Promieniowanie słoneczne i promieniowanie ziemskie – kluczowe elementy efektu cieplarnianego

Słońce – nasz grzejnik i planeta Ziemia – nasz dom

Ogólnie mówiąc, promieniowanie słoneczne jest pewnego rodzaju grzejnikiem, dzięki któremu powierzchnia naszego domu – Ziemi silnie się podgrzewa. Jesteśmy trzecią planetą w odległości kosmicznej, około 150 mln km2, od Słońca, zaraz po Merkurym i Wenus. I dociera do nas odpowiednia ilość światła słonecznego, tak aby efekt cieplarniany zapewnił nam odpowiednie warunki egzystencjalne. Nasza planeta oscyluje już około 15 stopni Celsjusza.

Skutkiem podwyższenia temperatury globalnej, od połowy XVIII wieku do dziś o ponad 1 stopień Celsjusza, jest nasza działalność antropogeniczna (przemysłowa, leśna, motoryzacyjna, urbanizacyjna, rolnicza i konsumpcyjna). I to się nie ma zamiaru zmienić na lepsze dla natury. Nasz grzejnik Słońce od lat 60 XX wieku do dziś nieco zmniejszył swoją siłę grzewczą. I nadal zmniejsza. Dzisiaj naukowcy nie znają jeszcze odpowiedzi, kiedy ponownie zacznie nas nasza gwiazda solidnie podgrzewać. W każdym razie, w którejś dekadzie jak nie w naszym wieku, to może w XXII wieku, uderzy w nas swoim potencjałem grzewczym. A przecież dziś to my nadal, i wciąż coraz więcej, podgrzewamy sztucznie naszą Ziemię poprzez niekontrolowane spalanie paliw kopalnych i wylesienia planety powodujące emisje nadmiarowe gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla, które coraz skuteczniej zatrzymują nadwyżkę promieniowania długofalowego (podczerwonego) w troposferze, a zmniejsza jego strumień do stratosfery (John Harries i in., 2001) (Jennifer Griggs i John Harries, 2004)

Promieniowanie słoneczne

Promieniowanie słoneczne. Gdyby nie ono, nie mogło by istnieć żadne życie na naszej Ziemi. Mało tego. Nie mogłyby funkcjonować żadne planety w Układzie Słonecznym. Bo to dzięki Słońcu istnieje grawitacja i ruch planet obracających się po swoich orbitach dookoła naszej gwiazdy. A także funkcjonuje promieniowanie w podczerwieni na planetach w Układzie Słonecznym, w tym na naszej planecie.

Światło widzialne

Słońce wysyła ku Ziemi i innym planetom, w prostym kierunku, całe spektrum promieniowania elektromagnetycznego (od fal najkrótszych do fal najdłuższych), w tym fale światła widzialnego, które w większym stopniu jest przepuszczalne przez chmury i gazy w atmosferze planet, w tym Ziemi. Na naszej planecie cały zakres światła widzialnego jest odbierany jako bodziec przez człowieka i większość zwierząt. I dociera go najwięcej do powierzchni naszej planety. Długość fal wynosi od 400 do 700 nm (nanometrów). Obok światła widzialnego występują też światła w nadfiolecie (fale krótkie) i w podczerwieni (fale długie).

Ultrafiolet

Ultrafiolet – światło o krótszych falach od widzialnego i niewidzialne dla naszych oczu i wielu innych zwierząt (jednak nie wszystkich, np. pszczoły, nietoperze, torbacze i renifery widzą w nadfiolecie, a wszystkie rośliny mają receptory reagujące na niego). Ultrafiolet, inaczej UV, występuje w zakresie fal: UVA o długości fal 315-400 nm (w 97 % docierających do powierzchni Ziemi), UVB o długości fal 280-315 nm (częściowo pochłanianych przez ozon w stratosferze) i UVC o długości fal 100-280 nm (całkowicie absorbowanych przez ziemską atmosferę).

Podczerwień

Kolejnym sąsiadującym światłem obok widzialnego jest światło w podczerwieni, inaczej IR (irradiancja). Jest to światło o dłuższych falach niż widzialne. Występuje ono w zakresie fal od 780 nm do 1 mm. Jest ono mocno pochłaniane przez gazy cieplarniane przez dobrze nam znany dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu oraz antropogeniczne freony. Wśród ciekawostek przyrodniczych warto jeszcze powiedzieć, że węże wyczuwając ciepło w podczerwieni wykrywają swoją potencjalną ofiarę.

Rys. Przychodzące promieniowanie słoneczne i emitowane promieniowanie planetarne (ziemskie).

Promieniowanie termiczne Ziemi

Ziemia sama z siebie, jak i inne planety w Układzie Słonecznym, promieniuje termicznie we wszystkich kierunkach w zakresie fal w podczerwieni. Zarówno w dzień, jak i w nocy. To promieniowanie, to nic innego jak ciepło powierzchni Ziemi, które jest jeszcze bardziej podgrzewane przez promieniowanie zwrotne najniższych warstw atmosfery, a ściślej troposfery.

Absorpcja i emisja ciepła w niższych warstwach chmur

Planeta nasza dostaje dawkę energii cieplnej w postaci światła widzialnego od Słońca (część jego jest odbijana od chmur oraz rozpraszana i absorbowana, a część jest odbijana od powierzchni Ziemi), a potem wyemitowuje ją we wszystkich kierunkach. A to promieniowanie z kolei, jest absorbowane w dużym stopniu przez chmury wysokie i niskie w nocy oraz przez gazy cieplarniane, głównie przez dwutlenek węgla. A następne promieniowanie w podczerwieni w każdej warstwie chmur emituje energię cieplną na wszystkie strony, podgrzewając przez to całą atmosferę i powierzchnię Ziemi. Mamy tu do czynienia z prawem Kirchoffa. Każda substancja absorbująca promieniowanie, równocześnie je wyemitowuje.

Absorpcja i emisja ciepła w wyższych warstwach chmur; w tym coraz mniejsza ucieczka energii cieplnej w kosmos

Im wyżej jednak fale podczerwone się znajdą, tym skuteczniej one uciekają w przestrzeń kosmiczną. Jednak uciekanie energii cieplnej z troposfery do stratosfery i dalej w kosmos jest coraz mniejsze wraz z podnoszeniem się temperatury globalnej Ziemi. Jednak jedną z przyczyn ucieczki w kosmos energii termicznej jest przede wszystkim spadek temperatury w troposferze wraz z wysokością. O 1°C w suchej atmosferze, a o 0,6°C w wilgotnej atmosferze (w której znajduje się jeszcze wystarczająca ilość pary wodnej będącej też gazem cieplarnianym). Ale z drugiej strony, według spostrzeżeń na kursie internetowym forecast.uchicago. edu przez Davida Archera, im wyżej absorbowana jest energia termiczna w atmosferze przez np. dwutlenek węgla, tym mocniej jest podnoszona temperatura Ziemi w promieniowaniu zwrotnym atmosfery. Tak więc, nasza planeta wówczas silniej podgrzewa się.

Promieniowanie zwrotne atmosfery i absorpcja energii termicznej przez oceany i lądy

Warto też wiedzieć, że promieniowanie zwrotne atmosfery, które powraca z powrotem ku Ziemi ma niższą temperaturę od emitowanego promieniowania termicznego z Ziemi ku atmosferze, ale, co bardzo istotne dla stopnia wzmocnienia efektu cieplarnianego, ma prawie dwukrotnie wyższą od światła widzialnego padającego na powierzchnię naszej planety. To właśnie to promieniowanie przyczynia się do podgrzewania lądów i oceanów wchodzących w skład klimatu ziemskiego (Rolf Philippona i in. 2004) (Benjamin Santer i in., 2013).

Zwłaszcza oceany gromadzą ogromne ilości energii cieplnej. I to wielokrotnie więcej niż lądy. Oceany – 93 % , a lądy (gleby, biosfera, lądolody i lodowce) i atmosfera  – 7 %.

https://www.nature.com/articles/35066553

https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/5543/0000/Comparison-of-spectrally-resolved-outgoing-longwave-data-between-1970-and/10.1117/12.556803.short?SSO=1

https://www.acs.org/content/acs/en/climatescience/energybalance/predictedplanetarytemperatures.html

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2003GL018765

https://www.pnas.org/content/110/43/17235

http://forecast.uchicago.edu/lectures.html

https://www2.ucar.edu/climate/faq/what-greenhouse-effect

http://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/efekt-cieplarniany-jak-to-dziala-70

https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_effect

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *