Energia cieplna i świetlna ze Słońca
Ze Słońca do Ziemi dociera energia świetlna w pasmach: widzialnym, bliskim nadfiolecie i bliskiej podczerwieni, których długości są mierzone i obliczane w nanometrach (nm). Światło widzialne – 400-700 nm; bliski nadfiolet – 350-400 nm; bliska podczerwień – 700-1000 nm. Ponadto z naszej gwiazdy w kierunku naszej planety przebiega energia cieplna, dla której ogólnie średnia wartość stałej słonecznej wynosi 1361 W/m² (Trenberth, K. E., Fasullo, J. T., & Kiehl, J. , 2009) ; (Liou, K. N., 2002).
–
Rys. Na tym diagramie pokazano procentową ilość światła słonecznego odbitego przez różne powierzchnie Ziemi i chmury. Źródło: Understanding Global Change-Berkeley/CC BY-SA 4.0
–
Filtracja promieniowania w atmosferze
Energia świetlna i zarazem cieplna jednak nie dociera w całości do powierzchni Ziemi. Ultrafiolet dzieli się na trzy zakresy. UV-C – w zakresie 100-280 nm jest pochłaniany w całości w atmosferze, a ściślej przez gaz cieplarniany ozon w ozonosferze, będącej częścią stratosfery. UV-B w zakresie 280-315 nm jest pochłaniany tam częściowo. Tu już część tego promieniowania dochodzi do powierzchni Ziemi. Promieniowanie UV-A w zakresie 315-380 nm już w 97 % dochodzi do powierzchni Ziemi (Madronich, S., McKenzie, R. L., Björn, L. O., & Caldwell, M. M., 1998) ; (WMO (2018).
–
Rozpraszanie i albedo
Promieniowanie w paśmie widzialnym, mające irradiancję 522 W/m², też nie dochodzi w całości do powierzchni naszej planety. Duża część jest rozpraszana w chmurach, a część – gdy już dojdzie do powierzchni naszego globu – jest z powrotem odbijana w kosmos. To jest tak zwane albedo, które dla Ziemi wynosi 0,3. Najsilniejsze jest w obszarach polarnych, tam gdzie są białe lądolody i lód morski. A najsłabsze jest na powierzchni ciemnoniebieskich oceanów i mórz (Stephens, G. L. et al., 2015) ; (Wielicki, B. A. et al., 2002).
–
Energia cieplna i świetlna z Ziemi
Gdy na powierzchnię Ziemi pada promieniowanie widzialne (38,2 % całego zakresu promieniowania elektromagnetycznego Słońca) pod wpływem silnego impulsu emituje ona światło w podczerwieni o długości fal powyżej 1000 nm. Powierzchnia naszej planety ma wówczas irradiancję 417 W/m² . Wypromieniowywana energia termiczna naszej planety w zakresie fal w podczerwieni jest absorbowana przez gazy cieplarniane mające różne widma absorpcji (Goody, R., & Yung, Y. L., 1989) ; (Pierrehumbert, R. T., 2010).
–
Pasma absorpcji gazów cieplarnianych
Dla dwutlenku węgla pasmo absorpcji fal w podczerwieni częstotliwość wynosi ok. 700 okresów/cm. Dla metanu – ok. 1300 okresów/cm. Dla pary wodnej – ok. 100-150 i 1400-1450 okresów/cm. Dla ozonu jest to ok. 1000-1050 okresów/cm, akurat tam, gdzie dla pozostałych najważniejszych gazów cieplarnianych, w tymże widmie promieniowania znajduje się okno atmosferyczne, przez które fale w podczerwieni uchodzą w kosmos (https://hitran.org/media/refs/HITRAN-2020.pdf) ; (Kiehl, J. T., & Trenberth, K. E., 1997).
–
Reemisja i efekt cieplarniany
Zaabsorbowane widmo światła w podczerwieni przez poszczególne gazy cieplarniane jest z powrotem reemitowane na wszystkie strony w atmosferze, w tym w dużym zakresie ku powierzchni Ziemi. Im wyżej znajdują się gazy cieplarniane w troposferze, tym więcej promieniowania termicznego uchodzi w kosmos z chłodniejszych warstw atmosfery. Im niżej, tym więcej z nich wypromieniowywana jest ku powierzchni Ziemi (Manabe, S., & Wetherald, R. T., 1967) ; (Lacis, A. A., Schmidt, G. A., Rind, D., & Ruedy, R. A., 2010).
–
Rys. Efekt cieplarniany Ziemi. Źródło: Wikimedia Commons, 2015/CC BY-SA 4.0.
–
Globalne ocieplenie od 1850 roku
Od co najmniej 1850 r. energii cieplnej zaczęło przybywać w nadmiarze. Od tamtej pory zaczęła mniej więcej rosnąć koncentracja gazów cieplarnianych zwiększając efekt cieplarniany poprzez coraz większe zatrzymywanie energii cieplnej w systemie klimatycznym, a coraz mniejsze jej uchodzenie w kosmos. To zjawisko właśnie nazywamy globalnym ociepleniem, które tak naprawdę zaczęło sen z powiek naukowcom spędzać gdzieś od 1950 r., gdy koncentracja gazów cieplarnianych, zwłaszcza dwutlenku węgla poważnie zaczęła wzrastać, a wraz z nią powoli zaczęła się wspinać w górę średnia temperatura powierzchni Ziemi (5 Assessment Report IPCC) ; (Hansen, J. et al. (2005).
–
Inne pomiary klimatologiczne
Od ok. 1977 r. naukowcy zwrócili uwagę na potencjalnie szybko rosnącą ilość energii cieplnej w oceanach, a od 1979 r. zaczęto po raz pierwszy dokonywać pomiarów satelitarnych, zwłaszcza lodu w Arktyce, na Grenlandii i na Antarktydzie.
Od 1992 r. jest mierzony satelitarnie poziom morza. A od 1999 r. ruszył projekt oceaniczny Argo, w którym automatyczne boje są zanurzane wpierw do 700 km, potem do dziś do 2000 km, a wkrótce mają być do 6000 km, które mierzą głównie temperaturę i zasolenie oceanów. Dzięki temu dowiadujemy się coraz więcej o najgłębszych i najbardziej pojemnych zbiornikach cieplnych w systemie klimatycznym Ziemi (Leuliette, E., & Willis, J. K., 2011).