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).
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).
—
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.
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).
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.
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.
—
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.
—
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.
—
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)
–
Rys.5. Szeregi czasowe symulowanych miesięcznych średnich prawie globalnych anomalii temperatury dolnej stratosfery (TLS), środkowej i górnej troposfery (TMT) oraz dolnej troposfery (TLT) ( A – C ). Wyniki modelu pochodzą z połączonych symulacji historycznych i scenariusza emisji RCP8.5 (V Raport Oceny IPCC) z połączonymi symulacjami antropogenicznego i naturalnego wymuszenia zewnętrznego (ALL+8.5) oraz z symulacjami tylko z naturalnym wymuszeniem zewnętrznym (NAT). Pogrubione linie oznaczają średnie dla wielu modeli ALL + 8,5 i NAT, obliczone na podstawie projektu porównywania modeli sprzężonych: 20 i 16 (CMIP-5 – Coupled Model Intercomparison Project). Anomalie są definiowane w odniesieniu do miesięcznych średnich klimatologicznych w latach 1861–1870 (Benjamin Santer i inni, 2013).
—
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.
—
Referencje
1. 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
