Екологія: біологія взаємодії. V-12. Поглинання сонячної радіації атмосферою та парниковий ефект

V-12. Поглинання сонячної радіації атмосферою та парниковий ефект

Атмосфера вибірково проникна для різних частин спектра електромагнітного випромінювання. Іонізувальне випромінювання і більшість ультрафіолету ефективно поглинається озоновим шаром (зоною атмосфери з високим вмістом озону — O₃), а ділянка спектра від інфрачервоного до короткохвильового радіовипромінювання — водяною парою, вуглекислим газом, метаном та іншими парниковими газами.

Поглинання атмосферою ультрафіолетового та іонізувального випромінювання в першу чергу пов'язане з озоном і меншою мірою — з киснем.

Під впливом іонізувального випромінювання молекула кисню (O₂) може розпадатись на атомарний кисень, який, приєднуючись до інших молекул кисню, утворює озон (O₃). Озон — газ, який іноді трапляється і на поверхні планети. Це він відповідальний за запах «свіжості» після грози. Його можна відчути біля ввімкнених ультрафіолетових ламп, а також біля несправних лазерних принтерів та копіювальних апаратів. На поверхні Землі озон — небезпечний забруднювач. Він — набагато сильніший окислювач, ніж кисень, і тому може ушкоджувати живі клітини, викликаючи, наприклад, рак легень. Взаємодіючи з іншими забруднювачами приземної атмосфери, озон може робити їхню дію набагато небезпечнішою.

У верхніх шарах атмосфери озон виконує функцію екрана, що захищає поверхню Землі від жорсткого випромінювання — того самого, що призводить до його утворення з двоатомного кисню. На висоті від 12–25 до 45 кілометрів над поверхнею Землі утворюється шар із підвищеним вмістом озону (з концентрацією близько 0,001%). Цей шар ефективно затримує іонізувальне випромінювання від далекого ультрафіолету з довжиною хвилі менше ніж 315 нм до гамма-випромінювання.

Кожен із компонентів атмосфери має свій, досить складний спектр поглинання. З усім тим, всі разом вони вирізують із сонячного спектра (також має дуже складний розподіл частот) дві ділянки. В результаті від Сонця на Землю надходить, переважно, видиме світло, а також ближнє (до видимого світла) ультрафіолетове та ближнє інфрачервоне випромінювання (рис. V-12.1).

Рис. V-12.1. Основні частини спектра сонячного випромінювання на Землі. Вказані гази, які переважно поглинають певні частини сонячного спектра 

Отже, більша частина сонячної енергії приходить до Землі у вигляді видимого світла. Як гадаєте, те, що ми бачимо саме ці частоти спектра ЕМВ — це випадковість чи цілком закономірний результат нашого пристосування до середовища проживання?

Крім атмосфери, сонячне випромінювання інтенсивно поглинається у гідросфері та літосфері. У воді спектр суттєво звужується, а кількість світла, що надходить на глибину, зменшується. У літосферу світло практично не проникає.

Як уже було зазначено, максимум сонячного випромінювання лежить у видимій частині спектра (довжина хвилі близько 0,5 мкм), а поверхні Землі — у дальній інфрачервоній (близько 10 000 нм). Причина цієї відмінності дуже проста: Сонце набагато гарячіше за Землю. Земна атмосфера по-різному пропускає випромінювання Сонця та Землі: для видимого світла вона майже прозора, а далеке інфрачервоне випромінювання ефективно затримує. В результаті енергія легше проходить до земної поверхні, ніж іде від неї. Земля від цього розігрівається. Таке явище називається парниковим ефектом. Властивість  пропускати видиме випромінювання краще, ніж інфрачервоне, має не тільки повітря, а й багато інших речовин — наприклад, скло та поліетиленова плівка, якими накривають теплиці та парники (рис. V-12.2).

Рис. V-12.2. Механізм роботи парника

Парниковий ефект — одна з умов існування розвиненого життя на нашій планеті. Без нього середня температура поверхні Землі (що становить близько +15°С) була б –23°С, і планета була б практично непридатна для життя (див. пункт V-5). Парниковими властивостями володіє водяна пара, хмари та туман, повітряні аерозолі, вуглекислий газ та метан.

Зрештою, прихід і відхід енергії Землі врівноважують один одного (інакше температура планети не залишалася б постійною). Але оскільки відтік тепла від земної поверхні утруднений завдяки парниковому ефекту, його достатній рівень досягається при вищій температурі, ніж та, яка спостерігалася б без цього феномена.