Albedo planety

Nagrzewanie się powierzchni Ziemi zależy w dużym stopniu od wielkości albedo. Ten parametr ma szerokie zastosowanie w fizyce, w tym w astronomii. W naszym przypadku ten współczynnik załamania światła słonecznego (krótkofalowego) na naszej planecie odgrywa istotną rolę w jej systemie klimatycznym.

–

Albedo w atmosferze dotyczy powierzchni chmur, a także aerozoli, zarówno naturalnego, jak i antropogenicznego pochodzenia.

–

Albedo na powierzchni jest większe na jasnych terenach lądowych i lodowych, a mniejsze na ciemnych terenach lądowych i wodnych 

Im jaśniejsza jest powierzchnia Ziemi, jak w przypadku pokryw lodowych, tym większy jest stosunek odbicia promieni słonecznych względem jego padania na powierzchnię planety. To znaczy, że pochłania ona mniej energii słonecznej. A więc, wówczas ma to wpływ chłodzący naszą Ziemię.

Z kolei im ciemniejsza jest powierzchnia, jak w przypadku oceanów i mórz, tym mniejszy jest stosunek odbicia tychże promieni słonecznych względem jego padania na powierzchnię planety. A więc, tu oznacza to, że pochłania ona więcej energii słonecznej. I ma to znowuż wpływ ogrzewający naszą Ziemię.

–

Tabela 1. Albedo dla różnych powierzchni naturalnych i sztucznych (Wikipedia).

—

Na kontynentach (poza pokrywami lodowymi) albedo jest większe na obszarach nieleśnych, jak naturalne pustynie czy stepy i antropogeniczne pola uprawne, a także na obszarach wylesionych, a najmniejsze jest na obszarach leśnych. W szczególności lasy iglaste są z reguły ciemniejsze od lasów liściastych i w skali planetarnej dają efekt mniejszego albedo. Ale również jeszcze mniejsze albedo śródlądowe występuje na zbiornikach i ciekach wodnych, podobnie jak na oceanach i morzach.

—

Względna równowaga w dopływie ciepła słonecznego pomiędzy półkulą północną  a południową

Graeme Leslie Stephens, z Laboratorium napędów odrzutowych w Kalifornijskim Instytucie Technologii w Pasadenie, wraz ze swoim zespołem naukowców, udowodnił, że promienie słoneczne gdy padają w kierunku powierzchni Ziemi, na półkuli północnej (NH – Northern Hemisphere) i gdy docierają do powierzchni chmur na półkuli południowej (SH – Southern Hemisphere), mniej więcej równoważą różnice w dopływie ciepła słonecznego pomiędzy półkulą północną  a południową. Jak wiemy, na pierwszej jest więcej lądów, z wyższym albedo, niż oceanów, z niższym albedo. A na drugiej jest na odwrót ¹.

Autorzy niniejszej pracy napisali:

Wspólne analizy danych dotyczących powierzchniowego strumienia słonecznego, które stanowią skomplikowaną mieszankę pomiarów i obliczeń modelowych z pomiarami strumienia z wierzchołka atmosfery (TOA – Top of Atmosphere) z obecnych satelitów na orbicie, dają szereg zaskakujących wyników, włącznie na półkuli północnej i południowej (NH – Northern Hemisphere, SH – Southern Hemisphere), które odbijają tę samą ilość światła słonecznego w granicach około 0,2 W/m². Symetrię tę uzyskuje się dzięki zwiększonemu odbiciu od chmur na półkuli południowej (SH), dokładnie równoważąc większe odbicie od lądów na półkuli północnej (NH).

–

Różnica między całkowitym niebem a bezchmurnym niebem. Badania za pomocą CERES EBAF

Zgodnie z danymi satelitarnymi NASA, z produktu – systemu promieniującej energii Ziemi i chmur – budżetu energii dostosowanych strumieni (CERES EBAF – Clouds and Earth’s Radiant Energy System – Energy Budget Adjusted Fluxes). Ten produkt zapewnia 1-stopniowe regionalne, strefowe i globalne średnie miesięczne strumienie promieniowania:

a) ze szczytu atmosfery Top-of-Atmosphere (TOA)

b) z powierzchni Surface (SFC)

c) długofalowe Longwave (LW),

d) krótkofalowe Shortwave (SW)

Globalny, roczny średni strumień odbity z całkowitego nieba (od bezchmurnego do zachmurzonego) wynosi 99,7 W/m² (jest to równowartość globalnego albedo (α), która wynosi 0,293 W/m²), a strumień odbity tylko z bezchmurnego nieba wynosi 52,4 W/m² (albedo (α) – 0,149). Różnica między tymi strumieniami wynosi 47,3 W/m² (albedo (α) –  0,144) i jest zwykle przyjmowana jako miara wpływu chmur na strumień promieniowania.

—

Rys.1. Globalne rozkłady (a) średniego rocznego strumienia odbitego obejmującego całe niebo, (b) udziału rozpraszania atmosferycznego oraz (c) udziału odbicia od powierzchni, gdzie (a) = (b) + (c). (d) Różnica między wkładem powierzchni czystego nieba a wkładem powierzchni całego nieba. Ta różnica reprezentuje ilość chmur maskujących rzeczywiste odbicie powierzchni, zmniejszając w ten sposób ilość światła słonecznego odbijanego od powierzchni o tę wartość. Źródło: Graemme L. Stephens et al., 2015 / CC BY 4.0

—

Parametry hemisferyczne aerozolu

Różnicę składową atmosfery można wyjaśnić głównie różnicami hemisferycznymi (półkulowymi) gęstości optycznej aerozolu (AOD – Aerosol Optical Density). Średnia dziesięcioletnia AOD stosowana do wytworzenia danych strumienia powierzchniowego, za pomocą satelity CERES, wynosi odpowiednio 0,14 dla półkuli północnej (NH) i 0,07 dla półkuli południowej (SH).

Jeśli założymy globalną wydajność radiacyjną aerozolu oceanicznego na poziomie 30–40 W/m² (wymuszanie radiacyjne na jednostkę AOD) (Norman G. Loeb i Natividad Manalo-Smith, 2005), to udział w strumieniu bezchmurnego nieba na półkuli północnej (NH) przez aerozol wynosi około 4–6 W/m², a na południowej (SH)  2–3 W/m². Czyli wymuszenie radiacyjne aerozolu jest większe na północnej niż na południowej półkuli.

–

Rozpraszanie atmosferyczne i maskowanie chmur

Rozpraszanie atmosferyczne, które ma tak duży wpływ na obserwowane odbite strumienie na niższych szerokościach geograficznych, odzwierciedla ich wysokie zachmurzenie. Ma to związek z wysoką zawartością pary wodnej (głęboka konwekcja równikowa).

Maskowanie chmur występuje głównie na obszarach lądowych NH, a także na obszarach polarnych obu półkul. Efekt maskowania może być lokalnie duży na najjaśniejszych powierzchniach, zwłaszcza na wyższych szerokościach geograficznych, gdzie chmury skutecznie zmniejszają udział powierzchni o około 50%.

—

Nie ma korelacji pomiedzy pomiarami aktywności słonecznej a zmianami albedo. Wyniki badań z solarnego obserwatorium i satelitarne

P. R. Goode, ze Słonecznego Obserwatorium Big Bear w Instytucie Technologii w New Jersey, w Kalifornii, wraz ze swoim zespołem naukowym, odkrył, że w ciągu 20 lat albedo na powierzchni Ziemi zmniejszyło się, i przez to pochłania ona o 0,5 W/m² więcej energii słonecznej ².

W latach 1998-2017 naukowcy przeprowadzili pomiary blasku Ziemi w solarnym obserwatorium Big Bear (BBSO – Big Bear Solar Observatory), z użyciem nowoczesnych technik fotometrycznych, w celu precyzyjnego określenia dziennych, miesięcznych, sezonowych, rocznych i dziesięcioletnich zmian albedo ziemskiego od blasku Ziemi.

W swoich wynikach badań nie znaleźli korelacji pomiędzy pomiarami aktywności słonecznej a zmianami albedo w badanym okresie czasu. Blask planety do końca nie jest zgodny z pomiarami z satelity CERES, rozpoczętymi od 2001 roku. Obserwacje albedo przez satelity CERES wykazały większe wymuszenie radiacyjne (0,6 W/m²), a pomiary Earthshine (Blask Ziemi) mniejsze (0,5 W/m²).

–

Jak przebiega ta metoda badawcza Blask Ziemi

Ogólnie mówiąc, ta metoda badawcza – blask Ziemi, prowadzona za pomocą teleskopu refraktancyjnego, polega na tym, że światło słoneczne odbija się od powierzchni naszej planety w dzień, i następnie trafia w tarczę ciemnej powierzchni naszego satelity Księżyca, od którego kolejne odbicie poświaty słonecznej trafia do oczu obserwatora. Pomiary blasku Ziemi były wykonywane w nocy. Przy okazji obserwowano też jasną część księżyca oświetloną przez Słońce.

–

Blask Ziemi jest dość wiekowy

Historycznie Blask Ziemi został po raz pierwszy wyjaśniony przez Leonardo Da Vinci około 1510 roku. Sam projekt  BBSO rozpoczął działalność w połowie lat 90-tych aby zmierzyć albedo Ziemi za pomocą obserwacji Księżyca, którego pionierem w 1928 roku był francuski astronom André-Louis Danjon (1890-1967). Czyli prawie sto lat temu.

—

Rys.2. Anomalie, średniego rocznego albedo w pomiarach Blasku Ziemi (Earthshine), w latach 1998–2017, wyrażone jako odbity strumień w W/m². Słupki błędów są pokazane jako zacieniony szary obszar, a przerywana czarna linia pokazuje liniowe dopasowanie do rocznych anomalii strumienia energii odbitej w Earthshine. Roczne anomalie albedo badane za pomocą satelitów CERES w latach 2001-2019, również wyrażone w W/m², są pokazane na niebiesko. Liniowe dopasowanie do danych CERES (2001–2019) pokazano niebieską linią przerywaną. Średnie słupki błędów dla pomiarów CERES są rzędu 0,2 W/m² . Źródło: P. R. Goode et al., 2021 / CC BY 4.0

–

Spadek albedo Ziemi podczas PDO

Podczas tego eksperymentu naukowcy zauważyli, że niedawny spadek albedo Ziemi ma możliwy związek ze zmianą fazy ujemnej na dodatnią w pacyficznej oscylacji dekadowej (PDO – Pacific Decadal Oscillation). To zjawisko fizyczne ma miejsce, gdy na półkuli północnej Pacyfik we wschodniej części, czyli u zachodnich wybrzeży Ameryki Północnej zaczyna się nagrzewać. Uczeni nie wykluczają też w tym przypadku związku z globalnym ociepleniem.

Wcześniej globalnie zintegrowane albedo Ziemi w zakresie widzialnym zostało zmierzone za pomocą Earthshine (Blasku Ziemi) przez zespół naukowy Goode’go w 2001 roku (P. R. Goode i inni,  2001).

–

Kiedy należy przywracać pokrywę drzewną?

Jedno z nowszych badań (2024 r.) jest skoncentrowane na analizie, kiedy tak naprawdę opłaca się wdrożenie przywracania pokrywy drzewnej, a kiedy nie. Okazało się, że nie zawsze jest to korzystne ze względów na zmniejszenie ocieplenia klimatu. Czasami korzystniej jest zostawić tereny otwarte i nasłonecznione ze względu na zwiększone albedo od jaśniejszych powierzchni planety.

Natalia Hasler z Instytutu George’a Perkinsa na Uniwersytecie Clarka w Worcester w stanie Massachusetts (USA) i jej zespół naukowy oszacowali, że odbudowa pokrywy leśnej jest najskuteczniejsza w chłodzeniu globalnego systemu klimatycznego, biorąc pod uwagę nie tylko chłodzenie spowodowane magazynowaniem węgla, ale również ocieplenie spowodowane zmniejszonym albedo.

Co ciekawe w swojej analizie badawczej naukowcy oznajmili, że pod kątem samego węgla zastosowanie globalnego potencjału łagodzenia zmian klimatu poprzez przywracanie drzew na całym świecie były znacznie przeszacowane. Były one od 20 do 81% za wysokie.

Wcześniejsze badania nie koncentrowały się na kompleksowych mapach ukazywania skutków albedo, tylko były oparte na szacunkach magazynowaniu węgla. Na przykład w obszarach półpustynnych i śnieżnych regionach borealnych zmiany albedo mogły znacząco zniwelować korzyści związane z usuwaniem węgla przez te drzewa.

–

Rys. Panel górny a. Wpływ na klimat uwzględnia zarówno zmianę albedo, jak i magazynowanie węgla, aby oszacować maksymalny ekwiwalent dwutlenku węgla (CO₂e). Kolory pomarańczowe oznaczają lokalizacje o ujemnym wpływie na klimat. Natomiast kolory niebieskie oznaczają lokalizacje o dodatnim wpływie na klimat. Dla porównania z innymi badaniami podajemy również szacunki w ekwiwalentach węgla (MgC e, kursywa po lewej stronie skali kolorów). Panel dolny b. Przesunięcie albedo to procent maksymalnego magazynowania węgla przesunięty przez zmiany albedo. Kolory fioletowe oznaczają lokalizacje, w których przesunięcie albedo przekracza 50% maksymalnego magazynowania węgla, natomiast zielony oznacza przesunięcie albedo <50%. Źródło: Natalia Hasler et al. 2024 / CC BY 4.0

–

Magazynowanie węgla a zmiana albedo

Główna autorka  badania Natalia Hasler mówi w Science Daily:

Równowaga między magazynowaniem węgla a zmianą albedo, która wynika z przywrócenia pokrywy drzewnej, różni się w zależności od miejsca, ale do tej pory nie mieliśmy narzędzi, aby odróżnić dobre rozwiązania klimatyczne od złych. Nasze badanie ma na celu zmianę tego stanu rzeczy, dostarczając mapy potrzebne do podejmowania mądrzejszych decyzji, a jednocześnie zapewniając, że ograniczone środki finansowe zostaną skierowane do tych lokalizacji, w których przywrócenie pokrywy drzewnej może przynieść największą pozytywną różnicę jako naturalne rozwiązanie klimatyczne.

Badacze zwracają uwagę, ze tysiące projektów terenowych, które są realizowane na całym świecie w celu przywrócenia pokrywy drzewnej, koncentruje się na obszarach, gdzie przynajmniej być może zmiany albedo zniwelują korzyści klimatyczne netto o co najmniej 20 procent w około dwóch trzecich przypadków.

Susan Cook-Patton, współautorka badania i starsza naukowiec ds. odnowy lasów w The Nature Conservancy wyjaśniła:

Zajęliśmy się znaczną luką badawczą i uzyskaliśmy znacznie pełniejszy obraz tego, jak odbudowa pokrywy drzew może wpłynąć na nasz globalny klimat. Zarówno pozytywnie, jak i czasami negatywnie. Ważne jest jednak, aby pamiętać, że istnieje wiele innych uzasadnionych powodów, aby przywrócić pokrywę drzew, nawet w miejscach, w których korzyści klimatyczne nie są imponujące: czysta woda, odporna produkcja żywności, siedliska dzikich zwierząt, lista jest długa… Po prostu wzywamy rządy i zarządców gruntów do bardziej ostrożnego uwzględnienia albedo w podejmowaniu decyzji środowiskowych i udostępniamy ten solidny nowy zestaw narzędzi, aby im w tym pomóc.

–

Obliczanie wymuszenia radiacyjnego

W badaniach zastosowano metody w celu oszacowania zmian albedo dla 24 różnych przejść z terenów otwartych do pokrycia terenu leśnego. Posłużono się mapami.

Ponadto zostało przeliczone globalne średnie roczne wymuszanie radiacyjne na ekwiwalent dwutlenku węgla (CO₂e), które zostało spowodowane emisjami węgla na metr kwadratowy powierzchni Ziemi (zgodnie z 6 Raportem IPCC). W ten sposób została przedstawiona nierównowaga bilansu radiacyjnego Ziemi na szczycie atmosfery (TOA – Top of atmosphere) spowodowana przez zmianę globalnego stężenia CO2 w atmosferze jako

Aby ułatwić porównania między magazynowaniem węgla a zmianą albedo, przeliczyliśmy wymuszanie radiacyjne na CO2e _. W tym celu przyjęliśmy globalne średnie roczne wymuszanie radiacyjne spowodowane emisjami węgla na metr kwadratowy powierzchni Ziemi z IPCC ⁶² , opisując zaburzenie bilansu radiacyjnego Ziemi na szczycie atmosfery narzucone przez zmianę globalnego stężenia CO2 w atmosferze jako:

Referencje:

1. Stephens Graeme L. et al., 2015 ; The Albedo of Earth ; Reviews of Geophysics ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2014RG000449

2. Goode P. R. et al., 2021 ; Earth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL094888

3. Hasler Natalia et al., 2024 ; Accounting for albedo change to identify climate-positive tree cover restoration ; Nature Communications ;                          https://www.nature.com/articles/s41467-024-46577-1