W atmosferze Ziemi, a ściślej w troposferze, która jest częścią systemu klimatycznego Ziemi, najważniejsze gazy to azot i tlen. Pierwszego jest 78 % w atmosferze, a drugiego 21 %. Oba gazy nie pochłaniają i nie emitują promieniowania długofalowego (podczerwonego), a więc nie są gazami cieplarnianymi. Podobnie argon, pierwiastek chemiczny w atmosferze z zawartością 0,9 %, który nie tylko sam nie łączy się z takimi samymi atomami, ale i nie łączy się z żadnymi innymi atomami czy cząsteczkami, przez co nazywany jest gazem szlachetnym. Również jak azot i tlen nie ma on właściwości cieplarnianych.
Cechą charakterystyczną, która wyjaśnia czy dana cząsteczka chemiczna jest gazem cieplarnianym czy nie, jest to czy jest dwuatomowa czy składa się z więcej niż dwóch atomów.
—-
Rys.1. Po lewej stronie cząsteczki gazów niepochłaniających i nieemitujących podczerwieni, po prawej stronie cząsteczki gazów pochłaniających i emitujących promieniowanie podczerwone. Koncentracja gazu podana w ppm oznacza liczbę cząsteczek danego gazu na milion cząsteczek powietrza: przykładowo 400 ppm CO2 oznacza, że na każde milion cząsteczek w atmosferze 400 z nich to molekuły CO2. Kolor czerwony: atomy tlenu, biały – wodoru, czarny – węgla, niebieski – azotu, jasnozielony – fluoru, ciemnozielony – chloru.
—-
Pozostałe gazy niecieplarniane takie jak wodór i hel (będący też szlachetnym gazem) w atmosferze Ziemi mają charakter śladowy.
Nas jednak mocno interesują gazy o właściwościach cieplarnianych. Problemem współczesnym jest ich rosnąca nadwyżka. W szczególności dotyczy to długożyjących gazów cieplarnianych jak dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu i przemysłowe gazy, głównie freony (CFC – chlorofluorowęglowodory i HFC – wodorofluorowęglowodory).
Dwutlenku węgla jest w atmosferze ok. 0,04 %, czyli koncentracja z 2019 roku tego gazu wyniosła 410 ppm. Metanu jest ok. 0,00019 %, czyli stężenie z tego samego roku wyniosło 1,872 ppm (1872 ppb). A podtlenku azotu jest ok. 0,3 %, czyli stężenie z tego samego roku wyniosło 0,331 ppm (331 ppb).
Wśród krótkożyjących gazów ozon jako stały gaz cieplarniany, zarówno w stratosferze, jak i w troposferze, występuje z koncentracją 0,6 ppm. Natomiast para wodna już jako zmienny gaz cieplarniany, wprawdzie występuje z koncentracją dochodzącą w najniższych warstwach atmosfery, zwłaszcza przy powierzchni Ziemi, do 4000 ppm, ale nie odgrywa tak jak ozon zasadniczej roli pod względem wymuszenia radiacyjnego.
Jednak pośród wszystkich gazów cieplarnianych, to dwa z nich odgrywają zasadniczą rolę:
- Para wodna dająca największy efekt cieplarniany
- Dwutlenek węgla powodujący największe wymuszenie radiacyjne
—-
Rys.2. Sposoby drgań cząsteczki wody, oddziałującej z promieniowaniem podczerwonym. Liczby na dole pokazują długość fali oraz liczbę falową promieniowania o energii odpowiadającej danemu sposobowi drgań.
—-
https://naukaoklimacie.pl/cdn/upload/5e75f94fa57ed_gaz-wibracja1.png
Rys.3. Sposoby drgań cząsteczki dwutlenku węgla, oddziałującej z promieniowaniem podczerwonym. Liczby na dole pokazują długość fali oraz liczbę falową promieniowania o energii odpowiadającej danemu sposobowi drgań.
—-
Cząsteczki pary wodnej są najsilniej skoncentrowane w najniższej warstwie atmosfery i to najwięcej przy samej powierzchni Ziemi. Wtedy w gorętszej atmosferze, np. w tropikach, dochodzi do większej prędkości ich oraz większej liczby zderzeń, co przejawia się tym, że jedna drugiej przekazuje więcej energii cieplnej. Cząsteczki pary wodnej pochłaniają i emitują fale podczerwone w paśmie absorpcji promieniowania 18-30 mikrometrów (µm). Widmo ziemskie przedstawione w Kelvinach poniżej na rysunku przebiega tu między widmem ciała o temperaturze 240 K (linia fioletowa) i 280 K (linia żółta).
Z kolei cząsteczki dwutlenku węgla, metanu i podtlenku azotu są w atmosferze jednorodnie wymieszane, ale i tak w najniższej troposferze jest cieplej niż w najwyższej na granicy z tropopauzą. Dlatego, że w niższych warstwach atmosfery gdzie powietrze jest gęste i panuje w nim większe ciśnienie, cząsteczki te podobnie jak pary wodnej szybciej się zderzają i przekazują sobie więcej ciepła, aniżeli w górnych warstwach atmosfery.
Cząsteczki dwutlenku węgla pochłaniają i emitują fale podczerwone w paśmie absorpcji promieniowania 14-16 µm. A widmo ziemskie pokazane poniżej na rysunku w tych długościach fal odpowiada widmu ciała doskonale czarnego o niskiej temperaturze. Pokrywa się ono z widmem odpowiadającym temperaturze ok. 220 K (poniżej -50°C, linia jasnoniebieska).
Jak widać, zarówno para wodna, jak i dwutlenek węgla różnią się poziomami emisji w poszczególnych temperaturach w atmosferze. Pierwszy gaz jest zmienny i wraz ze spadkiem temperatury i ciśnienia podczas wznoszenia się w górę atmosfery ochładza się do tego stopnia, że przekracza punkt rosy i skrapla się do kropel deszczowych albo nawet w niektórych przypadkach resublimuje, czyli przechodzi ze stanu gazowego w stan ciała stałego, np. do kryształków lodu. Jednak jako gaz w atmosferze jeszcze jest aktywny na wysokości kilku kilometrów na średnich szerokościach geograficznych, ale w znacznie mniejszej liczbie. Właśnie w zakresie 240-260 K jest najlepiej pochłaniany.
Z kolei drugi ważny gaz będący regulatorem klimatycznym w skali geologicznego czasu na Ziemi, dwutlenek węgla jest bardzo dobrze wymieszany w całej troposferze aż do tropopauzy. Również w mniejszej ilości jest spotykany w stratosferze, od 12 do 50 kilometrów od powierzchni Ziemi. A na wysokości od 50 do 100 km w mezosferze jest go jeszcze mniej. Największy zakres absorpcji promieniowania podczerwonego w widmie Ziemi występuje w górnych warstwach atmosfery.
W zakresie widma 8-13 µm jest tzw. okno atmosferyczne, przez które fale podczerwone w tym paśmie nie są absorbowane przez żadne gazy cieplarniane oprócz ozonu, który jest tam pochłaniany w mniejszym paśmie 9-10 µm.
Ale to właśnie okno atmosferyczne jest właśnie kluczowe do stabilizacji bilansu radiacyjnego planety. Np. nastąpi to wtedy, gdy do układu ziemskiego będzie wchodzić tyle energii cieplnej, ile z niego wychodzi, ale już przy znacznie wyższej średniej temperaturze powierzchni Ziemi. Nastąpi to wtedy, gdy pojawi się wysycenie dwutlenku węgla w atmosferze.
—-
Rys.4. Widmo promieniowania podczerwonego Ziemi i atmosfery, jakie zarejestrować można, umieszczając przyrząd pomiarowy na górnej granicy (szczycie) atmosfery (nieregularna niebieska linia). Gładkie linie odpowiadają promieniowaniu ciał doskonale czarnych o określonych temperaturach, od 220 K do 300 K (widma Plancka). Czarne przedziały pokazują zakres pasm absorpcyjnych różnych gazów cieplarnianych, a szary prostokąt zakres tzw. „okna atmosferycznego” (8–13 µm), w którym promieniowanie podczerwone nie jest znacząco pochłanianie przez gazy cieplarniane (poza pasmem absorpcyjnym ozonu O3). Uwaga: na ilustracji nie przedstawiono danych pomiarowych, lecz symulację wykonaną z użyciem modelu numerycznego MODTRAN dostępnego na stronie Uniwersytetu w Chicago dla atmosfery tropikalnej przy domyślnych ustawieniach modelu, odpowiadających stężeniom gazów cieplarnianych w 2016 roku – w tym 400 ppm CO2).
—-
Przyjrzyjmy się modelowi MODTRAN z Uniwersytetu w Chicago, jak zmieni się widmo długofalowego promieniowania Ziemi gdy zostanie zwiększane stężenie gazów cieplarnianych w tropikalnej atmosferze.
Czyli, jak zmieni się opuszczające Ziemię promieniowanie przy różnych stężeniach CO2 w watach na metr kwadratowy (W/m2):
- bez tego gazu,
- przy stężeniu 10 ppm (parts per milion) (10 cząsteczek na milion cząsteczek powietrza)
- przy stężeniu 200 ppm
- przy stężeniu 400 ppm
- przy stężeniu 800 ppm
- przy stężeniu 1600 ppm
Gdyby nie było dwutlenku węgla w atmosferze to pasmo absorpcji promieniowania długofalowego Ziemi, przy mocy promieniowania 329,7 W/m2 , wynoszące 14-16 mikrometrów (μm) w jego widmie byłoby tak samo przezroczyste dla tegoż promieniowania jak to jest obecnie w paśmie okna atmosferycznego 8-13 mikrometrów.
Jednak już dodanie 10 ppm CO2 do atmosfery zmienia cały obraz sytuacji widma opuszczającego Ziemię promieniowania długofalowego. Przy tej samej średniej temperaturze powierzchni Ziemi jego strumień spada z 329,7 do 316,8 W/m2, czyli aż o 12,9 W/m2. W okolicach 15 μm jest widoczny wyraźny „dołek” w widmie, co wskazuje nam, że fale tej długości zaczęły być absorbowane.
—-
Rys.5. Widmo promieniowania podczerwonego Ziemi i atmosfery, jakie można zarejestrować, umieszczając przyrząd pomiarowy na górnej granicy (szczycie) atmosfery (nieregularna niebieska linia). Gładkie linie odpowiadają promieniowaniu ciał doskonale czarnych o określonych temperaturach, od 220 K do 300 K (widma Plancka). Kolejne wykresy dotyczą kolejnych stężeń CO2. Pod koncentracjami pokazany jest strumień opuszczającej Ziemię energii w W/m2. Uwaga: na ilustracji nie przedstawiono danych pomiarowych, lecz symulację wykonaną z użyciem modelu numerycznego MODTRAN dostępnego na stronie Uniwersytetu w Chicago dla atmosfery tropikalnej przy domyślnych ustawieniach modelu.
—-
Zwiększenie w tropikalnej atmosferze bez chmur i deszczu koncentracji dwutlenku węgla do 200 ppm, czyli do takiego poziomu jaki był podczas glacjałów w plejstocenie, pokazuje nam, że największe pochłanianie CO2 zachodzi w atmosferze na wysokości, licząc od powierzchni Ziemi, przy temperaturze 220 K. Wówczas następuje spadek strumienia promieniowania długofalowego opuszczającego Ziemię do 301,8 W/m2. A „dołek” w w jego widmie mocniej pogłębia się.
Poczynając od podobnego do dzisiejszego stężenia CO2 wynoszącego ok. 400 ppm, „dołek” w widmie promieniowania długofalowego Ziemi przestaje pogłębiać się, ale zaczyna poszerzać się. A to oznacza, że mamy coraz wyraźniejszy znak z wysycaniem dwutlenku węgla w atmosferze. Przy tejże koncentracji spadek strumienia promieniowania podczerwonego w tropikalnej atmosferze bez chmur i deszczu dochodzi do 298,5 W/m2.
Gdybyśmy dalej kontynuowali kurs emisji „biznes jak zwykle”, czyli RCP 8.5 (Representative Concentration Pathways), to w atmosferze tropikalnej bez chmur i deszczu widmo promieniowania podczerwonego Ziemi pokazałoby nam jeszcze mniejszy jego strumień opuszczający naszą planetę. Wyniósłby on 295,2 W/m2.
A przy dalszym rozregulowaniu systemu klimatycznego z dalszymi emisjami dwutlenku węgla do atmosfery przy koncentracji 1600 ppm nastąpi tak silne wysycenie dwutlenkiem węgla atmosfery przy spadku strumienia promieniowania długofalowego do 291,8 W/m2.
Gdy wysyci się w widmie promieniowania pasmo absorpcji dwutlenku węgla, to i tak wprawdzie nie będzie się ono już pogłębiać, ale zacznie się poszerzać. Nastąpi też znacznie mniejsze wychodzenie z układu ziemskiego strumienia energii fal w podczerwieni.
—-
Rys.6. Całkowity strumień energii niesionej przez opuszczające Ziemię promieniowanie podczerwone w funkcji koncentracji CO2. Zaznaczone zostały podwojenia stężenia i charakterystyczna dla nich zmiana strumienia energii ΔE.
—-
Autorzy artykułu „Gazy cieplarniane a transport energii” z serwisu Nauka o klimacie piszą:
Bardzo istotne jest spostrzeżenie, że dla interesującego nas przedziału (od 200 ppm do tysięcy ppm) każde podwojenie stężenia dwutlenku węgla przekłada się na taką samą zmianę strumienia opuszczającej Ziemię energii, niezależnie od tego, czy jest to wzrost z 200 ppm do 400 ppm, czy z 800 do 1600 ppm.
Zależność, w której podwojenie wartości x skutkuje stałą zmianą wartości y, to zależność logarytmiczna.
Naszą symulację przeprowadziliśmy dla określonych warunków (średnioroczna atmosfera dla regionu zwrotników).
Średnio rzecz biorąc, podwojenie stężenia CO2 dla całej planety skutkuje zmniejszeniem opuszczającego Ziemię promieniowania o 3,7 W/m2 (w przybliżonych rachunkach często stosowana jest też wartość 4 W/m2).
Ogólnie mówiąc, naukowcy oszacowali, że koncentracja dwutlenku węgla wynosząca 1600 ppm przestanie na jakiś czas rosnąć, dopóki nie powstanie nowa równowaga radiacyjno-konwekcyjna przy już podwyższonej temperaturze planety od 1750 r. o 13,2°C do momentu gdy moc promieniowania wychodzącego nie osiągnie poziomu przy zerowej koncentracji dwutlenku węgla przy wciąż stałym strumieniu energii ze Słońca, czyli promieniowania wchodzącego do układu ziemskiego.
A więc, zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna, nowa równowaga radiacyjno-konwekcyjna jest przewidywana, gdy przy koncentracji CO2 1600 ppm temperatura Ziemi urośnie do 27°C = 300 K, a moc promieniowania długofalowego opuszczającego Ziemię wzrośnie do 329,7 W/m2.
—-
Rys.7. Analogicznie jak rysunek 2 w trzeciej częsci cyklu, ilustracja wzmocnionego efektu cieplarnianego i zmiany bilansu radiacyjnego. a) Sytuacja wyjściowa: w atmosferze planety nie ma CO2, planeta wypromieniowuje w podczerwieni 329,7 W/m2. b) Stężenie CO2 skokowo rośnie do 1600 ppm, strumień uciekającej z planety energii spada do 291,8 W/m2 (patrz rysunek 3). c) Po tym, jak temperatura powierzchni planety wzrasta o 13,2°C, strumień wypromieniowywanej z niej podczerwieni ponownie rośnie do 329,7 W/m2, a równowaga radiacyjna powraca.
—-
Poziom emisji
Bardzo ważną sprawą jest uświadomienie sobie, że energia cieplna w podczerwieni uchodzi w przestrzeń kosmiczną głównie z wyższych warstw atmosfery. I zachodzi ten proces w obecnej emisyjnej temperaturze Ziemi wynoszącej 256 K na wysokości 5,5 kilometra.
Ziemia szacunkowo ma obecnie temperaturę 289 K.
Przy spadku temperatury wraz z wysokością 6°C/km jest to wysokość H = 33/6 km = 5,5 km.
Jednak gdy np. zwiększy się średnia temperatura powierzchni Ziemi, np. o 1 stopnia Celsjusza, to wpłynie to na znaczne ocieplenie najniższych, średnich i najwyższych warstw chmur, a to procentować będzie podwyższeniem poziomu emisji z powodu zwiększenia nieprzezroczystości atmosfery. Np. z wysokości 5,5 do 6,5 km przy tej samej temperaturze emisyjnej 256 K.
Jeśli miałoby dojść do ponownej równowagi radiacyjno-konwekcyjnej, ale już przy podwyższonej temperaturze, to temperatura emisyjna 256 K nie może ulec zmianie.
Rys.8. Jeden z satelitów mających na pokładzie przyrząd CERES, przeznaczony do badania zmian w bilansie radiacyjnym Ziemi. Ilustrację zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA.
Autorzy serwisu Nauka o klimacie piszą:
Wzrost koncentracji gazów cieplarnianych można rozumieć jako przesunięcie poziomu emisji na większą wysokość. Powoduje to wzrost temperatury leżących poniżej warstw atmosfery, a także powierzchni Ziemi.
https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/efekt-cieplarniany-dla-sredniozaawansowanych-411