Para wodna i chmury

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)

Para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym, odpowiedzialnym za około 60%1 naturalnego efektu cieplarnianego. Jak dotychczas zawartość pary wodnej w atmosferze oceniano jako stałą, nie mającą wpływu na dodatkowe nasilenie efektu cieplarnianego. To się może zmienić w miarę dalszego postępowania ocieplenia Ziemi.

Prawdopodobnie najwięcej wątpliwości i znaków zapytania dotyczących przyszłych zmian klimatu ma związek ze sprzężeniami zwrotnymi powodowanymi przez parę wodną, jak również z oddziaływaniem chmur i ich wpływem na bilans promieniowania.

Nasycenie parą wodną

Zdolność powietrza do utrzymywania wody w stanie gazowym rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Cieplejsze powietrze jest w stanie utrzymać więcej pary wodnej. Krzywa saturacji pokazuje ile pary wodnej może się pomieścić w powietrzu o danej temperaturze zanim rozpocznie się skraplanie (czyli wilgotność względna osiągnie wartość 100%). Powietrze atmosferyczne wokół nas jest zazwyczaj nienasycone parą wodną. Wilgotność względna (f) jest określona następującym wzorem:

f (%) = (e/E) x 100

i może się zmieniać w szerokim zakresie.

e – aktualna prężność pary wodnej (ciśnienie cząstkowe pary wodnej w całkowitym ciśnieniu atmosferycznym, w hPa)

E – maksymalna (nasycająca) prężność pary wodnej (maksymalne ciśnienie cząstkowe pary wodnej możliwe przy danej temperaturze, w hPa)

1. Krzywa saturacji. Wraz ze wzrostem temperatury coraz więcej pary wodnej potrzeba aby doprowadzić do nasycenia nią powietrza. Zawartość pary wodnej podana jest przy pomocy wilgotności bezwzględnej (g pary wodnej na m3 powietrza).

Wzrost temperatury powietrza prowadzi do wzrostu parowania i do większej zawartości pary wodnej w powietrzu. W warstwie granicznej atmosfery, do wysokości 1-2 km, warunki termodynamiczne dla parowania są prawie idealne. Przewidywanie i modelowanie parowania w górnych warstwach troposfery jest bardziej skomplikowane i tam należy szukać możliwości nasilenia efektu cieplarnianego wskutek wzrostu zawartości pary wodnej w atmosferze.

Tworzenie się chmur

Konsekwencją wzrostu wilgotności powietrza jest zwiększanie się zachmurzenia. Chmury oddziałują dwojako na promieniowanie. Z jednej strony działają jak gaz cieplarniany, pochłaniają promieniowanie długofalowe i wypromieniowują je, także w kierunku Ziemi. Z drugiej jednak strony zwiększają one albedo Ziemi i odbijają promieniowanie słoneczne, nie pozwalając mu dotrzeć do powierzchni Ziemi. To, który rodzaj oddziaływania chmur przeważa w danym momencie zależy od rodzaju chmur. Chmury wysokie przyczyniają się do efektu cieplarnianego i podwyższają temperaturę powietrza, natomiast chmury niskie w większym stopniu odbijają promieniowanie słoneczne co prowadzi do ochłodzenia powietrza.

2. Chmury częściowo odbijają promieniowanie krótkofalowe (żółte strzałki), ale także pochłaniają promieniowanie długofalowe Ziemi (czerwone strzałki) i wypromieniowują je w kierunku Ziemi jak gazy cieplarniane.
Źródło: Karlsruher Wolkenatlas © Bernhard Mühr

Dwa rodzaje sprzężeń zwrotnych

Jak widać na ryc. 3 wzrost zawartości pary wodnej w powietrzu i tworzenie się chmur może prowadzić do przeciwnych sprzężeń zwrotnych oddziałujących na globalne ocieplenie. Jednakże jak dotąd nie ma pewności, że całkowity, łączny wpływ zachmurzenia będzie ujemny. Różne modele prowadzą do odmiennych wniosków (porównaj raport IPCC TAR, 2001 r., rozdział 7.2.2.5).

3. Sprzężenia zwrotne w obiegu wody: globalne ocieplenie prowadzi do wzrostu zawartości pary wodnej w powietrzu, zaś to jest przyczyną dalszego ocieplania się, powinno więc nastąpić nasilenie się tego efektu. Wzrost zachmurzenia mógłby temu przeciwdziałać. Zwłaszcza jednak chmury wysokie także wzmagają ocieplenie (strzałka przerywana). Przy obecnym stanie wiedzy na temat chmur nie można jednoznacznie określić jak chmury będą oddziaływać na klimat w przyszłości.
Objaśnienia: positive feedback – dodatnie sprzężenie zwrotne, increasing greenhouse gas concentration – wzrastająca koncentracja gazu cieplarnianego, warming Earth – ogrzewająca się Ziemia, increasing water vapour concentration - wzrastająca koncentracja pary wodnej, more clouds – więcej chmur, possible negative feedback, but also positive cannot be excluded – możliwe ujemne sprzężenie zwrotne, ale nie mozna wykluczyć także dodatniego, high uncertainty – duży stopień niepewności.
Autor: Elmar Uherek

Czego nie jesteśmy pewni?

Tworzenie się chmur i znacznych różnic w koncentracji pary wodnej zachodzą w skali regionalnej, która nie jest uwzględniana w modelach klimatycznych. Modele te bowiem opierają się na danych w postaci siatki punktów, znacznie od siebie oddalonych. Są więc zbyt ogólne aby uwzględnić każdą chmurę pojawiającą się np. nad dużym jeziorem albo w górach nad stokami, wskutek wiatrów lokalnych w letni dzień. Wiele wątpliwości dotyczących wielkości i roli zachmurzenia wynika z ich zależności od:

- procesów wielkoskalowych,
- procesów w skali mniejszej niż uwzględniana w modelach,
- procesów mikrofizycznych,
- oddziaływanie chmur na promieniowanie zależy m.in. od rozmiaru kropel w chmurze,
- różnic w oddziaływaniu chmur wodnych i lodowych, i innych czynników.

Atmosfera to bardzo dynamiczny system, który nie znajduje się w stanie prostej równowagi. Transport pary wodnej jest zależny od różnych procesów:

1. konwekcja (transport w pionie) dominuje w obszarach tropikalnych, powodując np. tworzenie się chmur Cumulonimbus o bardzo dużym zasięgu pionowym,


2. wielkoskalowe ruchy mas powietrza związane z przemieszczaniem się wyżów i niżów atmosferycznych są charakterystyczne dla średnich i wysokich szerokości geograficznych

3. adwekcja (transport poziomy) przeważa w suchych obszarach okołozwrotnikowych.


Najczęściej jednak na danym terenie występują wszystkie wspomniane procesy i różne rodzaje chmur.

4. Para wodna jako element procesów atmosferycznych
Objaśnienia: uptake of heat – pobór ciepła, evaporation – parowanie, turbulences – wiry turbulencyjne, release of latent heat – uwalnianie ciepła utajonego, condensation - kondensacja
Autor: Elmar Uherek

5. Zróżnicowanie wilgotności względnej [%] w górnej troposferze, między 600 a 250 hPa (na wysokości około 5-11 km). Uwaga: Przyjrzyj się mapie dokładnie! Górna troposfera nad biegunem pd. jest bardziej nasycona parą wodną niż nad obszarami okołorównikowymi w stosunku do maksymalnej możliwej saturacji. Zawiera ona jednak dużo mniej pary wodnej na m3!
Źródło: IPCC TAR Fig. 7-1

Ocena wpływu sprzężeń zwrotnych związanych z oddziaływaniem pary wodnej i chmur

Według obecnych ocen podwojenie zawartości CO2 w powietrzu, czyli osiągnięcie stosunku zmieszania 560 ppm (w erze przed przemysłowej było to 280 ppm, w 2001 r. 370 ppm), temperatura wzrośnie o około 1,5–4,5°C. Ten szeroki możliwy zakres zmian wynika głównie z wątpliwości i niepewności związanych z wpływem tworzenia się chmur.

Samo podwojenie CO2 spowodowałoby powstanie dodatkowego tzw. wymuszania promieniowania (ang. radiative forcing) w zakresie 3,5-4 W/m2 (czyli wzrost temperatury o 1,2°C). Biorąc pod uwagę przewidywany wpływ sprzężeń zwrotnych wskutek oddziaływania samej pary wodnej ta wartość podwoiłaby się (7-8 W/m2). Jeśli w tym miejscu dodamy wpływ chmur to okaże się, że może to prowadzić albo do niewielkiego ochłodzenia (co jest uważane za bardzo prawdopodobne), albo do dodatkowego ocieplenia. Zakres niepewności szacuje się na -3 do +3 W/m2. To daje wymuszanie promieniowania około 4-11 W/m2 jeśli CO2 się podwoi, albo wzrost temperatury od 1,5 do 4,5°C.

Jeśli porównamy to z wielkością 1,2°C, która byłaby rezultatem podwojenia się zawartości CO2 bez uwzględnienia innych wpływów, to widzimy jak ważne jest lepsze zrozumienie wpływu oddziaływania pary wodnej na w modelowaniu klimatu.

6. Przewidywana wielkość tzw. wymuszania promieniowania (ang. radiative forcing) przy podwojeniu się koncentracji CO2, z uwzględnieniem sprzężeń zwrotnych wskutek oddziaływania pary wodnej i chmur oraz bez ich uwzględniania.
Objaśnienia: CO2 doubling – podwojenie CO2, water vapour feedback – sprzężenie zwrotne wskutek oddziaływania pary wodnej, cloud impact – wpływ chmur
Autor: Elmar Uherek, źródło danych: raport IPCC TAR, rozdział 7.

1 W niektórych publikacjach można znaleźć informacje, że para wodna w troposferze łącznie z pochłanianiem promieniowania długofalowego przez chmury odpowiada za około 80% naturalnego efektu cieplarnianego.
(Źródło: Curry&Webster, Thermodynamics of Atmospheres and oceans, Academic Press, 1999).

Zajrzyj także na te strony!

Możesz znaleźć więcej informacji na temat wzajemnego oddziaływania chmur i promieniowania oraz ich wpływu na klimat na stronie:
Chmury i aerozole - poziom podstawowy - 3. Słońce i chmury - Chmury i klimat

O tej stronie:

Autor: dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
1. Recenzent: Dr. Susanne Nawrath, Potsdam Institute for Climate Impact Research - 2003-06-10
2. Recenzent: Dr. Benedikt Steil, Max Plack Institute for Chemistry, Mainz 2004-05-16
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
Ostatnia aktualizacja: 2004-05-17
Tłumaczenie na język polski: dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków

Ostatnia modyfikacja: czwartek, 21 czerwiec 2018, 14:47