Artykuł jest siódmą częścią serii pod nazwą „Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych”, bazującej na materiałach książki „Nauka o klimacie”:
Jak widzisz, ilustracja nie uwzględnia innych niż Słońce źródeł
energii, w szczególności wnętrza Ziemi (energia geotermalna) i ludzkiej
działalności (spalaniu paliw kopalnych i innym procesom przemysłowym
towarzyszy uwalnianie energii do otoczenia). Wynika to z faktu, że ich
znaczenie dla bilansu energetycznego jest znikome. Średni strumień
płynącej z wnętrza Ziemi energii geotermicznej to ok. 0,09 W/m2, a ze
źródeł antropogenicznych (głównie ciepło wydzielające się przy spalaniu
paliw kopalnych) to ok. 0,03 W/m2.
Uśredniony dla całej planety
strumień energii słonecznej na górnej granicy atmosfery wynosi 340 W/m2.
Rozpraszanie Rayleigha na składnikach gazowych atmosfery powoduje
odbicie 25 W/m2, chmury odbijają średnio 51 W/m2, a powierzchnia Ziemi
24 W/m2, co w sumie daje 100 W/m2. Oznacza to albedo planetarne bliskie
30%. Ziemia wraz z atmosferą pochłaniają w sumie 240 W/m2, podczas gdy
strumień opuszczającego planetę promieniowania długofalowego wynosi 239
W/m2 – o ok. 1 W/m2 mniej (zaokrąglamy tu do pełnych jednostek). Bilans
energetyczny Ziemi jest więc obecnie zaburzony: planeta otrzymuje więcej
energii, niż emituje.
To, że strumień opuszczającego Ziemię
promieniowania jest trochę mniejszy od strumienia docierającego do
powierzchni Ziemi nie jest przypadkiem. W artykule Globalne ocieplenie:
wersja dla niewtajemniczonych porównaliśmy Ziemię do domu, który został
szybko obłożony dodatkową izolacją: ilość uciekającej z domu energii
spadła, w wyniku czego pojawiła się nierównowaga bilansu energetycznego,
a wnętrze domu zaczęło się ogrzewać. Ostatni wzrost stężenia gazów
cieplarnianych w atmosferze powoduje dokładnie taki sam efekt.
Popatrzmy
z kolei na bilans energii powierzchni Ziemi, która pochłania 161 W/m2
promieniowania krótkofalowego i 342 W/m2 długofalowego (efekt
cieplarniany), łącznie 161 + 342 = 503 W/m2. Transport energii z
powierzchni Ziemi do atmosfery odbywa się za pomocą trzech mechanizmów:
promieniowania (398 W/m2), ciepła utajonego (parowania i kondensacji)
pary wodnej (84 W/m2) oraz konwekcji (20 W/m2) – łącznie 502 W/m2.
Patrząc w ten sposób, widzimy niezbilansowaną nadwyżkę strumienia
energii około 1 W/m2 gromadzącą się w systemie klimatycznym, a
dokładniej w jego elementach przy powierzchni planety.
Należy
podkreślić, że podane wartości są przybliżone i obarczone
niepewnościami: pomiary docierającego do Ziemi i opuszczającego ją
promieniowania pokazują, że obecna nierównowaga radiacyjna planety
wynosi 0,2–1 W/m2.
Czy można określić ją precyzyjniej?
Owszem,
można. Gdybyśmy w ocieplonym domu z naszego przykładu mieli określić
nierównowagę między energią doprowadzaną do niego i uciekającą,
moglibyśmy z jednej strony mierzyć ciepło docierające do węzła
cieplnego, a z drugiej strony za pomocą np. kamery termowizyjnej i
innych urządzeń mierzyć ucieczkę ciepła. W ten sposób uzyskalibyśmy
informacje o bilansie energetycznym domu, ale… taki sposób pomiaru nie
byłby ani łatwy w realizacji, ani szczególnie dokładny. Dużo łatwiej
byłoby mierzyć zmiany temperatury w domu. Podobnie my możemy podejść do
problemu nierównowagi energetycznej planety, mierząc tempo wzrostu
energii w ziemskim systemie klimatycznym (oceanach, atmosferze, glebach i
topnienia lodu).
Bilans radiacyjny w różnych szerokościach geograficznych
Jak
zauważyliśmy w poprzednich rozdziałach, lokalne warunki różnią się od
siebie znacząco, zmieniają się też w czasie – zarówno w cyklu rocznym,
jak i dobowym oraz przy zmianach pogody. Co więcej, w rzeczywistości nie
mamy do czynienia z lokalnym zbilansowaniem strumieni energii. Spójrzmy
na strumienie energii, jakie średnio rzecz biorąc, otrzymują różne
regiony naszej planety.
Wykres uwzględnia zmiany
nasłonecznienia (ilości promieniowania otrzymywanego przez powierzchnię
Ziemi w ciągu doby) powodowane zarówno zmieniającą się wysokością Słońca
nad horyzontem w ciągu roku, jak i długością dnia. Na równiku wahania
są najmniejsze – długość dnia zawsze wynosi tu około 12 godzin, a
fluktuacje wokół wartości 410 W/m2powodowane są jedynie zmianami
wysokości Słońca nad horyzontem (podczas równonocy wiosennej i jesiennej
Słońce góruje w zenicie, a podczas przesileń na wysokości 66,5° nad
horyzontem).
W umiarkowanych szerokościach geograficznych
nasłonecznienie zmienia się zależnie od szerokości geograficznej. Na
szerokości 60°N podczas przesilenia letniego w czerwcu dzień trwa 18,5
godziny, a Słońce wznosi się w południe o 53,5° nad horyzont. Minimum
nasłonecznienia ma miejsce podczas przesilenia zimowego w grudniu, kiedy
to dzień trwa zaledwie 5,5 godziny, a Słońce wznosi się w południe nad
horyzont zaledwie na 6,5°.
Najbardziej ekstremalne zmiany
nasłonecznienia zachodzą na biegunie (na ilustracji pokazane są zmiany
strumienia promieniowania na biegunie północnym). Podczas trwającej od
września do marca nocy polarnej promienie słoneczne w ogóle tam nie
docierają, zaś w czasie bliskim przesilenia letniego, kiedy Słońce przez
całą dobę znajduje się na wysokości 23,5 stopnia nad horyzontem, do
bieguna w ciągu doby dociera więcej energii niż do równika.
Nie
całe padające promieniowanie jest absorbowane. Śnieg i lód mają wysokie
albedo, odbijają większość padającego na nie promieniowania, z kolei
średnie albedo okolic równika jest bardzo niskie, rzędu 0,1.
Oszacujmy,
jaka byłaby średnia temperatura na równiku, gdyby na Ziemi nie było
transportu ciepła między różnymi szerokościami geograficznymi
Znając
albedo powierzchni Ziemi w tym rejonie, możemy łatwo obliczyć ilość
pochłanianej przez nią (i wypromieniowywanej w stanie równowagi)
energii: E = 0,9 · 410 W/m2 = 369 W/m2 i podstawić ją do wzoru
Stefana-Boltzmanna (E=σT4) otrzymując temperaturę emisyjną na górnej
granicy atmosfery: T=(369 / (5,67*10-8))1/4 = 284K = 11°C.
Biorąc
pod uwagę, że jest to temperatura na wysokości odpowiadającej poziomowi
emisji, temperatura okolic równikowych przy powierzchni przekraczałaby
40°C. Równocześnie średnia temperatura emisyjna na biegunach, biorąc pod
uwagę średni strumień promieniowania 150 W/m2, wynosiłaby -45°C, a
przyjmując albedo 80% spadłaby poniżej -120°C.
Podsumowując, w
niskich szerokościach geograficznych bilans radiacyjny jest dodatni,a w
wysokich – ujemny. Rejony polarne można porównać do chłodnicy planety,
odprowadzającej ciepło z obszarów tropikalnych. Gdyby zbudować mur
rozdzielający niskie i wysokie szerokości geograficzne, regiony
tropikalne rozgrzałyby się tak bardzo, że oceany byłyby zbyt gorące dla
istot żywych, obszary pozazwrotnikowe pokryłby zaś lądolód. Sytuacja
taka nie ma miejsca dzięki transportowi ciepła z rejonów równikowych na
wyższe szerokości geograficzne przez cyrkulację atmosferyczną i prądy
morskie.
Artykuł jest przeredagowanym na potrzeby publikacji w
internecie fragmentem książki Marcina Popkiewicza, Aleksandry Kardaś i
Szymona Malinowskiego pt. Nauka o klimacie.
Źródło: Nauka o Klimacie
Eksperci z PAN: jest bezdyskusyjne, że to człowiek poprzez emisję gazów cieplarnianych spowodował ocieplenie
Rusza akcja zarybiania i sprzątania Odry
Torqeedo chce produkować elementy do statków wykonane w 100% z recyklingu plastikowych odpadków wydobytych z oceanu
Marzec z rekordem temperatury oceanów – ponad 21 st. C
GIOŚ: przeprowadzono badania geofizyczne Morza Bałtyckiego na obszarze ponad 7 tys. km2
W rybach i owocach morza jest więcej PFAS niż by się wydawało