Wapedia Wiki
Wiki: Efekt cieplarniany
Uproszczony bilans energetyczny Ziemi
Efekt cieplarniany - zjawisko wywoływane przez
atmosferę, w wyniku którego temperatura planety jest wyższa niż gdyby
planeta nie posiadała atmosfery. Spowodowane jest ograniczeniem
wypromieniowywania ciepła
z jej powierzchni i dolnych warstw atmosfery w przestrzeń kosmiczną. Czynnikiem
ograniczającym wypromieniowanie ciepła są gazy cieplarniane. Efekt cieplarniany
zachodzi na planetach i księżycach posiadających atmosferę i
ogrzewanych przez gwiazdy. W Układzie Słonecznym zachodzi on na
Ziemi, Marsie, Wenus
oraz na księżycu Saturna - Tytanie.
Choć efekt cieplarniany zachodzić może na wszystkich planetach
posiadających atmosferę, dalsza część artykułu omawia go przede
wszystkim w odniesieniu do Ziemi.
Istnienie zjawiska rozpatrywał już Jean Baptiste Joseph Fourier
w 1824, a badał między innymi Svante Arrhenius w 1896. Jego nazwa pochodzi od podobieństwa do
przemian cieplnych, zachodzących w szklarni (niekiedy używa się pojęcia
"efekt szklarniowy" [1] . Światło słoneczne nagrzewa
szklarnię natomiast szkło nie pozwala ciepłu emanować do atmosfery,
co sprawia, że wewnątrz szklarni temperatura rośnie.
Na Ziemi termin "efekt cieplarniany" odnosi się
zarówno do podwyższenia temperatury, związanego z czynnikami
naturalnymi, jak i do zmiany tego efektu, wywołanego przez gazy
emitowane w wyniku działalności człowieka. W potocznym rozumieniu
ten naturalny efekt jest często pomijany, a zwracana jest uwaga na
wzrost temperatury Ziemi w ciągu ostatnich około 100 lat, zwany
globalnym ociepleniem. Efekt
cieplarniany (naturalny), jest zjawiskiem korzystnym dla
kształtowania warunków życia na Ziemi. Szacuje się, że podnosi on
temperaturę powierzchni o 20 - 34°C. Średnia temperatura naszej
planety wynosi 14 - 15°C [2] . Gdyby efekt cieplarniany nie
występował przeciętna temperatura Ziemi wynosiłaby ok. -20°C.
1. Mechanizm działania
1. 1. Bilans cieplny
Ziemia, jak każda inna planeta,
otoczona jest próżnią i dlatego
wymiana energii cieplnej z
otoczeniem odbywa się wyłącznie poprzez promieniowanie
elektromagnetyczne. Jedyną znaczącą ilościowo energią
docierającą do Ziemi jest energia światła słonecznego. Inne rodzaje
energii, które zmieniają się w energię cieplną i ogrzewają
powierzchnię Ziemi (np. energia geotermalna, energia pływów,
energia rozpadów promieniotwórczych, energia powstała ze spalania
paliw kopalnych) są znikomo małe w porównaniu z energią
promieniowania słonecznego i mogą być pominięte.
Ziemia nie tylko otrzymuje, ale też oddaje energię cieplną w
postaci promieniowania cieplnego, którego ilość zależy od
temperatury planety.
Gdy średnia ilość energii docierającej do ciała nie zmienia się
w czasie ustala się średnia temperatura planety, w której energia
pobierana jest równa i energii oddawanej. Temperatura Ziemi
praktycznie nie zmienia się (panuje stan równowagi termicznej),
oznacza to, że energia otrzymywana jest równa energii wysyłanej.
Opierając się na powyższych założeniach oraz na prawach promieniowania cieplnego
Lashof oszacował, że bez atmosfery Ziemia miałaby średnią
temperaturę około −18°C (Lashof 1989) [3] , inne źródła podają
nawet temperaturę -27°C (zobacz modele
klimatu).
Powyższe proste modele zakładają, że Ziemia znajduje się w
stanie równowagi termicznej, ale skoro obserwuje się powolny ale
długotrwały wzrost temperatury powierzchni Ziemi, topnienie
lodowców, wzrost temperatury oceanów, oznacza to, że Ziemia
otrzymuje więcej energii niż wypromieniowuje. Na podstawie
szybkości wzrostu temperatury szacuje się, że różnica ta jest równa
0,85 W/m² [1] . By uzyskać stan równowagi, w obecnie panujących
warunkach, temperatura Ziemi musiałaby wzrosnąć o około 1°C.
1. 1. 1. Energia docierająca do Ziemi
Ziemia otrzymuje olbrzymią ilość energii w postaci
promieniowania słonecznego. Strumień promieniowania
dochodzącego do górnych warstw atmosfery wynosi około 1366 W/m² powierzchni
prostopadłej do promieniowania. Jest to ok. 342 W na każdy metr
kwadratowy powierzchni Ziemi i odpowiada mocy 1,74•1017W
dostarczanej do całej Ziemi.
Widmo promieniowania słonecznego jest zbliżone do promieniowania
ciała doskonale
czarnego o temperaturze 5250°C, większość energii
promieniowania słonecznego przypada na światło widzialne i bliską podczerwień w tym zakresie
atmosfera jest niemal przeźroczysta.
Promieniowanie słoneczne jest odbijane (średnio) w około 30%, w
tym 6% odbija atmosfera ziemska, 20% chmury, a 4% powierzchnia
Ziemi.
Pozostałe 70% promieniowania (średnio 235W/m²) jest absorbowane
przez Ziemię. W tym: 16% przez atmosferę (większość promieniowania
ultrafioletowego); 3% przez chmury, 51% przez powierzchnię ziemi.
Pochłonięte promieniowanie (około 1,2*1017W) ogrzewa
atmosferę, oceany i lądy, a jego niewielka część poprzez
fotosyntezę dostarcza energii dla życia. Podane liczby są
uśrednione dla całej Ziemi i przybliżone, w rzeczywistości zachodzą
duże zmiany w dobowych, rocznych i regionalnych wartościach zarówno
odbicia jak i pochłaniania.
1. 1. 2. Energia wypromieniowywana przez
Ziemię
Podobnie jak każde ciało posiadające temperaturę, tak i Ziemia
emituje promieniowanie cieplne.
Powierzchnia Ziemi jest znacznie chłodniejsza niż powierzchnia
Słońca (287 K vs 5780 K), promieniowanie to ma także rozkład
zbliżony do promieniowania ciała doskonale czarnego w temperaturze
287 K, dlatego wypromieniowuje energię cieplną falami o większej długości niż długość fal
docierających do Ziemi (i ogrzewających ją). Natężenie
promieniowania słonecznego ma zgodnie z prawem Wiena w promieniowaniu widzialnym
(0,5 μm), a promieniowanie cieplne
Ziemi ma maksimum w dalekiej podczerwieni (10 μm).
W zakresie promieniowania emitowanego przez powierzchnię Ziemi
(około 10 μm) atmosfera silnie pochłania promieniowanie. W wyniku
czego, tylko około 9% (40 W/m²) promieniowania emitowanego przez
powierzchnię Ziemi ucieka do przestrzeni kosmicznej, pozostała
część energii jest pochłaniana przez atmosferę i chmury,
przenoszona do wyższych warstw atmosfery w wyniku kilku zjawisk i
dopiero wypromieniowana w kosmos. Zdolności pochłaniające atmosfery
zależą od wchodzących w jej skład gazów.
Atmosfera dla promieniowania emitowanego przez Ziemię zachowuje
się jak ciemne ciało otaczające Ziemię. Ciało to jest ogrzewane od
dołu promieniowaniem powierzchni Ziemi uzyskując temperaturę
zbliżoną do temperatury Ziemi. Ciało to wypromieniowuje energię
zarówno w stronę Ziemi jak i w stronę kosmosu. Energia wysyłana w
kierunku Ziemi jest znaczna (324 W/m²), przewyższa niemal
dwukrotnie energię dostarczaną przez Słońce (162 W/m²). W wyniku
tego dodatkowego promieniowania atmosfery w kierunku Ziemi
wzrastają: temperatura powierzchni Ziemi, emisja promieniowania
cieplnego i temperatura atmosfery. W wyniku tych procesów w końcu
ustala się średnia temperatura powierzchni Ziemi i atmosfery.
Atmosfera jest chłodniejsza od powierzchni Ziemi. Temperatura
atmosfery zmniejsza się o 6,5°C na każdy 1 km wysokości (pionowy gradient
temperatury). Dlatego energia wypromieniowana przez atmosferę w
kierunku Ziemi jest mniejsza od promieniowania wysłanego przez
Ziemię.
Atmosfera ma grubość znacznie większą niż droga promieniowania
mikrofalowego. W związku z tym aby nastąpiło przeniesienie energii
z powierzchni Ziemi w przestrzeń kosmiczną, proces emisji i
pochłaniania zachodzić musi wielokrotnie zanim promieniowanie
"przebije się" przez atmosferę.
Oprócz promieniowania cieplnego przenoszenie energii w górę
atmosfery odbywa się także przez konwekcję. Cieplejsze powietrze przenoszone
jest w górę, a chłodniejsze w dół. Konwekcja zachodzi zarówno w
wyniku mieszania turbulentnego, w
którym obszary unoszenia i opadania są niewielkie jak i konwekcji
wielkoskalowej, wywołanej pionowymi ruchami powietrza o skali kilku
kilometrów. Zachodzi także wymiana powietrza na skalę globalną,
zwana cyrkulacją
powietrza.
Na proces konwekcji i promieniowania atmosfery duży wpływ ma
woda (para wodna, krople wody w
atmosferze i płatki śniegu w chmurach) oraz procesy parowania powierzchni Ziemi i kondensacji pary wodnej w chmurach.
2. Gazy cieplarniane
Efekt cieplarniany wywołują gazy w atmosferze, pochłaniające
promieniowanie cieplne, nazywane gazami cieplarnianymi. Gdyby atmosfera
była przepuszczalna dla promieniowania cieplnego emitowanego przez
powierzchnię Ziemi, to nie zwiększałaby jej temperatury.
Wpływ poszczególnych gazów na efekt cieplarniany jest trudny do
określenia. Najważniejszymi gazami cieplarnianymi w atmosferze
Ziemi jest para wodna, oraz dwutlenek węgla. Woda w stanie
ciekłym i stałym, choć nie jest gazem, ma duży wpływ na zjawiska
cieplne zachodzące w atmosferze i na powierzchni Ziemi i dlatego
jest omawiana jako czynnik efektu cieplarnianego.
2. 1. Woda
Woda wpływa głównie stabilizująco na temperaturę Ziemi. Dzieje
się tak dzięki jej właściwościom (duże ciepło właściwe, parowanie,
skraplanie, zamarzanie, sublimacja i topnienie w troposferze Ziemi). Zjawiska te odgrywają
ważną rolę w transporcie energii cieplnej w górę atmosfery. Woda
paruje na powierzchni Ziemi i kondensuje w górnych warstwach atmosfery.
Dzięki temu do górnych warstw atmosfery dostarczane jest więcej
ciepła, niż gdyby zachodził jedynie proces wypromieniowywania
energii cieplnej [4] .
Wpływ chmur na transport energii w atmosferze jest różnorodny. Z
jednej strony chmury, poprzez zaciemnienie, ograniczają dopływ
energii słonecznej do Ziemi, z drugiej strony ograniczają też
wypromieniowywanie energii przez Ziemię. Klimatolodzy wysuwają
różne hipotezy dotyczące związku chmur ze zjawiskami cieplnymi w
atmosferze np. hipoteza
tęczówki, hipoteza
termostatu.
2. 2. Para wodna
O ile woda w stanie płynnym i stałym wpływa głównie na
zmniejszenie efektu cieplarnianego, to para wodna jest głównym
gazem cieplarnianym w atmosferze ziemskiej. Dodatkowo para wodna
jest gazem, którego stężenie w powietrzu silnie zależy od warunków
lokalnych i pogodowych. Efekt cieplny zależy też, od zmieszania
pary wodnej z innymi gazami, oraz od tego czy para wodna jest
skoncentrowana wysoko czy nisko w atmosferze. Wysoka wilgotność
wpływa na tworzenie się chmur.
Raport IPCC TAR (2001; sekcja 2.5.3) ocenia, że mimo
niejednorodnego rozkładu pary wodnej w atmosferze, jej ilość
wzrosła w XX w. Ocenia się, że efekt cieplarniany wywołany przez
parę wodną zawiera się pomiędzy 36% - 60%, a wzrost stężenia pary
wodnej w atmosferze zwiększa efekt cieplarniany.
2. 3. Dwutlenek węgla
Stężenie CO2 w atmosferze mierzone w obserwatorium Mauna Loa. U dołu cykl roczny
Stężenie CO2 w atmosferze mierzone w
obserwatorium Mauna Loa. U dołu cykl roczny
Dwutlenek węgla silnie
pochłania promieniowanie mikrofalowe i dlatego jest ważnym gazem
cieplarnianym, bierze on udział w licznych procesach przyrodniczych
na Ziemi. Także człowiek wytwarza dwutlenek węgla w wyniku spalania
paliw, zawierających węgiel. Ważnym procesem w bilansie
atmosferycznego dwutlenku węgla jest jego rozpuszczanie w wodach
oceanów, w których jest częściowo pochłaniany przez organizmy żywe
oraz wchodzi w reakcje chemiczne, ale jego część pozostaje w wodzie
oceanicznej zwiększając stężenie CO2 w warstwach
powierzchniowych wody. Dwutlenek węgla dociera do głębszych warstw
wody w wyniku mieszania się wody. Proces mieszania się wód
oceanicznych jest powolny, wyrównywanie się stężenia CO2
w oceanach trwa kilkaset lat, czego konsekwencją jest znacznie
mniejszy wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze niż
wynikałoby to z ilości spalonych paliw kopalnych [5] . Za kilkaset
lat gdy stężenie dwutlenku węgla w wodach oceanów osiągnie stan
równowagi ze stężeniem w atmosferze nie będą już pobierały
dwutlenku węgla a każda ilość dwutlenku węgla wprowadzonego do
atmosfery pozostanie w niej zwiększając efekt cieplarniany.
Pomiary dwutlenku węgla w obserwatorium Mauna Loa pokazują, że
stężenie CO2 wzrosło z około 313 ppm (części na milion)
w 1960 do około 375 ppm w 2005. Obecnie obserwowane stężenie
CO2 przewyższa stężenia CO2 w poprzednich
epokach, oszacowane na podstawie badań lodowców, którego maksima są
szacowane na ~300 ppm. [6] Jednak poziom dwutlenku węgla w okresie
kredy jest oceniany na znacznie wyższy niż obecny.
Produkcja CO2 w okresie przemysłowym (spalanie paliw
kopalnych) i inne czynniki aktywności człowieka takie jak zmiany w
użytkowaniu lądów spowodowały, że poziom naturalnej równowagi
między wytwarzaniem dwutlenku węgla a pochłanianiem go przez
rośliny i wody został zaburzony. 25%
światowej emisji dwutlenku węgla pochodzi ze Stanów Zjednoczonych zamieszkanych
przez 5% ludności świata.
Trwają dyskusje związane ze źródłami i efektywnością
pochłaniania dwutlenku węgla oraz prognozy zmiany jego zawartości w
atmosferze w przyszłości. Obliczenia za pomocą globalnych modeli klimatu wskazują, że podwyższone
wartości CO2 mogły z dużym prawdopodobieństwem
spowodować globalne ocieplenie. Za obserwowany, od początku XX w.
wzrost temperatury Ziemi, obarcza się głównie wzrost stężenia
dwutlenku węgla w atmosferze. [1] .
2. 4. Wpływ poszczególnych gazów na efekt
cieplarniany
Trudno ocenić wpływ danego gazu na efekt cieplarniany ponieważ
widma pochłaniania
różnych składników często pokrywają się, dlatego zmiana stężenia
danego gazu nie wywoła efektu proporcjonalnego do zmiany,
promieniowanie i tak pochłonie inny gaz. Tabela pokazuje szacowane
wartości na podstawie obliczeń teoretycznych.
Para wodna jest najważniejszym gazem absorbującym promieniowanie
(sama powoduje 36% - 66% bezpośredniego efektu cieplarnianego),
razem z chmurami jest odpowiedzialna za od 66% do 85% efektu
cieplarnianego. Sam CO2 odpowiada za 9% - 26%, podczas
gdy O3 jest odpowiedzialny za 7%, a inne gazy
cieplarniane (w tym głównie metan, tlenki azotu i freony) są odpowiedzialne za 8% efektu. Łącznie
gazy te nazywa się gazami cieplarnianymi (GHG). Efekt cieplarniany
spowodowany wyłącznie przez dwutlenek węgla nazywa się efektem
Callendara.
Badając metodami spektrometrycznymi w laboratorium gazy
można określić, dokładnie pasma absorpcyjne gazów, istnienie pasm
pochłaniania można nawet określić teoretycznie na podstawie
struktury cząsteczki. Heteromolekularne (zawierające atomy różnych
pierwiastków) dwuatomowe i trójatomowe molekuły absorbują
promieniowanie w podczerwieni, ale homonuklearne (zbudowane z
jednakowych atomów) dwuatomowe molekuły nie absorbują
promieniowania podczerwonego. Dlatego H2O oraz
CO2 są gazami cieplarnianymi, a główne składniki
powietrza - azot (N2) i tlen
(O2) nie są. Pomiędzy pasmami absorpcji dwutlenku węgla
i pary wodnej znajdują się pasma "okien atmosferycznych",
w których promieniowanie podczerwone jest stosunkowo słabo
absorbowane, dotyczy to zwłaszcza okna atmosferycznego pomiędzy 8 i
15 μm. Składniki takie jak chloro-i fluoropochodne węglowodory
alifatyczne (freony) absorbują bardzo
silnie w tym zakresie długości fal, co oznacza, że są one bardzo
silnymi gazami cieplarnianymi. Związki te praktycznie nie
występowały w atmosferze, pojawiają się w wyniku działalności
ludzkiej. W atmosferze Ziemi nie ma mechanizmów powodujących ich
usuwanie z atmosfery, a wyemitowane do atmosfery pozostają w niej
długo i nagromadzają się. Niektóre z nich mają w atmosferze
średni czas życia
około 50 000 lat.
3. Inne planety
Atmosfera Wenus ma
ciśnienie prawie 100 razy większe od ziemskiego i jest złożona głównie z dwutlenku węgla, co sprawia,że temperatura powierzchni wynosi około 460°C i jest wyższa od znajdującego się znacznie bliżej Słońca, ale pozbawionego atmosfery Merkurego, efekt cieplarniany dla Wenus szacuje się na ponad 300°C. W atmosferze Marsa efekt cieplarnianyjest minimalny z powodu niewielkiego ciśnienia (grubości)atmosfery.