Bilans promieniowania

Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
baner
dział CHMURY I AEROZOLE: ZAAWANSOWANE - menu (rozwiń)



Bilans promieniowania to stan równowagi pomiędzy energią docierającą od Słońca a energią oddawaną przez Ziemię. Promieniowanie może być odbite przez powierzchnię Ziemi lub przez chmury albo też pochłonięte i wyemitowane w postaci energii cieplnej.

Przyjrzymy się bliżej globalnemu bilansowi promieniowania i jego wpływowi na klimat Ziemi. Zwrócimy uwagę na obecny wpływ człowieka na ów bilans oraz zastanowimy się jaki on będzie w przyszłości. Obserwacje bilansu radiacyjnego są wykonywane przez satelity dokonujące pomiaru promieniowania Słońca i Ziemi.

Obraz satelity

1. Satelita meteorologiczny
Źródło: http://smsc.cnes.fr/SCARAB/Fr/

Energia pochodząca ze Słońca

Dla Ziemi jako planety, bilans promieniowania na górnej granicy atmosfery musi być w stanie równowagi tak, aby Ziemia ani nie wychładzała się, ani nie przegrzewała. Mimo, iż system klimatyczny Ziemi pozostaje w równowadze, to jest to stan równowagi dynamicznej, podlegającej ciągłym zmianom.
Średnio do górnej granicy atmosfery Ziemi dociera 1353 W/m2 (1,94 cal/cm2 /min). Niektóre satelity mają możliwość wykonywania bezpośrednich pomiarów tej energii, gdyż umieszczone są powyżej górnej granicy atmosfery i skierowane są do Słońca.

Pory roku

2. Występowanie pór roku jest wynikiem ruchu obiegowego Ziemi wokół Słońca oraz nachylenia osi jej obrotu.
A: 22 czerwca: lato na półkuli pn. i zima na półkuli pd. (przeciwnie C). D: 21 marca: wiosna na półkuli pn., jesień na półkuli pd. (przeciwnie B). Dopływ promieni słonecznych zmienia się wraz z szerokością geograficzną i porą roku.

Średnie promieniowanie całkowite w Styczniu

3. Średnie miesięczne promieniowanie całkowite w styczniu 2004. Dane pochodzą z satelity biegunowego NOAA-17
Jaka jest średnia wartość w Europie?
Źródło: NOAA

Albedo: energia odbita przez Ziemię

Część energii słonecznej docierającej do Ziemi jest przez nią odbijana z powrotem w przestrzeń kosmiczną, nosi ona nazwę albedo. Średnie roczne albedo Ziemi wynosi około 0,3. Ryc. 4a i 4b pokazują średnie albedo naszej planety w styczniu i w sierpniu. Strefy polarne odznaczają się dużym albedo ze względu na wysoki współczynnik odbicia, jakim charakteryzuje się lód.

średnie albedo stycznia

4a. Średnie albedo na Ziemi w styczniu
Źródło: ERBE, NOAA.

Średnie albedo sierpnia

4b. Średnie albedo na Ziemi w sierpniu
Źródło: ERBE, NOAA.

Energia słoneczna, która nie jest bezpośrednio odbijana (70%, co odpowiada około 947,1 W/m2 ) jest pochłaniana przez atmosferę i powierzchnię Ziemi. Proces ten prowadzi do ocieplenia powierzchni i reemisji promieniowania podczerwonego (długofalowego). Część tego promieniowania jest wychwytywana przez gazy atmosferyczne i dzięki temu nie jest oddawana w przestrzeń.kosmiczną; ten naturalny efekt cieplarniany pozwala naszej planecie utrzymać średnią temperaturę powierzchni na poziomie 15,0°C.
Niektóre obszary na świecie absorbują więcej energii niż wypromieniowują, powinny zatem być coraz cieplejsze. Równocześnie zaś w innych częściach kuli ziemskiej, gdzie bilans promieniowania jest ujemny powinno być coraz chłodniej. Tak się na szczęście nie dzieje gdyż ciepło od równika jest nieprzerwanie przenoszone w kierunku biegunów przez atmosferę i oceany.

Średni roczny bilans radiacji

5. Średni roczny bilans radiacyjny (W/m2)
Źródło: LMD/ Scarab.

W jaki sposób bilans promieniowania może ulegać zmianie?

Ilość energii dostarczanej przez Słońce może być różna w zależności np. od nachylenia osi obrotu Ziemi. Różnice w rozkładzie energii na ziemi (w różnych szerokościach geograficznych) i w ciągu roku (w kolejnych porach roku) są większe przy większym nachyleniu. Zmiany klimatu spowodowane czynnikami astronomicznymi zostały opisane przez Milankovicia.
Ilość energii odbitej (albedo) może zmieniać się gdy ulegnie zmianie wielkość zachmurzenia lub pokycie powierzchni Ziemi przez lody, oceany, lasy, itp.  Przykładowo, chłodniejszy klimat doprowadziłby do powiększenia się obszarów lodowych i tym samym wzrostu globalnego albedo i spadku temperatury. To tzw. dodatnie sprzężenie zwrotne.
Ilość energii zatrzymanej przez Ziemię może ulec zmianie jeśli nastąpi nasilenie efektu cieplarnianego.

Bilans promieniowania

6. Co wpływa na bilans promieniowania?
Autor: J. Gourdeau

Bilans promieniowania może ulec zmianie:
- z powodów naturalnych; czynniki astronomiczne (1 na ilustracji 6),
- ze względu na zmiany w ziemskim albedo (2); wskutek oddziaływania czynników naturalnych (erupcje wulkaniczne dostarczają aerozoli do atmosfery) lub działalności człowieka: może ulec zmianie koncentracja aerozoli i wielkość zachmurzenia, jak również albedo powierzchni ziemi (zmiany powierzchni pokrytych lodem, wodą, pustyniami i lasami),
- z powodu działalności człowieka, która prowadzi do zmiany koncentracji gazów szklarniowych i właściwości chmur (3), tym samym wpływa na ilość ciepła traconego i zatrzymywanego.

Bilans promieniowania jest głównym celem badań klimatycznych. 1353 W/m2 energii słonecznej dociera do Ziemi i tyle samo jest oddawane z powrotem. W odpowiedzi na zmianę ilości docierającej do Ziemi energii o ok. 4 W/m2 (taka wartość jest możliwa przy podwojonej ilości CO2 w atmosferze) średnia temperatura powierzchni Ziemi mogłaby wzrosnąć o 1,0-4,0°C! Dlatego też obliczenia muszą być bardzo dokładne. Kluczem do przewidywania - i ewentualnych działań zapobiegawczych - klimatu w przyszłości jest zrozumienie, jak bardzo złożone są mechanizmy i sprzężenia pomiędzy różnymi procesami na Ziemi oraz jaką rolę odgrywa człowiek w tym potężnym systemie, znajdującym się jednak w stanie kruchej równowagi.

O tej stronie:
Autor: Justine Gourdeau, LaMP Clermont-Ferrand, Francja
Recenzent 1: Dr Maud Leriche, CNRS, LaMP, Francja
Recenzent 2: Dr Frederic Szczap, LaMP, Francja
ostatnia aktualizacja:  2004-05-11
Tłumaczenie na język polski: Dr Agnieszka Wypych, Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków
Redakcja techniczna: Kamil Bodziony, Wojciech Pudło, Uniwersytet Jagielloński, Kraków

Last modified: Sunday, 3 July 2022, 1:38 PM