სურ.1. ჰაერის საშუალო ტემპერატურის გადახრა მსოფლიოში 1850-2000 წწ.
მზის გამოსხივება დედამიწის ზედაპირისა და ატმოსფეროს სითბოს ძირითადი წყაროა. მზის სრული გამოსხივების ძირითად ნაკადს წარმოადგენს ხილული არის სინათლე ტალღის სიგრძეთა დიაპაზონში 0,40–0,75 მკმ (სურ. 2, წყვეტილი ხაზი). ამ დიაპაზონის მომდევნო გრძელტალღოვან მხარეს არსებული გამოსხივება (0,80–3,0 მკმ) მიეკუთვნება სპექტრის ინფრაწითელ უბანს, რომელიც სითბურ გამოსხივებას წარმოადგენს. ხილული სინათლის დიაპაზონის ქვედა ზღვარის იქით არსებული უფრო მოკლეტალღოვანი მხარე (0,20-0,40 მკმ) უკავია ულტრაიისფერ გამოსხივებას. დედამიწის ატმოსფეროს ზედა შრეებამდე მოსული მზის გამოსხივების ენერგიის ნახევარზე მეტი მოდის სითბურ გამოსხივებაზე, ხოლო დანარჩენი ენერგიის მთავარ ნაწილს შეადგენს ხილული სინათლე. დედამიწამდე მოსული მზის გამოსხივების სრული სპექტრის დაახლოებით 50% აღწევს ზედაპირამდე და შთაინთქმება მის მიერ. მოსული სინათლის დაახლოებით 20% შთაინთქმება ატმოსფეროში: ულტრაიისფერი სხივები შთაინთქმება ოზონით და მოლეკულური ჟანგბადით, ხოლო ინფრაწითელ სხივებს შთანთქავენ ჩO2 და ჰაერში გაბნეული წყლის წვეთები. მზის გამოსხივების დარჩენილი 30% უკან აირეკლება ღრუბლების, ყინულის, თოვლის, ქვიშის და სხვა საგნების მიერ.
ამავე დროს, დედამიწა, ნებისმიერი სხვა თბილი სხეულის მსგავსად, თვითონაც გამოასხივებს ენერგიას. დედამიწის მიერ გამოსხივებული ენერგია წარმოადგენს ინფრაწითელ გამოსხივებას 4 მკმ-დან 50 მკმ-მდე (სურ. 2, უწყვეტი ხაზი). ამ უბნის გამოსხივებას უწოდებენ თერმულ ინფრაწითელ სინათლეს. ეს გამოსხივება სითბოს ისეთივე განბნევაა, როგორც ეს ახასიათებს რაიმე გახურებულ საგანს.
ჩვენი პლანეტის საშუალო ტემპერატურა მუდმივი რომ იყოს, მის მიერ შთანთქმული და გამოსხივებული ენერგია თანაბარი უნდა იყოს. მაგრამ ატმოსფეროს შემადგენლობაში შემავალი ზოგიერთი გაზი შთანთქავს თერმულ ინფრაწითელ სინათლეს და ამიტომ დედამიწის ზედაპირის მიერ გამოსხივებული ენერგიის ნაწილი არ ტოვებს დედამიწას. სწორედ ამ მოვლენას უწოდებენ “სათბურის ეფექტს”, და სწორედ ის განაპირობებს იმას, რომ დედამიწის ზედაპირის საშუალო ტემპერატურა +15ოჩ ტოლია და არა -15ოჩ ტოლი, როგორც ეს იქნებოდა, ატმოსფეროში რომ არ ყოფილიყო ინფრაწითელი გამოსხივების მშთანთქავი გაზები. ასე რომ, ატმოსფერო თავისებური საბნის როლს ასრულებს დედამიწისთვის.
სურ. 2. მზის მიერ გამოსხივებული სინათლე (წყვეტილი ხაზი) და დედამიწის ზედაპირისა და ტროპოსფეროს მიერ გამოსხივებული სინათლე.
მაგრამ გარემოს მკვლევართა მზარდ შეშფოთებას იწვევს ის, რომ ატმოსფეროში ხდება თერმული ინფრაწითელი სინათლის მშთანთქავი გაზების კონცენტრაციის მატება, რასაც მოყვება მეტი სითბოს შთანთქმა და შესაბამისად დედამიწის ზედაპირის საშუალო ტემპერატურა +15ოჩ-ზე ზევით ადის. ამ მოვლენას უწოდებენ “გაძლიერებულ სათბურის ეფექტს”, რათა განასხვავონ ის იმ ბუნებრივი პროცესისაგან, რომელიც მილიონობით წლის განმავლობაში მიმდინარეობდა დედამიწაზე.
ატმოსფეროს მთავარი შემადგენელი გაზები, N2, O2 და Aრ არ შთანთქავენ ინფრაწითელ სინათლეს. წარსულში “სათბურის ეფექტს” განაპირობებდნენ ატმოსფერული წყალი (ეფექტის დაახლოებით ორი მესამედი) და ჩO2 (ეფექტის ერთი მეოთხედი). მაგალითად, მიუხედავად იმისა, რომ უდაბნოში დღისით ძალიან ცხელა, ღამის საათებში ტემპერატურა საკმაოდ დაბლა ეცემა, რაც აიხსნება სწორედ წყლის ნაკლებობით უდაბნოს მშრალ ჰაერში.
რატომ არ შთანთქავენ ინფრაწითელ სინათლეს N2, O2 და Aრ, და რატომ ხდება მისი შთანთქმა წყლისა და ნახშირორჟანგის მიერ? ეს აიხსნება ამ ნაერთების მოლეკულური აღნაგობით. იმისათვის, რომ მოხდეს მოლეკულის მიერ სინათლის კვანტის შთანთქმა, საჭიროა, რომ დაცემული ფოტონის ენერგია (ანუ გამოსხივების სიხშირე) ზუსტად დაემთხვეს მშთანთქმელი მოლეკულის ატომგულებს შორის რხევითი მოძრაობის ენერგიას (ანუ რხევის სიხშირეს). გარდა ამისა, ამ ფოტონის ელექტრული ვექტორი მშანთქმელი მოლეკულის დიპოლური მომენტის ელექტრული ვექტორის პარალელური უნდა იყოს.
დიპოლური მომენტის არსებობა მოლეკულაში აიხსნება იმით, რომ მოცემული მოლეკულის დადებითი მუხტის ცენტრი არ ემთხვევა მისი უარყოფითი მუხტის ცენტრს და მოლეკულას უჩნდება შესაბამისი ორი პოლუსი. შიდამოლეკულურ რხევებში არჩევენ ორ სახეს: ა) ბმის მიზიდვა-განზიდვის რხევა და ბ) კუთხის მოხრის რხევა (სურ. 3).
სურ. 3. მოლეკულისშიდა რხევების ორი ტიპი.
სიმეტრულ მოლეკულებში (N2, O2) დიპოლური მომენტი ნებისმიერი რხევის დროს ნულის ტოლია და ამიტომაც ისინიც და არგონიც, რომლის დადებითი მუხტის ცენტრი მუდამ ემთხვევა უარყოფითი მუხტის ცენტრს, ინფრაწითელ სინათლეს არ შთანთქავენ. რაც შეეხება ჩO2-ის მოლეკულას, აქ შესაძლებელია ბმის მიზიდვა-განზიდვის რხევების ორი ვარიანტი: სიმეტრული მიზიდვა-განზიდვა და ანტისიმეტრული.
სიმეტრული რხევების დროს დიპოლური მომენტი უდრის ნულს და ამიტომ ინფრაწითელი სინათლის შთანთქმა არ ხდება. ანტისიმეტრული რხევების დროს ერთი ბმა იკუმშება, ხოლო მეორე იჭიმება და ჩნდება დიპოლური მომენტი. შესაბამისად, ხდება ინფრაწითელი სინათლის შთანთქმა.
სურ. 4. ნახშირორჟანგის მიერ ინფრაწითელი სინათლის შთანთქმა
ზემოთ მოყვანილია ნახშირორჟანგის შთანთქმის სპექტრი ინფრაწითელ უბანში (სურ. 4). დედამიწის თერმული ინფრაწითელი გამოსხივების არეში მას ორი მაქსიმუმი აქვს, 15 მკმ და 4,26 მკმ. პირველი მაქსიმუმი შეესაბამება ჩO2–ის კუთხის მოხრის რხევას, რომლის სიხშირეა 2X1013 ჰერცი. მეორე მაქსიმუმი აიხსნება ბმის მიზიდვა-განზიდვის ანტისიმეტრული რხევებით, სიხშირით 7X1013 ჰერცი.
ატმოსფეროში არსებული СO2–ის მოლეკულები ძლიერად შთანთქავენ დედამიწის თერმულ ინფრაწითელ გამოსხივებას 12-18 მკმ უბანში (სურ. 5). ისინი ამ უბნის გამოსხივების თითქმის ნახევარს შთანთქავენ. აქ ნახშირორჟანგის მოლეკულებში კუთხის მოხრის რხევითი მოძრაობების გარდა გარკვეულ როლს თამაშობს მოლეკულების ბრუნვითი მოძრაობაც, რის გამო შეინიშნება შთანთქმის ზოლის გაგანიერება. რაც შეეხება СO2–ისთვის დამახასიათებელ შთანთქმის მეორე მაქსიმუმს, მისი წვლილი დედამიწის მიერ გამოსხივებული ინფრაწითელი სინათლის შთანთქმაში უმნიშვნელოა, ვინაიდან თვითონ დედამიწის გამოსხივება ამ უბანში (4,3 მკმ) ძალზე დაბალია.
