Globalne ocieplenie okiem fizyka

Nasa
Żeby zrozumieć przeszłe i aktualnie obserwowane zmiany klimatu, spróbujemy spojrzeć na nasza planetę okiem fizyka i poznać podstawowe mechanizmy fizyczne, które rządzą przepływami w atmosferze i oceanie. Takie spojrzenie, nieco inne niż nasze codzienne myślenie o pogodzie w najbliższym otoczeniu, chłodne, ale precyzyjne, pozwoli nam zrozumieć niektóre zależności w świecie przyrody. Samo określenie „globalne ocieplenie” podsuwa myśl, od jakich zjawisk fizycznych musimy rozpocząć poszukiwania. Punktem startowym jest analiza przepływów energii i przegląd zbiorników ciepła w tzw. układzie klimatycznym, czyli tak naprawdę w cienkiej zewnętrznej warstwie naszej planety obejmującej atmosferę, hydrosferę, powierzchnię gruntu i biosferę.
Głównym źródłem energii „zasilającej” układ klimatyczny jest Słońce.
Reakcje termojądrowe, przede wszystkim zamiana wodoru w hel, zachodzące we
wnętrzu Słońca ogrzewają naszą gwiazdę tak, że jej zewnętrzne warstwy
osiągają temperaturę około 5800 K i emitują promieniowanie. Prawo
Stefana–Boltzmanna mówi, że każde ciało o temperaturze większej niż 0 K
emituje promieniowanie elektromagnetyczne, a strumień energii
tego
promieniowania wyraża się wzorem
![]() |
gdzie
jest stałą Stefana–Boltzmanna, równą około
Takie promieniowanie nazywamy promieniowaniem
termicznym, a promieniowanie słoneczne jest jego bardzo dobrym przykładem.
Prawa Wiena i Plancka mówią szczegółowo o długościach fal tego
promieniowania, tym krótszych, im wyższa jest temperatura emisyjna źródła.
Ponieważ temperatura Słońca jest wysoka, mówiąc o promieniowaniu
słonecznym w języku fizyki atmosfery, często używamy sformułowania
„promieniowanie krótkofalowe”.

Rys. 1 Bilans radiacyjny powierzchni Ziemi. Szare strzałki to promieniowanie słoneczne padające na powierzchnię równą przekrojowi planety, częściowo pochłonięte i częściowo odbite przez planetę. Kolorowe strzałki to promieniowanie termiczne planety emitowane z całej jej powierzchni.
Temperatura efektywna
Strumień energii promieniowania krótkofalowego Słońca docierający
do orbity Ziemi nazywa się stałą słoneczną. Część promieniowania
słonecznego padającego na powierzchnię Ziemi jest absorbowana, a część
odbijana w kosmos. Stosunek energii odbitej do przychodzącej to tzw.
albedo planetarne. Energia promieniowania słonecznego zaabsorbowanego
na powierzchni Ziemi gromadzi się w układzie klimatycznym. Wzrost
energii wewnętrznej układu klimatycznego powoduje wzrost temperatury
powierzchniowych warstw planety aż do momentu, w którym emisja
promieniowania termicznego zrównoważy absorpcję energii. Ustala się
wtedy stan równowagi układu klimatycznego, zależny od tego, jaki
strumień energii słonecznej dociera do orbity Ziemi oraz jaką część
docierającej do niej energii Ziemia pochłania, a jaką odbija. Na drodze
promieniowania słonecznego Ziemia stanowi przeszkodę o powierzchni
gdzie
to promień Ziemi. Przy strumieniu energii
słonecznej
całkowita energia słoneczna docierająca do powierzchni
Ziemi wyniesie
z czego przy albedo
powierzchnia Ziemi
pochłonie moc
![]() |
Ponieważ Ziemia obraca się i w cyklu dobowym oświetlana jest cała jej
powierzchnia, a dodatkowo cyrkulacje atmosferyczne i oceaniczne wyrównują
temperaturę planety, promieniowanie termiczne emitowane jest z całej
powierzchni kuli ziemskiej, która wynosi
Przyjmijmy (jest to
niezłe przybliżenie), że Ziemia emituje jak ciało doskonale czarne.
Zgodnie z prawem Stefana–Boltzmanna planeta o temperaturze emisyjnej
wypromieniowuje w kosmos moc
![]() |
W stanie równowagi moc pochłanianego promieniowania słonecznego
równoważona jest emisją promieniowania termicznego o mocy
skąd łatwo obliczyć, że temperatura emisyjna planety wynosi
![]() |
Podstawiając wartość stałej słonecznej
oraz albedo
Ziemi
dostajemy
Innymi słowy,
patrząc z kosmosu, widzimy naszą planetę jako chłodną, o temperaturze nieco
mniejszej od
podczas gdy średnia temperatura na powierzchni
Ziemi jest o ponad
wyższa niż
Skąd bierze się ta
różnica? Odpowiada za nią cienka i zwiewna otoczka gazowa otaczająca
powierzchnię planety – atmosfera ziemska.

Źródło: Wikipedia
Rys. 2 Pionowy podział atmosfery z zaznaczeniem temperatur.

Nasa
Na fotografii wschodu Słońca wykonanej z promu kosmicznego widać, jak cienka jest atmosfera – jasna warstwa rozpraszająca promieniowanie słoneczne.
Efekt cieplarniany
Ilustracje w wielu podręcznikach pokazują grubą powłokę podzieloną na
warstwy: troposferę, stratosferę, mezosferę i termosferę, która przechodzi
w przestrzeń kosmiczną na wysokości 2-3 tysięcy kilometrów – odległości
takiej jak połowa promienia naszej planety. Logarytmiczna skala wysokości
używana na ilustracjach sztucznie rozciąga troposferę i stratosferę, co nie
pozostaje bez wpływu na naszą percepcję. Lepszy obraz atmosfery jest taki:
w termosferze prawie nie ma materii, znakomita większość obiektów, które
wysłaliśmy w kosmos, dalej nie dotarła. Lądowanie kapsuły z kosmonautami
zaczyna się na granicy termosfery, na wysokości około 100 km. Jeśli
przyjmiemy tę warstwę za górną granicę atmosfery, to grubość jej w stosunku
do promienia Ziemi (około 6370 km) jest mniejsza niż grubość skórki
jabłka w stosunku do miąższu. Pasażerski samolot na wysokości
przelotowej rzędu 10 kilometrów ma pod sobą około
masy
atmosfery. A gdyby powietrze sprężyć do takiej gęstości, jaką ma
woda, grubość atmosfery wynosiłaby zaledwie 10 metrów. Miałaby
ona wtedy objętość niemal 300 razy mniejszą niż objętość wody
w oceanie światowym (średnia głębokość to około 4 km, pokrywa on
około
powierzchni globu), a nawet mniejszą niż ilość
wody zawartej w lądolodach Antarktydy i Grenlandii (która odpowiada
warstwie wody o grubości 70 m pokrywającej całą planetę). Żeby sobie
uzmysłowić, jak bardzo ta cienka warstwa powietrza nad naszymi głowami
wpływa na warunki panujące na powierzchni Ziemi, wystarczy spojrzeć
na Księżyc, który średnio otrzymuje od Słońca tyle samo energii
na jednostkę powierzchni co nasza planeta i niemal całą ją absorbuje
(średnie albedo około 0,12). Główną cechą atmosfery, która nas tu
interesuje, jest fakt, że jest ona niemal przezroczysta dla promieniowania
krótkofalowego (słonecznego) i niemal nieprzezroczysta dla emitowanego przez
powierczhnię Ziemi i atmosferę promieniowania termicznego, odpowiadającego
temperaturom w zakresie 200-350 K. Za tę ostatnią cechę odpowiadają
tzw. gazy cieplarniane (para wodna,
i inne), których
w atmosferze jest niewiele. Niewiele, co nie znaczy, że ich efekt jest niewielki.
Utrudniają one ucieczkę promieniowania długofalowego w kosmos, a samo
zjawisko nazywa się „efektem cieplarnianym”. Nazwę tę nadał, badając
bilans energetyczny naszej planety, francuski fizyk Joseph Fourier w roku
1824.

Rys. 3 Schematyczne przedstawienie efektu cieplarnianego za pomocą „modelu szyby”.
Efekt cieplarniany można zilustrować prostym modelem, tzw. modelem szyby
(Rys. 3). Atmosferę planety zastąpmy warstwą materiału przezroczystego dla
promieniowania słonecznego i absorbującego
promieniowania
termicznego z powierzchni planety. Warstwa po zaabsorbowaniu promieniowania
termicznego wyemitowanego z powierzchni ogrzewa się i emituje promieniowanie
termiczne w równych proporcjach w kosmos i do powierzchni gruntu.
W warunkach równowagi emisja w kosmos równoważy strumień energii od
Słońca, a do powierzchni Ziemi dociera dodatkowo strumień promieniowania
termicznego atmosfery (tzw. promieniowanie zwrotne), co w efekcie podnosi
temperaturę powierzchni gruntu.
O ile szczegóły fizyczne efektu cieplarnianego są bardzo skomplikowane, a prosty model powyżej stanowi jedynie ilustrację jego niektórych cech, konsekwencje efektu cieplarnianego można przedstawić za pomocą łatwej do zrozumienia analogii. Wyobraźmy sobie dom (układ klimatyczny) z dostawą ciepła z elektrociepłowni (Słońce). Przy stałych warunkach na zewnątrz budynku w jego wnętrzu po pewnym czasie ustali się pewna temperatura: dopływ energii będzie równoważony ucieczką ciepła przez ściany. Wtedy dom okrywamy izolacją (atmosfera z gazami cieplarnianymi) pozwalającą zatrzymać energię wewnątrz budynku. Temperatura wnętrza i ścian wzrośnie. W efekcie będzie rosnąć ucieczka ciepła, aż do momentu ustalenia się nowego stanu równowagi – teraz już przy cieplejszym wnętrzu budynku. W tym nowym stanie ucieczka ciepła na zewnątrz będzie znowu równoważyć dopływ ciepła do budynku, a zatem obserwator zewnętrzny nie zauważy różnicy między stanem domu po ociepleniu, odczują ją natomiast przebywający wewnątrz mieszkańcy.
Bilans energii Ziemi
Do tej pory zajmowaliśmy się tylko przepływami energii promieniowania wewnątrz układu klimatycznego. Nie jest to jedyny sposób, w jaki powierzchnia gruntu i ocean wymieniają energię z atmosferą. Istotne jest jeszcze bezpośrednie ogrzewanie powietrza od powierzchni gruntu czy oceanu (przewodnictwo cieplne) oraz efekty wymiany ciepła utajonego: woda, parując z powierzchni oceanu, gleby czy roślin, zabiera ciepło przemiany fazowej (wody w parę), które oddaje podczas kondensacji pary wodnej w chmurach. Gdy woda wypadnie z chmur na ziemię w postaci opadu, ciepło kondensacji zostaje w atmosferze.

Rys. 4 Uśrednione (po całej powierzchni Ziemi i kilku latach) strumienie energii
układu powierzchnia Ziemi-atmosfera-przestrzeń kosmiczna wyznaczone na podstawie
danych satelitarnych z okresu III 2000–V 2004 z wykorzystaniem GCM (ang. Global
Climate Model, Globalny Model Klimatu). Bilans pokazuje, że układ klimatyczny nie był
w tym czasie w stanie równowagi, emisja energii w kosmos była średnio mniejsza
o
niż absorpcja energii promieniowania słonecznego. Za: K.E. Trenberth, J.T.
Fasullo, J. Kiehl, Earth’s Global Energy Budget, Bull. Amer. Meteor. Soc. 90 (2009), 311-323.
Wymianę energii między powierzchnią naszej planety, atmosferą oraz
przestrzenią kosmiczną przedstawia rysunek 4 Zilustrowano na nim
uśredniony po kilku latach i całej powierzchni naszej planety bilans energii na
jednostkę powierzchni
Liczby podane na tym diagramie
przykuwają uwagę. Strumień energii promieniowania podczerwonego
atmosfery dochodzącego do powierzchni Ziemi (efekt cieplarniany) jest
dwukrotnie większy niż strumień energii światła słonecznego! Ponadto
strumienie energii przenoszone do atmosfery przez cykl hydrologiczny są
około czterokrotnie mniejsze niż wymiana energii przez promieniowanie
w podczerwieni i jednocześnie mniej więcej czterokrotnie większe niż
bezpośrednie ogrzewanie się powietrza od podłoża! Oznacza to, że
zmiany w strumieniach radiacyjnych w podczerwieni ma taki
wpływ na transfery energii jak
zmiany w strumieniach ciepła
odczuwalnego.
Dalsza uważna analiza diagramu pokazuje ogromną rolę wody w wielu kluczowych ogniwach całego bilansu energetycznego. Kondensacja pary wodnej prowadzi do powstawania chmur, których obecność reguluje dopływ energii do układu. Chmury, zarówno wodne, jak i lodowe, efektywnie odbijają promieniowanie słoneczne w kosmos, więc ich obecność i własności wpływają na albedo planety. Chmury uczestniczą także w efekcie cieplarnianym, gdyż składają się z wody, która absorbuje w podczerwieni, a jednocześnie są znacznie mniej przezroczyste dla promieniowania podczerwonego niż para wodna (mówimy, że mają dużą grubość optyczną). Fakt, że procesy kondensacji i parowania efektywnie dostarczają ciepło z powierzchni Ziemi do atmosfery, ma jeszcze jedną niezwykle ważną cechę. Cykl hydrologiczny to wielka maszyna parowa, która działa w naszej atmosferze i efektywnie napędza cyrkulacje mas powietrza i wód w głębi oceanów, które redystrybuują energię w układzie klimatycznym, a profil temperatury w troposferze związany jest z tym, jak współgrają procesy transferu radiacyjnego i konwekcji chmurowej (równowaga radiacyjno-konwekcyjna).
Przedstawiony na rysunku 4 bilans energii, wynikający ze zmierzonych
satelitarnie i obliczonych numerycznie wartości strumieni, ujawnia
niepokojącą informację. Układ klimatyczny nie jest w stanie równowagi
termodynamicznej: każdy metr kwadratowy naszej planety w każdej
sekundzie akumuluje
energii. Jak duża jest to wartość,
można zrozumieć, porównując ją, na przykład, ze strumieniem ciepła
geotermalnego, który wynosi około
czy „bezpośrednim”
ogrzewaniem atmosfery przez człowieka:
Widać, że
sytuacja naszej planety przypomina dom w trakcie okładania izolacją.
I tak właśnie jest – potrafimy na wiele różnych sposobów pokazać,
że nierównowaga radiacyjna, którą obserwujemy, jest spowodowana
wzmocnieniem efektu cieplarnianego wskutek przyrostu koncentracji
gazów cieplarnianych w atmosferze. Można także stwierdzić – przy
użyciu fizyki jądrowej i analizy składu izotopowego dwutlenku węgla
w atmosferze i paliwach kopalnych – że ten wzrost koncentracji gazów
cieplarnianych jest efektem spalania paliw kopalnych. Ale to już temat na osobny
artykuł.
Obraz przedstawiony w tym artykule jest bardzo uproszczony, pomija wiele zjawisk i oddziaływań w układzie klimatycznym; uproszczenia te nie wpływają jednak na najważniejszy wniosek opisywanej analizy: bilans energii globu to najważniejszy czynnik odpowiedzialny za klimat, a jego ostatnie zaburzenie odpowiada za globalne ocieplenie. Czytelników pragnących zapoznać się bardziej szczegółowo z tym, jak wygląda fizyka procesów klimatycznych oraz co nauki przyrodnicze mówią o aktualnych, przeszłych i możliwych przyszłych zmianach klimatu, zapraszam do portalu popularnonaukowego naukaoklimacie.pl.