После знаменитой работы Аррениуса 1896 года, в которой он впервые сделал расчет парникового эффекта СО2, его теория была опровергнута Ангстромом с помощью простого эксперимента. Он пропускал инфракрасный луч сквозь трубку, заполненную СО2, и измерял интенсивность выходящего света. При снижении концентрации СО2 в трубке лишь очень слабые изменения были заметны, и он пришел к выводу, что очень небольшого количества молекул СО2 достаточно, чтобы полностью поглотить инфракрасный луч. Был сделан вывод, что концентрация СО2 не имеет значения. Так появились на свет первый скептик в отношении того, что потом стали называть "теорией СО2", и скептический аргумент "Эффект от СО2 достиг насыщения".

Тридцатью годами позже E. O. Hulburt (Phys. Rev. 38, 1876–1890 (1931)) добавил конвекцию к чисто радиационному равновесию, рассмотренному Аррениусом. Он пришел к выводу, что конвекция поддерживает равновесие в нижней тропосфере до 10 км, а излучение определяет равновесие выше. Важным следствием этого был тот факт, что особенности поглощения в нижней тропосфере не имеют значения, поскольку тепло "распространяется и переносится вверх за счет конвекции". Другими словами, энергобаланс баланс Земли определяется радиационным балансом в верхней тропосфере, и концентрация СО2 там имеет значение.

Hulburt был очень осторожен в своих выводах:

"Несомненно, точность выводов выше, чем это гарантируется точностью данных, на которых основаны расчеты. Очевидно, неопределенности и просчеты сговорились компенсировать друг друга до некоторой степени."

Тем не менее, его работа несомненно является важной вехой в понимании атмосферы.

Этот труд должен был положить конец спорам вокруг теории
СО2, поскольку "возражения некоторых физиков против нее неосновательны". К сожалению, работа прошла почти незамеченной, я думаю, из-за того, что метеорогоги и геологи не слишком часто читают Physical Review.

В те времена коэффициент поглощения СО2 был известен не слишком точно, форма линий еще хуже, поэтому Hulburt был вынужден использовать прямоугольную форму. Мы сейчас можем построить простую модель с более реалистической формой линий и показать, что и при этом получается рост поглощения с ростом концентраций СО2.

Рассмотрим полосу поглощения около 15μm (около 650 cm-1), она достаточно сильная, чтобы не позволить свету преодолеть расстояние более чем несколько десятков метров при наземной температуре и давлении. Исчезает ли эта энергия бесследно? Очевидно нет, за счет излучения или конвекции она "распространится и перенесется вверх". При движении вверх излучение встречает меньшее давление, т.е. меньше молекул
СО2. И с некоторой высоты излучение сможет уходить вовне, в космос. Интенсивность этого излучения будет определяться температурой этого "последнего" слоя.

Мы можем грубо смоделировать этот процесс, используя закон Планка и коэффициент поглощения в Гауссовской форме. Мы рассматриваем только два слоя, слой поверхности и "последний", и излучающая способность этого "последнего" слоя модулирует между 0 и 1 согласно коэффициенту поглощения α.  Результат показан на рис. ниже.

В расчетах я использовал wavenumber поглощения  650 cm-1 и подстраивал оптическую глубину, чтобы достичь насыщения. Две пунктирные линии соответствуют закону Планка для T=300 K и T=220 K. Красная кривая представляет расчетную эмиссию, она идет по кривой 300 К, отклоняясь от нее вблизи полосы поглощения. Провал представляет удержанную энергию, не излученную вовне, т. е. парниковый эффект.

Этот график можно количественно сравнить с реальными замерами и убедиться, что мы не слишком далеки от истины.

Далее мы можем посмотреть, что происходит при увеличении α. Согласно Ангстрому (и многим другим в его время) поглощенная энергия останется прежней. Но если вспомнить, что коэффициент поглощения меняется по Гауссу, можно ожидать увеличения задержанной нашим слоем энергии по краям провала. Результат на рис. ниже.

Можно видеть, что хотя поглощение и ограничено кривой 220 К, провал становится шире и количество поглощаемой энергии соответственно увеличивается. Это все, что можно получить из этой простой модели. Стоит ли напоминать, что есть многое за пределами этой грубой модели, представленной здесь. Известно, например, что форма линий коэффициента поглощения меняется в зависимости от температуры и давления согласно тому, что называется pressure and Doppler broadening. В верхних слоях атмосферы полоса сначала сужается, затем расщепляется на несколько узких полос (the roto-vibrational spectrum), делая более эффективным рост концентрации СО2. также мы знаем, что есть и ненасыщенные более слабые пики поглощения, отличающиеся от главного, рассмотренного выше.

Гилберт Пласс в 1956 году писал:

Выдвигают следующее возражение против теории диоксида углерода: атмосфера абсолютно непрозрачна в центре полосы поглощения СО2, и, следовательно,  поглощение не меняется при изменении количества диоксида углерода. Это вполне верно для спектрального интервала около микрона в обе стороны от центра полосы поглощения СО2. Однако упускаются из вида сотни спектральных линий диоксида углерода вне этого интервала полного поглощения. Изменения в поглощении при заданной вариации диоксида углерода будут наибольшими в спектральном интервале частичной прозрачности; изменения температуры на поверхности Земли определяются изменением поглощения в этих интервалах.

Есть еще один тонкий эффект, относящийся к возрастанию поглощения. При росте концентраций СО2, слой в котором коэффициент поглощения для каждой длины волны достаточно низкий, чтобы позволить инфракрасному излучению ускользнуть в космос, будет находиться все выше в атмосфере. Излучающий слой будет, следовательно, иметь все более низкую температуру (по крайней мере до тропопаузы) и все более низкую излучающую способность.

Разумеется, можно рассказать еще многое о поглощении инфракрасного излучения СО2, о чем я не упомянул. Физика этого явления сейчас изучена хорошо, благодаря десятилетиям работы многих ученых, и вопреки мнению первого и самого уважаемого из скептиков, который положил теорию СО2 на полку на полстолетия. Такое случается в науке.

Примечание: Не могу не выразить свою признательность фундаментальному труду "Открытие глобального потепления" (Spencer Weart), из которого я заимствовал (и узнал) многое. Эта книга (и сайт) являются пещерой сокровищ для всех интересующихся историей знания.

Автор ответа Riccardo. Последнее обновление 9 октября 2010 года.