Miesiąc: Lipiec 2021

Pierwszym uczonym, który użył terminu efekt cieplarniany był Francuz Joseph Fourier, który już w swoich pracach w 1824 roku “Remarques Générales Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires” [„Ogólne uwagi na temat temperatur globu i przestrzeni planetarnych”] (“Annales de chimie et de physique tome XXVII” – str. 136) i w 1827 roku  “Mémoire Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires” [„Rozprawa o temperaturach globu ziemskiego i przestrzeni planetarnych”] wyjaśnił jego działanie na naszej planecie. Odkrył, że obok konwekcji powietrza atmosferycznego i przewodnictwa cieplnego pary wodnej, ważne znaczenie ma trzeci czynnik napędzający efekt cieplarniany, którym okazało się wypromieniowywane ciepło w zakresie fal w podczerwieni zwane też ciepłem termicznym Ziemi.

Ciepło jest dostarczane od naszej gwiazdy słońca ku powierzchni chmur i powierzchni Ziemi w postaci promieniowania elektromagnetycznego, w tym krótkofalowego niewidzialnego, którego większość jest absorbowana lub odbijana (albedo) przez chmury z powrotem w kosmos oraz krótkofalowego widzialnego, którego część jest pochłaniana przez powierzchnię oceanów i lądów planety, a część jest odbijana w przestrzeń kosmiczną. Część promieniowania krótkofalowego opuszcza naszą planetę, a część jego zostaje w systemie klimatycznym Ziemi ogrzewając jej atmosferę, jej powierzchnię oraz oceany.

Planetarne albedo najczęściej zachodzi w chmurach niskich posiadających mniejsze kropelki wody łatwiej odbijające te promieniowanie słoneczne z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Z kolei najrzadziej występują w chmurach wysokich, których z kolei kryształki lodowe skutecznie absorbują energię cieplną w zakresie fal w podczerwieni.

Jeśli chodzi o długofalowe promieniowanie niewidzialne, czyli podczerwone, to duża jego część jest zatrzymywana w systemie klimatycznym Ziemi, a mniejsza część opuszcza naszą planetę z jej powierzchni, a większa część opuszcza ją z wierzchołków chmur.

Energia cieplna w zakresie fal w podczerwieni pochłonięta w warstwach chmur i w molekułach gazów cieplarnianych reemituje we wszystkich kierunkach, w tym ku powierzchni Ziemi. I co najmniej od połowy XIX wieku jej zawartość rośnie dzięki zwiększaniu się koncentracji dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych. Zostaje w ten sposób zaburzona równowaga radiacyjna, o której pisali w latach 70 tacy naukowcy jak Michaił Budyko czy Syukuro Manabe i Richard Wetherald.

Pierwszy z nich w 1957 roku opracował pierwszy atlas bilansu radiacyjnego „Тепловой баланс земной поверхности” [„Bilans cieplny powierzchni Ziemi”]. A drudzy w 1967 roku, w pracy „Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity” [„Równowaga termiczna atmosfery przy zadanym rozkładzie wilgotności względnej”] opisali w globalnym modelu numerycznym strukturę termiczną atmosfery wyjaśniającą rolę procesów radiacyjnych i konwekcyjnych w ogólnym bilansie energetycznym naszej planety. Opisali między innymi rozkład temperatury w atmosferze z wysokością w różnych warunkach i na różnych szerokościach geograficznych.

Warto też wiedzieć, że ciepło jest przenoszone w górę także przez ciepło utajone (parowanie) oraz ciepło jawne (konwekcję), dzięki czemu temperatura na Ziemi wraz z wysokością spada powoli w atmosferze, aż do tropopauzy, tuż pod stratosferą, w której jest warstwa ozonowa stymulująca z kolei wzrost temperatury, dzięki czemu ciepło przenosi się już nie w górę, ale na boki wysoko nad planetą.

Rys.1. Po lewej – Regularne poziomy dwutlenku węgla (CO2), metanu (CH4) i podtlenku azotu (N2O) są tworzone przez normalne procesy życiowe, zatrzymując część ciepła słonecznego i zapobiegając zamarzaniu planety. Po prawej – Niesamowita emisja CO2 ze spalania paliw kopalnych zatrzymuje nadmiar ciepła i powoduje wzrost średniej temperatury naszej planety. Rozwiązaniem jest ograniczenie działalności człowieka, która emituje gazy zatrzymujące ciepło. Will Elder, NPS

——

Pomiary satelitarne atmosfery Ziemi są prowadzone od 1970 roku. Z biegiem lat naukowcy pod kierownictwem Johna Harriesa zauważyli, że w badanym okresie czasu 1970-1996, że więcej energii termicznej kumuluje się w troposferze, a mniej w stratosferze.  Przedstawili wyniki swoich badań w 2001 roku w pracy „Increases in greenhouse forcing inferred from the outgoing longwave radiation spectra of the Earth in 1970 and 1997” [„Wzrost wymuszania cieplarnianego wywnioskowany z wychodzących widm promieniowania długofalowego Ziemi w latach 1970 i 1997”].

Pomiary zostały ponownie powtórzone przez Johna Harriesa wraz z Jennifer Griggs w 2004 roku i opublikowane w pracy „Comparison of spectrally resolved outgoing longwave data between 1970 and present” [„Porównanie rozdzielonych widmowo danych wychodzących długofalowych między rokiem 1970 a obecnie”]. Autorzy pracy posłużyli się pomiarami porównawczymi satelitarnymi na tle nieba bezchmurnego. Porównali widmo promieniowania podczerwonego zmierzone w 1971 roku przez amerykańskiego satelitę Nimbus-1 z widmem radiacyjnym w zakresie fal w podczerwieni zmierzonego w 1996 roku przez japońskiego satelitę ADEOS.

Oto co Harries i Griggs na wstępie swojej pracy piszą:

Dane są kalibrowane w celu usunięcia skutków różnych rozdzielczości i pól widzenia, aby można było dokonać bezpośredniego porównania. Dokonuje się porównań średniego widma promieniowania długofalowego bezchmurnego nieba wychodzącego nad oceanami w kwietniu, maju i czerwcu. Widma różnicowe są porównywane z symulacjami tworzonymi przy użyciu znanych zmian w gazach cieplarnianych, takich jak CH₄ , CO₂ i O₃ w tym okresie czasu. Stanowi to bezpośredni dowód na znaczące zmiany w gazach cieplarnianych w ciągu ostatnich 34 lat, co jest zgodne z obawami dotyczącymi zmian radiacyjnego wymuszania klimatu.

Rys.2. Zmiana w spektrum od 1970 do 1996 roku spowodowana gazami śladowymi. Na osi pionowej temperatura jasnościowa (John Harries i inni 2001).

—–

Z kolei Rolf Philipona w swojej pracy zespołowej z 2004 roku  „Radiative forcing ‐ measured at Earth’s surface ‐ corroborate the increasing greenhouse effect” [„Wymuszenie radiacyjne – mierzone na powierzchni Ziemi – potwierdza narastający efekt cieplarniany”] , zauważył, że skoro satelity mierzą, że coraz mniej energii cieplnej ucieka z troposfery do stratosfery, to obserwowany jest jej większy przyrost tuż przy powierzchni Ziemi. To znaczy fale w podczerwieni emitowane z powierzchni Ziemi są absorbowane przez rosnące stężenie gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla, a następnie wyemitowywane we wszystkich kierunkach, ale w niższych warstwach troposfery w największym zakresie ku powierzchni naszej planety. Jest to tak zwane promieniowanie zwrotne atmosfery.

Póżniejsza praca z 2013 r. „Human and natural influences on the changing thermal structure of the atmosphere” [„Ludzkie i naturalne wpływy na zmieniającą się strukturę termiczną atmosfery”] napisana przez Benjamina Santera i jego współpracowników jeszcze wyraźniej wskazuje, że ciągłe emisje gazów cieplarnianych i rosnące koncentracje gazów cieplarnianych przyczyniają się właśnie do tego, że coraz więcej ciepła gromadzi się przy powierzchni Ziemi. W szczególności tam gdzie jest wysoka koncentracja pary wodnej.

Według pracy zespołowej Lisy Alexander z 2006 r. zatytułowanej „Global observed changes in daily climate extremes of temperature and precipitation” [„Globalne obserwowane zmiany dziennych ekstremalnych temperatur i opadów atmosferycznych”] , stwierdzono, że rośnie liczba nocy znacznie cieplejszych niż dni w roku oraz obserwowany jest większy spadek zimnych nocy niż zimnych dni, dlatego, że promieniowanie podczerwone w przeciwieństwie do słonecznego, działa nie tylko w dzień, ale i w nocy.

Najprawdopodobniej obserwuje się też nieco szybszy wzrost temperatury w porze zimowej niż w porze letniej.

https://books.google.fr/books?id=1Jg5AAAAcAAJ&hl=fr&pg=PA136#v=onepage&q&f=false

https://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/Fourier/Fourier_pdf/Mem1827_p569_604.pdf

http://elib.rshu.ru/files_books/pdf/img-224141026.pdf

https://journals.ametsoc.org/view/journals/atsc/24/3/1520-0469_1967_024_0241_teotaw_2_0_co_2.xml

https://www.nature.com/articles/35066553

https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/20/15/jcli4204.1.xml

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2003GL018765

https://www.pnas.org/content/110/43/17235

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2005JD006290

——————-

https://www.nps.gov/goga/learn/nature/climate-change-causes.htm

https://naukaoklimacie.pl/fakty-i-mity/mit-nie-ma-empirycznych-dowodow-na-antropogenicznosc-globalnego-ocieplenia-41?t=2

Na temat globalnego ocieplenia wywołanego przez człowieka jest szereg dowodów ustalonych już w latach 50 XX wieku. Są to tak zwane klimatyczne odciski palców.

W 1957 roku amerykański oceanolog Roger Revelle wraz z austriackim fizykiem jądrowym Hansem Suessem zbadali po raz pierwszy izotopy dwutlenku węgla w atmosferze i w oceanach. Zaobserwowali, że nastąpił znacznie większy stosunek izotopu węgla ¹²C do izotopu węgla ¹³C, a ¹⁴C nie odgrywał zasadniczej roli. Wyciągnęli prosty wniosek, że skoro rośliny bardziej preferują ¹²C niż ¹³C, to skoro odkryto rosnący stosunek tego pierwszego do drugiego, to oznaczało, że pochodzą one z roślin kopalnych, czyli ze spalania węgla kamiennego i brunatnego. Opisali to w swojej słynnej pracy naukowej „Carbon Dioxide Exchange Between Atmosphere and Ocean and the Question of an Increase of Atmospheric CO₂ During the Past Decades” [„Wymiana dwutlenku węgla między atmosferą a oceanem oraz kwestia wzrostu atmosferycznego CO₂ w ostatnich dziesięcioleciach”]. Continue reading “Wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze”

Continue reading “Losy zmarzliny w tundrze”