Большинство участвующих в климатических дебатах согласны с тем, что способность атмосферы к взаимодействию с тепловым излучением помогает поддерживать на поверхности Земли пригодные для жизни температуры. Поверхность Земли на 33 градуса теплее, чем требуется для полного излучения назад всей полученной от Солнца энергии. Это возможно лишь потому, что большая часть этого излучения поглощается атмосферой, а из того, что реально уходит в космос, большая часть излучается холодными слоями атмосферы.

Это поглощение происходит из-за наличия в атмосфере следовых количеств газов, составляющих в целом очень незначительную ее часть. Они непрозрачны для инфракрасного излучения и называются парниковыми. Наиболее важные парниковые газы на Земле - это водяной пар и углекислый газ, некоторый вклад вносят метан, оксид азота, озон и другие. Если бы атмосфера представляла собой сухую смесь из своих главных компонентов, кислорода и азота, Земля замерзла бы полностью.

Наблюдение за парниковым эффектом в действии

Простейшим непосредственно наблюдаемым действием парникового эффекта является возвратное излучение атмосферы. Любая среда, поглощающая тепловое излучение, сама излучает тепло; это следствие закона Кирхгофа. Атмосфера поглощает тепловое излучение из-за парниковых газов и излучает тепло во всех направлениях. Это тепловое излучение может быть измерено, с поверхности Земли или из космоса. Поверхность Земли в действительности получает больше излучения от атмосферы, чем от Солнца.

Суммарный поток теплового излучения тем не менее направлен вверх, от поверхности в атмосферу, поскольку восходящее тепловое излучение больше нисходящей возвратной радиации атмосферы. Это простое следствие второго закона термодинамики. Величина общего теплового потока равна разности энергий излучения в обоих направлениях. Из-за возвратного излучения температура поверхности и восходящее тепловое излучение  много больше, чем они были бы при отсутствии парникового эффекта.

Возвратное излучение атмосферы измеряется непосредственно уже более пятидесяти лет. Действие парниковых газов ясно различимо в результатах современных измерений, которые охватывают полный спектр.

Рис. 1 Одновременные замеры спектров инфракрасного излучения свободной от облачности атмосферы (а) с направлением вниз с высоты 20 км над арктическим ледовым щитом, (б) с направлением вверх с уровня поверхности ( Данные предоставлены: David Tobin, Space Science and Engineering Center, University of Wisconsin-Madison. График предоставлен: Grant Petty, from Petty 2006).

При взгляде вниз с самолета на высоте 20 км (Рис. 1а) мы "видим" тепловое излучение Земли, достигшее этой высоты. Часть его исходит непосредственно с поверхности. Это участки графика, идущие по линии соответствующей примерно 268 К. Другая часть излучения - из слоев атмосферы, где гораздо холоднее. Это часть спектра, следующая линии около 225 К. "Провалы" на графике соответствуют полосам спектра, на которых парниковые газы поглощают излучение поверхности и та радиация, которая в конце концов уходит в космос, в действительности излучается высоко в атмосфере.

При взгляде вверх с поверхности (Рис. 1б) мы "видим" инфракрасное возвратное излучение атмосферы. На некоторых частотах инфракрасное излучение блокируется очень эффективно, и возвратное излучение показывает температуру теплого воздуха у поверхности. В "инфракрасном окне" атмосфера прозрачна. На этих частотах излучение не поглощается, и именно здесь инфракрасные телескопы и спутники с инфракрасными радарами могут "смотреть" в пространство и из космоса на Землю соответственно.

Плавные пунктирные линии на графике, помеченные значениями температуры, соответствуют излучению абсолютно черного тела при этой температуре. Водяной пар имеет сложный спектр поглощения, и он неравномерно распределен в атмосфере. Эмиссия ниже 600 cm-1 определяется водяным паром на разных высотах. Углекислый газ является главной причиной эмиссии между 600 и 750 cm-1 Участок спектра эмисссии чуть выше  1000 cm-1 определяется озоном.

О термине "парниковый"

Термин начал применятся для обозначения этого эффекта в девятнадцатом веке.  Стеклянный парник и "парник" атмосферы, оба они  представляют собой барьеры, блокирующие утечку тепла и тем самым повышающие температуру перед барьером. Физические механизмы, впрочем, различны. Стеклянный парник, в основном, блокирует конвекцию, а атмосферный "парник" блокирует главным образом тепловое излучение, так что сравнение неточно. Эта разница хорошо известна и объясняется в большинстве введений к предмету. Когда случаются недоразумения, чаще неправильно описывают стеклянный парник, чем парниковый эффект атмосферы.

Усиление парникового эффекта

Парниковый эффект всегда был важным для климата Земли, он имеет существенное значение для поддержания условий для жизни. Без него поверхность планеты быстро была бы заморожена.

Наличие парникового эффекта самого по себе не следует смешивать с изменениями  парникового эффекта. Современное глобальное потепление определяется ростом концентраций парниковых газов в атмосфере, что ведет к усилению парникового эффекта. Подробнее об этом: How do we know more CO2 is causing warming?

Автор ответа sylas. Последнее обновление 26 июня 2010 года.