7. EFEKT CIEPLARNIANY
7.01. Efekt cieplarniany-wprowadzenie
7.02. Widmo promieniowania docierajÄ…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\
nych regionach świata w 2007 roku względem średniej 30. letniej za lata 1951-1980
7.09. Zmiana profilu temperatury w atmosferze ziemskiej
7.10. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury na Ziemi
7.11. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury  gazy cieplarniane
7.12. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury  wulkany, aerozole kwasu siarkowego
7.13. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury - aktywność Słońca
7.14. Wzrost zawartości CO2 w atmosferze i aktywność Słońca a zmiany średniej temperatury
7.15. Oceany jako regulator klimatu ziemskiego
7.16. Cyrkulacja wód oceanu światowego
7.17. Zakłócenia pionowej wymiany wód oceanu światowego
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\
ne modele klimatyczne
7.23. Prognozy na II poł. XXI wieku
1
7.01. Efekt cieplarniany-wprowadzenie
2
2
7.02. Widmo promieniowania docierajÄ…cego do
powierzchni Ziemi i emitowanego z powierzchni
Ziemi
Z termodynamicznego punktu widzenia ZiemiÄ™ jako planetÄ™ mo\
na traktować jako układ zamknięty,
tzn. taki, który nie wymienia z otoczeniem masy ale wymienia energię. Transport energii odbywa się
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 na
zewnętrznych warstw atmosfery Ziemi, po
obecność w atmosferze określonych gazów) (wg
przejściu przez atmosferę i przenikającego
Gatesa, 1980,1985)
3
3
przez chmury (wg Gatesa, 1980)
7.03. Temperatura efektywna Ziemi
Sa = Ez wyznaczyć mo\
na
=
=
=
Z warunku
temperaturÄ™ efektywnÄ… Ziemi Te
Ilość wypromieniowanej z powierzchni Ziemi
energii równowa\
ącej insolację określa prawo
Stała słoneczna S0- strumień energii
Stefana  Boltzmanna
promieniowania słonecznego
4
padajÄ…cego prostopadle na jednostkÄ™
Ez = Ã ´ Te
= Ã ´
= Ã ´
= Ã ´
powierzchni znajdującą się w średniej
odległości od Słońca
Ã- staÅ‚a Stefana Boltzmanna,
56,679 10-9 W/(m2 K4)
(ró\
ne z
ródła: 1353, 1366, 1380 W/m2)
´- wzglÄ™dna zdolność emisyjna
Albedo A  stosunek ilości
( stopieÅ„ czerni ciaÅ‚a), dla Ziemi ´ = 0,95
´
´
´
promieniowania odbitego i
wg K.Ko\
uchowski,R,Przybylak:Efekt cieplarniany,
rozproszonego do ilości
Wyd.Wiedza Powszechna, Warszawa 1995
promieniowania padajÄ…cego
SO = 1353 W/m2, A = 0,28 czyli SA =243 W/m2
(ró\
ne z
ródła: 0,28; 0,32; 0,385)
Sa
Insolacja SA  całkowita ilość energii
4
Te = = 255,9 K
= =
= =
= =
słonecznej zaabsorbowanej przez
´ Ã
´ Ã
´ Ã
´ Ã
powierzchniÄ™ Ziemi w jednostce czasu
gdzie R  promień Ziemi
4
4
7.04. Termiczny efekt istnienia atmosfery =
efekt cieplarniany
temperatura efektywna Ziemi
Temperatury efektywne Wenus, Ziemi i Marsa
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"
planeta Wenus Ziemia Mars
Podane
odległość od Słońca, mln km 108 150 228
w tabeli
stała słoneczna, W/m2 2660 1365 595 wartości mają
charakter
albedo 0,65 0,35 0,15
szacunkowy
temperatura obserwowana, 0C + 460 + 15 - 40
efekt termiczny, deg ~ 500 ~ 30 ~ 10
5
5
7.05. Dynamika zmian składu chemicznego
atmosfery ziemskiej
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
6
6
y
ródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
7.06. Wymuszenie radiacyjne  roczny indeks
gazów cieplarnianych
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
y
ródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
7
7.07. Globalne zmiany temperatury przy
powierzchni Ziemi
Zmiany globalnej temperatury od 1900 do
2004 roku
(czarna linia - średnia roczna, czerwona linia - średnia
11- letnia, kolor szary - obszar niepewności)
y
ródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
8
7.08. Zmiany temperatury w ró\
nych regionach
świata w 2007 roku względem średniej 30.
letniej za lata 1951-1980
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
9
7.09. 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
10
7.10. Czynniki wpływające na zmianę
globalnej temperatury na Ziemi
troposferyczny
aerozole kwasu siarkowego
11
7.11. Czynniki wpływające na zmianę globalnej
temperatury  gazy cieplarniane
zmiany temperatury w stosunku do średniej z lat 1961-1990
12
7.12. Czynniki wpływające na zmianę globalnej
temperatury  wulkany, aerozole kwasu
siarkowego
Wpływ erupcji wulkanów:
" rozpraszanie (aerozole kwasu
siarkowego),
" pochłanianie (pyły wulkaniczne)
promieniowania docierajÄ…cego do
powierzchni Ziemi Ò!
Ò!
Ò!
Ò!
Ð! WpÅ‚yw aerozoli kwasu
Ð!
Ð!
Ð!
siarkowego  rozpraszanie
promieniowania docierajÄ…cego
do powierzchni Ziemi
13
7.13. Czynniki wpływające na zmianę globalnej
temperatury - aktywność Słońca
Wyraz
nie widoczny
11-letni cykl wzrostu
aktywności Słońca mierzony
liczbą plam na Słońcu
z
ródło: www.globalwarmingart.com
Wykres aktywności słonecznej
 natÄ™\
enie promieniowania
słonecznego w W/m2
z
ródło: www.globalwarmingart.com
14
7.14. Wzrost zawartości CO2 w atmosferze i
aktywność Słońca a zmiany średniej
temperatury przy powierzchni ziemi
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. Korelacja pomiędzy aktywnością słoneczną a temperaturą Ziemi
zanikła w latach 60. XX wieku. z
ródło: www.globalwarmingart.com
15
7.15. Oceany jako regulator klimatu ziemskiego
Wody oceanu światowego pochłaniają 60 % atmosferycznego CO2 i w procesie
cyrkulacji termoklinowej transportujÄ… go w kierunku dna, gdzie m.in. zostaje
związany w ró\
nych zwiÄ…zkach chemicznych.
Termoklina  granica,
poni\
ej której temperatura
wody gwałtownie maleje
wraz z głębokością, od 100
do 1000 m poni\
ej poziomu
morza)
śółte/czerwone
obszary to miejsca,
gdzie ciepły ocean
pozbywa siÄ™ CO2,
a niebieskie/zielone to
miejsca, gdzie zimny
ocean pochłania CO2.
16
7.16. Cyrkulacja wód oceanu światowego
17
7.17. Zakłócenia pionowej wymiany wód
oceanu światowego 7.17. Zakłócenia pionowej
wymiany wód oceanu światowego
18
7.18. Trendy klimatyczne (1)
Obszar topiÄ…cej siÄ™ powierzchni lodu w
Grenlandii
Zmiana w masie pokrywy lodowej
Grenlandii w latach 2003-2008
wyniki na podstawie satelitarnej obserwacji
temperatury powierzchni
Oszacowanie na podstawie pomiarów
satelitarnych zmian pola grawitacyjnego.
mapki  1992 i 2007
Punkt zaznaczony strzałką to największe
letnie roztopy w roku 2007.
19
wzrost o 30 % w ciÄ…gu 30 lat
7.19.Trendy klimatyczne (2)
Zmiany średniej globalnej wartości temperatury
Zmiany w poziomie wód oceanicznych w
powietrza (dopasowanie na podstawie 11 lat)
latach 1970-2008
względem roku 1990
w odniesieniu do poziomu w roku 1990
Niebieska linia pokazuje dane z Hadley Center
(UK Meteorological Office); czerwona linia to
(ostatnie lata  czujniki satelitarne)
dane z GISS (NASA Goddard Institute for Space
Dla porównania są pokazane przewidywania
Studies, USA). Przerywane linie stanowiÄ…
IPCC (przerywane linie) dla poszczególnych
prognozy z IPCC Third Assessment Report z
scenariuszy (szary obszar to zakres
modyfikacją oznaczonych niepewności wokół
niepewności tych przewidywań).
odpowiednich scenariuszy (dane z 2007 i
20
2008,Rahmstorf, S.).
7.20. Prognozy na II poł. XXI wieku
Przewidywania zmian temperatury do lat 2070-2100 względem średniej z lat 1960-1990.
y
ródło: Global Warming Predictions Map
21
7.21. Modele klimatyczne
22
7.22. Temperatura w perspektywie schyłku XXI
wieku  ró\
ne modele klimatyczne
"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
23
7.23. Prognozy na II poł. XXI wieku
"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
24