Bilans promieniowania Ziemi i efekt cieplarniany

Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
Dział: Troposfera. Poziom zaawansowany.
dział TROPOSFERA: ZAAWANSOWANE - menu (rozwiń)

System klimatyczny jest napędzany energią dostarczaną przez promieniowanie słoneczne. Tylko część tej energii dociera do powierzchni Ziemi, jest pochłaniana i powoduje wzrost temperatury. Reszta jest odbijana, rozpraszana lub pochłaniana przez cząstki powietrza. Co dokładnie dzieje się z promieniowaniem?

A. Mówiąc o promieniowaniu możemy wydzielić trzy obszary w systemie Ziemia-atmosfera:
1) przestrzeń kosmiczną powyżej górnej granicy atmosfery,
2) atmosferę,
3) powierzchnię Ziemi.
Jeśli rozpatrywalibyśmy Ziemię jako układ czy system, w którym następuje szybka wymiana ciepła, moglibyśmy stwierdzić: ilość energii dochodząca do poszczególnych części systemu jest taka sama jak ilość energii przez nie oddawana. W przeciwnym wypadku jedna z części układu ciągle otrzymywałaby coraz więcej energii lub też traciłaby jej coraz więcej, a zatem stawałaby się coraz cieplejsza lub coraz zimniejsza. Tak się jednak nie dzieje, zwłaszcza gdy rozpatrujemy to długookresowo. Istnieje równowaga między wszystkimi elementami systemu.

B. W takim systemie gazy cieplarniane NIE produkują energii. Pomagają jedynie wytworzyć równowagę, w której najniższa warstwa atmosfery jest zaskakująco ciepła.

1. Bilans promieniowania Ziemi wg raportu IPCC TAR z 2001 r., rozdz. 1.2.1
Objaśnienia: reflected solar radiation – odbite promieniowanie słoneczne, reflected by clouds, aerosol and atmosphere - odbite przez chmury, aerozol i atmosferę, reflected by surface – odbite przez powierzchnię (Ziemi), incoming solar radiation – dochodzące promieniowanie słoneczne, absorbed by atmosphere – pochłonięte przez atmosferę, latent heat – ciepło utajone, emitted by atmosphere – emitowane przez atmosferę, outgoing longwave radiation – uchodzące promieniowanie długofalowe, atmospheric window – okno atmosferyczne, greenhouse gases – gazy cieplarniane, back radiation – promieniowanie zwrotne, absorbed by surface – pochłonięte przez powierzchnię (Ziemi), thermals - ciepło jawne, evapotranspiration - ewapotranspiracja, surface radiation – promieniowanie powierzchni (Ziemi).
W tekście objaśnione są różne rodzaje transportu energii w systemie atmosfera-Ziemia.

W rzeczywistości sytuacja jest dużo bardziej skomplikowana, gdyż oceany reagują bardzo wolno na zmiany temperatury, cechuje je duża bezwładność termiczna. Atmosfera ogrzewa się dość szybko, natomiast oceany pochłaniają ciepło i ogrzewają się bardzo wolno. Dlatego też przez pewien czas Ziemia może się znajdować w energetycznej nierównowadze. W związku z tym bilans promieniowania przedstawiony na ryc. 1 może być nieco niedokładny, margines błędu wynosi 10-20%. W dalszej części tekstu zakładamy jednakże, że bilans się równoważy.

Rola gazów cieplarnianych

2. Gazy cieplarniane utrzymują ciepło w warstwie granicznej podobnie jak ciepłe ubrania chronią nasze ciało przed wychłodzeniem w zimie.
źródło: fashion 3sat online (zmienione)

Rola gazów cieplarnianych jest podobna do roli swetra w zimne dni. Gdybyśmy nie zakładali ciepłych ubrań zimą nasze ciało nadmiernie by się wychłodziło i moglibyśmy nawet zamarznąć na śmierć. Jednakże pulower ani nie ogrzewa powietrza dookoła nas, ani nie sprawia, że nasze ciało produkuje więcej ciepła, ani też sam nie produkuje energii cieplnej. On tylko pochłania ciepło emitowane przez nasze ciało, a następnie wypromieniowuje je we wszystkich kierunkach, także w kierunku naszego ciała. Między naszym ciałem a swetrem tworzy się warstwa ciepłego powietrza. Podobnie dzieje się w szklarni. Wzmocnienie efektu cieplarnianego oznacza, że w pobliżu powierzchni Ziemi gromadzi się więcej ciepła. Nie oznacza to, że więcej energii dociera do powierzchni Ziemi.

Bilans energii Ziemi krok po kroku

Oto wyniki pomiarów strumieni energii przekazywanych do lub od danej części systemu Ziemia-atmosfera w W/m2. Najpierw zobaczmy, że dla każdej części systemu ilość energii dochodzącej jest równa ilości energii uchodzącej (upraszczamy zatem opis i pomijamy wpływ oceanów):

342 W/m2 dociera od Słońca do górnej granicy atmosfery. Z tego 107 podlega od razu odbiciu albo od chmur albo od powierzchni Ziemi. Ta część promieniowania słonecznego, która podlega odbiciu i nie uczestniczy w żadnych procesach atmosferycznych jest nazywana albedo Ziemi i wynosi średnio 30% (patrz definicja poniżej).

Definicja albedo: stosunek promieniowania odbitego do całkowitego padającego na daną powierzchnię. Albedo może przyjmować wartości od 0 (co oznacza brak odbicia) do 1 (całe padające promieniowanie jest odbijane).

3. Bilans promieniowania przedstawiony osobno dla poszczególnych części systemu Ziemia-atmosfera: dla górnej granicy atmosfery, dla samej atmosfery i dla powierzchni Ziemi. Całość pozostaje w stanie równowagi (wszystkie strumienie energii ostatecznie równoważą się).
Promieniowanie słoneczne jest oznaczone kolorem żółtym, a promieniowanie długofalowe na czerwono. Część energii jest zużywana na parowanie wody i ciepło jawne. Zauważ, że do powierzchni Ziemi nie może dotrzeć więcej energii niż dociera do górnej granicy atmosfery ze Słońca. Wartość 492 W/m2 (dolna część ryciny) wydaje się zatem nieprawidłowa, ale w tym przypadku pewna część promieniowania jest liczona podwójnie, najpierw jako docierająca ze Słońca a potem (po wyemitowaniu przez Ziemię i pochłonięciu przez gazy cieplarniane) jako promieniowanie zwrotne atmosfery. Obliczenia uwzględniają więc oba te procesy i pozwalają rozpatrywać je osobno.
Autor: Elmar Uherek, na podstawie danych z raportu IPCC TAR, 2001 r.

Albedo całej Ziemi, jak już wspomnieliśmy, wynosi około 0,3. Najwięcej promieniowania odbijają chmury i polarne czapy lodowe. Pozostałe 235 W/m2 albo podlega przemianom w atmosferze albo dociera do powierzchni Ziemi i wraca później w kosmos jako promieniowanie długofalowe.

Omawiając bilans promieniowania dla samej atmosfery należy zauważyć, że atmosfera może emitować promieniowanie zarówno w przestrzeń kosmiczną, jak też do powierzchni Ziemi. To właśnie promieniowanie zwrotne atmosfery, spowodowane głównie przez gazy cieplarniane, sprawia, że powierzchnia Ziemi pochłania więcej energii (492 W/m2) niż dostarcza Słońce.

Okno atmosferyczne

Tylko 40 W/m2 jest emitowane bezpośrednio jako promieniowanie długofalowe z powierzchni Ziemi do przestrzeni kosmicznej.

4. Uproszczony schemat bilansu promieniowania Ziemi (z pominięciem odbicia) i okna atmosferycznego.
Objaśnienia: greenhouse gases – gazy cieplarniane, atmospheric window – okno atmosferyczne
Autor: Elmar Uherek

Dzieje się tak ponieważ gazy cieplarniane nie pochłaniają promieniowania o wszystkich długościach fal. Jest kilka “dziur” w spektrach pochłaniania pary wodnej (odpowiedzialnej za około 60% pochłaniania), dwutlenku węgla, metanu, podtlenku azotu, ozonu i innych gazów cieplarnianych. Zwłaszcza w przypadku pary wodnej i dwutlenku węgla te zakresy fal, gdzie absorpcja jest bardzo mała nazywane są oknami atmosferycznymi. Dzięki nim promieniowanie podczerwone może wydostać się poza atmosferę niczym przez okno w dachu szklarni (ryc. 4 i 5).

5. Model szklarni.
Autor: Elmar Uherek

Analogii między atmosferą i szklarnią nie należy jednak rozumieć dosłownie, bo w grę wchodzą różne dodatkowe procesy, np. w szklarni szkło jako ciało stałe uniemożliwia ruchy konwekcyjne powietrza, które w warunkach naturalnych, w atmosferze, występują bez ograniczeń. Jest to dodatkowy czynnik utrzymujący wysoką temperaturę w szklarni.

6. W jakim zakresie fal gazy cieplarniane pochłaniają promieniowanie?
Tylko niewielka część (teoretycznie obliczonego) promieniowania emitowanego z powierzchni ziemi może się wydostać w przestrzeń kosmiczną. Reszta jest pochłaniana przez gazy cieplarniane. Każdy gaz pochłania promieniowanie w innym zakresie fal promieniowania widzialnego, cieplengo i UV.
Animacja: Anja Kaiser © ESPERE

7. Analizując to co dzieje się z falami elektromagnetycznymi w atmosferze (czyli ile promieniowania i o jakiej długości fal przedostaje się do powierzchni Ziemi) dochodzimy do wniosku, że dla pewnych zakresów fal atmosfera jest barierą nie do przebycia. Powyższa rycina pokazuje te zakresy (kolor brązowy). Warto zwrócić szczególną uwagę na promieniowanie ultrafioletowe (1), widzialne (2) i bliską podczerwień (3).
Ozon pochłania fale z zakresu (1) i czyni atmosferę nieprzepuszczalną dla groźnego promieniowania UV-B. Światło widzialne (2) może dotrzeć do powierzchni Ziemi, dzięki niemu w dzień jest jasno, a powierzchnia ziemi się ogrzewa. W zakresie oznaczonym (3) promieniowanie podczerwone emitowane przez Ziemię (patrz ryc. 7) może być wysyłane w przestrzeń kosmiczną, ale tylko w tych zakresach, które są dla niego „przezroczyste”. W pozostałych to głównie para wodna i dwutlenek węgla zatrzymują promieniowanie długofalowe Ziemi (efekt cieplarniany). Jeśli inne gazy (O3, CH4, N2O) pochłaniają promieniowanie w zakresach z tzw. okna atmosferycznego (patrz ryc. 7), to stają się bardzo wydajnymi gazami cieplarnianymi.

Objaśnienia: atmospheric opacity - nieprzezroczystość atmosfery, wavelength - długość fali, gamma rays, x-rays and ultraviolet light blocked by the upper atmosphere (best observed from space) - promieniowanie gamma, rentgenowskie i UV jest zatrzymywane w górnych warstwach atmosfery (najlepiej obserwować je z kosmosu), visible light observable from Earth, with some atmospheric distortion - światło widzialne, które można obserwować z Ziemi, przy pewnych zaburzeniach wskutek oddziaływania atmosfery, most of the infrared spectrum absorbed by atmospheric gases (best observed from space) - większość spektrum podczerwieni jest pochłaniana przez gazy atmosferyczne (najlepiej obserwować je z kosmosu), radio waves observable from Earth - fale radiowe, które można obserwować z Ziemi, long-wavelength radio waves blocked - zablokowane długofalowe fale radiowe
Źródło: NASA / IPAC.

O tej stronie:

Autor: dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: Dr. Benedikt Steil - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy - 2004-05-16
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
Ostatnia aktualizacja: 2008-11-05
Tłumaczenie na język polski: dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków

Last modified: Thursday, 21 June 2018, 2:44 PM