Efekt cieplarniany – wprowadzenie

Atmosfera, w skali planety jest bardzo cienką warstwą. To właśnie na atmosferze i zjawiskach w niej zachodzących skupimy się podczas omawiania zmian klimatycznych. W warstwie o grubości 10 km znajduje się blisko ¾ masy atmosfery.
Atmosfera składa się głównie z azotu i tlenu (rys.) Gazy cieplarniane, takie, jak dwutlenek węgla (CO₂), metan (CH₄), podtlenek azotu (N₂O) i freony (CFC), w sumie stanowią 0.035% zawartości atmosfery. Gdyby w atmosferze były jedynie te gazy, ich warstwa miałaby raptem około 2.8 metrów grubości. Sto lat temu byłoby to 2.1 metra. Aby podwoić ilość CO₂ w atmosferze względem poziomu sprzed epoki przemysłowej (0,028%), wystarczyłoby w tym celu na powierzchni Ziemi spalić warstwę węgla grubości zaledwie 0.6 mm!

Skład suchej atmosfery. Źródło: wikipedia

Rysunek przedstawia skład tzw. suchej atmosfery, bez uwzględnienia pary wodnej. Jej średnia zawartość w atmosferze to ~0.4%, przy powierzchni ziemi jest jej więcej, około 1-4%. Atmosfera Ziemi łagodzi wahania temperatury, podnosi też średnią temperaturę Ziemi powyżej punktu zamarzania wody. Bez atmosfery i działającego w niej efektu cieplarnianego życie roślinne i zwierzęce na powierzchni Ziemi nie mogłoby w ogóle istnieć.

Efekt cieplarniany zwany jest także efektem szklarniowym. Szklarnia jest bardzo dobrym modelem, umożliwiającym wyjaśnienie podstaw tego procesu.

Każdy na pewno zauważył, że w słoneczny dzień w szklarni temperatura jest znacznie wyższa, niż na poza nią. Poniżej przedstawiamy proste wyjaśnienie tego zjawiska.

Cała energia dochodząca do Ziemi pochodzi od Słońca. Energia ta dociera do Ziemi głównie w formie światła widzialnego, czyli promieniowania o długości fali od 400 do 700 nm. Niewielka część promieniowania emitowana jest w postaci krótszych fal ultrafioletowych i dłuższych podczerwonych. Część promieniowania docierającego do naszej planety jest natychmiast odbijana (25-30%), pozostała część nagrzewa powierzchnię Ziemi.

Ziemia absorbuje energię światła widzialnego, po czym wypromieniowuje pochłoniętą energię pod postacią promieni podczerwonych, czyli energii cieplnej (podobnie jak człowiek, co można zobaczyć np. z pomocą kamery termowizyjnej).

Promieniowanie podczerwone nie może jednak wydostać się ze szklarni tak łatwo, jak promieniowanie świetlne, ponieważ zatrzymywane jest przez szkło. Szkło pochłania promieniowanie podczerwone i nagrzewa się.

Pod gorącym szkłem nagrzewa się powietrze i ziemia. Temperatura w szklarni, dzięki warstwie pochłaniającej promieniowanie podczerwone, jest znacznie wyższa, niż byłaby bez tej warstwy.

Efekt cieplarniany w atmosferze zachodzi nie dzięki warstwie szkła, lecz dzięki obecności w atmosferze gazów cieplarnianych, które tak samo, jak warstwa szkła, pochłaniają promieniowanie podczerwone. Gazy te, to w szczególności dwutlenek węgla (CO₂), metan (CH₄), tlenek azotu (N₂O), freony (CFC), oraz para wodna. Każdy z tych gazów ma swoje własne cechy, w szczególności pochłania promieniowanie na sobie właściwych długościach fal.

Na górze spektrum promieniowania Słońca (czerwony) i wypromieniowywanego przez Ziemię (niebieski). Na dole spektra absorpcyjne gazów cieplarnianych (wraz z rozpraszaniem Rayleigha, będącego m.in. przyczyną niebieskiego koloru nieba i czerwonych zachodów Słońca). Pośrodku procent pochłanianego i rozpraszanego przez atmosferę promieniowania na różnych długościach fal. Źródło: wikimedia

Analogię pomiędzy szklarnią, a atmosferą Ziemi najlepiej wyjaśnią poniższy rysunek i opis.

Rys. Atmosfera jak szklarnia .

Najsilniejszym gazem cieplarnianym jest para wodna, na której zawartość w atmosferze nie mamy bezpośrednio znaczącego wpływu. Zawartość pary wodnej w atmosferze zależy silnie od temperatury. W niskich temperaturach para wodna w atmosferze praktycznie nie występuje, stąd niewielkie opady w rejonach polarnych (przyczynia się do tego również kierunek cyrkulacji powietrza w komórkach okołobiegunowych – przeczytaj Strefy klimatyczne na ziemi ). Antarktyda, pomimo, że pokryta zmrożoną wodą, pod względem opadów jest pustynią taką jak Sahara W ciepłym powietrzu wilgotność może sięgać nawet kilku procent, co jest szczególnie widoczne w rejonach równikowych, gdzie wilgotne, przesycone wodą gorące powietrze unosi się do góry, ochładza, a para wodna się skrapla i spada w postaci obfitych opadów deszczu.

Poziom nasycenia powietrza parą wodną w zależności od temperatury.
Źródło: www.fas.org

Pary wodna to gaz szczególny. Jakiekolwiek sztuczne zmiany koncentracji pary wodnej w atmosferze są bardzo krótkotrwałe. Para wodna, w odróżnieniu od innych gazów cieplarnianych, bierze udział w dynamicznym cyklu wodnym. Jej ilość w atmosferze może znacząco wzrosnąć w wyniku parowania w przeciągu kilku dni, ale też w wyniku opadów w przeciągu kilku godzin spaść praktycznie do zera. Pozostałe gazy cieplarniane nie podlegają takim zjawiskom i mogą istnieć w atmosferze dziesiątki, a nawet tysiące lat. Szczególną cechą pary wodnej jest też formowanie chmur. Chmury z jednej strony działają jak lustro, odbijając światło Słońca i obniżając w ten sposób temperaturę Ziemi. Z drugiej strony chmury (szczególnie w nocy) zapobiegają wypromieniowywaniu ciepła przez ziemię i jej wychładzaniu się (stąd najchłodniejsze są właśnie bezchmurne noce). Oba efekty konkurują ze sobą, ich względny wpływ zależy od nasłonecznienia (np. podczas nocy polarnej dominuje efekt ocieplający), temperatury powietrza, wilgotności, konwekcji i ogólnie od rodzaju formujących się chmur. W niektórych warunkach może przeważać efekt odbijający, w innych efekt ocieplający (efekt supercieplarniany ), przy czym średnio w skali planety, efekt ocieplający jest dominujący.

Jeśli porównać względny wpływ poszczególnych gazów cieplarnianych na efekt cieplarniany, okazuje się, że najsilniejsze jest działanie pary wodnej, na drugim miejscu plasuje się dwutlenek węgla, a na trzecim metan. Pozostałe gazy są relatywnie mniej istotne (choć np. związana z dziurą ozonową redukcja ilości ozonu nad Antarktydą wpływa na obniżenie temperatury w rejonach bieguna południowego).

Należy podkreślić, że zwiększenie koncentracji innych gazów cieplarnianych w atmosferze spowoduje podniesienie się temperatury, zwiększenie parowania oraz (zgodnie z wykresem) wzrost zawartości pary wodnej w atmosferze. Dodatkowa para wodna w atmosferze to dodatkowy wzmacniacz efektu cieplarnianego. Tak więc emitując do atmosfery dwutlenek węgla, zwiększamy nie tylko efekt cieplarniany od tego gazu, ale również wtórnie od pary wodnej. Jest to przykład tak zwanego dodatniego sprzężenia zwrotnego. A właściwie to jaki jest liczony w stopniach wkład atmosfery w ocieplanie Ziemi?

Transport energii w atmosferze odbywa się nie tylko drogą promieniowania, ale także poprzez przewodnictwo i konwekcję. Poszczególne gazy mają różne pasma pochłaniania, a energia jest wypromieniowywana na różnych wysokościach. Aby dokładnie uwzględnić wpływ poszczególnych zjawisk i gazów potrzebne są dość złożone obliczenia, przeprowadzane na podstawie modeli atmosfery.

Rys. Schematyczny przepływ energii między przestrzenią kosmiczną, atmosferą i powierzchnią Ziemi. Wymiana energii jest podana w W/m². Słońce dostarcza całej energii docierającej do Ziemi. Światło słoneczne docierające do Ziemi ma moc 1366 W/m². Ziemia otrzymuje promieniowanie z powierzchni o przekroju koła o swoim promieniu, zaś ilość całej energii rozkłada się na całą powierzchnię Ziemi (cztery razy większą), przy czym część energii odbija się od Ziemi i wraca w kosmos. Po uwzględnieniu tego, metr kwadratowy przekroju Ziemi absorbuje średnio 235 W/m², z czego 168 W/m², pochłaniają lądy a 67 W/m² trafia do atmosfery (lewa część diagramu). Z powierzchni Ziemi w kosmos ucieka 40 W/m², a ogrzana atmosfera wypromieniowuje w kosmos 195 W/m², (czyli per saldo Ziemia pochłania tyle energii, ile wypromieniowuje – 235 W/m²). Z prawej strony diagramu widać pętlę efektu cieplarnianego. Większa część energii z powierzchni ziemi (452 W/m² z 492 W/m²) zostaje pochłonięta przez atmosferę (z czego ~75% przez gazy cieplarniane, reszta to konwekcja i przewodzenie). Z tych 452 W/m² część (tutaj 195 W/m², rzeczywiste wartości w danym miejscu i chwili zależą od wielu czynników) ucieka w kosmos (ale dochodzi 67 W/m² energii przechwyconej bezpośrednio z promieniowania słonecznego). Na koniec Ziemia otrzymuje energię 324 W/m² zamiast 235 W/m², które otrzymałaby, gdyby atmosfery nie było, dzięki czemu temperatura powierzchni naszej planety jest wyższa.

O ile wyższa..? 

O 33°C! Średnia temperatura Ziemi wynosi obecnie około 14°C. Gdyby nie atmosfera i działający w niej efekt cieplarniany, temperatura Ziemi spadłaby znacznie poniżej punktu zamarzania wody. Nasza planeta wyglądałaby zupełnie inaczej… Jak? Była by cała pokryta lodem – od biegunów aż po równik. (W rozdziale Ziemia Śnieżka dowiesz się, co by było bez efektu cieplarnianego ).

Na drugim biegunie klimatycznym znajduje się najbliższa sąsiadka Ziemi – planeta Wenus. Bardzo do Ziemi podobna po względem rozmiarów, masy i budowy, różni się jednym istotnym szczegółem: jej atmosfera jest 100 razy gęstsza od ziemskiej. Atmosfera Wenus w 96,5% składa się z dwutlenku węgla, a efekt cieplarniany podnosi temperaturę do ponad 460°C. Pierwsze ziemskie sondy kosmiczne, mające wylądować na planecie, nie docierały do powierzchni planety, lecz były zgniatane i wypalane wysoko w atmosferze.

Źródło: Celestia Solar System Simulator

Oceany, które kiedyś znajdowały się na Wenus, parowały w wyższej od ziemskiej temperaturze. Po przekroczeniu krytycznej koncentracji pary wodnej (będącej gazem cieplarnianym) temperatura zaczęła rosnąć w sposób niekontrolowany, powodując odparowanie jeszcze większej ilości wody. W końcu oceany Wenus wyparowały całkowicie. Wysokoenergetyczne promieniowanie Słońca przez miliony lat, przy braku chroniącego Wenus pola magnetycznego, rozbijało cząsteczki wody. Lekki wodór uciekał w przestrzeń kosmiczną, a tlen połączył się z węglem tworząc istniejącą dzisiaj atmosferę z dwutlenku węgla.

Czytaj więcej o planecie Wenus .

Rozbuchany efekt cieplarniany uczynił z Wenus prawdziwe piekło. Najprawdopodobniej los ten stanie się również udziałem Ziemi. Temperatura Ziemi jest na razie zbyt niska, aby doszło na niej do podobnego zjawiska, ale za miliard lub więcej lat, w miarę, jak będzie rosła moc Słońca, los ten stanie się również udziałem Ziemi.

Los Wenus może być sygnałem, że mało z pozoru istotne zjawiska w atmosferze mogą doprowadzić do powstania planety o zupełnie innym, nieprzyjaznym obliczu

Jak to się dzieje, że mamy właśnie taką temperaturę na Ziemi? Co by było, gdyby nie było atmosfery? Jak wyglądałaby nasza planeta? Byłaby śnieżną kulą. O tym i nie tylko przeczytasz w rozdziale: Ziemia Śnieżka