1

7. EFEKT CIEPLARNIANY

7.01. Efekt cieplarniany-wprowadzenie
7.02. Widmo promieniowania docieraj

ą

cego do powierzchni Ziemi i emitowanego z powierzchni Ziemi

7.03. Temperatura efektywna Ziemi
7.04. Termiczny efekt istnienia atmosfery = efekt cieplarniany
7.05. Dynamika zmian składu chemicznego atmosfery ziemskiej
7.06. Wymuszenie radiacyjne – roczny indeks gazów cieplarnianych
7.07. Globalne zmiany temperatury przy powierzchni Ziemi
7.08. Zmiany temperatury w ró

ż

nych regionach

ś

wiata w 2007 roku wzgl

ę

dem

ś

redniej 30. letniej za lata 1951-1980

7.09. Zmiana profilu temperatury w atmosferze ziemskiej
7.10. Czynniki wpływaj

ą

ce na zmian

ę

globalnej temperatury na Ziemi

7.11. Czynniki wpływaj

ą

ce na zmian

ę

globalnej temperatury – gazy cieplarniane

7.12. Czynniki wpływaj

ą

ce na zmian

ę

globalnej temperatury – wulkany, aerozole kwasu siarkowego

7.13. Czynniki wpływaj

ą

ce na zmian

ę

globalnej temperatury - aktywno

ść

Sło

ń

ca

7.14. Wzrost zawarto

ś

ci CO2 w atmosferze i aktywno

ść

Sło

ń

ca a zmiany

ś

redniej temperatury

7.15. Oceany jako regulator klimatu ziemskiego
7.16. Cyrkulacja wód oceanu

ś

wiatowego

7.17. Zakłócenia pionowej wymiany wód oceanu

ś

wiatowego

7.18. Trendy klimatyczne (1)
7.19. Trendy klimatyczne (2)
7.20. Prognozy na II poł. XXI wieku
7.21. Modele klimatyczne
7.22. Temperatura w perspektywie schyłku XXI wieku – ró

ż

ne modele klimatyczne

7.23. Prognozy na II poł. XXI wieku

2

2

7.01. Efekt cieplarniany-wprowadzenie

3

3

7.02. Widmo promieniowania docieraj

ą

cego do

powierzchni Ziemi i emitowanego z powierzchni

Ziemi

Z termodynamicznego punktu widzenia Ziemi

ę

jako planet

ę

mo

ż

na traktowa

ć

jako układ zamkni

ę

ty,

tzn. taki, który nie wymienia z otoczeniem masy ale wymienia energi

ę

. Transport energii odbywa si

ę

poprzez promieniowanie, przewodnictwo i konwekcj

ę

.

Nat

ęż

enie promieniowania słonecznego w

ró

ż

nych zakresach fal, docieraj

ą

cego do

zewn

ę

trznych warstw atmosfery Ziemi, po

przej

ś

ciu przez atmosfer

ę

i przenikaj

ą

cego

przez chmury (wg Gatesa, 1980)

Rozkład długo

ś

ci fal promieniowania

docieraj

ą

cego do powierzchni Ziemi (biała

strzałka) i emitowanego z powierzchni Ziemi
(czarna strzałka): białe pole- promieniowanie
przechodz

ą

ce przez atmosfer

ę

od 0 do 100 %,

czarne pola – promieniowanie pochłoni

ę

te, białe

trójk

ą

ty – zakresy nieprzezroczyste ze wzgl

ę

du na

obecno

ść

w atmosferze okre

ś

lonych gazów) (wg

Gatesa, 1980,1985)

4

4

7.03. Temperatura efektywna Ziemi

Stała słoneczna S

0

-

strumie

ń

energii

promieniowania słonecznego
padaj

ą

cego prostopadle na jednostk

ę

powierzchni znajduj

ą

c

ą

si

ę

w

ś

redniej

odległo

ś

ci od Sło

ń

ca

(ró

ż

ne

ź

ródła: 1353, 1366, 1380 W/m

2

)

Albedo

A

– stosunek ilo

ś

ci

promieniowania odbitego i
rozproszonego do ilo

ś

ci

promieniowania padaj

ą

cego

(ró

ż

ne

ź

ródła: 0,28; 0,32; 0,385)

Insolacja S

A

– całkowita ilo

ść

energii

słonecznej zaabsorbowanej przez
powierzchni

ę

Ziemi w jednostce czasu

gdzie R – promie

ń

Ziemi

z

a

E

S

====

Z warunku

temperaturę efektywną Ziemi T

e

wyznaczyć można

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

4

e

z

T

E

δδδδ

σσσσ

====

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

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

K

9

,

255

S

T

4

a

e

====

σσσσ

δδδδ

====

5

5

7.04. Termiczny efekt istnienia atmosfery =
efekt cieplarniany

temperatura efektywna Ziemi

t

e

= - 17,3

0

C

ś

rednia temperatura powierzchni Ziemi

w II poł.XX w.

t

z

≅≅≅≅

15

0

C

ró

ż

nica pomi

ę

dzy temperatur

ą

obserwowan

ą

a temperatur

ą

efektywn

ą

jest miar

ą

termicznego efektu istnienia

atmosfery, czyli efektu cieplarnianego

t

z

- t

e

≅≅≅≅

32 deg

Temperatury efektywne Wenus, Ziemi i Marsa

~ 10

~ 30

~ 500

efekt termiczny, deg

- 40

0,15

595

228

Mars

+ 15

+ 460

temperatura obserwowana,

0

C

0,35

0,65

albedo

1365

2660

stała słoneczna, W/m

2

Podane

w tabeli

warto

ś

ci maj

ą

charakter

szacunkowy

150

108

odległo

ść

od Sło

ń

ca, mln km

Ziemia

Wenus

planeta

6

6

7.05. Dynamika zmian składu chemicznego
atmosfery ziemskiej

Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology

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.)

Zmiana koncentracji gazów cieplarnianych w

atmosferze (ppmv – cz

ęś

ci na milion, ppmb- cz

ęś

ci

na miliard, pptb-cz

ęś

ci na bilion) oraz wymuszenie

radiacyjne w W/m

2

dotycz

ą

ce 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)

Ł

ą

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

2

7

wymuszenie radiacyjne w latach 1979-2007

Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology

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

7.06. Wymuszenie radiacyjne – roczny indeks
gazów cieplarnianych

8

7.07. Globalne zmiany temperatury przy
powierzchni Ziemi

Zmiany globalnej temperatury od 1900 do

2004 roku

(czarna linia -

ś

rednia roczna, czerwona linia -

ś

rednia

11- letnia, kolor szary - obszar niepewno

ś

ci)

Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology

9

Źródło:

Earth Observatory

•

temperatura Ziemi ro

ś

nie

• wzrost temperatury nie jest równomierny
• temperatura nad l

ą

dami zmieniła si

ę

znacz

ą

co, a nad oceanami nieznacznie

• wzrost temperatury nie jest równomierny: najwi

ę

kszy wzrost temperatury obserwuje

si

ę

w Arktyce i w Azji, wi

ę

kszy wzrost temperatury zanotowano na półkuli północnej

7.08. Zmiany temperatury w ró

ż

nych regionach

ś

wiata w 2007 roku wzgl

ę

dem

ś

redniej 30.

letniej za lata 1951-1980

10

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

7.09. Zmiana profilu temperatury w
atmosferze ziemskiej

11

7.10. Czynniki wpływaj

ą

ce na zmian

ę

globalnej temperatury na Ziemi

troposferyczny

aerozole kwasu siarkowego

12

7.11. Czynniki wpływaj

ą

ce na zmian

ę

globalnej

temperatury – gazy cieplarniane

zmiany temperatury w stosunku do

ś

redniej z lat 1961-1990

13

7.12. Czynniki wpływaj

ą

ce na zmian

ę

globalnej

temperatury – wulkany, aerozole kwasu
siarkowego

⇐

⇐

⇐

⇐

Wpływ aerozoli kwasu

siarkowego – rozpraszanie
promieniowania docieraj

ą

cego

do powierzchni Ziemi

Wpływ erupcji wulkanów:

• rozpraszanie (aerozole kwasu

siarkowego),

• pochłanianie (pyły wulkaniczne)
promieniowania docieraj

ą

cego do

powierzchni Ziemi

⇒

⇒

⇒

⇒

14

7.13. Czynniki wpływaj

ą

ce na zmian

ę

globalnej

temperatury - aktywno

ść

Sło

ń

ca

Wykres aktywno

ś

ci słonecznej

– nat

ęż

enie promieniowania

słonecznego w W/m

2

źródło:

www.globalwarmingart.com

Wyra

ź

nie widoczny

11-letni cykl wzrostu

aktywno

ś

ci Sło

ń

ca mierzony

liczb

ą

plam na Sło

ń

cu

źródło:

www.globalwarmingart.com

15

7.14. Wzrost zawarto

ś

ci CO

2

w atmosferze i

aktywno

ść

Sło

ń

ca a zmiany

ś

redniej

temperatury przy powierzchni ziemi

Wzrost temperatury do ko

ń

ca lat 50. XX wieku mo

ż

na wyja

ś

ni

ć

wzrostem aktywno

ś

ci

Sło

ń

ca. Jednak od tego czasu jego aktywno

ść

maleje, a temperatura mimo to coraz

szybciej wzrasta. Korelacja pomi

ę

dzy aktywno

ś

ci

ą

słoneczn

ą

a temperatur

ą

Ziemi

zanikła w latach 60. XX wieku.

źródło:

www.globalwarmingart.com

16

7.15. Oceany jako regulator klimatu ziemskiego

Wody oceanu

ś

wiatowego pochłaniaj

ą

60 % atmosferycznego CO

2

i w procesie

cyrkulacji termoklinowej transportuj

ą

go w kierunku dna, gdzie m.in. zostaje

zwi

ą

zany w ró

ż

nych zwi

ą

zkach chemicznych.

ś

ółte/czerwone

obszary to miejsca,
gdzie ciepły ocean
pozbywa si

ę

CO

2

,

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

2.

Termoklina – granica,
poni

ż

ej której temperatura

wody gwałtownie maleje
wraz z gł

ę

boko

ś

ci

ą

, od 100

do 1000 m poni

ż

ej poziomu

morza)

17

7.16. Cyrkulacja wód oceanu

ś

wiatowego

18

7.17. Zakłócenia pionowej wymiany wód
oceanu

ś

wiatowego 7.17. Zakłócenia pionowej

wymiany wód oceanu

ś

wiatowego

19

7.18. Trendy klimatyczne (1)

Obszar topi

ą

cej si

ę

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 strzałk

ą

to najwi

ę

ksze

letnie roztopy w roku 2007.

20

Zmiany

ś

redniej globalnej warto

ś

ci temperatury

powietrza (dopasowanie na podstawie 11 lat)

wzgl

ę

dem 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).

7.19.Trendy klimatyczne (2)

21

7.20. Prognozy na II poł. XXI wieku

Przewidywania zmian temperatury do lat 2070-2100 wzgl

ę

dem

ś

redniej z lat 1960-1990

.

Źródło:

Global Warming Predictions Map

22

7.21. Modele klimatyczne

23

7.22. Temperatura w perspektywie schyłku XXI
wieku – ró

ż

ne modele klimatyczne

"

Zmiany klimatu

wywołane przez obecne
pokolenie bezpo

ś

rednio

wpłyn

ą

na

ż

ycie

nast

ę

pnych pokole

ń

.

W rzeczywisto

ś

ci,

temperatura planety
prawie wcale nie spadnie
jeszcze w tysi

ą

c lat po

tym, jak nasze emisje
spadn

ą

do zera".

raport AR 4.5 SR

"Synthesis Report,

Climate Change: Global Risks,

Challenges & Decisions"

,

będący aktualizacją IV raportu IPCC

24

7.23. Prognozy na II poł. XXI wieku

"

Zmiany klimatu wywołane przez obecne pokolenie

bezpo

ś

rednio wpłyn

ą

na

ż

ycie nast

ę

pnych pokole

ń

.

W rzeczywisto

ś

ci, temperatura planety prawie wcale nie

spadnie jeszcze w tysi

ą

c lat po tym, jak nasze emisje

spadn

ą

do zera".

raport AR 4.5 SR

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

,

będący aktualizacją IV raportu IPCC