Jak działa efekt cieplarniany i jego wzmocnienie?

Mamy trzy promieniowania: nadfioletowe, widzialne i podczerwone. Pierwsze zagraża nam, ale w dużym zakresie chronią nas przed nim cząsteczki ozonu stratosferycznego. Nie tak dawno zakłócane przez fluorowane gazy przemysłowe oparte na chlorze. Drugie dociera do nas w postaci energii słonecznej. Dało Ziemi od około 4 miliardów lat życie biologiczne oraz ma wpływ na pogodę planety (Petty, 2016). Trzecie wykonuje najważniejszą robotę. Odpowiednia ilość gazów cieplarnianych w atmosferze zatrzymuje ciepło, dzięki któremu jest wspomniane życie (Goody & Yung, 2022). Niestety te same gazy wraz z przemysłowymi antropogenicznego pochodzenia spowodowały wzmocnienie efektu cieplarnianego (Etminan et al., 2016). Powstał problem niebezpiecznego ogrzewania planety (Zelinka et al., 2016).

Efekt cieplarniany to stan naturalny planety. Gdyby go nie było to planeta Ziemia byłaby chłodniejsza o ponad 33 stopnie Celsjusza. Czyli nie wynosiłaby jak teraz ponad 15 stopni Celsjusza, ale około -18 stopni Celsjusza. A więc życie biologiczne w obecnej formie nie mogłoby wcale zaistnieć.

Trzy promieniowania w efekcie cieplarnianym

Podczas efektu cieplarnianego promienie nadfioletowe, słoneczne i podczerwone w systemie planetarnym pochłaniają się (absorbują), wypromieniowują i odbijają się (Goody & Yung, 2022). Z tą różnicą, że promienie nadfioletowe i słoneczne są na ogół przezroczyste dla wszystkich gazów cieplarnianych. Jedynie cząsteczki ozonu stratosferycznego pochłaniają w dużym zakresie promieniowanie nadfioletowe (G.H. Bernhard et al., 2023).

W tym przypadku to promieniowanie nie jest nigdzie wyemitowywane, ale pobudzone cząsteczki ozonu stratosferycznego wydzielają energię w postaci ciepła podczas zderzania się w stratosferze nie tylko z tymi samymi cząsteczkami, ale też z innymi. Jest to tak zwana konwersja energii (G.H. Bernhard et al., 2023).

Natomiast promienie podczerwone przede wszystkim są pochłaniane przez gazy cieplarniane jak dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu, parę wodną czy przemysłowe gazy fluorowane i następnie przez nie wypromieniowywane w postaci ciepła, ale też te cząsteczki zderzają się z sobą i wzbudzone wydzielają dodatkową energię cieplną (Goody & Yung, 2022; Etminan et al., 2016). Dzięki temu ciepło podczerwone jest zatrzymywane w całym systemie planetarnym Ziemi – od tropopauzy do powierzchni planety. Tak działa efekt cieplarniany.

Rys. Ilustracja efektu cieplarnianego wywołanego przez gazy cieplarniane, głównie CO2 i parę wodną. Źródło: Thorstein Seim & Borgar Tørre Olsen, 2020/CC BY-4.0

Na poziomie molekularnym. Kluczowe czynniki – fotony promieniowań

Warto też nadmienić, że tak samo na poziomie molekularnym zachodzą wspomniane procesy. W przypadku promieniowania widzialnego zachodzi pochłanianie, odbijanie i rozpraszanie fotonów (Bohren & Huffman, 1998; Mishchenko et al., 2002). W przypadku promieniowania podczerwonego – pochłanianie i emisja fotonów (Goody & Yung, 2022). A w przypadku promieniowania nadfioletowego – pochłanianie fotonów wyjątkowo tylko przez ozon stratosferyczny (G.H. Bernhard et al., 2023).

Ponadto, zarówno w stratosferze, jak i w troposferze dużą rolę też odgrywa konwersja energii cieplnej, o której już wspomnieliśmy, na poziome molekularnym (Petty, 2016).

Pochodzące od naszej gwiazdy Słońca fotony promieniowania nadfioletowego pochłaniają i wzbudzają energetycznie pod wpływem konwersji cieplnej cząsteczki ozonu stratosferycznego, które zderzając się z innymi cząsteczkami, przekazują im nowe fotony, dzięki którym one też wpadają w stan energetycznego wzbudzenia (G.H. Bernhard et al., 2023).

Fotony w zakresie światła widzialnego dochodzą do powierzchni chmur i planety, gdzie albo odbijają się – tu przede wszystkim od jasnych powierzchni – albo też pochłaniają – tu głównie przez ciemne powierzchnie, które są przez nie ogrzewane (Bohren & Huffman, 1998). Z kolei w atmosferze, dzięki fotonom tworzącym promieniowanie widzialne, zachodzi rozpraszanie Rayleigha (dające kolor niebieski nieba) i rozpraszanie Mie (dające jasność chmur) (Mishchenko et al., 2002).

Z kolei fotony pochodzące od promieniowania podczerwonego, zarówno od Słońca, jak i od Ziemi, także są pochłaniane, ale w tym przypadku zamiast odbijane są emitowane zarówno przez gazy cieplarniane, jak i też przez powierzchnie chmur i planety oraz atmosferę (Goody & Yung, 2022).

Kiedy efekt cieplarniany wzmacnia się

Jak wiadomo, część energii ze Słońca jest pochłaniana przez chmury i planetę, ale część jest odbijana przez chmury i planetę (Petty, 2016). Tam gdzie nastąpiło pochłanianie, następuje wypromieniowywanie w postaci promieni podczerwonych. A więc wypromieniowanie następuje z chmur i planety. Ale też wypromieniowanie z powierzchni planety promieni podczerwonych sprzyja temu, że pochłaniają je gazy cieplarniane, które następnie też wypromieniowują te promienie we wszystkich kierunkach: w kosmos i ku powierzchni Ziemi (Etminan et al., 2016).

Kiedy rośnie stężenie (ilość) cząsteczek gazów cieplarnianych w atmosferze, mniej one wypromieniowują w kosmos promieni podczerwonych, a więcej je wypromieniowują ku powierzchni planety (Zelinka et al., 2016). Tak działa wzmocnienie efektu cieplarnianego.

W efekcie cieplarnianym i jego wzmocnieniu duże znaczenie mają też dodatkowe procesy termodynamiczne jak parowanie i skraplanie (ciepło utajone wody) oraz konwekcja termiczna (ciepło jawne powietrza) (Stevens & Bony, 2013).

 

Referencje:

Thorstein Seim & Borgar Tørre Olsen, 2020 ; The Influence of IR Absorption and Backscatter Radiation from CO2 on Air Temperature during Heating in a Simulated Earth/Atmosphere Experiment ; Atmospheric and Climate Sciences 10(02): 168-185 ; https://www.researchgate.net/publication/340692292_The_Influence_of_IR_Absorption_and_Backscatter_Radiation_from_CO2_on_Air_Temperature_during_Heating_in_a_Simulated_EarthAtmosphere_Experiment

Grant W. Petty, 2016 (2nd edition) ; A First Course in Atmospheric Radiation ; Environmental Science ; https://sundogpublishing.com/products/a-first-course-in-atmospheric-radiation-g-w-petty

R.M. Goody % Y.L. Yung, 2022 (2nd edition) ; Atmospheric Radiation Theoretical Basis ; Oxford University Press ;  https://www.amazon.com/Atmospheric-Radiation-Theoretical-R-Goody/dp/0195102916

M. Etminan et al., 2016 ; Radiative Forcing of Carbon Dioxide, Methane and Nitrous Oxide: A Significant Revision of the Methane Radiative Forcing ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016GL071930

Mark Zelinka, 2016 ; Climate Feedbacks and Sensitivity Using Observations of Earth’s Energy Budget ; Current Climate Change Reports ; https://link.springer.com/article/10.1007/s40641-016-0047-5

G.H. Bernhard et al., 2023 ; Stratospheric Ozone, UV Radiation, and Climate Interactions ; Photochemical and Photobiological Sciences ; https://link.springer.com/article/10.1007/s43630-023-00371-y

Bohren & Huffman, 1998 ; Absorption and Scattering ; WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9783527618156

Michael I. Mishchenko et al., 2018 ; Scattering. Absorption, and Emission of Light by Small Particles ; Cambridge University Press ; https://www.cambridge.org/us/universitypress/subjects/earth-and-environmental-science/atmospheric-science-and-meteorology/scattering-absorption-and-emission-light-small-particles

Bjorn Stevens & Sandrine Bony, 2013 ; Water in the Atmosphere ; Physics Today ; https://physicstoday.aip.org/features/water-in-the-atmosphere