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 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 dla nas ; pomiędzy bliskim nadfioletem i bliską podczerwienią oraz długofalowego, także dla ludzkich oczu niewidzialnego.
Generalnie ponad 90% światła w nadfiolecie pochłania atmosfera i chmury. Tylko niewielka część dociera do powierzchni naszej planety. Zdecydowana większość światła docierającego do naszego globu, to światło widzialne. Część jego jest odbijana, w tak zwanym efekcie albedo, od powierzchni jasnych chmur. Część jego jest pochłaniana przez powierzchnię chmur. Tak samo, mniejsza część jego jest odbijana od jaśniejszej lądowej powierzchni planety (w największym stopniu przez śnieg i lód oraz piasek pustynny), a większa jego część jest pochłaniana przez nią, głównie przez oceany i morza, ale i też w mniejszym stopniu przez lasy. Odbite światło słoneczne (albedo), czy to od powierzchni chmur czy od powierzchni planety, bezpośrednio trafia w przestrzeń kosmiczną. Jednak, pochłonięte powoduje nagrzewanie się chmur i atmosfery czy powierzchni planety, co z kolei prowadzi do emisji promieniowania podczerwonego we wszystkich kierunkach. Wypromieniowane z powierzchni Ziemi światło podczerwone pochłonięte przez chmury i atmosferę (przez rosnącą koncentrację gazów cieplarnianych), następnie reemituje je w dużym zakresie z powrotem ku powierzchni naszej planety, przez co jest jeszcze bardziej wzmacniany efekt cieplarniany.
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 dwóch zasadniczych promieniowań: widzialnego i podczerwonego, (opisanych powyżej). Uczony ten, wykonując swoje doświadczenia, dokonywał ich, zarówno nad poziomem morza, jak i wysoko w górach. Mierząc o różnych długościach fal cały zakres promieniowania elektromagnetycznego w poszczególnych warstwach atmosfery, badacz ten 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.
Dziś już wiemy, że planetarne albedo najczęściej zachodzi w chmurach niskich posiadających mniejsze kropelki wody łatwiej odbijające te promieniowanie słoneczne z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Z kolei najrzadziej ma ono miejsce w chmurach wysokich, w 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 tylko mniejsza jego część opuszcza naszą planetę bezpośrednio z jej powierzchni przez tak zwane okna atmosferyczne. Natomiast, większa część tego promieniowania opuszcza nasz system klimatyczny z wierzchołków chłodniejszych warstw chmur.
Czyli w sumie, jak już zostało to wcześniej wspomniane, 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 naukowcy zaczęli pisać już coraz dokładniej, podejrzewając działalność człowieka jako główną przyczynę ocieplenia klimatu.
W 1957 roku, jeszcze 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 zwrócili uwagę, w swoich wynikach badań, 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. Opisali między innymi rozkład temperatury w atmosferze z wysokością w różnych warunkach i na różnych szerokościach geograficznych 5.
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. (Fot. Will Elder, NPS)
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 adwekcyjnie przez wiatry z niższych cieplejszych do wyższych chłodniejszych szerokości geograficznych. A także pod wpływem nagrzewania się oceanów, ciepło w nich jest przenoszone rówńież z niższych cieplejszych do wyższych chłodniejszych wód.
—-
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 jasnościowa (Harries i inni 2001).
Pomiary zostały ponownie powtórzone po kilku latach przez Johna Harriesa i Jennifer Griggs z Bristolskiego Centrum Glacjologii na Uniwersytecie w Bristolu 7.
Autorzy w swoich wynikach badań 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 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.
—-
Z kolei Rolf Philipona z Fizyczno-Meteorologicznego Obserwatorium i Światowego Centrum Radiacji w Davos Dorf w Szwajcarii, wraz ze swoimi współpracownikami zauważył przy wykonywaniu pomiarów w Alpach zmiany trendów strumieni promieniowania na powierzchni oraz ich związek ze wzrostem gazów cieplarnianych, a także zmiany temperatury i wilgotności w badanym okresie czasu 1995-2002, i to, że skoro satelity mierzą coraz mniej energii cieplnej uciekającej z troposfery do stratosfery, to obserwowany jest jej większy przyrost tuż przy powierzchni Ziemi 8.
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.
—-
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), jeszcze wyraźniej wskazali, że ciągłe emisje gazów cieplarnianych i rosnące ich koncentracje przyczyniają się właśnie do tego, że coraz więcej ciepła gromadzi się przy powierzchni Ziemi. W szczególności tam gdzie jest wysoka koncentracja pary wodnej 9.
Naukowcy napisali w swoim artykule:
Porównujemy wyniki symulacji z obserwowanymi zmianami temperatury atmosferycznej wywnioskowanymi z satelitarnych jednostek sondowania mikrofalowego (MSU – Microwave Sounding Units). Skupiamy się na uśrednionych strefowo zmianach temperatury w trzech szerokich warstwach atmosfery: dolnej stratosferze (TLS – the lower stratosphere), środkowej i górnej troposferze (TMT – the mid- to upper troposphere) i dolnej troposferze (TLT – the lower troposphere).
Korzystamy z informacji obserwacyjnych MSU z dwóch różnych grup: systemów teledetekcyjnych (RSS – Remote Sensing Systems) i Uniwersytet Alabama w Huntsville (UAH – University of Alabama at Huntsville). Ważnym aspektem naszego badania odcisku palców jest wykorzystanie dodatkowych szacunków niepewności obserwacji dostarczonych przez grupę RSS.
Rys.3. Szeregi czasowe symulowanych miesięcznych średnich prawie globalnych anomalii w temperaturze dolnej stratosfery (TLS), środkowej do górnej troposfery (TMT) i dolnej troposfery (TLT) ( A–C ). Wyniki modelu pochodzą z połączonych symulacji historycznych/RCP8.5 z połączonym antropogenicznym i naturalnym wymuszaniem zewnętrznym (ALL+8.5) oraz z symulacji wyłącznie z naturalnym wymuszaniem zewnętrznym (NAT).
Pogrubione linie oznaczają średnie multimodelowe ALL+8,5 i NAT, obliczone dla modeli CMIP5 (odpowiednio). Temperatury są uśrednione w zakresie 82,5°N-82,5°S dla TLS i TMT oraz ponad 82,5°N-70°S dla TLT.
(Benjamin Santer i inni, 2013)
Referencje:
- Fourier J. B. J. , 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?id=1Jg5AAAAcAAJ&hl=fr&pg=PA136#v=onepage&q&f=false
- Fourier J. B. J. , 1827 ; Mémoire Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires ; Mémoires de l’Académie Royale des Sciences 7: 569-604. ; https://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/Fourier/Fourier_pdf/Mem1827_p569_604.pdf
- Langley S. P., 1881 ; The Bolometer and Radiant Energy ; Vol. 16 (May, 1880 – Jun., 1881), pp. 342-358 (17 pages) ; Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences ; https://www.jstor.org/stable/25138616?origin=crossref&seq=1
- Budyko M. I., 1957 ; Тепловой баланс земной поверхности ; Booksite ; https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/109/891.htm
- Manabe S. et al., 1967 ; Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity ; Journal of the Atmospheric Sciences ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/atsc/24/3/1520-0469_1967_024_0241_teotaw_2_0_co_2.xml
- Harries J. E. et al., 2001 ; Increases in greenhouse forcing inferred from the outgoing longwave radiation spectra of the Earth in 1970 and 1997 ; Nature ; https://www.nature.com/articles/35066553
- Griggs J. A. et al., 2007 ; Comparison of spectrally resolved outgoing longwave data between 1970 and present ; Journal of Climate ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/20/15/jcli4204.1.xml
- Philipona R. et al., 2004 ; Radiative forcing ‐ measured at Earth’s surface ‐ corroborate the increasing greenhouse effect ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2003GL018765
- Santer B. D. et al., 2013 ; Human and natural influences on the changing thermal structure of the atmosphere ; Proceedings of the National Academy of the Science ; https://www.pnas.org/content/110/43/17235