji do të emetohet në hapësirë ​​(Hansen, Sato dhe Rudy 1997). Në përgjithësi, të kuptuarit e reagimeve klimatike është kritike, pasi reagimet negative stabilizojnë temperaturën, ndërsa reagimet pozitive rritin shqetësimet dhe krijojnë procese të arratisura. Koha dukshëm e ndryshme e efekteve të reagimit është gjithashtu shumë e rëndësishme. Shpesh është e nevojshme t'i referohemi një modeli të qarkullimit të përgjithshëm (GCM) që përfshin të gjitha efektet e rëndësishme të reagimit në shkallët e duhura kohore për të bërë parashikime të sakta (Taylor 2010). Shembuj të efekteve kthyese janë: formimi i reve të varura nga temperatura (reagimi negativ, shkallët e shkurtra kohore), shkrirja ose formimi i mbulesës së konsiderueshme të akullit (reagimi pozitiv, shkallët kohore të shkurtra/mesatare), cikli karbonat-silikat (reagimi negativ, afati i gjatë kohor) dhe proceset biologjike(ata janë të ndryshme).

EFEKTI I SERËS NË SISTEMIN DIELLOR

Toka

Temperatura mesatare vjetore e sipërfaqes së Tokës është 288 K dhe temperatura efektive është 255 K. Temperatura efektive përcaktohet nga raporti i bilancit të nxehtësisë me fluksin e rrezatimit diellor në hyrje sipas ekuacionit të mëposhtëm

ku S është konstanta diellore (në tokë ~ 1366 W / m2), A është albedo gjeometrike e Tokës, σ është konstanta Stefan-Boltzmann, f është faktori gjeometrik, i barabartë me 4 për planetët që rrotullohen me shpejtësi, d.m.th. planetët me periudha rrotullimi në rendin e ditëve (Catling dhe Kasting 2013). Prandaj, efekti serë është përgjegjës për rritjen e kësaj temperature në Tokë me 33 K (Pollack 1979). E gjithë Toka duhet të rrezatojë si një trup i zi, i ngrohur në 255 K, por thithja nga gazrat serë, kryesisht CO2 dhe H2O, e kthen nxehtësinë përsëri në sipërfaqe, duke krijuar një atmosferë të sipërme të ftohtë. Këto shtresa rrezatojnë në temperatura shumë nën 255 K dhe për këtë arsye, për të rrezatuar si një trup i zi në 255 K, sipërfaqja duhet të jetë më e ngrohtë dhe të rrezatojë më shumë. Pjesa më e madhe e rrjedhës largohet nga dritarja 8-12 mikron (një rajon me gjatësi vale relativisht transparent ndaj atmosferës).

Është e rëndësishme të theksohet se atmosfera e sipërme e ftohtë lidhet pozitivisht me një sipërfaqe të ngrohtë - sa më shumë që atmosfera e sipërme të jetë në gjendje të rrezatojë, aq më i ulët është fluksi që duhet të vijë nga sipërfaqja (Kasting 1984). Prandaj, duhet pritur që sa më i madh të jetë diferenca midis minimumeve të temperaturës së sipërfaqes dhe shtresave të sipërme të atmosferës së planetit, aq më i madh është efekti serë. Hansen, Sato dhe Rudy (1997) treguan se një dyfishim i përqendrimit të CO2 është i barabartë me një rritje prej 2% në fluksin e rrezatimit diellor, duke injoruar efektet e reagimit.

Gazrat serrë kryesore në Tokë janë avujt e ujit dhe dioksidi i karbonit. Gazet me përqendrim shumë më të ulët si ozoni, metani dhe oksidet e azotit gjithashtu kontribuojnë (De Pater dhe Lisauer 2007). Veçanërisht, ndërsa avulli është kontribuesi më i madh në ngrohjen e serrës, ai kondensohet dhe "sinkronizohet" me gazrat serrë jo të kondensueshëm, veçanërisht me CO2 (De Pater dhe Lisauer, 2007). Avulli i ujit mund të lëshojë nxehtësi latente në atmosferë duke u kondensuar, duke e zhvendosur gradientin e temperaturës në troposferë në adiabatike të lagësht dhe jo të thatë. Uji nuk mund të hyjë në stratosferë dhe t'i nënshtrohet fotolizës për shkak të kurthit të ftohtë troposferik, i cili kondenson avujt e ujit në një temperaturë minimale (në tropopauzë).

Evolucioni i atmosferës

Prania e shkëmbinjve sedimentarë dhe mungesa e dukshme e depozitave akullnajore në Tokë rreth 4 miliardë vjet më parë sugjeron që Toka e hershme ishte e ngrohtë, ndoshta më e ngrohtë se sot (De Pater dhe Lisauer 2007). Kjo është veçanërisht problematike pasi fluksi i rrezatimit diellor besohet të ketë qenë rreth 25% më i ulët në atë kohë. Ky problem njihet si "Paradoksi i Diellit të Ri të Dobtë" (Goldblatt dhe Zahnle 2011). Një shpjegim i mundshëm mund të jetë një efekt serë shumë më i madh se sot. Përqendrimet e CH4, CO2 dhe H2O dhe ndoshta NH3 besohet të kenë qenë më të mëdha në atë kohë (De Pater). Shumë hipoteza janë paraqitur për të shpjeguar këtë mospërputhje, duke përfshirë presionin e pjesshëm shumë më të madh të CO2, një efekt të rëndësishëm serë për shkak të metanit (Pavlov, Kasting, dhe Brown, 2000), një shtresë organike mjegullore, rritje të resë, zgjerim të linjave spektrale për shkak të ndaj presionit nga -për shkak të presioneve të pjesshme dukshëm më të larta të azotit dhe presionit total atmosferik (Goldblatt et al. 2009).

Venusi

Ndërsa Venusi shpesh përshkruhet si motra e Tokës për shkak të masës dhe madhësisë së saj të ngjashme, sipërfaqja e saj dhe kushtet atmosferike nuk kanë asgjë të përbashkët me Tokën. Temperatura dhe presioni i sipërfaqes janë përkatësisht 733 K dhe 95 bar (De Pater dhe Lisauer 2007, Krasnopolsky 2011). Falë albedos së lartë dhe vrenjturës 100%, temperatura e ekuilibrit është rreth 232 K. Prandaj, efekti serë në Venus është thjesht monstruoz dhe i barabartë me rreth 500 K. Kjo nuk është për t'u habitur me një presion të pjesshëm të CO2 prej 92 bar. Zgjerimi i vijave me presion ka rëndësi të madhe në dendësi të tilla dhe jep një kontribut të rëndësishëm në ngrohjen. CO2-CO2 ICP gjithashtu mund të kontribuojë, por ende nuk ka literaturë për këtë. Përmbajtja e avullit të ujit është e kufizuar në 0.00003% në vëllim (Meadows dhe Crisp 1996).

Evolucioni i atmosferës

Shpesh besohet se Venusi filloi me një grup të paqëndrueshëm të ngjashëm me atë të Tokës dhe një përbërje të ngjashme izotopike fillestare. Nëse kjo është e vërtetë, atëherë raporti i matur Deuterium/Protium prej më shumë se 150 për Tokën (Donahue et al. 1982) tregon humbje të mëdha të hidrogjenit në të kaluarën, me sa duket për shkak të fotodissociimit të ujit (Chassefier et al. 2011), megjithëse Grinspoon Lewis (1988) sugjeroi që shpërndarja e ujit mund të shpjegojë këtë nënshkrim izotopik. Në çdo rast, Afërdita mund të kishte pasur oqeane përpara gjendjes së saj aktuale nëse do të kishte përmbajtur aq ujë sa ka Toka (Kasting 1987). Gjendja e saj nuk mund të ishte shkaktuar vetëm nga përqendrimet e rritura të CO2 (ose ndonjë gazi tjetër serrë), por përgjithësisht mendohet se shkaktohet nga rritja e fluksit të energjisë diellore (Kippenhahn 1994), megjithëse rrjedha e brendshme e nxehtësisë shkakton efektin e efektit serrë të arratisur në planetet e bllokuara nga baticë janë gjithashtu të mundshme (Barnes et al. 2012).

Kasting (1987) ekzaminoi si efektet serrë të arratisura ashtu edhe ato të vazhdueshme në Venus. Nëse Venusi do të kishte një oqean në fillim të historisë së saj, fluksi i energjisë diellore në orbitën e saj aktuale do të ishte i tillë që një skenar serë do të fillonte pothuajse menjëherë. Ekzistojnë dy skenarë për humbjen e ujit të oqeanit për shkak të rritjes së fluksit të rrezatimit diellor (Kasting 1987, Goldblatt et al. 2011, Catling dhe Kasting 2013). Skenari i parë i pakontrolluar: oqeani fillon të avullojë në troposferë, duke rritur ngrohjen, por rritet edhe presioni, kështu që oqeanet nuk vlojnë. Uji grumbullohet në troposferë shumë më shpejt sesa fotodissociimi dhe hidrogjeni ik në hapësirë. Ngjarjet e motit mund të ndodhin ende dhe të ngadalësojnë çlirimin e CO2. Temperatura dhe presioni i avullit të ujit rritet dhe oqeani vazhdon derisa uji arrin pikën kritike prej 647 K, në të cilën është e pamundur të shndërrohet avulli në ujë nën asnjë presion, në të cilën pikë i gjithë uji i lëngshëm ende avullohet dhe krijon një mjegull e dendur avulli uji, plotësisht i errët ndaj rrezatimit me valë të gjata dalëse. Temperatura e sipërfaqes pastaj rritet derisa të fillojë të rrezatojë në rajonet afër infra të kuqe dhe të dukshme, ku transparenca e avullit të ujit është shumë më e lartë dhe më e qëndrueshme. Kjo korrespondon me një temperaturë prej 1400 K, mjaft e lartë për të shkrirë shkëmbinjtë afër sipërfaqes dhe për të çliruar karbon prej tyre. Përveç kësaj, pa gërryerje, CO2 mund të çlirohet nga shkëmbi dhe të mos hiqet askund. Në skenarin e dytë, lëshimi i avullit të ujit në atmosferë e bën shpërndarjen e temperaturës më izotermale, duke ngritur tropopauzën dhe duke shkatërruar kurthin e ftohtë. Prandaj, avujt e ujit mund të lëvizin në stratosferë dhe t'i nënshtrohen fotolizës. Ndryshe nga skenari i parë, uji humbet në një shkallë proporcionale me shkallën e avullimit nga oqeani dhe avullimi nuk do të ndalet derisa të mbarojë i gjithë uji. Kur uji mbaron, cikli karbonat-silikat fiket. Nëse CO2 vazhdon të çlirohet nga manteli, nuk ka asnjë mënyrë të disponueshme për ta hequr atë.

Marsi është në një farë mënyre e kundërta e Venusit për sa i përket temperaturës dhe presionit. Presioni sipërfaqësor është afërsisht 6 milibar dhe temperatura mesatare është 215 K (Carr dhe Head 2010). Temperatura e ekuilibrit mund të tregohet të jetë 210 K, kështu që efekti serë është rreth 5 K dhe është i papërfillshëm. Temperaturat mund të ndryshojnë midis 180 K dhe 300 K në varësi të gjerësisë gjeografike, kohës së vitit dhe orës së ditës (Carr dhe Head 2010). Teorikisht, ka periudha të shkurtra kohore kur uji i lëngshëm mund të ekzistojë në sipërfaqen e Marsit sipas diagrami fazor për H2O. Në përgjithësi, nëse duam të shohim një Mars të lagësht, duhet të shikojmë nga e kaluara.

Evolucioni i atmosferës

Mariner 9 dërgoi fotografi për herë të parë duke treguar gjurmë të dukshme të rrjedhave të lumenjve. Interpretimi më i zakonshëm është se Marsi i hershëm ishte i ngrohtë dhe i lagësht (Pollack 1979, Carr dhe Head 2010). Disa mekanizma, me sa duket efekti serë (edhe pse retë janë konsideruar gjithashtu), i cili duhet të jetë shkaktuar nga forca e mjaftueshme rrezatuese, e bëri Marsin më të ngrohtë gjatë historisë së tij të hershme. Problemi është edhe më i keq se sa duket në fillim, duke pasur parasysh se Dielli ishte 25% më i zbehtë 3.8 miliardë vjet më parë, kur Marsi kishte një klimë të butë (Kasting 1991). Marsi i hershëm mund të ketë pasur presione sipërfaqësore në rendin e 1 bar dhe temperatura afër 300 K (De Pater dhe Lisauer 2007).

Kasting (1984, 1991) tregoi se vetëm CO2 nuk mund të kishte ngrohur sipërfaqen e hershme të Marsit në 273 K. Kondensimi i CO2 në clathrates ndryshon gradientin e temperaturës atmosferike dhe detyron atmosferën e sipërme të rrezatojë më shumë nxehtësi, dhe nëse planeti është në rrezatim ekuilibri, atëherë sipërfaqja lëshon më pak në mënyrë që planeti të ketë të njëjtin fluks dalës të rrezatimit infra të kuqe me valë të gjatë dhe sipërfaqja fillon të ftohet. Kështu, në presione mbi 5 bar, CO2 ftoh planetin në vend që ta ngroh atë. Dhe kjo nuk mjafton për të ngrohur sipërfaqen e Marsit mbi pikën e ngrirjes së ujit, duke pasur parasysh fluksin diellor në atë kohë. Në këtë rast, CO2 do të kondensohet në clathrates. Wordsworth, Foget dhe Amit (2010) paraqitën një trajtim më rigoroz të fizikës së përthithjes së CO2 në një atmosferë të dendur dhe të pastër të CO2 (përfshirë ICP), duke treguar se Kasting në 1984 në fakt mbivlerësoi temperaturat e sipërfaqes në presione të larta, duke përkeqësuar kështu problemin e Marsi i hershëm i ngrohtë, i lagësht. Gazet e tjera serrë përveç CO2 mund të zgjidhin këtë problem, ose ndoshta pluhuri nëse do të reduktonte albedon.

Roli i mundshëm i CH4, NH3 dhe H2S është diskutuar më parë (Sagan dhe Mullen, 1972). Më vonë, SO2 u propozua gjithashtu si një gaz serrë (Jung et al., 1997).

Temperatura dhe presioni i sipërfaqes së Titanit janë përkatësisht 93 K dhe 1,46 bar (Koustenis). Atmosfera përbëhet kryesisht nga N2 me disa përqind CH4 dhe rreth 0.3% H2 (McKay, 1991). Tropopauza e Titanit me një temperaturë prej 71 K në një lartësi prej 40 km.

Efekti serrë i Titanit shkaktohet kryesisht nga thithja e rrezatimit me valë të gjatë të shkaktuar nga presioni nga molekulat N2, CH4 dhe H2 (McKay, Pollack dhe Cortin 1991). H2 thith fuqishëm rrezatimin tipik të Titanit (16,7-25 mikron). CH4 është i ngjashëm me avujt e ujit në Tokë, pasi kondensohet në atmosferën e Titanit. Efekti serë në Titan është kryesisht për shkak të përthithjes së shkaktuar nga përplasja nga dimerët N2-N2, CH4-N2 dhe H2-N2 (Hunt et al. 1983; Wordsworth et al. 2010). Kjo është jashtëzakonisht e ndryshme nga atmosfera e Tokës, Marsit dhe Venusit, ku mbizotëron thithja përmes tranzicioneve vibruese dhe rrotulluese.

Titani gjithashtu ka një efekt të rëndësishëm kundër serrës (McKay et al., 1991). Efekti kundër serrës shkaktohet nga prania e lartësi e madhe një shtresë mjegulle që thith dritën e dukshme, por është transparente ndaj rrezatimit infra të kuqe. Efekti kundër serrës ul temperaturën e sipërfaqes me 9 K, ndërsa efekti serë e rrit atë me 21 K. Kështu, efekti neto serrë është 12 K (82 K temperatura efektive në krahasim me 94 K temperaturë të vëzhguar të sipërfaqes). Titani pa shtresën e mjegullës do të jetë 20 K më i ngrohtë për shkak të mungesës së efektit anti-serë dhe efektit të përmirësuar të serrës (McKay et al. 1991).

Ftohja e sipërfaqes është kryesisht për shkak të rrezatimit në rajonin 17-25 mikron të spektrit. Kjo është dritarja infra e kuqe e Titanit. H2 është i rëndësishëm sepse thith në këtë rajon, ashtu si CO2 është shumë i rëndësishëm në Tokë sepse thith rrezatimin infra të kuq nga sipërfaqja e Tokës. Të dy gazrat gjithashtu nuk kufizohen nga ngopja e avujve të tyre në kushtet e atmosferës së tyre.

Metani është afër presionit të tij të avullit, i ngjashëm me H2O në Tokë.

Evolucioni i atmosferës

Për shkak të rritjes së ndriçimit diellor, temperatura e sipërfaqes së Titanit ka të ngjarë të jetë 20 K më e ngrohtë se 4 miliardë vjet më parë (McKay et al. 1993). Në këtë rast, N2 në atmosferë do të ftohet në akull. Formimi dhe jetëgjatësia e atmosferës së Titanit është një problem interesant pa ndonjë zgjidhje solide (Koustenis 2004). Një problem është se me këtë ritëm të fotolizës së CH4 dhe prodhimit të etanit, furnizimi aktual i CH4 në atmosferën e Titanit do të shterohet në shumë më pak kohë se mosha e sistemit diellor. Përveç kësaj, etani i lëngshëm do të grumbullohej në sipërfaqe disa qindra metra më poshtë me ritmet e prodhimit të sotëm (Lunine et al., 1989). Ose kjo është një periudhë jo karakteristike në historinë e Titanit, ose ka burime të panjohura të metanit dhe zhytësve për etanin (Catling dhe Kasting, 2013).

KONKLUZIONET DHE DISKUTIMI

Toka, Marsi dhe Venusi janë të ngjashëm në atë që çdo planet ka një atmosferë të dukshme, mot, vullkanizëm të kaluar ose aktual dhe një përbërje kimikisht heterogjene. Titan gjithashtu ka një atmosferë të rëndësishme, mot, ndoshta kriovolkanizëm dhe përbërje potencialisht pjesërisht heterogjene (De Pater dhe Lisauer 2007).

Marsi, Toka dhe Venusi kanë një efekt serë me një ndikim të dukshëm të CO2, megjithëse madhësia e ngrohjes dhe presioni i pjesshëm i CO2 ndryshon me disa renditje të madhësisë. Është mjaft e qartë se Toka dhe Marsi duhet të kenë pasur ngrohje shtesë më herët në historinë e sistemit diellor, kur Dielli shkëlqeu më dobët. Është e paqartë se cilat ishin burimet e ngrohjes për këta dy planetë, megjithëse janë propozuar shumë zgjidhje dhe shumë shpjegime janë të mundshme. Interesante, Marsi lejon krahasime me të kaluarën e Tokës, pasi të dy planetët kanë mjaft prova gjeologjike se ata ishin më të ngrohtë, duke pasur më shumë se efektin serë të krijuar nga gazi CO2. Në të njëjtën kohë, efekti i arratisur i serrës në Venus ofron njohuri për të ardhmen e Tokës nëse Aktiviteti diellor do të vazhdojë të rritet. Duke krahasuar modelet për të tre planetët, duke ditur ligjet themelore fizike që janë të njëjta për të gjithë planetët, ne mund të marrim gjëra që do të ishte e pamundur të arriheshin nëse Dielli nuk do të ndikonte në planetët tokësorë.

Titani është një material emocionues për studim, sipas autorit, veçanërisht pasi, ndryshe nga botët e tjera të përshkruara, efekti i tij serë dominohet nga thithja e shkaktuar nga përplasja. Ngrohja për shkak të ICP-së ka shumë aplikime të mundshme për të përshkruar kushtet dhe banueshmërinë e mundshme të ekzoplaneteve (Pierrehumbert). Ashtu si atmosfera e Tokës, atmosfera e Titanit përmban mjaft material afër pikës së trefishtë që mund të kondensohet në atmosferë dhe për këtë arsye është në gjendje të ndikojë në shpërndarjen e temperaturës.

Llojet kryesore të gazrave në atmosferën e Tokës, natyrisht, janë të ndikuar nga organizmat e gjallë (Taylor 2010). Natyrisht, kjo nuk është e vërtetë për planetët e tjerë në sistemin diellor. Megjithatë, ne mund të përdorim krahasimet midis Tokës dhe botëve pa jetë në sistemin tonë për të kuptuar më mirë biosferat e tjera të mundshme.

PREZANTIMI

Efekti serë ka një efekt të dukshëm në ato trupa në sistemin diellor që kanë një atmosferë. Shembulli më i mrekullueshëm është Venusi, me një presion të CO2 prej më shumë se 90 bar në sipërfaqe dhe një temperaturë prej 733 Kelvin, në vend të temperaturës efektive për Venusin prej rreth 240 K (Pollack 1979). Ndryshe nga Venusi, në Tokë efekti i serrës është aktualisht rreth 33 K mbinxehje, e cila gjithashtu luan një rol të rëndësishëm në mbështetjen e jetës. Në Mars, efekti serë është i vogël në 5 K, megjithëse studimet sugjerojnë se ishte dukshëm më i madh në të kaluarën (Carr dhe Head 2010). Është interesante se efekti i serrës në Titan ka shumë të përbashkëta me atë në Tokë, duke përfshirë presionin e krahasueshëm sipërfaqësor (1.5 herë më i lartë se i Tokës, ndryshe nga Venusi dhe Marsi, të cilët kanë presione përkatësisht rreth 100 herë më të mëdha dhe 100 herë më pak), dhe gjithashtu Gazet serrë të kondensueshme janë të pranishme në Titan, pavarësisht nga temperaturat e ulëta (Koustenis, 2005).

Planetologjia krahasuese mund të përdoret për t'i parë këto planete kolektivisht dhe për të përshkruar ligjet dhe rëndësinë e efektit serë. Një analizë e tillë krahasuese mund të sigurojë një pasqyrë të mbështjelljeve të mundshme atmosferike dhe kushteve të sipërfaqes së ekzoplaneteve të ngjashme me Tokën. Kjo punë shqyrton më shumë se vetëm katër grupe të dhënash për gjendjen aktuale të planetëve, por gjithashtu shikon kushtet e mundshme atmosferike që ekzistonin në ato planetë në të kaluarën, duke marrë parasysh provat gjeologjike, gjeokimike dhe izotopike dhe arsye të tjera themelore fizike.

Struktura e kësaj pune është si më poshtë: së pari, ne kemi parasysh bazën fizike të efektit serë dhe gazeve që thithin rrezatimin. Së dyti, le të shohim shkurtimisht secilin nga katër trupat kozmikë të listuar më sipër, gazrat kryesorë absorbues, strukturën e atmosferës dhe kushtet mbizotëruese të sipërfaqes së trupave të ndryshëm. Ne do të shqyrtojmë gjithashtu modelet e mundshme të kushteve të së kaluarës, duke marrë parasysh se si ato lidhen me të dhënat për kushte të ndryshme atmosferike në të kaluarën dhe paradoksin e një Dielli të ri të dobët. Dhe së fundi, le t'i lidhim të gjitha këto fije së bashku dhe të zbulojmë proceset themelore fizike që lidhen me secilin planet dhe të nxjerrim analogji midis tyre. Ju lutemi vini re se ky artikull fokusohet kryesisht në karakteristikat e cilësisë.

BAZAT E GAZËVE SERË

Gazrat serrë transmetojnë dritën e dukshme, duke lejuar shumicën e dritës së diellit të ikin nga atmosfera dhe të arrijnë në sipërfaqe, por ato janë të errëta në infra të kuqe, duke ndikuar në rrezatimin në mënyrë të tillë që temperatura e sipërfaqes të rritet dhe planeti të jetë në ekuilibër termik me rrezatimin diellor që vjen.

Procesi fizik me të cilin atomet dhe molekulat thithin rrezatimin është kompleks dhe përfshin shumë ligje të mekanikës kuantike për të përshkruar pamjen e plotë. Sidoqoftë, është e mundur që procesi të përshkruhet në mënyrë cilësore. Çdo atom ose molekulë ka një sërë gjendjesh që korrespondojnë me nivele të ndryshme të energjisë të kuantizuara. Një molekulë mund të shkojë nga një gjendje energjie më e ulët në një gjendje energjie më të lartë ose duke thithur një foton ose nga një përplasje me energji të lartë me një grimcë tjetër (vlen të përmendet se nuk është fakt që të gjitha gjendjet e mundshme të energjisë më të larta mund të arrihen drejtpërdrejt nga një më të ulët të dhënë dhe anasjelltas). Pasi të hyjë në një gjendje të ngacmuar, një molekulë mund të ngacmohet në një gjendje energjie më të ulët apo edhe në gjendjen bazë (gjendja më e ulët e energjisë) duke emetuar një foton ose duke transferuar një pjesë të energjisë së saj në një grimcë tjetër pas përplasjes me të. Ekzistojnë tre lloje të tranzicionit për gazrat absorbues në atmosferën e Tokës. Sipas rendit të zvogëlimit të energjisë, ato janë: kalimet elektronike, kalimet vibruese dhe kalimet rrotulluese. Tranzicionet elektronike ndodhin me energjitë në rrezen ultravjollcë, tranzicionet vibruese dhe rrotulluese ndodhin në rajonin e afërt dhe të mesëm të infra të kuqe të spektrit. Ozoni është një shembull i rrezeve ultravjollcë që thithin oksigjenin, ndërsa avulli i ujit ka energji të dukshme vibruese dhe rrotulluese në infra të kuqe. Për shkak se rrezatimi infra i kuq dominon rrezatimin e Tokës, tranzicionet rrotulluese dhe vibruese janë më të rëndësishmet kur diskutohet ekuilibri termik i Tokës.

Kjo nuk është e gjithë historia, sepse çdo linjë absorbimi varet nga shpejtësia (temperatura) dhe presioni i grimcave. Ndryshimi i këtyre sasive mund të shkaktojë ndryshime në linjat spektrale dhe kështu të ndryshojë thithjen e rrezatimit të siguruar nga gazi. Për më tepër, një mënyrë tjetër përthithjeje që lidhet me atmosferat shumë të dendura ose shumë të ftohta, thithja e shkaktuar nga përplasja (i njohur si COI), mbetet për t'u diskutuar. Kuptimi i tij është se ICP lejon molekulat jopolare (d.m.th., molekulat simetrike pa një moment të fortë dipoli) të thithin rrezatimin. Kjo funksionon në njërën nga dy mënyrat: së pari, përplasja shkakton një moment dipoli të përkohshëm në molekulë, duke lejuar që fotoni të absorbohet, ose së dyti, dy molekula, si H2-N2, lidhen shkurtimisht në një supermolekula me rrotullimin e tyre të kuantizuar. shteteve. Këto molekula kalimtare quhen dimere (Hunt et al. 1983; Wordsworth et al. 2010). Proporcionaliteti i drejtpërdrejtë i densitetit është mjaft i lehtë për t'u kuptuar në mënyrë intuitive: sa më i dendur të jetë gazi, aq më e madhe është mundësia e një përplasjeje. Marrëdhënia negative me temperaturën mund të kuptohet si një efekt i kohës së qëndrimit - nëse një molekulë ka shumë energji përkthimore, ajo do të kalojë më pak kohë në afërsi të një molekule tjetër, kështu që formimi i dimerit është më pak i mundshëm.

Duke ditur vlerat numerike të karakteristikave që detyrojnë rrezatimin, temperaturat mund të llogariten lehtësisht në mungesë të ndonjë efekti reagimi. Nëse temperatura e sipërfaqes rregullohet, më shumë energji do të emetohet në hapësirë ​​(Hansen, Sato dhe Rudy 1997). Në përgjithësi, të kuptuarit e reagimeve klimatike është kritike, pasi reagimet negative stabilizojnë temperaturën, ndërsa reagimet pozitive rritin shqetësimet dhe krijojnë procese të arratisura. Koha dukshëm e ndryshme e efekteve të reagimit është gjithashtu shumë e rëndësishme. Shpesh është e nevojshme t'i referohemi një modeli të qarkullimit të përgjithshëm (GCM) që përfshin të gjitha efektet e rëndësishme të reagimit në shkallët e duhura kohore për të bërë parashikime të sakta (Taylor 2010). Shembuj të efekteve të reagimit janë: formimi i reve të varura nga temperatura (reagimi negativ, shkallët e shkurtra kohore), shkrirja ose formimi i mbulesës së konsiderueshme të akullit (reagimi pozitiv, shkallët kohore të shkurtra/mesatare), cikli karbonat-silikat (reagimi negativ, korniza të gjata kohore) dhe proceset biologjike (të ndryshme).

EFEKTI I SERËS NË SISTEMIN DIELLOR

Toka

Mesatarja vjetore e sipërfaqes së Tokës është 288 K dhe temperatura efektive është 255 K. Temperatura efektive përcaktohet nga raporti i bilancit të nxehtësisë me fluksin e rrezatimit diellor në hyrje sipas ekuacionit të mëposhtëm

ku S është konstanta diellore (në tokë ~ 1366 W / m2), A është albedo gjeometrike e Tokës, σ është konstanta Stefan-Boltzmann, f është faktori gjeometrik, i barabartë me 4 për planetët që rrotullohen me shpejtësi, d.m.th. planetët me periudha rrotullimi në rendin e ditëve (Catling dhe Kasting 2013). Prandaj, efekti serë është përgjegjës për rritjen e kësaj temperature në Tokë me 33 K (Pollack 1979). E gjithë Toka duhet të rrezatojë si një trup i zi, i ngrohur në 255 K, por thithja nga gazrat serë, kryesisht CO2 dhe H2O, e kthen nxehtësinë përsëri në sipërfaqe, duke krijuar një atmosferë të sipërme të ftohtë. Këto shtresa rrezatojnë në temperatura shumë nën 255 K dhe për këtë arsye, për të rrezatuar si një trup i zi në 255 K, sipërfaqja duhet të jetë më e ngrohtë dhe të rrezatojë më shumë. Pjesa më e madhe e rrjedhës largohet nga dritarja 8-12 mikron (një rajon me gjatësi vale relativisht transparent ndaj atmosferës).

Është e rëndësishme të theksohet se atmosfera e sipërme e ftohtë lidhet pozitivisht me një sipërfaqe të ngrohtë - sa më shumë që atmosfera e sipërme të jetë në gjendje të emetojë, aq më i ulët është fluksi që duhet të vijë nga sipërfaqja (Kasting 1984). Prandaj, duhet pritur që sa më i madh të jetë diferenca midis minimumeve të temperaturës së sipërfaqes dhe shtresave të sipërme të atmosferës së planetit, aq më i madh është efekti serë. Hansen, Sato dhe Rudy (1997) treguan se një dyfishim i përqendrimit të CO2 është i barabartë me një rritje prej 2% në fluksin e rrezatimit diellor, duke injoruar efektet e reagimit.

Gazrat serrë kryesore në Tokë janë avujt e ujit dhe dioksidi i karbonit. Gazet me përqendrim shumë më të ulët si ozoni, metani dhe oksidet e azotit gjithashtu kontribuojnë (De Pater dhe Lisauer 2007). Veçanërisht, ndërsa avulli është kontribuesi më i madh në ngrohjen e serrës, ai kondensohet dhe "sinkronizohet" me gazrat serrë jo të kondensueshëm, veçanërisht me CO2 (De Pater dhe Lisauer, 2007). Avulli i ujit mund të lëshojë nxehtësi latente në atmosferë duke u kondensuar, duke e zhvendosur gradientin e temperaturës në troposferë në adiabatike të lagësht dhe jo të thatë. Uji nuk mund të hyjë në stratosferë dhe t'i nënshtrohet fotolizës për shkak të kurthit të ftohtë troposferik, i cili kondenson avujt e ujit në një temperaturë minimale (në tropopauzë).

Evolucioni i atmosferës

Prania e shkëmbinjve sedimentarë dhe mungesa e dukshme e depozitave akullnajore në Tokë rreth 4 miliardë vjet më parë sugjeron që Toka e hershme ishte e ngrohtë, ndoshta më e ngrohtë se sot (De Pater dhe Lisauer 2007). Kjo është veçanërisht problematike pasi fluksi i rrezatimit diellor besohet të ketë qenë rreth 25% më i ulët në atë kohë. Ky problem njihet si "Paradoksi i Diellit të Ri të Dobtë" (Goldblatt dhe Zahnle 2011). Një shpjegim i mundshëm mund të jetë një efekt serë shumë më i madh se sot. Përqendrimet e CH4, CO2 dhe H2O dhe ndoshta NH3 besohet të kenë qenë më të mëdha në atë kohë (De Pater). Shumë hipoteza janë paraqitur për të shpjeguar këtë mospërputhje, duke përfshirë presionin e pjesshëm shumë më të madh të CO2, një efekt të rëndësishëm serë për shkak të metanit (Pavlov, Kasting, dhe Brown, 2000), një shtresë organike mjegullore, rritje të resë, zgjerim të linjave spektrale për shkak të ndaj presionit nga -për shkak të presioneve të pjesshme dukshëm më të larta të azotit dhe presionit total atmosferik (Goldblatt et al. 2009).

Venusi

Ndërsa Venusi shpesh përshkruhet si motra e Tokës për shkak të masës dhe madhësisë së saj të ngjashme, sipërfaqja e saj dhe kushtet atmosferike nuk kanë asgjë të përbashkët me Tokën. Temperatura dhe presioni i sipërfaqes janë përkatësisht 733 K dhe 95 bar (De Pater dhe Lisauer 2007, Krasnopolsky 2011). Falë albedos së lartë dhe vrenjturës 100%, temperatura e ekuilibrit është rreth 232 K. Prandaj, efekti serë në Venus është thjesht monstruoz dhe i barabartë me rreth 500 K. Kjo nuk është për t'u habitur me një presion të pjesshëm të CO2 prej 92 bar. Zgjerimi i linjës nga presioni është i rëndësishëm në këto dendësi dhe kontribuon ndjeshëm në ngrohjen. CO2-CO2 ICP gjithashtu mund të kontribuojë, por ende nuk ka literaturë për këtë. Përmbajtja e avullit të ujit është e kufizuar në 0.00003% në vëllim (Meadows dhe Crisp 1996).

Evolucioni i atmosferës

Shpesh besohet se Venusi filloi me një grup të paqëndrueshëm të ngjashëm me atë të Tokës dhe një përbërje të ngjashme izotopike fillestare. Nëse kjo është e vërtetë, atëherë raporti i matur Deuterium/Protium prej më shumë se 150 për Tokën (Donahue et al. 1982) tregon humbje të mëdha të hidrogjenit në të kaluarën, me sa duket për shkak të fotodissociimit të ujit (Chassefier et al. 2011), megjithëse Grinspoon Lewis (1988) sugjeroi që shpërndarja e ujit nga kometat mund të shpjegojë këtë nënshkrim izotopik. Në çdo rast, Afërdita mund të kishte pasur oqeane përpara gjendjes së saj aktuale nëse do të kishte përmbajtur aq ujë sa ka Toka (Kasting 1987). Gjendja e saj nuk mund të ishte shkaktuar vetëm nga përqendrimet e rritura të CO2 (ose ndonjë gazi tjetër serrë), por përgjithësisht mendohet se shkaktohet nga rritja e fluksit të energjisë diellore (Kippenhahn 1994), megjithëse rrjedha e brendshme e nxehtësisë shkakton efektin e efektit serrë të arratisur në planetet e bllokuara nga baticë janë gjithashtu të mundshme (Barnes et al. 2012).

Kasting (1987) ekzaminoi si efektet serrë të arratisura ashtu edhe ato të vazhdueshme në Venus. Nëse Venusi do të kishte një oqean në fillim të historisë së saj, fluksi i energjisë diellore në orbitën e saj aktuale do të ishte i tillë që një skenar serë do të fillonte pothuajse menjëherë. Ekzistojnë dy skenarë për humbjen e ujit të oqeanit për shkak të rritjes së fluksit të rrezatimit diellor (Kasting 1987, Goldblatt et al. 2011, Catling dhe Kasting 2013). Skenari i parë i pakontrolluar: oqeani fillon të avullojë në troposferë, duke rritur ngrohjen, por rritet edhe presioni, kështu që oqeanet nuk vlojnë. Uji grumbullohet në troposferë shumë më shpejt sesa fotodissociimi dhe hidrogjeni ik në hapësirë. Ngjarjet e motit mund të ndodhin ende dhe të ngadalësojnë çlirimin e CO2. Temperatura dhe presioni i avullit të ujit rritet dhe oqeani vazhdon derisa uji arrin pikën kritike prej 647 K, në të cilën është e pamundur të shndërrohet avulli në ujë nën asnjë presion, në të cilën pikë i gjithë uji i lëngshëm ende avullohet dhe krijon një mjegull e dendur avulli uji, plotësisht i errët ndaj rrezatimit me valë të gjata dalëse. Temperatura e sipërfaqes pastaj rritet derisa të fillojë të rrezatojë në rajonet afër infra të kuqe dhe të dukshme, ku transparenca e avullit të ujit është shumë më e lartë dhe më e qëndrueshme. Kjo korrespondon me një temperaturë prej 1400 K, mjaft e lartë për të shkrirë shkëmbinjtë afër sipërfaqes dhe për të çliruar karbon prej tyre. Përveç kësaj, pa gërryerje, CO2 mund të çlirohet nga shkëmbi dhe të mos hiqet askund. Në skenarin e dytë, lëshimi i avullit të ujit në atmosferë e bën shpërndarjen e temperaturës më izotermale, duke ngritur tropopauzën dhe duke shkatërruar kurthin e ftohtë. Prandaj, avujt e ujit mund të lëvizin në stratosferë dhe t'i nënshtrohen fotolizës. Ndryshe nga skenari i parë, uji humbet në një shkallë proporcionale me shkallën e avullimit nga oqeani dhe avullimi nuk do të ndalet derisa të mbarojë i gjithë uji. Kur uji mbaron, cikli karbonat-silikat fiket. Nëse CO2 vazhdon të çlirohet nga manteli, nuk ka asnjë mënyrë të disponueshme për ta hequr atë.

Mars

Marsi është në një farë mënyre e kundërta e Venusit për sa i përket temperaturës dhe presionit. Presioni sipërfaqësor është afërsisht 6 milibar dhe temperatura mesatare është 215 K (Carr dhe Head 2010). Temperatura e ekuilibrit mund të tregohet të jetë 210 K, kështu që efekti serë është rreth 5 K dhe është i papërfillshëm. Temperaturat mund të ndryshojnë midis 180 K dhe 300 K në varësi të gjerësisë gjeografike, kohës së vitit dhe orës së ditës (Carr dhe Head 2010). Teorikisht, ka periudha të shkurtra kohore kur uji i lëngshëm mund të ekzistojë në sipërfaqen e Marsit sipas diagramit fazor për H2O. Në përgjithësi, nëse duam të shohim një Mars të lagësht, duhet të shikojmë nga e kaluara.

Evolucioni i atmosferës

Mariner 9 dërgoi fotografi për herë të parë duke treguar gjurmë të dukshme të rrjedhave të lumenjve. Interpretimi më i zakonshëm është se Marsi i hershëm ishte i ngrohtë dhe i lagësht (Pollack 1979, Carr dhe Head 2010). Disa mekanizma, me sa duket efekti serë (edhe pse retë janë konsideruar gjithashtu), i cili duhet të jetë shkaktuar nga forca e mjaftueshme rrezatuese, e bëri Marsin më të ngrohtë gjatë historisë së tij të hershme. Problemi është edhe më i keq se sa duket në fillim, duke pasur parasysh se Dielli ishte 25% më i zbehtë 3.8 miliardë vjet më parë, kur Marsi kishte një klimë të butë (Kasting 1991). Marsi i hershëm mund të ketë pasur presione sipërfaqësore në rendin e 1 bar dhe temperatura afër 300 K (De Pater dhe Lisauer 2007).

Kasting (1984, 1991) tregoi se vetëm CO2 nuk mund të kishte ngrohur sipërfaqen e hershme të Marsit në 273 K. Kondensimi i CO2 në clathrates ndryshon gradientin e temperaturës atmosferike dhe detyron atmosferën e sipërme të rrezatojë më shumë nxehtësi, dhe nëse planeti është në rrezatim ekuilibri, atëherë sipërfaqja lëshon më pak në mënyrë që planeti të ketë të njëjtin fluks dalës të rrezatimit infra të kuqe me valë të gjatë dhe sipërfaqja fillon të ftohet. Kështu, në presione mbi 5 bar, CO2 ftoh planetin në vend që ta ngroh atë. Dhe kjo nuk mjafton për të ngrohur sipërfaqen e Marsit mbi pikën e ngrirjes së ujit, duke pasur parasysh fluksin diellor në atë kohë. Në këtë rast, CO2 do të kondensohet në clathrates. Wordsworth, Foget dhe Amit (2010) paraqitën një trajtim më rigoroz të fizikës së përthithjes së CO2 në një atmosferë të dendur dhe të pastër të CO2 (përfshirë ICP), duke treguar se Kasting në 1984 në fakt mbivlerësoi temperaturat e sipërfaqes në presione të larta, duke përkeqësuar kështu problemin e Marsi i hershëm i ngrohtë, i lagësht. Gazet e tjera serrë përveç CO2 mund të zgjidhin këtë problem, ose ndoshta pluhuri nëse do të reduktonte albedon.

Roli i mundshëm i CH4, NH3 dhe H2S është diskutuar më parë (Sagan dhe Mullen, 1972). Më vonë, SO2 u propozua gjithashtu si një gaz serrë (Jung et al., 1997).

Titanium

Temperatura dhe presioni i sipërfaqes së Titanit janë përkatësisht 93 K dhe 1,46 bar (Koustenis). Atmosfera përbëhet kryesisht nga N2 me disa përqind CH4 dhe rreth 0.3% H2 (McKay, 1991). Tropopauza e Titanit me një temperaturë prej 71 K në një lartësi prej 40 km.

Efekti serrë i Titanit shkaktohet kryesisht nga thithja e rrezatimit me valë të gjatë të shkaktuar nga presioni nga molekulat N2, CH4 dhe H2 (McKay, Pollack dhe Cortin 1991). H2 thith fuqishëm rrezatimin tipik të Titanit (16,7-25 mikron). CH4 është i ngjashëm me avujt e ujit në Tokë, pasi kondensohet në atmosferën e Titanit. Efekti serë në Titan është kryesisht për shkak të përthithjes së shkaktuar nga përplasja nga dimerët N2-N2, CH4-N2 dhe H2-N2 (Hunt et al. 1983; Wordsworth et al. 2010). Kjo është jashtëzakonisht e ndryshme nga atmosfera e Tokës, Marsit dhe Venusit, ku mbizotëron thithja përmes tranzicioneve vibruese dhe rrotulluese.

Titani gjithashtu ka një efekt të rëndësishëm kundër serrës (McKay et al., 1991). Efekti kundër serrës shkaktohet nga prania në lartësi të mëdha e një shtrese mjegullimi që thith dritën e dukshme, por është transparente ndaj rrezatimit infra të kuqe. Efekti kundër serrës ul temperaturën e sipërfaqes me 9 K, ndërsa efekti serë e rrit atë me 21 K. Kështu, efekti neto serrë është 12 K (82 K temperatura efektive në krahasim me 94 K temperaturë të vëzhguar të sipërfaqes). Titani pa shtresën e mjegullës do të jetë 20 K më i ngrohtë për shkak të mungesës së efektit anti-serë dhe efektit të përmirësuar të serrës (McKay et al. 1991).

Ftohja e sipërfaqes është kryesisht për shkak të rrezatimit në rajonin 17-25 mikron të spektrit. Kjo është dritarja infra e kuqe e Titanit. H2 është i rëndësishëm sepse thith në këtë rajon, ashtu si CO2 është shumë i rëndësishëm në Tokë sepse thith rrezatimin infra të kuq nga sipërfaqja e Tokës. Të dy gazrat gjithashtu nuk kufizohen nga ngopja e avujve të tyre në kushtet e atmosferës së tyre.

Metani është afër presionit të tij të avullit, i ngjashëm me H2O në Tokë.

Evolucioni i atmosferës

Për shkak të rritjes së ndriçimit diellor, temperatura e sipërfaqes së Titanit ka të ngjarë të jetë 20 K më e ngrohtë se 4 miliardë vjet më parë (McKay et al. 1993). Në këtë rast, N2 në atmosferë do të ftohet në akull. Formimi dhe jetëgjatësia e atmosferës së Titanit është një problem interesant pa ndonjë zgjidhje solide (Koustenis 2004). Një problem është se me këtë ritëm të fotolizës së CH4 dhe prodhimit të etanit, furnizimi aktual i CH4 në atmosferën e Titanit do të shterohet në shumë më pak kohë se mosha e sistemit diellor. Përveç kësaj, etani i lëngshëm do të grumbullohej në sipërfaqe disa qindra metra më poshtë me ritmet e prodhimit të sotëm (Lunine et al., 1989). Ose kjo është një periudhë jo karakteristike në historinë e Titanit, ose ka burime të panjohura të metanit dhe zhytësve për etanin (Catling dhe Kasting, 2013).

KONKLUZIONET DHE DISKUTIMI

Toka, Marsi dhe Venusi janë të ngjashëm në atë që çdo planet ka një atmosferë të dukshme, mot, vullkanizëm të kaluar ose aktual dhe një përbërje kimikisht heterogjene. Titan gjithashtu ka një atmosferë të rëndësishme, mot, ndoshta kriovolkanizëm dhe përbërje potencialisht pjesërisht heterogjene (De Pater dhe Lisauer 2007).

Marsi, Toka dhe Venusi kanë një efekt serë me një ndikim të dukshëm të CO2, megjithëse madhësia e ngrohjes dhe presioni i pjesshëm i CO2 ndryshon me disa renditje të madhësisë. Është mjaft e qartë se Toka dhe Marsi duhet të kenë pasur ngrohje shtesë më herët në historinë e sistemit diellor, kur Dielli shkëlqeu më dobët. Është e paqartë se cilat ishin burimet e ngrohjes për këta dy planetë, megjithëse janë propozuar shumë zgjidhje dhe shumë shpjegime janë të mundshme. Interesante, Marsi lejon krahasime me të kaluarën e Tokës, pasi të dy planetët kanë mjaft prova gjeologjike se ata ishin më të ngrohtë, duke pasur më shumë se efektin serë të krijuar nga gazi CO2. Në të njëjtën kohë, efekti i arratisur i serrës në Venus ofron njohuri për të ardhmen e Tokës nëse aktiviteti diellor vazhdon të rritet. Duke krahasuar modelet për të tre planetët, duke ditur ligjet themelore fizike që janë të njëjta për të gjithë planetët, ne mund të marrim gjëra që do të ishte e pamundur të arriheshin nëse Dielli nuk do të ndikonte në planetët tokësorë.

Titani është një material emocionues për studim, sipas autorit, veçanërisht pasi, ndryshe nga botët e tjera të përshkruara, efekti i tij serë dominohet nga thithja e shkaktuar nga përplasja. Ngrohja për shkak të ICP-së ka shumë aplikime të mundshme për të përshkruar kushtet dhe banueshmërinë e mundshme të ekzoplaneteve (Pierrehumbert). Ashtu si atmosfera e Tokës, atmosfera e Titanit përmban mjaft material afër pikës së trefishtë që mund të kondensohet në atmosferë dhe për këtë arsye është në gjendje të ndikojë në shpërndarjen e temperaturës.

Llojet kryesore të gazrave në atmosferën e Tokës, natyrisht, janë të ndikuar nga organizmat e gjallë (Taylor 2010). Natyrisht, kjo nuk është e vërtetë për planetët e tjerë në sistemin diellor. Megjithatë, ne mund të përdorim krahasimet midis Tokës dhe botëve pa jetë në sistemin tonë për të kuptuar më mirë biosferat e tjera të mundshme.

LISTA E BURIMEVE TË PËRDORUR

Carr M. H., Head J. W. (2010), Historia gjeologjike e Marsit, EPSL, 296, 185-203.

Temperatura mesatare e sipërfaqes së Tokës (ose një planeti tjetër) rritet për shkak të pranisë së atmosferës së saj.

Kopshtarët janë shumë të njohur me këtë fenomen fizik. Pjesa e brendshme e serrës është gjithmonë më e ngrohtë se ajo e jashtme dhe kjo ndihmon në rritjen e bimëve, veçanërisht në stinën e ftohtë. Ju mund të ndjeni një efekt të ngjashëm kur jeni në një makinë. Arsyeja për këtë është se Dielli, me një temperaturë sipërfaqësore prej rreth 5000°C, lëshon kryesisht dritë të dukshme - pjesa e spektrit elektromagnetik ndaj së cilës sytë tanë janë të ndjeshëm. Për shkak se atmosfera është kryesisht transparente ndaj dritës së dukshme, rrezatimi diellor depërton lehtësisht në sipërfaqen e Tokës. Xhami është gjithashtu transparent ndaj dritës së dukshme, kështu që rrezet e diellit kalojnë nëpër serë dhe energjia e tyre absorbohet nga bimët dhe të gjitha objektet brenda. Më tej, sipas ligjit Stefan-Boltzmann, çdo objekt lëshon energji në një pjesë të spektrit elektromagnetik. Objektet me një temperaturë prej rreth 15°C - temperatura mesatare në sipërfaqen e Tokës - lëshojnë energji në rrezen infra të kuqe. Kështu, objektet në një serë lëshojnë rrezatim infra të kuqe. Megjithatë, rrezatimi infra i kuq nuk mund të kalojë lehtësisht përmes xhamit, kështu që temperatura brenda serrës rritet.

Një planet me një atmosferë të qëndrueshme, si Toka, përjeton pothuajse të njëjtin efekt - në shkallë globale. Për të mbajtur një temperaturë konstante, vetë Toka duhet të lëshojë aq energji sa thith nga drita e dukshme e emetuar drejt nesh nga Dielli. Atmosfera shërben si xhami në një serë - nuk është aq transparente ndaj rrezatimit infra të kuqe sa ndaj dritës së diellit. Molekulat e substancave të ndryshme në atmosferë (më të rëndësishmet prej tyre janë dioksidi i karbonit dhe uji) thithin rrezatimin infra të kuqe, duke vepruar si gazra serë. Kështu, fotonet infra të kuqe të emetuara nga sipërfaqja e tokës nuk shkojnë gjithmonë drejtpërdrejt në hapësirë. Disa prej tyre absorbohen nga molekulat e gazit serrë në atmosferë. Kur këto molekula ri-rrezatojnë energjinë që kanë thithur, ato mund ta rrezatojnë atë si nga jashtë në hapësirë ​​dhe nga brenda, përsëri drejt sipërfaqes së Tokës. Prania e gazrave të tillë në atmosferë krijon efektin e mbulimit të Tokës me një batanije. Ata nuk mund të ndalojnë nxehtësinë të dalë nga jashtë, por lejojnë që nxehtësia të qëndrojë pranë sipërfaqes për një kohë më të gjatë, kështu që sipërfaqja e Tokës është shumë më e ngrohtë se sa do të ishte në mungesë të gazeve. Pa atmosferën, temperatura mesatare e sipërfaqes do të ishte -20°C, shumë nën pikën e ngrirjes së ujit.

Është e rëndësishme të kuptohet se efekti serë ka ekzistuar gjithmonë në Tokë. Pa efektin serrë të shkaktuar nga prania e dioksidit të karbonit në atmosferë, oqeanet do të ishin ngrirë shumë kohë më parë dhe nuk do të shfaqeshin forma më të larta të jetës. Aktualisht, debati shkencor për efektin serë është mbi këtë çështje ngrohja globale: A po e shqetësojmë ne, njerëzit, shumë ekuilibrin energjetik të planetit duke djegur lëndë djegëse fosile dhe aktivitete të tjera ekonomike, duke shtuar sasi të tepërta të dioksidit të karbonit në atmosferë? Sot, shkencëtarët bien dakord se ne jemi përgjegjës për rritjen e efektit natyror të serrës me disa gradë.

Efekti serë nuk ndodh vetëm në Tokë. Në fakt, efekti më i fortë serrë që njohim është në planetin tonë fqinj, Venusin. Atmosfera e Venusit përbëhet pothuajse tërësisht nga dioksidi i karbonit, dhe si rezultat sipërfaqja e planetit nxehet në 475 ° C. Klimatologët besojnë se ne e kemi shmangur një fat të tillë falë pranisë së oqeaneve në Tokë. Oqeanet thithin karbonin atmosferik dhe ai grumbullohet në shkëmbinj të tillë si gëlqerorët - duke hequr kështu dioksidin e karbonit nga atmosfera. Nuk ka oqeane në Venus dhe i gjithë dioksidi i karbonit që lëshojnë vullkanet në atmosferë mbetet atje. Si rezultat, ne vëzhgojmë Venusin e paqeverisshme Efekti serrë.