Co się dzieje z ciepłem w naszym systemie klimatycznym?
Aby poznać mniej więcej podstawy bilansu cieplnego Ziemi, trzeba mieć co najmniej podstawową wiedzę na temat efektu cieplarnianego. David Archer w książce “Globalne Ocieplenie. Zrozumieć prognozę” na swoim wstępie napisał tak:
“Ciepło to po prostu energia atomów odbijających się od siebie. Atomy w gazach i cieczach poruszają się szybciej, gdy jest ciepło, a wolniej – gdy jest chłodno. Atomy związane chemicznie z innymi atomami rozciągają, ściskają i zginają te wiązania, również silniej w wyższej temperaturze.”
Promieniowanie słoneczne i promieniowanie ziemskie zapewniają właśnie takie ciepło. Ale przede wszystkim słoneczne. Gdyż to właśnie dzięki Słońcu istnieje życie na Ziemi.
Efekt cieplarniany
Aby zaobserwować zjawisko efektu cieplarnianego, trzeba wykonać pomiary promieniowania długofalowego (termicznego), które uchodząc z powierzchni Ziemi w dużym zakresie jest pochłaniane przez gazy cieplarniane oraz chmury, następnie pada ono prosto z atmosfery na powierzchnię Ziemi ze zwiększoną energią cieplną. Jest to jedno z najistotniejszych podstawowych praw fizyki tj. prawo promieniowania cieplnego Kirchoffa.
Prawo to mówi, że każda substancja, która ma zdolności pochłaniania promieniowania termicznego, również będzie je emitować. Atmosfera ma zdolności absorpcji promieniowania termicznego, a następnie potrafi je wypromieniować we wszystkich kierunkach. Względem tych emisji są wykonywane pomiary, zarówno z powierzchni Ziemi, jak i z satelitów krążących po orbicie naszej planety. I ważna uwaga. Pomiary te ukazują nam bezpośrednio, że promieniowanie atmosfery (tzw. zwrotne) dostarcza Ziemi więcej energii niż promieniowanie słoneczne.
Jaka jest różnica między promieniowaniem słonecznym a ziemskim?
Różnica między promieniowaniem słonecznym a ziemskim jest taka, że to pierwsze jest w szerokim spektrum promieniowania elektromagnetycznego widzialne dzięki temperaturze jaką zawiera powierzchnia naszej gwiazdy, która wynosi 5778 K (Kelvinów). A to drugie jest widzialne tylko w podczerwieni dzięki wielokrotnie niższej temperaturze powierzchni naszej planety wynoszącej 288 K.
Temperatura globalna Ziemi obecnie wynosi około 15°C. Gdyby nie obecność gazów cieplarnianych wynosiłaby -18°C, czyli 255 K (temperatura efektywna). Ziemia by była wówczas skuta lodem od biegunów aż po równik. To dzięki odpowiedniemu jednorodnemu wymieszaniu w atmosferze dwutlenku węgla, metanu i podtlenku azotu oraz niejednorodnemu wymieszaniu pary wodnej bliżej powierzchni Ziemi i ozonu w stratosferze nasza planeta mogła być zdolna do utworzenia pierwszych form życiowych. Cała złożoność ewolucji życia doprowadziła do powstania bardziej złożonych organizmów, do których i my się zaliczamy. Wraz z rozwojem naszej cywilizacji i techniki do atmosfery niedawno trafiły nasze antropogeniczne gazy cieplarniane – freony. Otoczone złą sławą poprzez to, że skutecznie niszczą warstwę ozonową Ziemi. Na szczęście, gdy skutecznie zakazano w większości krajów produkcji tych gazów, warstwa ozonowa w stratosferze nieco odbudowała się.
Jaką rolę odgrywają gazy cieplarniane w atmosferze?
Gazy cieplarniane zatrzymują dużą część ciepła uciekającego w kosmos. Do połowy XVIII wieku efekt cieplarniany mniej więcej był zbilansowany. Tyle ile energii cieplnej przychodziło do Słońca, tyle mniej więcej wychodziło w przestrzeń kosmiczną. Jednakże część ciepła musiała zostać (nie za dużo) aby ocieplać nasz glob w taki sposób by mogło w miarę harmonijnie rozwijać się życie. Taką gwarancję zapewniają obok zrównoważonej koncentracji gazów cieplarnianych również odpowiednie warstwy chmur uczestniczące w skomplikowanych procesach radiacyjnych.
Jak przebiega transfer radiacyjny Słońca w kierunku Ziemi?
Słońce dostarcza energii cieplnej w całym zakresie (spektrum) fal elektromagnetycznych. Najwięcej wysyła ich (49 %) w postaci krótkich fal oraz fal w bliskiej podczerwieni. Reszta fal ultrafioletowych czy radiowych jest zaniedbywalnie mała. Najwięcej jest światła krótkofalowego, czyli widzialnego, które widzimy. I co najistotniejsze światło słoneczne trafia tylko na tę część wirującej kuli ziemskiej, która jest odwrócona do Słońca (1/4 energii słonecznej). Jak wiadomo każdemu, Ziemia obraca się na orbicie wokół siebie w ciągu doby. Dzięki temu ciepło rozkłada się z grubsza równomiernie. Tak by nie przegrzać lub nie przechłodzić naszej planety. I oczywiście dużą rolę odgrywa nachylenie ekliptyki względem osi Ziemi. Gdy półkula północna jest bardziej nachylona ku naszej gwieździe mamy wiosnę, a jeszcze bardziej nachylona, to mamy lato. Na półkuli południowej mamy wówczas po kolei jesień, a potem zimę. Gdy półkula południowa jest bardziej nachylona mamy tu z kolei wiosnę, potem lato. A na półkuli północnej – jesień, a potem zimę. Wszystko tak zachodzi ponieważ strumień światła jest mniej więcej prostopadły. Światło słoneczne nie skręca, tylko pada zawsze prosto.
Rysunek. 1. Uśredniony bilans energetyczny Ziemi mierzony dla całego globu. Wartości strumieni energii wyrażone są w W/m2 (liczbie watów na każdy metr kwadratowy powierzchni planety) pochodzą z pracy Trenberth, Fasullo i Kiehl (2009). Konwekcja oznacza tu unoszenie się powietrza ogrzewanego przez kontakt z rozgrzaną ziemią, ewapotranspiracja – parowanie z powierzchni gleby i roślin. Pod hasłem „reemisja” kryje się emisja promieniowania przez gazy cieplarniane, które najpierw pochłaniają promieniowanie ziemskie. Gazy cieplarniane – w szczególności para wodna – absorbują promieniowanie ziemskie tylko w niektórych długościach fali. Promieniowanie o długości fal 8-14 mikronów nie jest pochłaniane – ten przedział fal nazywa się „oknem atmosferycznym”.
Jak przebiega transfer radiacyjny z Ziemi do atmosfery i z powrotem w procesie reemisji?
Wielkość promieniowania zależy od albedo (stosunku ilości promieniowania słonecznego padającego do odbitego – dla jasnych powierzchni planety jest większe, dla ciemnych jest mniejsze), od szerokości geograficznej i od specyfiki terenu, a także od charakterystyki biomu. W odpowiedzi na promieniowanie Słońca, Ziemia reaguje ze zwiększoną mocą wypromieniowując energię cieplną w postaci promieniowania długofalowego. Wpływ tu mają też różnorodne mechanizmy efektu cieplarnianego. Wśród nich jest min. konwekcja, czyli unoszenie się pionowo do góry nagrzanego powietrza oraz ewapotranspiracja, czyli parowanie wody z gruntu i z aparatów szparkowych roślin. W atmosferze promienie długofalowe są pochłaniane nie tylko przez gazy cieplarniane, ale i też przez chmury, głównie wysokie, a następnie są reemitowane ku powierzchni Ziemi ze zwiększoną mocą, co ma wpływ również na podwyższenie temperatury na Ziemi.
Sumarycznie dzięki nadwyżce energii cieplnej pochodzącej z gazów cieplarnianych antropogenicznego pochodzenia, Ziemia wypromieniowuje w kosmos coraz mniej energii cieplnej z powrotem w kosmos a znacznie jej więcej trafia od Słońca i zatrzymywanej jest w systemie klimatycznym Ziemi.
Model jednowarstwowy
Transfer radiacyjny: Słońce – Ziemia (w tym: Słońce – chmury)
Zgodnie z rysunkiem 1 powyżej przedstawionym w 2009 r. przez Kevina Trenbertha, Johna Fasullo i Jeffreya Kiehla, Słońce wysyła na Ziemię 342 W/m2 (watów na metr kwadratowy) energii cieplnej i świetlnej. 77 W/m2 jest odbijane przez jasne chmury z powrotem w kosmos, a 67 W/m2 jest pochłaniane przez chmury. 30 W/m2 fal słonecznych jest odbijane od Ziemi z powrotem w przestrzeń kosmiczną (efekt albedo). W sumie światło słoneczne (albedo od chmur + albedo od powierzchni Ziemi) wraca z powrotem w kosmos w liczbie 107 W/m2. A do Ziemi z 342 W/m2 dociera niecała połowa w liczbie 168 W/m2.
Transfer radiacyjny: Ziemia – chmury (w tym: Ziemia – kosmos)
Zgodnie z rysunkiem 1, promieniowanie podczerwone ziemskie wyzwala z siebie jeszcze więcej energii cieplnej – 390 W/m2. Z tego 40 W/m2 uchodzi w kosmos przez tzw. okna atmosferyczne. Są to obszary w atmosferze przeźroczyste w podczerwieni. A ściślej jest to promieniowanie podczerwone o częstotliwości o poszczególnych liczbach falowych. Np. ok. 1000 okresów/cm to pasmo widma promieniowania przeźroczysta dla wszystkich gazów cieplarnianych. Pasmo widma w podczerwieni o liczbie falowej ok. 700 okresów/cm jest tzw. najwyższym pasmem absorpcyjnym pochłanianym przez dwutlenek węgla. Metan ma takie pasmo absorpcyjne, którego częstotliwość wynosi ok. 1300 okresów/cm.
Wracając do emisji promieniowania podczerwonego z Ziemi na rysunku 1 przedstawione 350 W/m2 jest pochłanianych przez chmury. Następnie z chmur emitowane w górę (w tym w kosmos) jest 165 W/m2, przez gazy cieplarniane emitowane jest 30 W/m2 i prosto z Ziemi przez okna atmosferyczne – 40 W/m2. Razem z pierwszej warstwy chmur i od Ziemi emitowane jest na dalszą wysokość 235 W/m2. Z powierzchni warstwy chmur najbliżej Ziemi reemitowane ku naszej planecie jest aż 324 W/m2. A więc dość dużo. Jest to tzw. promieniowanie zwrotne atmosfery.
Dodatkowo, na tym samym wykresie, komplikują sprawę w obliczeniu dokładnego transferu radiacyjnego Ziemi wspomniane wcześniej, konwekcja nagrzanego powietrza i ewapotranspiracja. Pierwsza wynosi 24 W/m2, a druga 78 W/m2.
Model wielowarstwowy
W wielu pracach w polskim internecie i w literaturze nie ma opracowań modeli efektu cieplarnianego składającego się z więcej niż jedna warstwa. A szkoda. Poniżej jest link do jednej z prac amerykańskiego klimatologa Davida Archera (Zbliżenie modelu warstwy do efektu cieplarnianego), w którym jest przedstawiony model z dwoma warstwami chmur. Wiadomo, że następnie położone wyżej warstwy chmur tak samo emitują w górę, jak i w dół promieniowanie w podczerwieni. A właściwie na wszystkie strony. Tyle, że emitują jej coraz mniej. Im wyżej są, tym mniejszy jest transfer radiacyjny ku powierzchni Ziemi.
Temperatura powłoki atmosfery
Na koniec dwa cytaty ze wspomnianej na samym początku książki Davida Archera:
“Promieniowanie wraz ze wzrostem stężenia CO2 zachodzi na coraz większej wysokości. Jest to tzw. wysokość powłoki”
“Jeżeli zwiększymy stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze, promieniowanie podczerwone wychodzące w przestrzeń będzie emitowane z większej wysokości (opisanej jako wysokość powłoki), lecz temperatura na tej wysokości będzie taka sama jak przedtem. Wzrost wysokości powłoki (przy spadku temperatury w atmosferze) podnosi temperaturę powierzchni Ziemi. Gdyby temperatura atmosfery była taka sama na każdej wysokości, to wzrost wysokości powłoki nie miałby wpływu na temperaturę powierzchni Ziemi.”.
https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_effect
http://cybele.bu.edu/courses/gg612fall99/gg612lab/lab1.html
https://watermark.silverchair.com/2008bams2634_1.pdf
https://ksiegarnia.pwn.pl/Globalne-ocieplenie-Zrozumiec-prognoze,68455801,p.html