Globalne ocieplenie: wersja dla niewtajemniczonych

W medialnych dyskusjach słyszymy często opinie o tym, że klimat jest bardzo skomplikowany, a więc nie jesteśmy w stanie zrozumieć jak działa, i co więcej, nie jesteśmy w stanie udowodnić, co jest przyczyną globalnego ocieplenia. Tymczasem wcale tak nie jest.

zdjęcie przedstawia budynek mieszkalny otoczony rusztowaniem, częściowo pokryty dodatkową izolacją termiczną

Dodatkowa warstwa izolacji zmniejsza ilość energii wypromieniowywanej przez budynek. Zdjęcie: Abderitestatos, Wikipedia.

Aby zrozumieć, jak wzrost stężenia gazów cieplarnianych wpływa na bilans energetyczny Ziemi, rozważmy prosty przykład: ogrzewanie domu w chłodny dzień. Dom traci ciepło przez ściany (oraz dach, okna itd.), aby więc panowała w nim miła dla mieszkańców temperatura, należy dostarczać do niego energię termiczną, na przykład z ciepłowni do węzła cieplnego w piwnicy.

Jeśli chcemy, żeby temperatura w domu była stała, do domu musi dopływać tyle samo energii z ciepłowni, co ucieka na zewnątrz. Obie te wartości można mierzyć. Żeby wiedzieć, ile nasz dom zużywa energii w jednostce czasu, wystarczy mierzyć dopływ tej energii w rurociągu z gorącą wodą z ciepłowni (powiedzmy, że jest to 1 kW).

Oczywiście w praktyce sytuacja jest trochę bardziej złożona. Nawet przy ustalonym dopływie energii do domu, temperatury w różnych pokojach nie będą identyczne. Wiele zależy od tego, jak rozprowadzimy gorącą wodę po mieszkaniu, jak rozmieściliśmy grzejniki, jaka jest powierzchnia ścian zewnętrznych w konkretnych pomieszczeniach, czy w piwnicy mamy duży zbiornik, w którym gromadzimy ciepłą wodę. Ostatecznie można jednak przyjąć, że przy stałych warunkach, gdy powstrzymamy się od kręcenia zaworami (fizycy mówią „w stanie stacjonarnym”), po pewnym czasie ustali się rozkład przepływów ciepła i rozkład temperatur we wnętrzu.

Rysunek 1. Dom przed ociepleniem (z lewej strony) zyskuje ciepło w tempie 1kW, traci również 1 kW, a więc zebrana w domu energia termiczna jest stała (co przekłada się na stałą temperaturę, tu 10°C). Po prawej strony sytuacja po błyskawicznie przeprowadzonym dociepleniu domu. Ilość uciekającego ciepła spada do 0,5kW. W domu więc stopniowo gromadzi się więc więcej energii (rośnie temperatura).

Teraz wyobraźmy sobie że dom pokrywamy izolacją. Stan przestaje być stacjonarny. Izolacja pozwala zatrzymać energię wewnątrz budynku, a ciepłownia dostarcza nam cały czas taką samą ilość energii. Izolacja spowoduje, że przez jakiś czas zewnętrza powierzchnia ścian zrobi się chłodna (bo ściana jest gruba, ciepło z wnętrza budynku będzie wydostawało się bardziej opornie). Jednocześnie temperatura pomieszczeń wzrośnie: w domu zrobi się cieplej. Cieplejsze będą wewnętrzne części ścian. W efekcie ucieczka ciepła przez ściany rośnie aż do momentu, gdy ustali się nowy stan równowagi, teraz już przy cieplejszym wnętrzu budynku. W tym nowym stanie ucieczka ciepła przez ściany na zewnątrz znowu będzie równoważyć niezmieniony dopływ ciepła do budynku.

Rysunek 2. Nieocieplony dom z lewej jak na rys. 1. Z prawej strony dobrze ocieplony dom w stanie równowagi termicznej – ucieka tyle ciepła, co dostarczamy (1kW) – tyle, że przy wyższej różnicy temperatur (u nas 20°C).

Dla kogoś z zewnątrz, kto nie sprawdzi, jak zmieniała się ucieczka ciepła, nie będzie żadnej różnicy między stanem domu bez izolacji i z izolacją (z obu energia ucieka w tempie 1 kW). Odczują ją natomiast przebywający wewnątrz mieszkańcy (inaczej mieszka się w domu o temperaturze 20°C niż w domu o temperaturze 10°C).

Inaczej będzie, gdy temperatura w domu wzrośnie wskutek zwiększonej dostawy ciepła z ciepłowni. Będzie można to oszacować i na wlocie - w przewodzie ciepłowniczym, i na wylocie – mierząc ile ciepła ucieka przez ściany, a nawet mierząc samą temperaturę zewnętrznej powierzchni ścian: będzie ona większa, niż przed wzrostem dostawy ciepła. W ten sposób nie znając nawet szczegółów budowy budynku i instalacji można łatwo poznać, czy ociepla się w środku z powodu zmian w dostawie ciepła z ciepłowni, czy wskutek zmiany izolacji.

Można też, mierząc jedynie zmiany dostawy i ucieczki ciepła (nawet nie znając wielkości dostawy i ucieczki a jedynie ich zmiany!!!) stwierdzić, że wewnątrz budynku zmienia się temperatura i co jest jej przyczyną: czy zmiana w dostawie, czy zmiana w izolacji.

Czemu tak dokładnie opisaliśmy nasz przykład? Otóż to, co dzieje się aktualnie z ziemskim systemem klimatycznym jest bliską analogią tego, co stało się w naszym prostym zagadnieniu ocieplenia domu!

Rysunek 3. Analogia efektu cieplarnianego z domem z dwóch poprzednich slajdów. Słońce jako grzejnik dostarcza energii (w świetle widzialnym). Część się odbija, reszta (~70%) jest pochłaniana przez Ziemię, po czym wypromieniowywana (ale, jak to u ciała o temperaturze „pokojowej”, w podczerwieni). Gazy cieplarniane w atmosferze (które nie pochłaniały światła widzialnego), pochłaniają podczerwień, działając jak izolacja. Zwiększając ich ilość powodujemy „pogrubienie izolacji”, a Ziemia, żeby osiągnąć równowagę pomiędzy otrzymywaną ze słońca energią a energią wypromieniowaną, ogrzewa się.

Dostawa ciepła od Słońca uśredniona w cyklu rocznym jest stała (precyzyjniej mówiąc, niemal stała, zmienność to ok. 0,1% w cyklach słonecznych o krótszym i dłuższym okresie). Nasze emisje i postępujący za nimi wzrost koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze odpowiada ciągłemu, coraz szybszemu pokrywaniu domu kolejnymi warstwami izolacji. W rezultacie w domu – na powierzchni naszej planety - robi się coraz cieplej, a zewnętrzna temperatura ścian (temperatura stratosfery) spada. Ponieważ izolacyjność ścian stale rośnie (stężenie głównych gazów cieplarnianych jest coraz wyższe), nasz dom – Ziemia – nie jest w stanie równowagi. A nawet nie zbliża się tylko oddala od tego stanu, bo tempo procesu „pogrubiania izolacji” narasta. I potrafimy to zmierzyć. Bilans energii jest dodatni. Średnio rzecz biorąc, metr kwadratowy planety otrzymuje od Słońca o 0,6W więcej energii, niż jest w stanie wysłać w kosmos. Ta energia gromadzi się w systemie klimatycznym.

Odwołując się do analogii domu można powiedzieć, że trochę energii rozpływa się po pokojach i podnosi temperaturę wnętrza naszego domu (powierzchni Ziemi i jej okolic), a większość gromadzona jest w ogromnym zbiorniku jaki mamy w piwnicy (w oceanie). To też jesteśmy w stanie zmierzyć. Co ciekawe, patrząc jak zmieniła się temperatura w różnych pokojach, siedząc wewnątrz domu i nie mierząc ani strumienia energii od grzejnika (Słońca), ani w strumienia uciekającej energii (promieniowania podczerwonego uciekającego w kosmos), też jesteśmy w stanie określić, czy ociepla się wskutek wzrostu dopływu ciepła z grzejników, czy wskutek zwiększonej izolacyjności ścian. Wystarczy popatrzeć, czy ociepla się szybciej w tych pomieszczeniach, które mają duże kaloryfery (okolice równika) czy tam, gdzie ogrzewanie z ciepłowni jest słabe (bieguny). Widzimy, że najszybciej ociepla się właśnie w tym ostatnim miejscu, bo tu znaczenie „izolacji” jest największe.

Można też spojrzeć na dzienne zmiany temperatury. Gdyby wzrost temperatury był spowodowany przez wzrost doprowadzanej do naszego domu mocy (wzrost mocy Słońca), to największy wzrost temperatury odnotowywalibyśmy w czasie działania grzejnika (w ciągu dnia). Jeśli zaś wzrost temperatury byłby spowodowany pogrubieniem izolacji, to zmniejszyłyby się wahania temperatury między dniem i nocą, a największą różnicę panujących warunków odnotowywalibyśmy w nocy – i to właśnie obserwujemy: temperatury nocne rosną szybciej od dziennych.

Nie trzeba być fizykiem atmosfery, żeby zrozumieć, jak działa globalne ocieplenie. Nie trzeba skomplikowanych badań ani tysięcy pomiarów. Żeby zrozumieć zasadę działania wystarczy codzienne doświadczenie i najprostsze zrozumienie otaczającego nas świata. Już niemal 200 lat temu Joseph Fourier potrafił nie tylko prosto zanalizować, ale i oszacować, że stanowiące „izolację” naszej planety gazy cieplarniane mają olbrzymie znaczenie dla temperatury na jej powierzchni. My też powinniśmy rozumieć, że jeśli zwiększymy izolacyjność atmosfery, to na powierzchni Ziemi zrobi się cieplej.

prof. Szymon P. Malinowski, Marcin Popkiewicz

Opublikowano: 2014-08-18 23:20
Fundacja UW
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.