1

efekt cieplarniany 1

Planeta Wenus - bardzo podobna do
Ziemi po względem rozmiarów i masy
różni

się

bardzo

istotnie

składem

chemicznym atmosfery (96,5 % CO

2

)

oraz temperaturą (ponad 460

0

C).

Hipoteza

Intensywne wysokoenergetyczne promie-
niowanie UV prowadziło do fotodysocjacji
pary wodnej. Lekki wodór uchodził w
przestrzeń kosmiczną a cząsteczkowy tlen
wchodził w reakcje z węglem tworząc
dwutlenek węgla. Mechanizm ten ma
charakter samonapędzający – wzrost
temperatury – intensyfikacja procesów
parowania – wzrost zawartości dwutlenku
węgla.

Rozbuchany efekt cieplarniany uczynił z Wenus
prawdziwe piekło. Temperatura Ziemi jest na
razie zbyt niska, aby doszło na niej do podobnego
zjawiska, ale za miliard lub więcej lat, w miarę,
jak będzie rosła moc Słońca, los ten stanie się
również udziałem Ziemi.

Świat Nauki czerwiec 2006

2

efekt cieplarniany 2

Świat Nauki październik 2006

3

promieniowanie słoneczne

Z termodynamicznego punktu widzenia Ziemię jako planetę można traktować jako
układ zamknięty, tzn. taki, który nie wymienia z otoczeniem masy ale wymienia
energię. Transport energii odbywa się poprzez promieniowanie, przewodnictwo i
konwekcję.

Natężenie promieniowania słonecznego w
różnych zakresach fal, docierającego do
zewnętrznych warstw atmosfery Ziemi, po
przejściu przez atmosferę i przenikającego
przez chmury (wg Gatesa, 1980)

Rozkład długości fal promieniowania
docierającego do powierzchni Ziemi (biała
strzałka) i emitowanego z powierzchni Ziemi
(czarna strzałka): białe pole- promieniowanie
przechodzące przez atmosferę od 0 do 100 %,
czarne pola – promieniowanie pochłonięte, białe
trójkąty – zakresy nieprzezroczyste ze względu
na obecność w atmosferze określonych gazów)
(wg Gatesa, 1980,1985)

4

temperatura efektywna Ziemi

4

e

z

T

E

δδδδ

σσσσ

====

Ilość wypromieniowanej z powierzchni
Ziemi energii równoważącej insolację
określa prawo Stefana – Boltzmanna

σ

-

stała Stefana – Boltzmanna,

56,679 10

-9

W/(m

2

K

4

)

δ

- względna zdolność emisyjna („stopień

czerni” ciała), dla Ziemi

δδδδ

= 0,95

K

9

,

255

S

T

4

a

e

====

σσσσ

δδδδ

====

Stała słoneczna S

0

-

strumień

energii promieniowania słonecznego
padającego prostopadle na
jednostkę powierzchni znajdującą
się w średniej odległości od Słońca

(różne źródła: 1353, 1366, 1380 W/m

2

)

Albedo

A

–

stosunek ilości

promieniowania odbitego i
rozproszonego do ilości
promieniowania padającego

(różne źródła: 0,28; 0,32; 0,385)

Insolacja S

A

– całkowita ilość

energii słonecznej zaabsorbowanej
przez powierzchnię Ziemi w
jednostce czasu

gdzie R – promień Ziemi

wg K.Kożuchowski,R,Przybylak:Efekt cieplarniany,

Wyd.Wiedza Powszechna, Warszawa 1995

S

O

= 1353 W/m

2

, A = 0,28 czyli S

A

=243 W/m

2

((((

))))

((((

))))

4

S

A

1

R

4

R

S

A

1

S

0

2

2

0

a

−−−−

====

ππππ

ππππ

−−−−

====

z

a

E

S

====

Z warunku

temperaturę efektywną Ziemi T

e

wyznaczyć można

5

termiczny efekt istnienia atmosfery = efekt cieplarniany

temperatura efektywna Ziemi

t

e

= - 17,3

0

C

średnia temperatura

powierzchni Ziemi

w II poł.XX w.

t

z

≅≅≅≅

15

0

C

różnica pomiędzy temperaturą

obserwowaną a temperaturą

efektywną jest miarą

termicznego efektu istnienia

atmosfery, czyli efektu

cieplarnianego

t

z

- t

e

≅≅≅≅

32 deg

~ 10

~ 30

~ 500

efekt termiczny, deg

95,5

- 40

0,15

595

228

Mars

+ 15

+ 460

temperatura obserwowana,

0

C

3

96,5

udział gazów cieplarnianych w atmosferze, %

0,35

0,65

albedo

1365

2660

stała słoneczna, W/m

2

Podane

w tabeli

wartości

mają

charakter

szacunkowy

150

108

odległość od Słońca, mln km

Ziemia

Wenus

planeta

Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology

Temperatury efektywne Wenus, Ziemi i Marsa

6

dynamika zmian składu chemicznego atmosfery ziemskiej 1

65-130

<0,8 deg

Freon 11 i 12

150

1,4 deg

Podtlenek azotu

10

0,8 deg

Metan

150

7,6 deg

Dwutlenek węgla

20,6 deg

Czas pobytu w

atmosferze w

latach

Para wodna

Termiczny wymiar efektu
cieplarnianego (1985 r.)

Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology

Zmiana koncentracji gazów cieplarnianych

w atmosferze (ppmv – części na milion, ppmb-
części na miliard, pptb-części na bilion) oraz
wymuszenie radiacyjne w W/m

2

dotyczące

okresu industrialnego

W okresie 200 lat koncentracja poszczególnych
gazów wzrosła odpowiednio:

CO

2

o 32 % (0,16 % rocznie)

CH

4

o 135 % (0,675 % rocznie),

N

2

O o 1,5 % (0,0075 % rocznie)

Łączne wymuszenie radiacyjne – ok. 2,2 W/m

2

7

przyczyny wzrostu emisji gazów cieplarnianych

Przyczyny wzrostu zawartości CO

2

(teoria ludnościowa Malthusa)

•

wykładniczy wzrost produkcji energii uzyskiwanej w procesie spalania paliw

•

pozyskiwanie terenów pod uprawy rolnicze poprzez wyrąb i wypalanie lasów (1 drzewo-
asymilacja 250 kg CO

2

/dobę)

•

wzrost liczebności populacji ludzkiej (1 człowiek emituje 1 kg CO

2

/dobę)

Obecnie (2005) koncentracja zbliża się do 400 ppmv (pomiary bezpośrednie). W 1760 roku
280 ppmv (lodowiec). Lata 1760 – 1860 – wzrost o 4 %. Lata 1860 – 1960 – wzrost o 8 %.
Lata 1960-2005 wzrost o ok. 25 %. Prognoza na rok 2050 – 530 ppmv.

Przyczyny wzrostu zawartości N

2

O (teoria ludnościowa Malthusa)

•

produkcja energii

•

wylesianie i spalanie biomasy

•

chemizacja rolnictwa – nawozy azotowe

•

motoryzacja

W wyniku procesów fotochemicznych zachodzących w atmosferze N

2

O przekształca się w NO.

Ale w bilansie rocznym 3 – 4,5 mln t N

2

O pozostaje w atmosferze

Przyczyny wzrostu zawartości CH

4

(teoria ludnościowa Malthusa)

•

produkcja żywności (uprawy rolne np. ryż, oraz hodowla)

•

wydobywanie gazu ziemnego (wycieki)

Obecna koncentracja metanu w atmosferze jest najwyższa od 160 tys.lat.

8

dynamika zmian składu chemicznego atmosfery ziemskiej 2

C

z

ę

ś

c

i

n

a

m

il

ia

r

d

(

p

p

b

v

)

Podtlenek azotu

C

z

ę

ś

c

i

n

a

b

il

io

n

(

p

p

tv

)

C

z

ę

ś

c

i

n

a

m

il

ia

r

d

(

p

p

b

v

)

CO

2

– w okresie 30 lat (1979-2008)

ciągły wzrost w tempie 0,5 % rocznie

(4-krotnie szybciej niż w ciągu 200 lat)

N

2

O – w okresie 30 lat (1979-2008)

ciągły wzrost w tempie 0,2 % rocznie

(26-krotnie szybciej niż w ciągu 200 lat)

CH

4

– stabilizacja w okresie ostatnich

10 lat (1998-2008)

Freony - od około 15 lat stabilizacja
z lekkim trendem spadkowym

Freony - od około 15 lat stabilizacja
z lekkim trendem spadkowym

Prognoza z 1985 r.

na 2030 r.:

CFC-11 1100-1850 pptb
CFC-12 1800-2800 pptb

9

wymuszenie radiacyjne w latach 1979-2007

0,3

Wm

-2

0,15

Wm

-2

0,5

Wm

-2

1,5

Wm

-2

0,0005

ppmv

0,315

ppmv

1,77

ppmv

370

ppmv

0,476

Wm-

2

/ppmv

N

2

O

0,283

Wm-

2

/ppmv

CH

4

dane dla 2000 roku

600

Wm-

2

/ppmv

CFC-12

0,004

Wm-

2

/ppmv

CO

2

Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology

1 cząstka freonu daje efekt termiczny 150 000 razy silniejszy niż 1 cząstka CO

2

1 cząstka N

2

O daje efekt termiczny 120 razy silniejszy niż 1 cząstka CO

2

1 cząstka CH

4

daje efekt termiczny 70 razy silniejszy niż 1 cząstka CO

2

8 000 – 12 000

N

2

O, freony,

ozon troposferyczny

<8 000, > 12 000

H

2

O, CO

2

, CH

4

Absorbowane długości IR, nm

10

globalne zmiany temperatury przy powierzchni Ziemi 1

Zmiany globalnej temperatury od 1900 do 2004 roku

(czarna linia - średnia roczna, czerwona linia - średnia 11- letnia, kolor szary - obszar niepewności)

11

globalne zmiany temperatury przy powierzchni Ziemi 2

Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology

12

globalne zmiany temperatury przy powierzchni Ziemi 3

Zmiany temperatur w 2007 roku względem średniej 1951-1980 (NASA)

Źródło:

Earth Observatory

• temperatura Ziemi rośnie
• wzrost temperatury nie jest równomierny
• temperatura nad lądami zmieniła się znacząco, a nad oceanami nieznacznie
• wzrost temperatury nie jest równomierny: największy wzrost temperatury

obserwuje się w Arktyce i w Azji, większy wzrost temperatury zanotowano na
półkuli północnej

13

zmiana profilu temperatury w atmosferze ziemskiej

Wzrost temperatury w troposferze, obniżenie temperatury w stratosferze

T

O

– temperatura efektywna, T

S

– temperatura na powierzchni lądów i oceanów dla okresu

przedindustrialnego, T

G

- temperatura na powierzchni lądów i oceanów wywołana

antropogeniczną emisją gazów cieplarnianych

stratosfera

troposfera

Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology

14

Czynniki

wpływające

na zmianę

globalnej

temperatury

troposferyczny

aerozole kwasu siarkowego

15

czynniki wpływające na zmianę globalnej

temperatury – gazy cieplarniane

zmiany temperatury w stosunku do

ś

redniej z lat 1961-1990

16

czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury –

wulkany, aerozole kwasu siarkowego

Wpływ aerozoli kwasu siarkowego –

rozpraszanie promieniowania

docierającego do powierzchni Ziemi

Wpływ erupcji wulkanów -

rozpraszanie (aerozole kwasu

siarkowego) i pochłanianie

(pyły wulkaniczne)

promieniowania

docierającego do powierzchni

Ziemi

17

czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury -

aktywność Słońca

Wykres aktywności słonecznej

– natężenie promieniowania

słonecznego w W/m

2

źródło:

www.globalwarmingart.com

Wyraźnie widoczny

11-letni cykl wzrostu

aktywności Słońca

mierzony liczbą plam

na Słońcu

źródło:

www.globalwarmingart.com

18

aktywność Słońca i nie tylko

Wzrost temperatury do końca lat 50. XX wieku można wyjaśnić wzrostem aktywności
Słońca. Jednak od tego czasu jego aktywność maleje, a temperatura mimo to coraz szybciej
wzrasta.

Tak więc aktywność Słońca przez wieki sterowała klimatem Ziemi, ale od około 50 lat klimat
zaczęły kształtować również inne czynniki, w szczególności wyższa koncentracja gazów
cieplarnianych w atmosferze. Wszelkie podkreślenia wcześniejszej korelacji pomiędzy
aktywnością słoneczną, a temperaturą Ziemi jedynie uwypuklają fakt, że ta korelacja znikła
w latach ‘60 XX wieku.

źródło:

www.globalwarmingart.com

19

oceany jako regulator klimatu ziemskiego 1

Wody oceanu światowego pochłaniają 60 % atmosferycznego CO

2

i w procesie

cyrkulacji termoklinowej transportują go w kierunku dna, gdzie m.in. zostaje związany
w różnych związkach chemicznych.

śółte/czerwone
obszary to miejsca,
gdzie ciepły ocean
pozbywa się CO

2

,

a niebieskie/zielone
to miejsca, gdzie
zimny ocean
pochłania CO

2.

Termoklina – granica, poniżej
której temperatura wody
gwałtownie maleje wraz z
głębokością, od 100 do 1000
m poniżej poziomu morza)

Bezwładność termiczna wód oceanu światowego chroni przed zmianami
globalnej temperatury (od 008 do 0,24

0

C) na skutek zmian aktywności Słońca w

cyklu 11. letnim.

20

oceany jako regulator klimatu ziemskiego 2

Słone wody są pompowane w głębiny tzw. kominami wentylacyjnymi wytworzonymi
przez silne prądy morskie.
Działanie tej swoistej grawitacyjnej pompy wynika z dużej gęstości wód zasolonych.

21

oceany jako regulator klimatu ziemskiego 3

22

oceany jako regulator klimatu ziemskiego 4

23

oceany jako regulator klimatu ziemskiego 5

Zagrożenie 2

napływ słodkiej wody z topniejących lodowców zmniejsza gęstość słonych
wód oceanu światowego i utrudnia pionową wymianę wód

Zagrożenie 3

rosnące zakwaszenie (wzrost o 30 %) stanowi zagrożenie dla oceanicznej
flory i fauny

rozpuszczenie:

CO

2

(atmosferyczny)

→

→

→

→

CO

2

(rozpuszczony w wodzie)

konwersja do kwasu węglowego:

CO

2

(rozpuszczony w wodzie) + H

2

O

→

→

→

→

H

2

CO

3

pierwsza jonizacja:

H

2

CO

3

→

→

→

→

H

+

+ HCO

3

−

(aniony wodorowęglanowe)

druga jonizacja:

HCO

3

−

→

→

→

→

H

+

+ CO

3

2−

(aniony węglanowe)

Zagrożenie 1

wzrost temperatury wód przypowierzchniowych zmniejsza zdolność do
rozpuszczania atmosferycznego CO

2

, a w ekstremalnych warunkach może

doprowadzić do uwolnienia zaabsorbowanego CO

2

24

trendy klimatyczne 1

Obszar topiącej się powierzchni lodu w

Grenlandii

wyniki na podstawie satelitarnej obserwacji

temperatury powierzchni

mapki –1992 i 2007

wzrost o 30 % w ciągu 30 lat

Zmiana w masie pokrywy lodowej

Grenlandii w latach 2003-2008

Oszacowanie na podstawie pomiarów
satelitarnych zmian pola grawitacyjnego.
Punkt zaznaczony strzałką to największe
letnie roztopy w roku 2007.

25

trendy klimatyczne 2

Zmiany średniej globalnej wartości

temperatury powietrza (dopasowanie na

podstawie 11 lat) względem roku 1990

Niebieska linia pokazuje dane z Hadley Center

(UK Meteorological Office); czerwona linia to

dane z GISS (NASA Goddard Institute for Space

Studies, USA). Przerywane linie stanowią

prognozy z IPCC Third Assessment Report z

modyfikacją oznaczonych niepewności wokół

odpowiednich scenariuszy (dane z 2007 i

2008,Rahmstorf, S.).

Zmiany w poziomie wód oceanicznych

w latach 1970-2008

w odniesieniu do poziomu w roku 1990

(ostatnie lata – czujniki satelitarne)
Dla porównania są pokazane przewidywania
IPCC (przerywane linie) dla poszczególnych
scenariuszy (szary obszar to zakres
niepewności tych przewidywań).

2/3 ludności Świata żyje w szerokim na około

60 km pasie nadmorskim (Azja i Afryka)

26

prognozy na II poł. XXI wieku 1

Przewidywania zmian temperatury do lat 2070-2100 względem średniej z lat 1960-1990.

Źródło:

Global Warming Predictions Map

27

prognozy na II poł. XXI wieku 2

• znikną lodowce górskie, w tym w Andach i Himalajach, zapewniające wodę setkom

milionów ludzi;

• stopnieją lody Arktyki, jak lustro odpijające światło Słońca, co spowoduje dalsze

ocieplanie się klimatu;

• rozpad wiecznej zmarzliny spowoduje nie tylko uszkodzenia infrastruktury, ale też

wyzwolenie do atmosfery olbrzymich ilości uwięzionych w niej gazów
cieplarnianych, nakręcając spiralę zmian klimatu;

• w wyniku rozpadu czap lodowych Grenlandii i części Antarktydy podniesie się

poziom oceanów o wiele metrów co uczyni uchodźcami dziesiątki milionów ludzi;

• załamie się cyrkulacja oceaniczna - w środku globalnego ocieplenia klimat Europy

może upodobnić się do klimatu Labradoru i Kamczatki;

• pojawią się huragany o nie spotykanej dotychczas mocy, w przypadku bardzo

dużego wzrostu temperatury mogą pojawić się nawet hiperorkany - sięgające
stratosfery wiry powietrza zdolne zedrzeć ziemię do gołej skały i wrzucić ją do
oceanu;

• do końca stulecia 1/3 powierzchni Ziemi może stać się pustynią, setki milionów

ludzi będą musiały przenieść się na inne tereny;

• gwałtowne burze, powodzie i lawiny błotne staną się czymś zwyczajnym;

• pożary zagrożą olbrzymim obszarom lasów - od Amazonii po Kanadę;

• wymrze połowa znanych gatunków zwierząt i roślin;

• tropikalne choroby i owady zawitają w dotychczas wolne od nich rejony;

• straty gospodarcze w ciągu 50 lat mogą przekroczyć 10 000 miliardów euro rocznie;

• wojny, susze, konflikty o zasoby, głód, katastrofy naturalne, zniszczenia

infrastruktury, migracje i zamieszki doprowadzą wiele regionów planety do stanu
anarchii.

28

prognozy na II poł. XXI wieku 3

29

prognozy na II poł. XXI wieku 4

30

prognozy na II poł. XXI wieku 5

31

prognozy na II poł. XXI wieku 6

"Zmiany klimatu wywołane przez obecne
pokolenie bezpośrednio wpłyną na życie
następnych pokoleń.

W rzeczywistości, temperatura planety prawie
wcale nie spadnie jeszcze w tysiąc lat po tym,
jak nasze emisje spadną do zera".

raport AR 4.5 SR

"Synthesis Report, Climate Change: Global Risks, Challenges & Decisions"

,

będący aktualizacją IV raportu IPCC