Topnienie lodowców - Klimat polarny

Klimat polarny to najsurowszy klimat na kuli ziemskiej głównie ze względu na niskie temperatury powietrza - w środkowej części Antarktydy (półkula południowa) przeciętna temperatura w zimie wynosi ok. -60°C do -70°C, w lecie nieco cieplej od -30°C do -50°C. Najcieplejszym obszarem jest wybrzeże, szczególnie okolice Półwyspu Antarktycznego - styczeń przeciętnie +1°C. Poza tym klimat polarny charakteryzują silne wiatry i burze śnieżne.

Natomiast klimat Arktyki (półkula północna) jest zróżnicowany, ponieważ zależy od szerokości geograficznej oraz położenia względem dużych zbiorników wodnych. Najniższą temperaturę powietrza odnotowano na terenie Jukonu, w Jakucji i Grenlandii i wynosiła ona -70°C. Najwyższe arktyczne temperatury średnie spotyka się na Arktyce morskiej, a więc na Aleutach, Islandii i północy Europy.

Głównymi cechami tego klimatu są długie zimy, podczas których dominują niskie temperatury oraz krótkie lata. Pomiędzy poszczególnymi obszarami występują jednak pewne różnice, wynikające z wielkości obszaru (np. w dwóch miejscach w Grenlandii oddalonych zaledwie o 8° szerokości geograficznej można zauważyć aż do 14°C różnicy, jeśli chodzi o średnie temperatury).

Typy klimatów polarnych:

1. subpolarny - temperatura najcieplejszego miesiąca nieco powyżej 0°C występowanie: Alaska, północna Kanada, północna Syberia,

2. polarny - ujemne temperatury przez cały rok, opady zawsze śnieżne występowanie: Antarktyda, Grenlandia, północne krańce Ameryki Północnej oraz Azji i niewielkie obszary w północnej Europie.

Aby lodowiec mógł powstać, muszą być spełnione określone warunki klimatyczne. Są to warunki, jakie panują w strefach zimnych i w wysokich górach. Opad śniegu musi przewyższać ilość śniegu, który topnieje. Śnieg gromadzi się, a następnie pod wpływem zarówno temperatury, jak i ciśnienia przekształca się - najpierw w firn (jest to ziarnisty śnieg), a później w lód lodowcowy.

Wyróżnia się dwa podstawowe typy lodowców. Są nimi:

1. lodowce górskie,

2. lodowce kontynentalne (lądolody).

Kształt lodowców górskich dostosowuje się do rzeźby terenu. Lądolód jest rozległą, jednolitą pokrywą lodową i zajmuje cały kontynent lub jego znaczną część. Współczesne lądolody występują na Antarktydzie i Grenlandii i mają do 4 km miąższości. W przeszłości zajmowały znacznie większe obszary lądowe. Zarówno lodowce górskie, jak i kontynentalne powstają powyżej linii wiecznego śniegu. Lodowce są jednym z głównych czynników przeobrażania powierzchni Ziemi. Poniżej linii wiecznego śniegu stopniowo zanikają na skutek topnienia (ablacji).

Topnienie lodowców - Czynniki klimatotwórcze

Klimat zmienia się pod wpływem czynników, które nazywamy czynnikami klimatotwórczymi. Wyróżniamy następujące rodzaje czynników wpływających na klimat:

1. antropogeniczne (spowodowane przez człowieka), zaliczamy do nich:

• emisję gazów cieplarnianych (głównie emisja dwutlenku węgla pochodzącego ze spalania paliw kopalnych takich jak węgiel, ropa i gaz ziemny),

• karczowanie lasów pod uprawy,

naturalne, do których zaliczamy:

• erupcje wulkanów,

• zmiany natężenia promieniowania słonecznego.

Spław drewna Amazonką, Rejon Manaus, Stan Amazonas, Brazylia (S 3°03' W 60°06')
W tym rejonie, gdzie bujna roślinność uniemożliwia transport drogą lądową, najbardziej opłaca się spławiać drewno rzeką. Powiązane ze sobą nieokorowane kłody są po dopłynięciu do miejsca składowania przetrzymywane na rzece, dopóki nie zostaną stamtąd zabrane do tartaków. Brazylia jest piątym na świecie producentem drewna przemysłowego i największym producentem drewna tropikalnego. Znaczne korzyści, jakie wyrąb lasów przynosi gospodarce, pociągają jednak za sobą ubytek zalesionych obszarów w zastraszającym tempie - 22 tys. km² rocznie. Powierzchnia tropikalnej puszczy amazońskiej skurczyła się już o 15% wskutek karczowania pod uprawy rolne, eksploatacji złóż mineralnych, wycinania drzew przeznaczonych dla przemysłu i na opał oraz wykorzystywania innych produktów leśnych. Zużycie papieru drzewnego i tektury wzrosło niemal dwukrotnie od 1961 roku, przede wszystkim z powodu zwiększenia się konsumpcji w krajach najbogatszych. Europa, Japonia i Stany Zjednoczone, w których mieszka 19% ludności świata, zużywają 63% produkowanego papieru i tektury.(*)

Zerowy bilans energetyczny Ziemi

Zerowy bilans energetyczny Ziemi występuje wtedy, gdy ciepło uciekające w przestrzeń kosmiczną jest uzupełniane przez energię pochodzącą z promieniowania słonecznego. Można to ująć w ten sposób, że całkowita energia słoneczna docierająca do Ziemi powinna być równa całkowitej energii uciekającej w kosmos (zarówno energii odbitej od atmosfery i powierzchni, jak i ciepło wypromieniowane przez lądy i oceany). Zaburzenie bilansu energetycznego Ziemi wynika z coraz większej liczby zanieczyszczeń atmosfery, które powodują "efekt cieplarniany" ("greenhouse effect").

Topnienie lodowców

Topnienie lodowców jest faktem i coraz bardziej niepokoi naukowców. Przyczyną jest globalne ocieplenie klimatu, które powstaje m.in. poprzez wprowadzanie gazów cieplarnianych przez człowieka. Oceanograf z Harvard University James McCarthy zauważył, że podczas powrotu z rejsu po Arktyce na rosyjskim lodołamaczu jeszcze sześć lat temu statek przebijał się przez lód bieguna o grubości trzech metrów, a teraz pokrywa była bardzo cienka i promienie słoneczne łatwo przenikały do wody pełnej planktonu. W latach 50. i 60. prowadzono pomiary z pokładów wojskowych łodzi i już wtedy stwierdzono, że klimat na Arktyce się ociepla i jej lody są coraz bardziej kruche. Ostatnie badania prowadzone przez naukowców z NASA dowodzą, że pokrywa lodowa całego basenu arktycznego jest dzisiaj o 45 procent cieńsza niż 22 lata temu. Do pomiaru powierzchni i grubości lodowców w różnych częściach świata wykorzystywane są satelity. Mogą nieustannie śledzić zachodzące zmiany. Wykonywane są zdjęcia Oceanu Arktycznego z dokładnością do 100 m, co pozwala monitorować pojawiające się pęknięcia w lodzie. Dzięki temu wiemy, że objętość lodowców zmniejsza się na wszystkich kontynentach. Z czasem spowoduje to podniesienie poziomu mórz.

Topnienie lodowców wiąże się także z kurczeniem się zasobów wody pitnej, ponieważ to właśnie one stanowią 70% światowych zasobów wody pitnej! W Himalajach woda wypływająca z lodowców tworzy jeziora, które łatwo mogą wystąpić z brzegów, powodując katastrofalne powodzie nawet w odległości 100 km od brzegu. Natomiast jak lodowce rozpuszczą się całkowicie, zabraknie wody pitnej, której dotychczas dostarczały wielu ludziom. Topnienie lodów dla archeologów jest natomiast szansą na dokonanie wielu nowych odkryć - topniejąc odsłaniają zwierzęta, ludzi i przedmioty, które zamarznięte przetrwały w ich wnętrzu setki lub tysiące lat.

Dużo odkryć dokonano na terenach Alaski i kanadyjskiej prowincji Jukon. Archeolodzy na tych terenach od lat badają obszary odsłaniane przez lodowce. Znaleziono tutaj nawet pochodzące sprzed ponad 500 lat ciało łowcy. Po zbadaniu jego DNA ustalono, że był odległym przodkiem Indian zamieszkujących dziś te tereny.

Topnienie lodowców - Efekt cieplarniany

Promieniowanie słoneczne (promieniowanie krótkofalowe o długości fali od 0,1 do 4 mm) docierające do naszej planety jest przepuszczane przez atmosferę ziemską, a następnie pochłaniane przez powierzchnię Ziemi, w konsekwencji prowadząc do jej ogrzania. Powierzchnia Ziemi nagrzewa się i emituje promieniowanie podczerwone inaczej promieniowanie cieplne (promieniowanie długofalowe o długości fali od 4 do 80 mm). Duża część tego promieniowania pochłaniana jest przez cząsteczki wody, dwutlenek węgla i inne gazy znajdujące się w atmosferze. Ta energia cieplna następnie jest przekazywana przez atmosferę do powierzchni Ziemi w postaci tzw. promieniowania zwrotnego, a tylko niewielka jej część ucieka w przestrzeń kosmiczną. Promieniowanie zwrotne znowu ogrzewa powierzchnię Ziemi, która oddaje część tego ciepła atmosferze powodując jej ogrzanie, a ponieważ znajduje się w niej znacznie więcej gazów cieplarnianych magazynujących energię cieplną i nie pozwalających uciekać jej w kosmos - mamy do czynienia z efektem cieplarnianym (zwany też efektem szklarniowym).

Nazywamy ten efekt szklarniowym, bo jego mechanizm wywołuje skojarzenia właśnie ze szklarnią. Ściany szklarni działają w jedną stronę, zatrzymując więcej ciepła wewnątrz. Podobnie jak atmosfera zawierająca więcej gazów cieplarnianych i zachowująca się przez to „jak otulająca Ziemię coraz grubsza kołdra” coraz więcej ciepła zatrzymuje w atmosferze, co powoduje wzrost temperatury. Gdyby nie było efektu cieplarnianego, temperatura Ziemi byłaby niższa.

Topnienie lodowców - Gazy cieplarniane

Gazy, które nazywamy cieplarnianymi bądź szklarniowymi, to:

• dwutlenek węgla CO₂,

• metan CH₄,

• tlenek azotu N₂O,

• freony,

• ozon O₃ - rozpad tlenu.

Pierwszy z nich - dwutlenek węgla - ma największy udział w zjawisku efektu cieplarnianego, czasami mówi się nawet, że jego udział jest taki jak wszystkich innych gazów cieplarnianych razem wziętych (wynosi ok. 50%). Przyczyny wzrostu jego ilości w atmosferze to m.in. spalanie paliw kopalnych takich jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny (ok. 75% emisji do atmosfery) oraz wyrąb drzew, które pochłaniają znaczne ilości dwutlenku węgla (ok. 23% emisji) i uwalnianie węgla zmagazynowanego w spalanym drewnie.

Z kolei ilość metanu stanowiącego 18% udziału w efekcie cieplarnianym rośnie, ponieważ jest produkowany przez bakterie żyjące na terenach bagiennych, wysypiskach śmieci i szczątkach zwierząt. Źródłem tego gazu mogą być też wycieki z rurociągów gazowych i zasypywanie nierówności terenu odpadkami. Uznaje się, że największym dostarczycielem tego gazu jest rolnictwo (przede wszystkim hodowla bydła i uprawa ryżu).

Tlenki azotu pochodzą m.in. ze źródeł naturalnych, głównie z roślin, ale wzrost jego ilości powodują przede wszystkim samochody, elektrownie węglowe oraz stosowanie nawozów sztucznych w rolnictwie. Jego udział w tym procesie wynosi 6%.

Następnymi gazami cieplarnianymi są związki nazywane freonami. Ich udział w efekcie cieplarnianym wynosi około 14%. Freony kiedyś były szeroko stosowane w urządzeniach chłodniczych i we wszelkiego rodzaju aerozolach. Ponieważ okazało się, że niszczą warstwę ozonową atmosfery ziemskiej, zaprzestano ich produkcji w 1995 roku, ale są to bardzo żywotne związki, które mogą pozostawać w atmosferze jeszcze długi czas.

Ostatnim z wymienionych gazów cieplarnianych jest ozon, którego udział w efekcie cieplarnianym wynosi 12%. Chodzi tutaj o ozon występujący w przyziemnych warstwach atmosfery. Występowanie przyziemnej warstwy ozonu jest spowodowane wtórnym zanieczyszczeniem powietrza.

Topnienie lodowców - Efekty ocieplenia klimatu

Ocieplenie klimatu może spowodować ogromne zmiany. Prognozy naukowców są następujące:

1. Wzrośnie poziom wód oceanów i mórz w wyniku topnienia czap lodowych na biegunach i topnienia lodowców górskich. Niewielkie tylko ocieplenie (około 0,5°C) w ciągu ostatniego stulecia już było przyczyną wzrostu poziomu wód w oceanach o 15 cm. Jeśli w wyniku topnienia lodów na biegunach Ziemi poziom oceanu podniósłby się o 1 metr, w konsekwencji Nowy Jork, Londyn czy Tokio zostałyby zatopione. Obliczono także, że stopienie lodowców na Grenlandii i Antarktydzie spowodowałoby, iż prawie cała Holandia, Dania oraz znaczna część Belgii i Bangladeszu znalazłyby się pod wodą. Teren Polski nie jest niestety bezpieczny! Gdyby ten scenariusz się sprawdził, pod wodą znalazłby się obszar leżący nawet w odległości 100 km od wybrzeża. Mieszkańców niżej położonych wybrzeży będzie trzeba przesiedlić albo zrealizować kosztowne projekty ratowania tych terenów przed zalaniem.

2. Przesuwanie się stref klimatycznych na Ziemi ku biegunom. Częste będą anomalie pogodowe, wcześniejsze nadejście wiosny. Skrajności klimatyczne w różnych częściach świata mogą spowodować wydłużenie okresu suszy lub na innych terenach zwiększą się opady deszczu. Mogą się nasilić burze, powodzie i również huragany, tornada. Klęski żywiołowe są dziś znacznie częstsze i groźniejsze w skutkach niż dawniej. Działalność człowieka w znacznym stopniu zaburza równowagę środowiska naturalnego zakłócając jego zdolność do łagodzenia skutków katastrofalnych zaburzeń klimatycznych. Zagospodarowywanie i zasiedlanie obszarów szczególnie zagrożonych jeszcze pogłębia te konsekwencje. W latach 90. było czterokrotnie więcej klęsk żywiołowych niż w latach 50., a straty ekonomiczne wyniosły łącznie 608 miliardów dolarów, co jest sumą wyższą od bilansu strat z czterech poprzednich dziesięcioleci razem wziętych.

3. Ocieplenie klimatu i zmiany w rozmieszczeniu opadów są zagrożeniem dla lasów i terenów podmokłych, których rolą jest oczyszczanie powietrza i wody. Pożary występowałyby wtedy częściej i niszczyły więcej niż dotychczas.

Topnienie lodowców - Spowolnienie globalnego ocieplenia

Ocieplanie się klimatu jest niestety faktem, ale nie oznacza to, że nie należy nic robić, aby choć trochę spowolnić to zjawisko. Trzeba jak najszybciej reagować na te zmiany, ponieważ najważniejszymi aspektami globalnego ocieplenia jest topnienie polarnych pokryw lodowych oraz podnoszenie się poziomu oceanów i mórz.

Jednym z możliwych działań jest ograniczenie emisji gazów cieplarnianych. Na szczęście wielu ludzi dostrzega tę potrzebę.

Organizacja Narodów Zjednoczonych powołała Międzynarodowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change), aby przeanalizował zjawisko globalnego ocieplenia. W roku 1992 w Rio de Janeiro odbyła się Konferencja Narodów Zjednoczonych na temat Środowiska Naturalnego i Rozwoju (nazywana także „Szczytem Ziemi”). Zgromadziła ona ponad 100 przywódców państw, a jej celem było znalezienie recept na problemy wiążące się z ochroną środowiska oraz rozwojem gospodarczo-społecznym. Uczestnicy konferencji podpisali Ramową Konwencję na temat Zmian Klimatycznych i Konwencję na temat Biologicznej Różnorodności oraz przyjęli dokument o nazwie Agenda 21 (jest to plan działań na rzecz osiągnięcia zrównoważonego rozwoju). W konwencji mówiącej o zmianie klimatu przyjęto jako cel stabilizację składu atmosfery po to, by „uniknąć niebezpiecznego wpływu czynników antropogenicznych na klimat planety” oraz osiągnięcie tego tak, aby nie zagrażać światowej gospodarce. Pięć lat później odbyła się Konferencja Zmian Klimatycznych w Kioto w Japonii. W grudniu w 1997 roku przedstawiciele 140 państw uzgodnili nowe regulacje prawne, które miały ograniczać emisję gazów szklarniowych w krajach uprzemysłowionych.

Ale każdy z nas może wpływać na „natężenie zjawiska globalnego ocieplenia”, choćby pamiętając o segregacji śmieci czy używaniu surowców wtórnych

(dzięki temu zostaje ograniczona emisja dwutlenku węgla, która towarzyszy procesowi produkcji opakowań i zmniejsza się ilość wydzielanego metanu na wysypiskach śmieci). Odpadki z gospodarstw domowych piętrzą się na wszystkich kontynentach i stały się poważnym problemem dla wszystkich dużych aglomeracji miejskich, podobnie jak zanieczyszczenie powietrza spowodowane spalinami z milionów samochodów i wyziewami przemysłowymi. W ciągu ostatnich dziesięciu lat ilość śmieci w krajach wysoko rozwiniętych się potroiła. Rozwiązaniem problemu zanieczyszczenia środowiska spowodowanego rozrastaniem się wysypisk śmieci i spalarni są recykling, utylizacja i zmniejszenie ilości używanych opakowań. We Francji nadal na wysypiska trafia 50% odpadków domowych, a do spalarni tylko 35%.(*)

Bardzo ważne jest ograniczenie wycinki drzew, zwłaszcza na terenie Puszczy Amazońskiej, która jest „Płucami Świata”. Każdy hektar tego ekosystemu pochłania ogromne ilości dwutlenku węgla. Puszcza Amazońska zajmuje 63% powierzchni Brazylii. Amazonia jest największym tropikalnym ekosystemem leśnym na świecie, rozciąga się bowiem na obszarze 3,7 mln km² i stanowi jedną trzecią lasów tropikalnych na planecie. Lasy te, choć pokrywają tylko 8% lądów, dają schronienie 90% istniejących gatunków roślin i zwierząt. Są zatem najzasobniejszym siedliskiem na Ziemi, skupiającym 10% spośród 1,7 mln dotychczas poznanych i sklasyfikowanych gatunków. Lista zwierząt i roślin żyjących na planecie jest wciąż bardzo niekompletna - liczbę nie odkrytych jeszcze gatunków szacuje się na 12,5 miliona. Poszukiwaniami tymi żywo jest zainteresowany przemysł farmaceutyczny; wynika to z faktu, że głównym aktywnym składnikiem połowy stosowanych dziś leków jest substancja roślinna lub zwierzęca. Każdego dnia z powierzchni Ziemi bezpowrotnie znika blisko 200 km² lasów wraz z trudną do oszacowania liczbą gatunków, które nigdy nie zostały i nigdy już nie zostaną odkryte.(*)

Kraje uprzemysłowione wprowadzają nowe energooszczędne technologie, żeby ograniczyć emisję zanieczyszczeń. Wykorzystywane są coraz częściej odnawialne źródła energii, które w przeciwieństwie do energii czerpanej z paliw kopalnych lub syntetycznych (węgiel, gaz ziemny, ropa) charakteryzują się czystą produkcją (brak uciążliwych produktów ubocznych) oraz niewielkim bądź zerowym zużyciem surowca. Przykładem są elektrownie wiatrowe i wodne. Niestety, nadal jest jeszcze dużo elektrowni jądrowych stwarzających ogromne zagrożenie ze względu na przestarzałą technologię.

Na Islandii natomiast powszechne jest wykorzystywanie energii geotermicznej, dzięki której można ogrzać domy i kąpieliska (jest to kolejne źródło energii odnawialnej). Wodę podgrzaną przez gorącą magmę do temperatury 240°C wydobywa się z głębokości 2000 metrów. Po dotarciu na powierzchnię woda ma 70°C, co pozwala na wykorzystanie jej do ogrzewania domów w okolicznych miastach. Mlecznobłękitna barwa jeziora powstaje wskutek wymieszania się zawiesiny krzemu i wapnia z rozkładającymi się glonami. Bogate w sole mineralne, ciepłe wody Blue Lagoon(Blue Lagoon w pobliżu Grindavik, Półwysep Reykjanes, Islandia) mają temperaturę 40°C i słyną ze swych wyjątkowych właściwości leczniczych, zwłaszcza przy chorobach skóry. Ciepło wnętrza Ziemi jest odnawialnym źródłem energii, tanim i czystym, wykorzystywanym stosunkowo od niedawna. Na Islandii w roku 1960 korzystało z tego źródła ciepła mniej niż 25% ludności, dziś zaspokaja ono potrzeby Islandczyków w 85%.

Postęp dotyczy wszystkich dziedzin życia, ale musi być prowadzony w sposób racjonalny, żeby przekazać w dobrym stanie naszą Ziemię kolejnym pokoleniom.

Globalne ocieplenie jest terminem używanym do określenia wzrostu średniej temperatury ziemskiej atmosfery i oceanów. Hipotezy globalnego ocieplenia próbują wytłumaczyć dlaczego średnia globalna temperatura wzrosła od końca 19 wieku do początku XXI wieku o 0,7°C i ocenić w jakiej mierze efekt ten jest wywoływany przez działalność człowieka. Atmosfera ziemska powoduje, że temperatura powierzchni ziemi jest znacznie wyższa niż bez atmosfery, a zjawisko to jest nazywane efektem cieplarnianym. Ocenia się, że dodanie dodatkowych absorbujących gazów, określanych gazami cieplarnianymi - takich jak metanu i dwutlenku węgla, bez żadnych innych zmian, powoduje dodatkowy wzrost temperatury. Obecne badania starają się odpowiedzieć na pytanie w jaki sposób sprzężenia zwrotne związane ze zwiększeniem gazów cieplarnianych i zmianą ilości pyłów zawieszonych, wpłynie na temperaturę atmosfery.

Naukowa opinia na temat zmian klimatu wyrażona przez Międzyrządowy Zespół do spraw Zmian Klimatu (w skrócie IPCC) i poparta przez narodowe akademie naukowe krajów G8 stwierdza, że średnia globalna temperatura wzrosła o 0,6 ± 0,2 °C od końca 19 wieku i, że "przypuszczalnie większość tego ocieplenia w ostatnich 50 latach jest związane z działalnością człowieka" [1]. Opierając się na obserwacjach i używając modeli numerycznych ogólnej cyrkulacji atmosfery oceania się (IPCC), że temperatura może wzrosnąć o 1,4 do 5

Efekty globalnego ocieplenia

Wzrost poziomu oceanu. Jedna z możliwych zmian związanych z globalnych ociepleniem.

Ten wzrost temperatury może być związany z innymi zmianami takimi jak zmiany poziomu oceanów, zmiany ilości i rozkładu opadów, zmiany w intensywności ekstremalnych zjawisk pogodowych takich jak powodzie lub intensywność huraganów, zmianę w uprawach, zmiany w pokrywie lodowców i innych zjawisk związanych z globalną zmianą temperatury.

Przyczyny

Według większości naukowców nagłe ocieplenie klimatu spowodowane jest m.in. dynamicznym rozwojem przemysłu, w szczególności w okresie rewolucji przemysłowej oraz intensywnym zużywaniem surowców naturalnych do produkcji, zwłaszcza w najlepiej rozwiniętych krajach świata. Gromadzenie się gazów cieplarnianych w atmosferze uniemożliwia ucieczkę nadmiaru ciepła z ziemskiej atmosfery, czynniki te powodują pogłębianie się efektu cieplarnianego (ang. greenhouse effect). Poza gazami cieplarnianymi istnieją inne mechanizmy zmian globalnej temperatury. Np. ocenia się, że wzrost ilości absorbujących pyłów zawieszonych (sadzy) w atmosferze, bez żadnej innej zmiany, spowoduje wzrost temperatury ziemi.

Dyskusja

Większość naukowców zgadza się z twierdzeniem, że działalność ludzi odgrywa istotną rolę w obserwowanych zmianach temperatury. Istnieją jednak małe różnice pomiędzy naukowcami o to jakich zmian należy oczekiwać w przyszłości. Ze względów głównie politycznych i ekonomicznych, toczy się gorąca dyskusja o to w jaki sposób przeciwdziałać zmianom klimatu na naszej planecie.

Wstęp

Pod pojęciem klimat rozumie się średni stan atmosfery i oceanu w skalach od kilku lat do milionów lat. Zmiany te wynikają z czynników zewnętrznych takich jak ilość dochodzącego promieniowania słonecznego lub czynników wewnętrznych takich jak działalność człowieka (zmiany antropogeniczne) lub wpływ czynników naturalnych. W ostatnich latach termin „ogólna zmiana klimatu”, używany jest w kontekście globalnego ocieplenia i wzrostu temperatury na powierzchni Ziemi, ale rozważane są scenariusze powodujące oziębienie powierzchni Ziemi (np. wywołane odbiciem energii słonecznej od zwiększonej pokrywy chmur lub aerozoli atmosferycznych). Przyczyny zmian klimatu są tematem intensywnych badań. Kolejne raporty Intergovernmental Panel on Climate Change (pol. Międzyrządowej Grupy Zmian Klimatu; w skrócie IPCC) precyzują obecny stan wiedzy na temat przyczyn zmian klimatu. Ostatni raport został opublikowany w 2001 a następny raport przypuszczalnie zostanie opublikowny w 2006. Raport IPCC, raport Amerykańskiej Narodowej Akademii Nauk (NAS) oraz raport opublikowany przez grupę G8 stwierdzają, że większość zmian temperatury obserwownych w ostatnich 50 latach należy przypisać działalności człowieka. W ostatnim stuleciu obserwowane zmiany temperatury na powierzchni Ziemi wyniosły około 0.4-0.8C.

Przykładowe powody zmian klimatu

Powody zmian klimatu można podzielić na dwie grupy: zmiany wywołane (a) czynnikami naturalnymi, (b) efektami antropogenicznymi (działalność człowieka). Wiele scenariuszy ogólnych zmian klimatu jest formułowanych w postaci prostych hipotez sprzężeń zwrotnych, w których zmiana jednego parametru powoduje zmianę innych parametrów. Przykładowe powody zmian klimatu są opisane poniżej. Istnieje wiele innych hipotez.

Gazy cieplarniane i pyły zawieszone

Wiele gazów cieplarnianych takich jak dwutlenek siarki czy dwutlenek węgla jest produkowanych w naturalnych procesach biologicznych. Dla przykładu wiele typów fitoplanktonu produkuje propionian siarczku metylu (ang. dimethyl sulphoniopropionate (DMSP)), który jest przekształcany na siarczek metylu (ang. DMS dimethyl sulphide). Obecność DMS w atmosferze prowadzi do zwiększonej ilości aerozoli siarczanowych. Podobnie aerozol soli morskiej jest związany z prędkością wiatru, czyli jest pochodzenia naturalnego za wyjątkiem sytuacji gdy prędkość wiatru jest modulowana poprzez antropogeniczne zmiany temperatury na Ziemi.

Antropogeniczne czynniki zmiany klimatu

Gazy cieplarniane

Jednym z najbardziej znanych gazów cieplarnianych jest dwutlenek węgla. Jego stężenie jest oceniane obecnie na około 360ppm. Dwukrotny wzrost dwutlenku węgla spowoduje, na podstawie rekonstrukcji modeli numerycznych, zmianę temperatury ziemi o około 1°C. Zmiana ta jest tylko w małym stopniu spowodowana bezpośrednim wpływem absorpcji promieniowania słonecznego przez dwutlenek węgla, a w duzym stopniu poprzez sprzężenie zwrotne temperatury z ilością chmur i pary wodnej w atmosferze.

Aerozole atmosferyczne (pyły zawieszone)

Aerozole atmosferyczne (pyły zawieszone) dzielą się na cztery podstawowe grupy: (a) cząstki siarczanów, (b) pyły mineralne, (c) aerozol soli morskiej, oraz (d) pyły węglowo-grafitowe (sadza lub związki organiczne węgla). Część z aerozoli atmosferycznych tworzy się na prekursorach gazowych powodowanych działalnością człowieka. Tylko dwa typy pyłów zawieszonych są absorbujące: sadza i tlenki żelaza w drobinach piasku (pyły mineralne). Ostatnio absorbujące własności sadzy i pyłów mineralnych są bardzo intensywnie badane, ponieważ ich efekt jest podobny do efektu gazów cieplarnianych.

Chmury i efekty pośrednie

Pomimo, że bezpośrednie czynniki zmian klimatu są powszechnie dyskutowane (takie jak gazy cieplarniane, czy sadze), to efekty pośrednie związane z tymi czynnikami maja często znacznie większe znaczenie klimatyczne. Dla przykładu, dwutlenek węgla pochłania około 2 watów na metr kwadratowy, podczas gdy chmury odbijają około 50% przychodzącego promieniowania słonecznego (czyli w tropikach w środku dnia około 500 watów na metr kwadratowy). Innymi słowy efekt chmur na zmianę klimatu może być kilkaset razy większy niż efekt cieplarniany dwutlenku węgla. Jednak nie należy z tego wyciągać wniosku, że gazy cieplarniane nie są istotne. Odziaływują one z atmosferą w sposób ciągły i mogą powodować zmianę pokrywy chmur. Innym przykładem efektu pośredniego jest zmiana wielkości i ilości kropli w chmurach w sytuacji gdy w atmosferze jest dużo małych pyłów zawieszonych (aerozoli). Ten efekt powoduje zmianę odbijalności chmur. To właśnie efekty pośrednie są jednymi z najważniejszych antropogenicznych czynników zmiany klimatu.

Efekt cieplarniany - proces zachodzący w atmosferze powodujący ogrzewanie naszej planety oraz innych planet np. Wenus.

Odkryty przez Jean Baptiste Joseph Fourier w 1824 i zbadany przez Svante Arrheniusa w 1896 roku. Nazwa pochodzi od zjawiska zachodzącego w szklarnii gdy Słońce oświetla szklarnię, panuje w niej temperatura wyższa niż na zewnątrz. Na planetach Mars i Wenus, czy na księżycu Tytan także zachodzą efekty cieplarniane, ale dla uproszczenia większość artykułu poświęcona jest Ziemi.

Termin "efekt cieplarniany" odnosi się do efektu wywołanego przez czynniki naturalne w atmosferze Ziemi oraz do zmian efektu wywołanych przez gazy wyemitowane w wyniku działalności człowieka. Istnienie naturalnego efektu cieplarnianego jest faktem i nikt z naukowców go nie neguje, choć podawane są różne wielkości i przyczyny tego efektu. W potocznym rozumieniu i często w wydawnictwach niefachowych ten naturalny efekt jest pomijany. Niekwestionowany jest też wpływ człowieka na efekt cieplarniany, ale wielkość tego efektu jest dyskutowana przez naukowców.

Naturalny efekt cieplarniany

Procesy

Ziemia jak każda inna planeta otoczona jest próżnią dlatego wymiana energii z otoczeniem odbywa się wyłącznie poprzez promieniowanie elektromagnetyczne. Energia słoneczna dochodząca do układu Ziemia-atmosfera jest równoważona przez energię wypromieniowaną przez układ atmosfera-Ziemia. Promieniowanie odchodzące od Ziemi ma dwie formy: odbite promieniowanie słoneczne oraz promieniowanie cieplne powierzchni ziemi i atmosfery. Średnia ilość energii docierającej do Ziemi i oddawanej w przestrzeń kosmiczną są jednakowe.

Gdyby nie było atmosfery szacuje się, że średnia temperatura na Ziemi wyniosłaby około −18°C. W rzeczywistości temperatura ta jest około 15°C, różnica ta to efekt cieplarniany.

Energia docierająca do Ziemi

Ilość dochodzącego promieniowania na Ziemi w stosunku do promieniowania przychodzącego na szczycie atmosfery (transmisja) dla różnych długości fal widma elektromagnetycznego.

Ziemia otrzymuje olbrzymią ilość energii w postaci promieniowania słonecznego. Bezpośrednie promieniowanie słoneczne dochodzące do górnych warstw atmosfery wynosi około 1366 wat na metr kwadratowy powierzchni ustawionej prostopadle do promieniowania, co odpowiada energii około 1.74×10¹⁷W dochodzący do całej Ziemi. Jest to ilość znacznie większa od energii produkowanej przez ludzi.

Promieniowanie słoneczne jest odbijane (średnio) w około 30%, w tym 6% jest odbijane przez atmosferę, 20% przez chmury, a 4% przez powierzchnię Ziemi.

Pozostałe 70% dochodzącego promieniowania słonecznego jest pochłonięte w tym: 16% w atmosferze (w tym większość promieniowania ultrafioletowego); 3% przez chmury, 51% przez powierzchnię ziemi. Absorbowane promieniowanie ogrzewa atmosferę, oceany, lądy i dostarcza energii dla życia. Podane liczby są przybliżone i w rzeczywistości zachodzą duże zmiany w dobowych, rocznych i regionalnych wartościach zarówno odbicia jak i pochłaniania.

Energia wypromieniowywana przez Ziemię

Podobnie jak Słońce jak i każde ciało posiadające temperaturę Ziemia promieniuje promieniowanie cieplne. Ponieważ powierzchnia Ziemi jest znacznie chłodniejsza niż powierzchnia Słońca (287K vs 5780K), dlatego powierzchnia Ziemi wypromieniowuje energię cieplną falami o większej długości niż długość fali ogrzewającej Ziemię. Podczas gdy promieniowanie słoneczne ma maksimum (prawo przesunięcia Wiena) w promieniowaniu widzialnym (0,5 mikrometra), to promieniowanie cieplne Ziemi ma maksimum w dalekiej podczerwieni (10 mikrometrów).

Atmosfera Ziemi jest w większości przeźroczysta w świetle widzialnym i w bliskiej podczerwieni, ale okolicach 10 mikrometrów rozpoczyna się zakres długości fal silnie pochłanianych przez atmosferę. Tylko około 6% całkowitego promieniowania ziemskiego uciekającego do przestrzeni kosmicznej pochodzi bezpośrednio z powierzchni Ziemi. Atmosfera absorbuje 71% energii cieplnej emitowanej przez powierzchnię Ziemi. Atmosfera ziemska i chmury przyczyniają się do wypromieniowania około 91.4% całego promieniowania podczerwonego i odpowiadają za 64% całkowitej emisji we wszystkich długościach fal.

Atmosfera zachowuje się jak radiator cieplny, płyta która jest ogrzewana od dołu promieniowaniem powierzchni Ziemi, a pochłoniętą energię wypromieniowuje w stronę Ziemi i w górę w kosmos. Jak wspomniano na początku, w niewielkim stopniu atmosfera jest ogrzewana promieniowaniem Słonecznym.

Atmosfera ma znaczną grubość (znacznie większą od drogi promieniowania mikrofalowego w niej), by nastąpiło przeniesienie energii z powierzchni Ziemi w przestrzeń kosmiczną zmusi w niej występować proces przenoszenie energii od powierzchni Ziemi do górnych warstw atmosfery, odbywa się to w wyniku promieniowania cieplnego między poszczególnymi coraz chłodniejszymi warstwami atmosfery, a także przez konwekcję, która przenosi cieplejsze powietrze w górę, a chłodniejsze w dół. Dlatego efekt cieplarniany na powierzchni ziemi jest mniejszy w przypadku istnienia konwekcji, niż w przypadku gdyby jej nie było.

Kowekcja zachodzi w wyniku mieszania turbulencyjnego oraz konwekcji wielkoskalowej wywołanej pionową wymianą powietrza.

Na proces konwekcji jak i promieniowania atmosfery duży wpływ ma woda zawarta w atmosferze w postaci pary jak i w postaci kropel i płatków śniegu w chmurach oraz procesy parowania powierzchni Ziemi jak i kondensacji pary wodnej w chmurach. Ważny wpływ na przenoszenie energii przez promieniowanie mają także występujące nawet w niewielkich ilościach składniki silnie pochłaniające promieniowanie podczerwone.

Ponieważ atmosfera bardzo dobrze pochłania promieniowania długofalowe, to tworzy się osłona cieplna nad powierzchnią Ziemi. Powierzchnia ziemi ociepla się w wyniku czego wzrasta temperatura powierzchni ziemi i atmosfery, wzrasta emisja promieniowania cieplnego i ustala średnia temperaturę powierzchni Ziemi.

Czynniki wpływające

Efekt cieplarniany jest wywoływany głównie przez koncentrację gazów cieplarnianych w atmosferze, gdyby atmosfera była przepuszczalna dla promieniowania cieplnego emitowanego przez powierzchnię planety tak jak jest przeźroczysta dla promieniowania widzialnego i podczerwonego docierającego do planety, to nie zatrzymywałaby promieniowania emitowanego przez powierzchnię i nie zatrzymywałaby energii na planecie, a jej wpływ byłby pomijalny.

Atmosfera Venus ma ciśnienie prawie 100 razy większe od ziemskiego i jest złożona głównie z dwutlenku węgla, co sprawia, że temperatura powierzchni wynosi około 460°C i jest wyższa od znajdującego się znacznie bliżej Słońca, ale pozbawionego atmosfery Merkurego, efekt cieplarniany dla Wenus szacuje się na ponad 300°C. W atmosferze Marsa efekt cieplarniany jest minimalny z powodu niewielkiego ciśnienia (grubości) atmosfery.

Wenus

Efekt cieplarniany może być potęgowany przez czynniki powodujące dodatnie sprzężenie zwrotne. efekt taki wystąpił w atmosferze Wenus, która jako planeta jest podobna do Ziemi, znajduje się tylko trochę bliżej Słońca niż Ziemia i w związku z tym otrzymuje trochę więcej promieniowania słonecznego. Ta niewielka różnica promieniowania, bez uwzględnienia efektu cieplarnianego nie wywoła tak wysokiej temperatury. Różnica w temperaturach Ziemi i Wenus wynikają z niewielkiej różnicy w procesach jakie zaszły w atmosferach tych planet. W początkach istnienia Wenus planeta ta miała inny skład niż obecnie, podobnie jak i atmosfera ziemska, zawierała parę wodną, ale atmosfera ta była trochę silniej podgrzewana przez słońce co spowodowało, że para wodna była znacznie wyżej w atmosferze w obszarze do którego dociera promieniowanie ultrafioletowe, które rozkłada wodę na wodór i tlen. Wodór jako gaz bardzo lekki uciekł z atmosfery a tlen reagował w węglem, zwiększając ilość dwutlenku węgla. Wyższa temperatura, mniejsza ilość ciekłej wody sprawiają, że mniej dwutlenku węgla jest absorbowane przez powierzchnię, wzrasta jego ilość w atmosferze i efekt cieplarniany jest wzmacniany. Że zjawisko to zaszło w przeszłości na Wenus świadczy fakt występowania w atmosferze Wenus ciężkiej wody, która nie jest rozkładana przez promieniowanie ultrafioletowe.

Ziemia w prehistorii

Opisane wyżej procesy zaszły i zachodzą też w atmosferze Ziemi, ale ich tempo jest diametralnie inne. Trochę niższa temperatura atmosfery Ziemi sprawiała, że woda nie docierała do wyższych warstw atmosfery, nie była rozkładana i pozostała na Ziemi. Powstający z rozkładu wody, a później wytwarzany przez organizmy żywe tlen pod wpływem promieniowania przekształca się w ozon, który silnie pochłania promieniowanie ultrafioletowe. Dwutlenek węgla rozpuszczał się w ciekłej wodzie i był absorbowany przez powierzchnię Ziemi, a później przez organizmy żywe.

Z porównania tego widać jak niewielkie zmiany w atmosferze mogą zmienić drastycznie temperaturę planety.

Ziemia

Woda

Obecność wody na Ziemi ma różnorodny wpływ na efekt cieplarniany ale głównie wpływa stabilizująco na temperaturę i ogranicza efekt cieplarniany. Z jednej strony woda poprzez parę wodną zawartą w atmosferze i chmury ogranicza wypromieniowywanie energii z ziemi. Z drugiej strony woda i zjawiska cieplne z nią związane odgrywają ważną rolę w transporcie energii cieplnej w atmosferze w górę, efektywność tego procesu znacznie zwiększają procesy parowania wody przy powierzchni ziemi i kondensacji w górnych warstwach atmosfery. Dzięki temu do górnych warstw atmosfery dostarczane jest więcej ciepła niż gdyby w atmosferze nie było wody ^[3].

Dwutlenek węgla

Ziemia zawiera rozległe oceany i biosferę, które szybko odpowiadają na zmiany temperatury i stężenie dwutlenku węgla w atmosferze. Atmosferyczny dwutlenek węgla jest rozpuszczany w kroplach deszczu i z wodą deszczową trafia do rzek i oceanów w których jest pochłaniany przez organizmy żywe jak i wchodzi w reakcje chemiczne. Proces mieszania wód oceanicznych i procesów w nich zachodzących sprawia że cykl ten trwa kilkaset lat, czego konsekwencją jest znacznie mniejszy wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze niż wynikałoby to z ilości spalonych paliw kopalnych (^[4]. Ostatnie pomiary dwutlenku węgla w obserwatorium Mauna Loa pokazują, że stężenie CO₂ wzrosło z około 313 ppm (części na milion) w 1960 do około 375 ppm w 2005. Obecnie obserwowane stężenie CO₂ przewyższa obserwacje CO₂ w skalach geologicznych gdzie obserwuje się maksima ~300 ppm. Wynik ten jest oparty na pomiarach w rdzeniach lodowych^[5] jednak poziom dwutlenku węgla w okresie kredy jest oceniany na znacznie wyższy niż obecny. Produkcja CO₂ w okresie przemysłowym (spalanie paliw kopalnych) i inne czynniki aktywności człowieka takie jak zmiany w użytkowaniu lądów spowodowały, że poziom naturalnej równowagi między wytwarzaniem dwutlenku węgla a pochłanianiem go przez rośliny i wody został zaburzony. Trwają dyskusje związane ze źródłami i efektywnością pochłaniania dwutlenku węgla i prognozy zmiany jego zawartości w atmosferze w przyszłości. Obliczenia za pomocą globalnych modeli klimatu wskazują, że podwyższone wartości CO₂ mogły z dużym prawdopodobieństwem spowodować globalne ocieplenie. Od roku 1960 obserwuje się około 0.5^oC zmianę temperatury.

Kontrowersja związana z globalnym ociepleniem dotyczy tezy czy działalność ludzi powoduje zmianę temperatury czy jest to spowodowane czynnikami naturalnymi.

Przyczynki od różnych gazów

Trudno jest ocenić przyczynki do efektu cieplarnianego od różnych gazów niezależnie ponieważ widmo pochłaniania róznych składników czasami się pokrywa. Tabela pokazuje szacowane wartości na podstawie obliczneń teoretycznych

Tabela przedstawia absorpcję, kiedy każdy ze składników lub ich kombinacja jest usuwany^[7].

Absorber usunięty z mieszaniny	Część IR zaabsorbowana
Żaden	100%
H2O	64 (64, RC78)
Chmury	84 (86, RC78) -
CO2	91 (88, RC78) -23
O3	97 (97, RC78)
Inne GHG	98
H2O+Chmury	34
H2O+CO2	47
Wszyskie bez H2O +chmury	85
Wszystkie bez H2O	66 (60-70, IPCC90)
Wszystkie bez CO2	26 (25, IPCC90)
Wszystkie bez O3	78
Wszystkie bez GHG
Wszystkie	0%

Efekt pary wodnej

Para wodna jest głównym czynnikiem powodującym efekt cieplarniany w atmosferze ziemskiej. Efekt ten zależy od koncentracji pary wodnej, efektu innych gazów zmieszanych z parą wodną i od tego czy para wodna jest skoncentrowana wysoko czy nisko w atmosferze. Wysoka wilgotność wpływa na tworzenie się chmur, które mają bardzo istotny wpływ na temperaturę.

Gazy cieplarniane

Para wodna jest najważniejszym gazem absorbującym promieniowanie (sama powoduje od 36% do 66% bezpośredniego efektu cieplarnianego), razem z chmurami jest odpowiedzialna za od 66% do 85% efektu cieplarnianego. Sam CO₂ odpowiada za od 9 do 26%, podczas gdy O₃ jest odpowiedzialny za 7% a inne gazy cieplarniane (GHG) są odpowiedzialne za 8% efektu. Łącznie gazy te nazywa się gazami cieplarnianymi. Efekt cieplarniany spowodowany wyłącznie przez dwutlenek węgla nazywa się efektem Callendara.

Długość fali elektromagnetycznej, w której promieniowanie jest pochłaniane można mierzyć badając gazy w laboratorium, a nawet wyliczyć teoretycznie. Heteromolekularne dwuatomowe molekuły i trójatomowe gazy absorbują promieniowanie w podczerwieni, ale homonuklearne dwuatomowe molekuły nie absorbują promieniowania podczerwonego. Dlatego H₂O oraz CO₂ są gazami cieplarnianymi a główne składniki powietrza - azot i tlen (N₂ oraz O₂) nie są. Pomiędzy pasmami absorpcji dwutlenku węgla i pary wodnej znajdują się pasma "okien atmosferycznych", w których promieniowanie podczerwone jest stosunkowo słabo absorbowane, dotyczy to zwłaszcza okna atmosferycznego pomiędzy 8 i 15 mikrometrami. Składniki takie jak chloro-i fluoropochodne węglowodory alifatyczne absorbują bardzo silnie w tym obszarze okna atmosferycznego. Oznacza to, że są one bardzo silnymi gazami cieplarnianymi, zwłaszcza, że nie ma w atmosferze ziemi mechanizmów powodujących ich usuwanie z atmosfery a wyemitowane do atmosfery pozostają w niej długo i nagromadzają się. Niektóre mają okres życia w atmosferze około 50 000 lat.

Co to jest szklarnia?

Termin efekt cieplarniany powstał od tzw. efektu szklarniowego. Nie można jednak utożsamiać tych zjawisk, gdyż choć obu przypadkach następuje wzrost temperatury, to przyczyny podwyższenia temperatury w szklarni są inne niż przyczyny efektu cieplarnianego w atmosferze. Szklarnie są zbudowane ze szkła; ocieplanie w szklarni polega głównie na ogrzewaniu gruntu w szklarni przez słońce i ograniczeniu ucieczki ciepłego powietrza. Tak więc ogrzewanie w szklarni polega głównie na ograniczeniu konwekcyjnej i turbulencyjnej wymiany ciepła. Można to łatwo pokazać otwierając okno na górze szklarni - temperatura opadnie wtedy gwałtownie. Można pokazać doświadczalne, że cieplarnia wykonana z materiału, który nie pochłania podczerwieni działa podobnie jak szklarnia ze szkła. Wobec tego szklarnie głównie ograniczają wymianę konwekcyjną, podczas gdy efekt cieplarniany w atmosferze polega na ograniczeniu wypromieniowania podczerwonego. Mimo to można znaleźć źródła, które przeprowadzają analogię pomiędzy tymi zjawiskami. Wielu ogrodników rzeczywiście używa do budowy szklarni różnego rodzaju materiałów ponieważ mają one różnego rodzaju selektywność w transmisii widma elektromagnetycznego^.

Źródło:

Artykuł główny:

http://eduseek.interklasa.pl/artykuly/artykul/ida/3843/idc/6/

Informacje dodatkowe:

http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_cieplarniany

http://pl.wikipedia.org/wiki/Zmiana_klimatu

http://pl.wikipedia.org/wiki/Globalne_ocieplenie

9

---