efekt cieplarniany 1
Planeta Wenus - bardzo podobna do
Ziemi po względem rozmiarów i masy
ró\
ni się bardzo istotnie składem
chemicznym atmosfery (96,5 % CO2)
oraz temperaturÄ… (ponad 460 0C).
Hipoteza
Intensywne wysokoenergetyczne promie-
Åšwiat Nauki czerwiec 2006
niowanie UV prowadziło do fotodysocjacji
pary wodnej. Lekki wodór uchodził w
przestrzeń kosmiczną a cząsteczkowy tlen
Rozbuchany efekt cieplarniany uczynił z Wenus wchodził w reakcje z węglem tworząc
prawdziwe piekło. Temperatura Ziemi jest na dwutlenek węgla. Mechanizm ten ma
razie zbyt niska, aby doszło na niej do podobnego charakter samonapędzający  wzrost
temperatury  intensyfikacja procesów
zjawiska, ale za miliard lub więcej lat, w miarę,
jak będzie rosła moc Słońca, los ten stanie się parowania  wzrost zawartości dwutlenku
równie\
udziałem Ziemi. węgla.
1
efekt cieplarniany 2
2
Åšwiat Nauki paz
dziernik 2006
promieniowanie słoneczne
Z termodynamicznego punktu widzenia ZiemiÄ™ jako planetÄ™ mo\
na traktować jako
układ zamknięty, tzn. taki, który nie wymienia z otoczeniem masy ale wymienia
energiÄ™. Transport energii odbywa siÄ™ poprzez promieniowanie, przewodnictwo i
konwekcjÄ™.
Rozkład długości fal promieniowania
docierającego do powierzchni Ziemi (biała
strzałka) i emitowanego z powierzchni Ziemi
(czarna strzałka): białe pole- promieniowanie
przechodzÄ…ce przez atmosferÄ™ od 0 do 100 %,
NatÄ™\
enie promieniowania słonecznego w
czarne pola  promieniowanie pochłonięte, białe
ró\
nych zakresach fal, docierajÄ…cego do
trójkąty  zakresy nieprzezroczyste ze względu
zewnętrznych warstw atmosfery Ziemi, po
na obecność w atmosferze określonych gazów)
przejściu przez atmosferę i przenikającego
(wg Gatesa, 1980,1985)
przez chmury (wg Gatesa, 1980)
3
temperatura efektywna Ziemi
Sa = Ez wyznaczyć mo\
na
=
=
=
Z warunku
temperaturÄ™ efektywnÄ… Ziemi Te
Stała słoneczna S0- strumień
Ilość wypromieniowanej z powierzchni
energii promieniowania słonecznego
Ziemi energii równowa\
Ä…cej insolacjÄ™
padajÄ…cego prostopadle na
określa prawo Stefana  Boltzmanna
jednostkÄ™ powierzchni znajdujÄ…cÄ…
się w średniej odległości od Słońca
4
Ez = Ã ´ Te
= Ã ´
= Ã ´
= Ã ´
(ró\
ne z
ródła: 1353, 1366, 1380 W/m2)
Albedo A  stosunek ilości
Ã- staÅ‚a Stefana  Boltzmanna,
promieniowania odbitego i
56,679 10-9 W/(m2 K4)
rozproszonego do ilości
´- wzglÄ™dna zdolność emisyjna ( stopieÅ„
promieniowania padajÄ…cego
czerni ciaÅ‚a), dla Ziemi ´ = 0,95
´
´
´
(ró\
ne z
ródła: 0,28; 0,32; 0,385)
wg K.Ko\
uchowski,R,Przybylak:Efekt cieplarniany,
Insolacja SA  całkowita ilość
Wyd.Wiedza Powszechna, Warszawa 1995
energii słonecznej zaabsorbowanej
SO = 1353 W/m2, A = 0,28 czyli SA =243 W/m2
przez powierzchniÄ™ Ziemi w
jednostce czasu
Ä„R2 S0
Ä„
Ä„
Ä„
Sa
Sa = (1- A) S0 = (1- A)
= ( - ) = ( - )
= ( - ) = ( - )
= ( - ) = ( - )
4
Te = = 255,9 K
= =
= =
= =
4
4Ä„R2
Ä„
Ä„
Ä„
´ Ã
´ Ã
´ Ã
´ Ã
gdzie R  promień Ziemi
4
termiczny efekt istnienia atmosfery = efekt cieplarniany
Temperatury efektywne Wenus, Ziemi i Marsa
temperatura efektywna Ziemi
te = - 17,3 0C
średnia temperatura
powierzchni Ziemi
w II poł.XX w.
0
tz E" 15 C
E"
E"
E"
ró\
nica pomiędzy temperaturą
obserwowanÄ… a temperaturÄ…
efektywnÄ… jest miarÄ…
termicznego efektu istnienia
atmosfery, czyli efektu
cieplarnianego
tz - te E" 32 deg
E"
E"
E"
y
ródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
planeta Wenus Ziemia Mars
Podane
odległość od Słońca, mln km 108 150 228
w tabeli
stała słoneczna, W/m2 2660 1365 595
wartości
majÄ…
albedo 0,65 0,35 0,15
charakter
temperatura obserwowana, 0C + 460 + 15 - 40
szacunkowy
efekt termiczny, deg ~ 500 ~ 30 ~ 10
udział gazów cieplarnianych w atmosferze, % 96,5 3 95,5
5
dynamika zmian składu chemicznego atmosfery ziemskiej 1
Termiczny wymiar efektu Czas pobytu w
cieplarnianego (1985 r.) atmosferze w
latach
Para wodna 20,6 deg
Dwutlenek węgla 7,6 deg 150
Metan 0,8 deg 10
Podtlenek azotu 1,4 deg 150
Freon 11 i 12 <0,8 deg 65-130
Zmiana koncentracji gazów cieplarnianych
w atmosferze (ppmv  części na milion, ppmb-
części na miliard, pptb-części na bilion) oraz
wymuszenie radiacyjne w W/m2 dotyczÄ…ce
okresu industrialnego
W okresie 200 lat koncentracja poszczególnych
gazów wzrosła odpowiednio:
CO2 o 32 % (0,16 % rocznie)
CH4 o 135 % (0,675 % rocznie),
N2O o 1,5 % (0,0075 % rocznie)
A
Ä…czne wymuszenie radiacyjne  ok. 2,2 W/m2
y
ródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
6
przyczyny wzrostu emisji gazów cieplarnianych
Przyczyny wzrostu zawartości CO2 (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 CO2/dobÄ™)
" wzrost liczebności populacji ludzkiej (1 człowiek emituje 1 kg CO2/dobę)
Obecnie (2005) koncentracja zbli\
a 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 N2O (teoria ludnościowa Malthusa)
" produkcja energii
" wylesianie i spalanie biomasy
" chemizacja rolnictwa  nawozy azotowe
" motoryzacja
W wyniku procesów fotochemicznych zachodzących w atmosferze N2O przekształca się w NO.
Ale w bilansie rocznym 3  4,5 mln t N2O pozostaje w atmosferze
Przyczyny wzrostu zawartości CH4 (teoria ludnościowa Malthusa)
" produkcja \
ywności (uprawy rolne np. ry\
, oraz hodowla)
" wydobywanie gazu ziemnego (wycieki)
Obecna koncentracja metanu w atmosferze jest najwy\
sza od 160 tys.lat.
7
dynamika zmian składu chemicznego atmosfery ziemskiej 2
Podtlenek azotu
Prognoza z 1985 r.
na 2030 r.:
CFC-11 1100-1850 pptb
CFC-12 1800-2800 pptb
CO2  w okresie 30 lat (1979-2008) N2O  w okresie 30 lat (1979-2008)
ciągły wzrost w tempie 0,5 % rocznie ciągły wzrost w tempie 0,2 % rocznie
(4-krotnie szybciej ni\
w ciÄ…gu 200 lat) (26-krotnie szybciej ni\
w ciÄ…gu 200 lat)
CH4  stabilizacja w okresie ostatnich Freony - od około 15 lat stabilizacja
Freony - od około 15 lat stabilizacja
10 lat (1998-2008) z lekkim trendem spadkowym
z lekkim trendem spadkowym
8
Części na miliard (ppbv)
Części na bilion (pptv)
Części na miliard (ppbv)
wymuszenie radiacyjne w latach 1979-2007
Absorbowane długości IR, nm
H2O, CO2, CH4 <8 000, > 12 000
N2O, freony, 8 000  12 000
ozon troposferyczny
dane dla 2000 roku
CO2 370 1,5 0,004
ppmv
Wm-2 Wm-2/ppmv
CH4 1,77 0,5 0,283
Wm-2 Wm-2/ppmv
ppmv
N2O 0,315 0,15 0,476
ppmv Wm-2 Wm-2/ppmv
CFC-12 0,0005 0,3 600
ppmv Wm-2 Wm-2/ppmv
y
ródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
1 czÄ…stka CH4 daje efekt termiczny 70 razy silniejszy ni\
1 czÄ…stka CO2
1 czÄ…stka N2O daje efekt termiczny 120 razy silniejszy ni\
1 czÄ…stka CO2
1 czÄ…stka freonu daje efekt termiczny 150 000 razy silniejszy ni\
1 czÄ…stka CO2
9
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)
10
globalne zmiany temperatury przy powierzchni Ziemi 2
11
y
ródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
globalne zmiany temperatury przy powierzchni Ziemi 3
Zmiany temperatur w 2007 roku względem średniej 1951-1980 (NASA) y
ródło: 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
12
zmiana profilu temperatury w atmosferze ziemskiej
stratosfera
troposfera
Wzrost temperatury w troposferze, obni\
enie temperatury w stratosferze
TO  temperatura efektywna, TS  temperatura na powierzchni lądów i oceanów dla okresu
przedindustrialnego, TG - temperatura na powierzchni lądów i oceanów wywołana
antropogeniczną emisją gazów cieplarnianych
y
ródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
13
Czynniki
wpływające
na zmianÄ™
globalnej
temperatury
troposferyczny
aerozole kwasu siarkowego
14
czynniki wpływające na zmianę globalnej
temperatury  gazy cieplarniane
zmiany temperatury w stosunku do średniej z lat 1961-1990
15
czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury 
wulkany, aerozole kwasu siarkowego
Wpływ erupcji wulkanów -
rozpraszanie (aerozole kwasu
siarkowego) i pochłanianie
(pyły wulkaniczne)
promieniowania
docierajÄ…cego do powierzchni
Ziemi
Wpływ aerozoli kwasu siarkowego 
rozpraszanie promieniowania
docierajÄ…cego do powierzchni Ziemi
16
czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury -
aktywność Słońca
Wyraz
nie widoczny
11-letni cykl wzrostu
aktywności Słońca
mierzony liczbÄ… plam
na Słońcu
z
ródło:
www.globalwarmingart.com
Wykres aktywności słonecznej
 natÄ™\
enie promieniowania
słonecznego w W/m2
z
ródło: www.globalwarmingart.com
17
aktywność Słońca i nie tylko
Wzrost temperatury do końca lat 50. XX wieku mo\
na 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 równie\
inne czynniki, w szczególności wy\
sza koncentracja gazów
cieplarnianych w atmosferze. Wszelkie podkreślenia wcześniejszej korelacji pomiędzy
aktywnością słoneczną, a temperaturą Ziemi jedynie uwypuklają fakt, \
e ta korelacja znikła
w latach  60 XX wieku.
z
ródło: www.globalwarmingart.com
18
oceany jako regulator klimatu ziemskiego 1
Bezwładność termiczna wód oceanu światowego chroni przed zmianami
globalnej temperatury (od 008 do 0,24 0C) na skutek zmian aktywności Słońca w
cyklu 11. letnim.
Wody oceanu światowego pochłaniają 60 % atmosferycznego CO2 i w procesie
cyrkulacji termoklinowej transportujÄ… go w kierunku dna, gdzie m.in. zostaje zwiÄ…zany
w ró\
nych zwiÄ…zkach chemicznych.
śółte/czerwone
obszary to miejsca,
gdzie ciepły ocean
pozbywa siÄ™ CO2,
a niebieskie/zielone
to miejsca, gdzie
zimny ocean
pochłania CO2.
Termoklina  granica, poni\
ej
której temperatura wody
gwałtownie maleje wraz z
głębokością, od 100 do 1000
m poni\
ej poziomu morza)
19
oceany jako regulator klimatu ziemskiego 2
Słone wody są pompowane w głębiny tzw. kominami wentylacyjnymi wytworzonymi
przez silne prÄ…dy morskie.
Działanie tej swoistej grawitacyjnej pompy wynika z du\
ej gęstości wód zasolonych.
20
oceany jako regulator klimatu ziemskiego 3
21
oceany jako regulator klimatu ziemskiego 4
22
oceany jako regulator klimatu ziemskiego 5
Zagro\
enie 1
wzrost temperatury wód przypowierzchniowych zmniejsza zdolność do
rozpuszczania atmosferycznego CO2, a w ekstremalnych warunkach mo\
e
doprowadzić do uwolnienia zaabsorbowanego CO2
Zagro\
enie 2
napływ słodkiej wody z topniejących lodowców zmniejsza gęstość słonych
wód oceanu światowego i utrudnia pionową wymianę wód
Zagro\
enie 3
rosnÄ…ce zakwaszenie (wzrost o 30 %) stanowi zagro\
enie dla oceanicznej
flory i fauny
rozpuszczenie: CO2 (atmosferyczny) CO2 (rozpuszczony w wodzie)



konwersja do kwasu węglowego: CO2 (rozpuszczony w wodzie) + H2O H2CO3



pierwsza jonizacja: H2CO3 H+ + HCO3- (aniony wodorowęglanowe)



druga jonizacja: HCO3- H+ + CO3 2- (aniony węglanowe)



23
trendy klimatyczne 1
Zmiana w masie pokrywy lodowej
Grenlandii w latach 2003-2008 Obszar topiÄ…cej siÄ™ powierzchni lodu w
Grenlandii
Oszacowanie na podstawie pomiarów
satelitarnych zmian pola grawitacyjnego.
wyniki na podstawie satelitarnej obserwacji
Punkt zaznaczony strzałką to największe
temperatury powierzchni
letnie roztopy w roku 2007.
mapki  1992 i 2007
wzrost o 30 % w ciÄ…gu 30 lat
24
trendy klimatyczne 2
Zmiany w poziomie wód oceanicznych
Zmiany średniej globalnej wartości
w latach 1970-2008
temperatury powietrza (dopasowanie na
w odniesieniu do poziomu w roku 1990
podstawie 11 lat) względem roku 1990
(ostatnie lata  czujniki satelitarne)
Niebieska linia pokazuje dane z Hadley Center
Dla porównania są pokazane przewidywania
(UK Meteorological Office); czerwona linia to
IPCC (przerywane linie) dla poszczególnych
dane z GISS (NASA Goddard Institute for Space
scenariuszy (szary obszar to zakres
Studies, USA). Przerywane linie stanowiÄ…
niepewności tych przewidywań).
prognozy z IPCC Third Assessment Report z
modyfikacją oznaczonych niepewności wokół
2/3 ludności Świata \
yje w szerokim na około
odpowiednich scenariuszy (dane z 2007 i
60 km pasie nadmorskim (Azja i Afryka)
25
2008,Rahmstorf, S.).
prognozy na II poł. XXI wieku 1
Przewidywania zmian temperatury do lat 2070-2100 względem średniej z lat 1960-1990.
y
ródło: Global Warming Predictions Map
26
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 siÄ™ klimatu;
" rozpad wiecznej zmarzliny spowoduje nie tylko uszkodzenia infrastruktury, ale te\

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 uchodz
cami dziesiątki milionów ludzi;
" załamie się cyrkulacja oceaniczna - w środku globalnego ocieplenia klimat Europy
mo\
e upodobnić się do klimatu Labradoru i Kamczatki;
" pojawiÄ… siÄ™ huragany o nie spotykanej dotychczas mocy, w przypadku bardzo
du\
ego 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 mo\
e stać się pustynią, setki milionów
ludzi będą musiały przenieść się na inne tereny;
" gwałtowne burze, powodzie i lawiny błotne staną się czymś zwyczajnym;
" po\
ary zagro\
ą olbrzymim obszarom lasów - od Amazonii po Kanadę;
" wymrze połowa znanych gatunków zwierząt i roślin;
" tropikalne choroby i owady zawitajÄ… 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.
27
prognozy na II poł. XXI wieku 3
28
prognozy na II poł. XXI wieku 4
29
prognozy na II poł. XXI wieku 5
30
prognozy na II poł. XXI wieku 6
"Zmiany klimatu wywołane przez obecne
pokolenie bezpośrednio wpłyną na \
ycie
następnych pokoleń.
W rzeczywistości, temperatura planety prawie
wcale nie spadnie jeszcze w tysiÄ…c lat po tym,
jak nasze emisje spadnÄ… do zera".
raport AR 4.5 SR "Synthesis Report, Climate Change: Global Risks, Challenges & Decisions",
będący aktualizacją IV raportu IPCC
31