Efekt cieplarniany
i zmiany klimatu
" Prawa promieniowania cieplnego
" Efekt cieplarniany
" Bilans promieniowania Słońca na Ziemi
" Modelowanie bilansu promieniowania
" Udział składowych atmosfery w bilansie
" Klimat w przeszłości
" Astronomiczne przyczyny zmiany klimatu
1
Andrzej Zastawny
Prawa promieniowania cieplnego
Każde ciało emituje i pochłania promieniowanie cieplne.
Ie = Ia = a�" I, prawa Kirchoffa
I =� �"T4, prawo Stefana - Boltzmanna
Ts = 6000 K Iodb = 106 W/m2,
Ipoch = 236 W/m2
�s = 7,4"10 7 W/m.2
Isz = 1370 W/m2
Ie = 236 W/m2
Io =Isz/4 = 342 W/m2
Tz = -19 oC
Średnie napromieniowanie Ziemi z tego
2
Andrzej Zastawny
Promieniowanie Słońca i Ziemi
Wzór Planca
2
2Ą � h�
I� = ,
c2 eh� kT -1
wzór Wiena
m T = 2,898�"10-3Km.
J.V. Iribarne, H.-R. Cho
Atmospheric Physics 1980 Reidel Publishing Company - Dordrecht, Holland
3
Andrzej Zastawny
Efekt cieplarniany
S = 235 W/m2
L/2
S
A t m o s p h e r e
L
L/2
S
L
L = S �! t = -19oC L = 2 S �! t = 29oC
Jean de Fourier (Francja) 1827
John Tyndal (Irlandia) 1861
Svant Arrhenius (Szwecja) 1896 (CO2 efekt)
4
Andrzej Zastawny
Budżet promieniowania Ziemi
W/m2
Atm.dyn. 1-10
Asym.b. 0,33
Asym.n. 0,2
Hum.a. 0,02
Kiehl J.T., Trenberth K.E.,
"Earth's Annual Global Mean Energy Budge",
Bulletin of the American Meteorological Society, v. 78, No. 2, pp 197-208, (1997).
o
tz = 14,8 C
Iz = 390 W/m2
5
Andrzej Zastawny
Model bilansu promieniowania Ziemi
Ułamki energii promieniowania słonecznego pochłanianego i rozpraszanego
wstecznie w atmosferze F = 1 exp(-f�h), R = 1  exp(-r�h),
f, r - współczynniki pochłaniania i rozpraszania atmosfery, h  grubość atmosfery,
współcz. pochłaniania energii prom. słonecznego przez powierzchnię Ziemi K
Natężenia promieniowania słonecznego padającego S0 pochłanianego przez
powierzchnię Ziemi  SE, atmosferę  SA i rozpraszanego wstecznie - Sr
SE /S0 = K*(1-F-R),
S.A./S0 = F*(1+(1-K)*(1-F-R)), Sr/S0 = R*(1+(1-K)*(1-F-R)) .
Nateżenia promieniowania cieplnego emitowanego przez
powierzchnię Ziemi  LE i przez atmosferę w kierunku Ziemi - LAE
b, c  współczynniki absorpcji i
SA Q 3
2
�#ś#�#1+ b + c ś#
LE = SE + -
()rozpraszania promieniowania
ś#ź#ś#ź#
2 2 4
cieplnego atmosfery, Q  strumień
�# #�# #
ciepła transportowani z Ziemi do
LAE = LE - SE + Q
atmosfery
f = 0.189, r = 0.199 + 0.03, b+c = 1.082 + 0.342
6
Andrzej Zastawny
Pochłanianie promieniowania cieplnego przez
atmosferę na podstawie bazy HITRAN
100
Atmos fera
Para wodna
10
Gazy
Słońce
1
Ziemia
0.1
0.01
0.001
0 5000 10000 15000 20000 25000
Liczby falow e [1/cm]
Z bazy HITRAN fatm = 0.177, batm = 1.078
(z bilansu radiacyjnego f = 0.189, b = 1.082)
Imponująca zgodność
7
Andrzej Zastawny
Zd o l n o ść pochłaniania [%]
Pochłanianie promieniowania słonecznego
f = 0.189 = 0.177 + 0.012 = z_bazy_HITRAN + nierozeznane,
r = 0.190 + 0.03 = chmury + reszta, K = 0.779,
atmosfera pochłania 28.5 %, powierzchnia Ziemi 71.5 %
Inne
Tlen 3.9%
Względne
CO2 6.0%
udziały
68.50%
składników
O3 12.7% Ozon
atmosfery
Para wodna
8
Andrzej Zastawny
.
Pochłanianie promieniowania cieplnego
Res zta 0.4%
CO2 5.6%
Efekt cieplny H" (Ł(bi+ci))2
Chmury
14.3%
b+c =
1.456 =
1.078 + 0.342 + 0.04 =
z_bazy_HITRAN +
Para wodna
chmury +
79.8%
reszta
9
Andrzej Zastawny
Symulacja zmian w funkcji ilości CO2
1
0.8
de lta tz
0.6
de lta ta
0.4
de lta q/qo
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
1850 1990 0.5%/rok
Przyrost temperatury w okresie od 1850 roku 0.1 stopnia Celsjusza.
10
Andrzej Zastawny
Klimat w przeszłości
W ostatnich 2 mld lat było
5 epok lodowych,
a szósta trwa.
Epoki lodowe trwały po
kilkadziesiąt milionów lat
czyli razem 10-20% czasu.
Obecna epoka lodowa trwa
2 mln lat.
Interglacjały  krótkie
okresy ociepleń w w epoce
lodowej.
Żyjemy w interglacjale.
Folland C.K., Karl T.R., Vinnikov K.Ya., Observed Climate Variations and Change. Chapter 7: Houghton J.T., Jenkins
G.J., Ephraums J.J. (eds.), Climate Change, The IPCC Scientific Assesment. Intergovernmental Panel on Climate
Change, Cambridge Univ. Press, 195-238, 1990.
11
Andrzej Zastawny
Szybkie zmiany klimatu
Około 15000 lat temu zakończyła się ostatnia
Epoka Lodowa i temperatura Ziemi wzrosła.
Danuta Michczyńska
To ocieplenie spowodowało topnienie pokrywy
lodowej i wzrost ilości wody słodkiej
Globalne zmiany środowiska
wpływającej do Północnego Atlantyku, co
zatrzymało cyrkulację oceaniczną i
spowodowało kolejne ochłodzenie. Gdy cały
lód uległ stopieniu i zabrakło owych
dodatkowych dostaw wody słodkiej,
to naturalna cyrkulacja oceaniczna została
przywrócona i temperatura gwałtownie
(oczywiście w geologicznej skali czasu!)
wzrosła, gdyż ciepłe wody z rejonów
zwrotnikowych mogły swobodnie przepływać
w kierunku Północnego Atlantyku.
y
ródło: R. Alley oraz projekt CLIVAR.
Polska wersja ryciny: Mateusz Kamiński
Młodszy Dryas
12
Andrzej Zastawny
Zdarzenia Heinricha
Gwałtowne krótko-okresowe odsolenia wód północnego Atlantyku
z powodu dostawy słodkiej wody z topniejących lodowców są
znane geologom jako tzw. zdarzenia Heinricha.
Ich usytułowanie w czasie jest ograniczone ale mniej więcej w skali
radiowęglowej, ostatnie cztery wystąpiły w latach 14.300, 21.000,
28.000, 35.000 BP.
13
Andrzej Zastawny
Planetarne czynniki
1. Zmiany ekscentryczności orbity
2. Precesja ~23� z okresem około
26 tyś lat
3. Zmiany kąta precesji 22 �  24,5 �
z okresem około 41 tyś lat
14
Andrzej Zastawny
Nasłonecznienie - klimat
Ruddiman Ch.
http://
www.sonoma.
edu/users/
k/karner/
Notuje się doskonałą
zgodność zmian
temperatury Ziemi
z zmianami
nasłonecznienia natury
astronomicznej.
Nie ma racjonalnego uzasadnienia aby przypisywać wzrostowi ilości
dwutlenkowi węgla istotny wpływ na wzrost temperatury Ziemi
15
Andrzej Zastawny
Zmiany klimatu, czynniki astronomiczne 1
Modele Bergera i Imbriego wg. Schonwiese a
Przypuszczalnie zmiany
sezonowości (różnica lato-zima)
nasłonecznienia
16
Andrzej Zastawny
Zmiany klimatu, czynniki astronomiczne 2
a) Zmiany delty O18 otwornic
głębokomorskich
b) Zmiany nasłonecznienia w
lipcu, 65�N
c) Składowa harmoniczna 23
tyś lat delty O18 i wskaz
nik
zmian sezonowości (różnica
nasłonecznienia lato-zima)
powodowany precesją osi
Ziemi
d) Składowa harmoniczna 41
tyś lat delty O18 i wskaz
nik
sezonowości (różnica lato-
zima) nasłonecznienia
powodowany wahaniami kata
nachylenia osi Ziemi
T. Goslar, Naturalne zmiany
atmosferycznej koncentracji
radiowęgla w okresie szybkich
zmian klimatu na przełomie
Vistulianu i Holocenu, Gliwice
1996.
17
Andrzej Zastawny
Literatura
1. Jan Lasa  Efekt cieplarniany , IFJ Kraków, Raport 1542/AP, stron 108, Kraków 1991.
2. J.V. Iribarne, H.-R. Cho, Atmospheric Physics, 1980 Reidel Publishing Company -
Dordrecht, Holland.
3. L. J. Battan, Fundamentals of Meteorology, (1984) Prentice-Hall., ING. Englewood
Cliffs New Jersey 07632.
4. Protekting the Earth,s Atmosphere, An International Challenge, Interm Report of the
Study Commission of the 11th German Bundestag  Prevetive Measures to Protect the
Earth,s Atmosphere , edited by Deutscher Bundestag Referat offentlichkeitsabeit, Bonn
1989.
5. Walter Roedel, Physik unserer Umwelt: Die Atmosphare, Berlin; Heidelberg; New
York; London; Paris; Tokyo; Hong Kong; Barcelona; Budapest; Springer 1992.
6. CLIMAT CHANGE 1995, Contribution of Working Group I to the Second Assesment
Report of the IPCC.
18
Andrzej Zastawny