Инфракрасное излучение в энергетике атмосферы

Представлен обзор процессов в атмосфере Земли, влияющих на ее энергетику. Рассмотрен энергетический баланс Земли и ее атмосферы как целого, приведены результаты программ NASA по мониторингу глобальной температуры и концентрации углекислого газа и воды в атмосфере. Проанализированы спектры оптически активных компонент атмосферы в инфракрасной области на основе классических методов молекулярной спектроскопии. Спектроскопические данные из банка HITRAN облегчают анализ и приводят к простой схеме, согласно которой три основные парниковые компоненты – углекислый газ, водяной пар в виде свободных молекул воды и микрокапли воды – создают направленный на поверхность Земли поток излучения в инфракрасном спектре. В области $0$–$580$ см$^{–1}$ это излучение создается молекулами воды, в области $580$–$780$ см$^{–1}$ излучение атмосферы определяется молекулами воды и углекислого газа, а при частотах выше $780$ см$^{–1}$ вклад в излучение атмосферы за счет молекул воды составляет примерно $5\%$, а остальное определяется излучением микрокапель воды, частично входящих в состав облаков. Согласно данной модели при современном составе атмосферы $52\%$ потока излучения на поверхность Земли создается атмосферным водяным паром, $32\%$ приходится на микрокапли воды в атмосфере, которые включают примерно $0.4\%$ атмосферной воды, и $14\%$ потока излучения определяется молекулами углекислого газа. Удвоение массы атмосферного углекислого газа, которое при современной скорости роста атмосферного углекислого газа произойдет примерно через 120 лет, приведет к увеличению потока излучения атмосферы в сторону Земли на $0.7$ Вт/м$^2$, а увеличение концентрации молекул воды в атмосфере на $10\%$ увеличивает этот поток излучения на $0.3$ Вт/м$^2$. Удвоение массы атмосферного углекислого газа в реальной атмосфере ведет к росту глобальной температуры на $2.0 \pm 0.3$ К в реальной атмосфере, согласно анализу данных NASA, а если концентрация других компонент не меняется, то изменение глобальной температуры составит $0.4 \pm 0.2$ К, причем вклад в это изменение за счет индустриальных выбросов углекислого газа в атмосферу составляет $0.02$ К.