Już w pierwszej połowie XIX wieku został odkryty efekt cieplarniany. I już wówczas nastepowało jego wzmocnienie przez bardzo powolny wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze. Ale ludzkość o tym jeszcze nie wiedziała. Dopiero to zauważyła 20-30 lat później. Choć raczej w formie naukowych nowinek.
Z efektem cieplarnianym mamy do czynienia, gdy część promieniowania podczerwonego ze Słońca przechodzi przez atmosferę, a większa część jest pochłaniana w troposferze. A następnie reemitowana we wszystkich kierunkach przez cząsteczki gazów cieplarnianych. Efektem tego jest ocieplenie powierzchni Ziemi i niższych warstw atmosfery..
Odkrycie efektu cieplarnianego
Pierwszym uczonym, który użył terminu efekt cieplarniany, był Francuz Joseph Fourier, który w swoich pracach z 1824 i 1827 roku, wyjaśnił jego działanie na naszej planecie. Odkrył, że obok konwekcji powietrza atmosferycznego i przewodnictwa cieplnego pary wodnej, ważne znaczenie ma też trzeci czynnik napędzający efekt cieplarniany, którym okazało się wypromieniowywane ciepło w zakresie fal w podczerwieni zwane też ciepłem termicznym Ziemi 1,2.
Ciepło jest dostarczane, od naszej gwiazdy, Słońca, ku powierzchni chmur oraz powierzchni wodnej i lądowej naszej planety, w postaci promieniowania elektromagnetycznego. A ściślej, krótkofalowego (dla ludzkich oczu niewidzialnego nadfioletowego oraz widzialnego słonecznego) oraz długofalowego (dla ludzkich oczu niewidzialnego podczerwonego).
Jak działa efekt cieplarniany
Zdecydowana większość światła słonecznego docierającego do naszego globu, to światło widzialne i bliska podczerwień. Część tego promieniowania jest odbijana od powierzchni chmur, a część jest przez nie pochłaniana. Podobnie, mniejsza część promieniowania ulega odbiciu od jaśniejszej lądowej powierzchni planety (w największym stopniu przez śnieg i lód oraz piasek pustynny), a większa jest pochłaniana głównie przez oceany i morza, ale i też przez lasy.
Odbite światło słoneczne, czy to od powierzchni chmur czy od powierzchni planety, wraca w przestrzeń kosmiczną. Pochłonięte promieniowanie powoduje nagrzewanie się chmur i atmosfery oraz powierzchni planety, co z kolei prowadzi do emisji promieniowania podczerwonego we wszystkich kierunkach.
Wypromieniowane z powierzchni Ziemi promieniowanie podczerwone, pochłonięte przez chmury i obecne w atmosferze gazy cieplarniane, jest w znacznej części emitowane z powrotem ku powierzchni naszej planety, powodując efekt cieplarniany.
—
Rys.1. Po lewej – Naturalne stężenia dwutlenku węgla (CO2), metanu (CH4) i podtlenku azotu (N2O), wynikające z normalnych procesów w środowisku oraz zatrzymujące część ciepła słonecznego i zapobiegające zamarzaniu planety.
Po prawej – wyższe stężenia CO2, CH4, N2O, wynikające ze spalania paliw kopalnych i innych form działalności gospodarczej człowieka, powodujące zatrzymywanie dodatkowego ciepła i wzrost średniej temperatury powierzchni naszej planety. Rozwiązaniem jest ograniczenie działalności człowieka, powodującej emisje gazów cieplarnianych pochłaniających promieniowanie w dalekiej podczerwieni (Will Elder, National Park Service).
—
Transfer promieniowania elektromagnetycznego
W drugiej połowie XIX wieku pionierem badań transferu radiacyjnego, czyli transferu promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fal w atmosferze, był amerykański fizyk i inżynier, pionier lotnictwa oraz założyciel Smithsonian Astrophysical Observatory (obserwatorium astrofizycznego),
Samuel Pierpoint Langley. Za pomocą zbudowanego przez siebie bolometru mierzył on natężenie promieniowania padającego na wybraną powierzchnię oraz dokonywał obserwacji promieniowań: widzialnego i podczerwonego (opisanych powyżej). Swoje doświadczenia wykonywał, zarówno nad poziomem morza, jak i wysoko w górach. Wykonując pomiary w poszczególnych warstwach atmosfery, oszacowywał, kiedy i jak ono jest absorbowane i rozpraszane przez gazy, chmury i cząstki unoszące się w powietrzu, a kiedy ono jest odbijane od powierzchni chmur czy planety 3.
Albedo chłodzi, a efekt cieplarniany grzeje
Dziś już wiemy, że planetarne albedo najczęściej zachodzi w chmurach niskich, posiadających mniejsze kropelki wody i łatwiej odbijających promieniowanie słoneczne z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Z kolei najrzadziej ma ono miejsce w chmurach wysokich, w których kryształki lodowe skutecznie absorbują energię cieplną w zakresie dalekiej podczerwieni.
Jeśli chodzi o długofalowe promieniowanie niewidzialne, czyli podczerwone, to duża jego część jest zatrzymywana w systemie klimatycznym Ziemi, a tylko mniejsza jego część opuszcza naszą planetę bezpośrednio z jej powierzchni przez tak zwane okna atmosferyczne (zakres widma światła podczerwonego, dla którego atmosfera jest przezroczysta). Większa część tego promieniowania opuszcza nasz system klimatyczny z wierzchołków chłodniejszych warstw chmur (TOA – top of atmosphere).
Zaburzona równowaga radiacyjna
Czyli w sumie, jak już zostało to wcześniej wspomniane, energia cieplna, w zakresie promieniowania podczerwonego, pochłonięta w warstwach chmur i w molekułach gazów cieplarnianych reemituje we wszystkich kierunkach, w tym ku powierzchni Ziemi. Od co najmniej połowy XIX wieku jej zawartość rośnie dzięki zwiększaniu się koncentracji dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych. Została w ten sposób zaburzona równowaga radiacyjna. W szerokim zakresie naukowcy zaczęli o niej pisać od lat 50 XX wieku. To wówczas zaczęli oni podejrzewać, że działalność człowieka jest główną przyczyną współczesnego ocieplenia klimatu.
W 1957 roku, w Związku Radzieckim, Michaił I. Budyko opracował pierwszy atlas bilansu radiacyjnego, który jednak nie odbił się szerokim echem w świecie naukowej klimatologii 4.
Pierwszymi naukowcami, którzy w swoich wynikach badań zwrócili uwagę na zaburzenie równowagi radiacyjnej Ziemi, byli fizycy atmosfery: Syukuro Manabe i Richard Wetherald. Obaj pracowali w latach 60 w Laboratorium Dynamiki Płynów Geofizycznych (GDFL – Geophysical Dynamics Fluid Laboratory), w Waszyngtonie, które było jednym z siedmiu laboratoriów w Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration).
Obaj uczeni w 1966 r. opisali w globalnym modelu numerycznym strukturę termiczną atmosfery wyjaśniającą rolę procesów radiacyjnych i konwekcyjnych w ogólnym bilansie energetycznym naszej planety. Zaprezentowali między innymi rozkład temperatury w atmosferze z wysokością w różnych warunkach i na różnych szerokościach geograficznych 5.
Ciepło utajone i ciepło jawne
Warto też wiedzieć, że w troposferze, dolnej warstwie atmosfery, ciepło jest przenoszone w górę także przez ciepło utajone, czyli parowanie z gleb (ewaporacja) czy z roślinności (transpiracja), oraz przez ciepło jawne (konwekcję powietrza ciepłego), dzięki czemu temperatura na Ziemi wraz z wysokością spada powoli, aż do tropopauzy, tuż pod stratosferą, warstwą atmosfery, w której dzięki warstwie ozonowej temperatura wraz z wysokością wzrasta. Najdynamiczniej, procesy te zachodzą w obszarach równikowych podczas tak zwanej głębokiej konwekcji.
W ogólnym bilansie cieplnym Ziemi, ciepło, unoszone do góry, jest również przenoszone poziomo, czyli adwekcyjnie, przez wiatry z niższych cieplejszych do wyższych chłodniejszych szerokości geograficznych. Tak samo pod wpływem nagrzewania się oceanów, ciepło w nich jest przenoszone z cieplejszych wód na niższych szerokościach geograficznych do chłodniejszych na wyższych szerokościach.
Pierwsze pomiary satelitarne wskazują na ocieplenie troposfery i ochłodzenie stratosfery
Pomiary satelitarne atmosfery Ziemi są prowadzone od 1970 roku. Z biegiem lat naukowcy pod kierownictwem Johna Harriesa z Zespołu Fizyki Kosmicznej i Atmosferycznej, w Laboratorium Blackett w Królewskiej Uczelni w Londynie, zauważyli, że w badanym okresie czasu 1970-1996 więcej energii termicznej kumuluje się w troposferze, a mniej w stratosferze 6.
—
Rys.2. Zmiana w spektrum od 1970 do 1996 roku spowodowana gazami śladowymi. Na osi pionowej temperatura emisyjna (John Harries i inni, 2001).
—
Pomiary zostały ponownie powtórzone po kilku latach przez Johna Harriesa wraz z Jennifer Griggs z Bristolskiego Centrum Glacjologii na Uniwersytecie w Bristolu 7.
Autorzy w swoich wynikach badań posłużyli się pomiarami satelitarnymi na tle nieba bezchmurnego. Porównali widmo promieniowania podczerwonego zmierzone w 1971 roku przez amerykańskiego satelitę Nimbus-4 z widmem promieniowania podczerwonego, zmierzonego w 1996 roku przez japońskiego satelitę ADEOS-1.
—
Fot.1. Satelita amerykański Nimbus 4 (Wikipedia)
—
Fot.2. Japoński satelita ADEOS 1 (Space SkyRocket)
—
Oto co Harries i Griggs na wstępie swojej pracy napisali:
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 (metan), CO2 (dwutlenek węgla) i O3 (ozon) 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.
—
Zmiany trendów strumieni promieniowania
Rolf Philipona z Fizyczno-Meteorologicznego Obserwatorium i Światowego Centrum Radiacji w Davos Dorf w Szwajcarii, wraz ze swoimi współpracownikami, przy wykonywaniu pomiarów w Alpach na ośmiu stacjach sieci Alpine Surface Radiation Budget (ASRB), zauważył, w badanym okresie czasu 1995-2002, zmiany trendów strumieni promieniowania na powierzchni oraz ich związek ze wzrostem gazów cieplarnianych, a także zmiany temperatury i wilgotności. Ponadto zaobserwował, że skoro satelity mierzą coraz mniej energii cieplnej uciekającej z troposfery do stratosfery, to obserwowany jest jej większy przyrost tuż przy powierzchni Ziemi 8.
—
| Stacja ASRB |
Wysokość [m n.p.m.] |
t [°C] |
Wilgotność bezwzględna |
Aktywna zdolność emisyjna |
| u [gm −3 ] |
ε Akt |
|
| Locarno-Monti |
370 |
12,5 |
7,6 |
0,743 |
| Payerne |
490 |
9,6 |
7,5 |
0,762 |
| Davos |
1610 |
3,8 |
5,0 |
0,709 |
| Cimetta |
1670 |
5,2 |
5,1 |
0,704 |
| Versuchsfeld |
2540 |
-0,8 |
3,5 |
0,677 |
| Weissfluhjoch |
2690 |
-1,8 |
3,4 |
0,648 |
| Gornergrat |
3110 |
-2,7 |
2,7 |
0,613 |
| Jungfraujoch |
3580 |
-7,0 |
2,3 |
0,600 |
Tabela. Parametry stacji radiacyjnych ASRB (tabela 1 w artykule)
Fale w podczerwieni emitowane z powierzchni Ziemi są absorbowane przez rosnące stężenie gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla, a następnie wyemitowywane we wszystkich kierunkach. W tym ku powierzchni naszej planety. Jest to tak zwane promieniowanie zwrotne atmosfery.
—
Modele CMIP5 wskazują, że coraz więcej ciepła gromadzi się przy powierzchni Ziemi
W 2013 roku Benjamin Santer, z Programu dla Diagnostyki i Wzajemnego Porównania w Narodowym Laboratorium Lawrence Livermore, oraz jego współpracownicy, na podstawie modelu pochodzącego z projektu porównawczego sprzężonych modeli w fazie 5 (CMIP5 – Coupled Model Intercomparison Project Phase 5), wskazali, że ciągłe emisje gazów cieplarnianych i rosnące ich koncentracje przyczyniają się do tego, że coraz więcej ciepła gromadzi się przy powierzchni Ziemi. W szczególności tam gdzie jest wysoka koncentracja pary wodnej 9.
Naukowcy porównali zmiany temperatury atmosferycznej wzięte z symulacji komputerowych z szacowanymi historycznymi zmianami. W badaniu zostały wykorzystane następujące parametry wymuszeń:
- Połączone wymuszenia antropogeniczne i naturalne (ALL)
- Wyłącznie wymuszenie antropogeniczne (ANT)
- Wyłącznie wymuszenia słoneczne i wulkaniczne (NAT)
- Tylko wymuszenie słoneczne (SOL)
- Tylko wymuszenie wulkaniczne (VOL)
Naukowcy w swoim artykule porównali wyniki symulacji komputerowych z obserwowanymi zmianami temperatury atmosferycznej na podstawie badań za pomocą satelitarnych jednostek sondowania mikrofalowego (MSU – Microwave Sounding Units) do pomiaru globalnych profili temperatury atmosferycznej. Głównym ich zadaniem było skupienie uwagi na analizie uśrednionych strefowo zmian temperatury w trzech szerokich warstwach atmosfery:
- a) dolnej stratosferze (TLS – the lower stratosphere)
- b) środkowej i górnej troposferze (TMT – the mid- to upper troposphere)
- c) dolnej troposferze (TLT – the lower troposphere).
Informacje obserwacyjne za pomocą MSU zostały przeprowadzone z dwóch różnych grup teledetekcji:
- a) systemów teledetekcyjnych (RSS – Remote Sensing Systems)
- b) Uniwersytetu Alabama w Huntsville (UAH – University of Alabama at Huntsville).
W szczególności dla dokładniejszego zbadania klimatycznego odcisku palców, zostały wykorzystane do głębszej analizy dodatkowe szacunki niepewności obserwacji dostarczone przez grupę RSS.
–
Średnia optyczna grubość atmosfery jest większa w przypadku zwiększenia masy wody atmosferycznej przy podwojeniu koncentracji CO2
Boris M. Smirnov ze Wspólnego Instytutu Wysokich Temperatur w Moskwie wykazał, że średnie optyczne parametry atmosferyczne dla zakresu widma podczerwieni są oceniane na podstawie bilansu energetycznego Ziemi i parametrów standardowej atmosfery. Obliczył, że średnia optyczna grubość atmosfery wynosi ν ≈ 2,5a. A ta emisja atmosferyczna powstaje na wysokościach poniżej 10 km.
Zmiany strumieni promieniowania atmosferycznego w kierunku Ziemi i na zewnątrz obliczane są jako funkcja stężenia cząsteczki CO2 dla regularnego modelu widma molekularnego. Modele wskazują, że w wyniku podwojenia stężenia CO2 zmiana globalnej temperatury Ziemi wynosi w granicach 
(Kelvina), jeśli inne parametry atmosferyczne są zachowane w porównaniu do wartości 
w rzeczywistych warunkach atmosferycznych ze zmianą ilości wody atmosferycznej. Obserwowana zmiana globalnej temperatury Ziemi w ciągu ostatniego stulecia 0,8 °C powstaje w wyniku zwiększenia masy wody atmosferycznej o 7% lub przekształcenia 1% wody atmosferycznej w aerozole.
–
Powierzchnia Ziemi z atmosferą jest cieplejsza nawet o 33 °C
Japoński fizyk atmosfery Syukuro Manabe, uczestnik Programu nauk atmosferycznych i oceanicznych na Uniwersytecie w Princeton, obliczył, że w 2019 r. globalnie uśredniona wartość wychodzącego, długofalowego promieniowania wynosiła 238,5 Wm −2 .
Układ Ziemia-atmosfera promieniuje jako ciało doskonale czarne. Jest to zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna dla promieniowania ciała doskonale czarnego. Dzięki temu można oszacować efektywną temperaturę emisji planety. Przeprowadzony w wielu symulacjach komputerowych pomiar tejże temperatury zawsze w takim przypadku wynosi –18,7 °C. Tymczasem obecna średnia globalna temperatura Ziemi wynosi +14,5 °C. A więc, to oznacza, że teraz powierzchnia Ziemi z atmosferą jest cieplejsza nawet o 33 °C, niż gdyby była bez atmosfery. Innymi słowy, to właśnie tzw. efekt cieplarniany atmosfery podnosi temperaturę powierzchni naszej planety nawet o 33 °C. I to właśnie obserwacja satelitarna wychodzącego promieniowania długofalowego dostarczyła najbardziej przekonujących dowodów na istnienie efektu cieplarnianego atmosfery..
Rys.3. Schematyczny diagram ilustrujący efekt cieplarniany atmosfery. Pochyła linia ciągła schematycznie wskazuje pionowy profil temperatury troposfery. Pionowy odcinek linii u góry pochylonej linii schematycznie wskazuje prawie izotermiczny profil temperatury stratosfery. Kropka A (●) na pochylonej linii wskazuje średnią wysokość warstwy emisji dla wychodzącego ziemskiego, długofalowego promieniowania z górnej części atmosfery. Różnica między globalną średnią temperaturą powierzchni ( T S ) a temperaturą emisji planetarnej ( T A ) wskazuje na efekt cieplarniany atmosfery. Źródło: Syukuro Manabe, 2019 / CC BY 4.0.
—
Referencje
1. Fourier Jean Baptiste Joseph , 1824 ; Remarques Générales Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires ; Annales de Chimie et de Physique 27: 136-67. ; https://books.google.fr/books
9. Santer Benjamin D. et al., 2013 ; Human nad Natural Influences on the Changing Thermal Structure of the Atmosphere ; Proceedings National Academy of the Sciences
10. Smirnov Boris M. , 2016 , Greenhouse Effect in the Atmosphere, A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics
11. Manabe Syukuro , 2019 , Role of greenhouse gas in climate change, Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography
