Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (3): Gazy cieplarniane a widmo promieniowania Ziemi

Kontynuujemy bazujący na książce „Nauka o klimacie” cykl artykułów opowiadających o efekcie cieplarnianym nieco bardziej szczegółowo.

Termiczna struktura atmosfery 
Gazy cieplarniane i ich cechy 
Wpływ gazów cieplarnianych na widmo promieniowania ziemskiego 
Zmiany koncentracji gazów cieplarnianych a transport energii 
Wpływ chmur 
Aerozole
Bilans energetyczny Ziemi

Gdyby w atmosferze nie było gazów cieplarnianych, emitowane z powierzchni Ziemi promieniowanie podczerwone uciekałoby bez przeszkód w kosmos, a znajdujący się ponad atmosferą obserwator rejestrowałby widmo promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze równej temperaturze powierzchni Ziemi.

Rysunek 1: CERES to jedna z dłużej trwających misji kosmicznych NASA, w ramach której prowadzone są pomiary bilansu energetycznego Ziemi. Służą do tego umieszczany na kolejnych satelitach badawczych przyrządy takie jak widoczny na zdjęciu. Mierzą one docierające do satelity ze strony Ziemi promieniowania – rozproszone (odbite) promieniowanie słoneczne oraz emitowane przez naszą planetę promieniowanie podczerwone. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA.

W atmosferze znajdują się jednak gazy cieplarniane, które istotnie zmieniają sytuację. Powiedzmy, że jeden z nich, „gaz X” bardzo skutecznie absorbuje emitowane z powierzchni promieniowanie w pewnym zakresie długości fali. Oznacza to, że z atmosfery ziemskiej w kosmos ma szansę wydostać się w tym zakresie tylko to promieniowanie, które emitowane jest przez samą atmosferę, i to z dużych wysokości, powyżej których zawartość „gazu X” w kolumnie powietrza jest mała. Jak wyjaśniliśmy w pierwszej części cyklu, im wyżej znajduje się jakaś warstwa troposfery, tym niższą ma ona temperaturę. W opisanej sytuacji „kosmiczny obserwator” widziałby więc widmo promieniowania ciała o temperaturze niższej niż temperatura powierzchni Ziemi.

Wyobraźmy sobie też inny gaz cieplarniany, który występuje tylko w najniższych warstwach atmosfery. Obserwując z kosmosu promieniowanie Ziemi w charakterystycznych dla tego gazu długościach fali, rejestrowalibyśmy widmo typowe dla temperatury występującej na mniejszej wysokości – gdzieś pomiędzy temperaturą powierzchni Ziemi a temperaturą wyższych warstw atmosfery.

Czy coś takiego rzeczywiście występuje? Przyjrzyjmy się widmu opuszczającego Ziemię promieniowania podczerwonego, które zaobserwowalibyśmy, unosząc się na wysokości 100 km nad bezchmurnymi tropikami (rysunek 2, niebieska linia). Pole poniżej tej linii odpowiada całkowitej wypromieniowanej energii (289,3 W/m2). Dodatkowo na wykresie zaznaczono kolorowymi liniami widma ciał doskonale czarnych o różnych temperaturach. Możesz potraktować je jako dodatkową siatkę pomagającą w odczytywaniu wykresu.

Rysunek 2: Widmo promieniowania podczerwonego Ziemi i atmosfery, jakie zarejestrować można, umieszczając przyrząd pomiarowy na górnej granicy (szczycie) atmosfery (nieregularna niebieska linia). Gładkie linie odpowiadają promieniowaniu ciał doskonale czarnych o określonych temperaturach, od 220 K do 300 K (widma Plancka). Czarne przedziały pokazują zakres pasm absorpcyjnych różnych gazów cieplarnianych, a szary prostokąt zakres tzw. „okna atmosferycznego” (8–13 µm), w którym promieniowanie podczerwone nie jest znacząco pochłanianie przez gazy cieplarniane (poza pasmem absorpcyjnym ozonu O3). Uwaga: na ilustracji nie przedstawiono danych pomiarowych, lecz symulację wykonaną z użyciem modelu numerycznego MODTRAN dostępnego na stronie Uniwersytetu w Chicago dla atmosfery tropikalnej przy domyślnych ustawieniach modelu, odpowiadających stężeniom gazów cieplarnianych w 2016 roku – w tym 400 ppm CO2).

Zwróćmy uwagę na te długości fali, dla których absorpcja przez obecne w atmosferze gazy cieplarniane jest bardzo słaba. To zakres 8-13 μm, nazywany „oknem atmosferycznym” (przez to „widmowe okienko” energia może uciekać z Ziemi, podczas gdy fale dłuższe i krótsze są zatrzymywane przez atmosferę). Wyjątek stanowi pasmo 9-10 μm, w którym promieniowanie pochłania ozon. Tak jak przewidywaliśmy, ograniczając się do tych długości fal, zaobserwujemy widmo ciała doskonale czarnego o temperaturze powierzchni Ziemi (trochę ponad 20 stopni Celsjusza, czyli 293 K – zwróć uwagę, że dla tych długości fal widmo promieniowania ziemskiego mieści się pomiędzy żółtą i czerwoną linią, odpowiadającym widmom ciał doskonale czarnych o temperaturach 280 K i 300 K).

Przykładem gazu cieplarnianego obecnego w wysokich warstwach atmosfery jest dwutlenek węgla. Jest on dobrze wymieszany w atmosferze, a jego koncentracja praktycznie nie zależy od wysokości (patrz rysunek 9 w drugiej części cyklu). Jak można zobaczyć na rysunku 6 w drugiej części cyklu, dwutlenek węgla intensywnie pochłania promieniowanie w zakresie 14–16 μm. Czy widmo ziemskie w tych długościach fal odpowiada widmu ciała doskonale czarnego o niskiej temperaturze? Z dobrą dokładnością. Jak pokazuje nasz wykres, pokrywa się tu z widmem odpowiadającym temperaturze ok. 220 K (poniżej -50°C, linia jasnoniebieska).

Z kolei koncentracja pary wodnej szybko maleje z wysokością, spodziewamy się więc, że widmo promieniowania w długościach odpowiadających pasmom absorpcyjnym pary wodnej będzie pochodzić z niższej wysokości i tym samym będzie odpowiadać widmu ciała o wyższej temperaturze. I tak jest w rzeczywistości: pasmo absorpcji promieniowania przez parę wodną to 18–30 μm, a widmo ziemskie przebiega tu między widmem ciała o temperaturze 240 K (linia fioletowa) i 280 K (linia żółta).

Wiedząc, jak temperatura atmosfery zmienia się z wysokością, możemy na podstawie odczytanych przez nas z wykresu temperatur warstw powietrza, z których emitowane jest promieniowanie, obliczyć ich wysokości. Promieniowanie z pasma 14–16 μm (CO2) zostało wyemitowane na wysokości kilkunastu kilometrów, a to z pasma 18–30 μm (H2O) – kilku kilometrów.

W naszych artykułach najczęściej posługujemy się średnią temperaturą Ziemi, średnim profilem temperatury w atmosferze i średnim widmem promieniowania ziemskiego. Warto jednak pamiętać, że w rzeczywistości widma, które zaobserwujemy w różnych miejscach i o różnych porach roku będą się od siebie różnić.

Rysunek 3: Analogicznie jak rysunek 2, ale przedstawione inne sytuacje: a) lato na szerokościach umiarkowanych; b) zima na szerokościach umiarkowanych; c) lato w regionie subarktycznym; d) zima w regionie subarktycznym. Szare elipsy zaznaczają fragment widma w oknie atmosferycznym.

Jeśli niebo jest bezchmurne, to przyglądając się z satelity widmu w zakresie okna atmosferycznego (obszar zaznaczony na wykresach rysunku 3 szarymi elipsami), łatwo oszacować panującą na powierzchni temperaturę. Z interesującą sytuacją mamy do czynienia zimą w rejonie subarktycznym – w tak niskich temperaturach koncentracja pary wodnej w atmosferze jest bardzo niska, absorpcja promieniowania podczerwonego przez parę wodną jest bardzo słaba, a na podstawie obserwacji widma w zakresie 18–30 μm (pasmo absorpcji pary wodnej) odczytamy temperaturę warstwy bardzo bliską temperaturze powierzchni.

Rysunek 4: Zawartość pary wodnej w atmosferze w połowie marca.

Wpływ pary wodnej na efekt cieplarniany jest osłabiany przez szybki spadek jej koncentracji wraz z wysokością nad powierzchnią Ziemi (patrz rysunek 9 w drugiej części cyklu). Na małych wysokościach jest dużo pary wodnej, jednak temperatura jest tam zbliżona do tej na powierzchni – w rezultacie obecność pary nie zmienia istotnie widma i bilansu promieniowania. Z kolei na dużych wysokościach, gdzie widmo promieniowania odpowiada niskim temperaturom, pary wodnej jest już dużo mniej i jej znaczenie jako gazu cieplarnianego słabnie.

W tym miejscu chętnie powiedzielibyśmy ci, w jakim stopniu poszczególne gazy cieplarniane wpływają na widmo promieniowania Ziemi – który gaz odpowiada za ile procent efektu cieplarnianego. Niestety nie da się podać jedynie słusznej listy rankingowej. Różne gazy cieplarniane pochłaniają podczerwień na różnych długościach fal i z różną intensywnością, do tego pasma absorpcyjne różnych gazów zachodzą na siebie. Jeśli fale o danej długości mogą być pochłaniane przez gazy A i B, to znaczy, że cząsteczki tych gazów niejako „konkurują” o te same fotony. Usunięcie z atmosfery gazu A oznacza, że w sumie pochłonięte zostanie mniej promieniowania (spadnie liczba cząstek je absorbujących), ale jednocześnie cząsteczki gazu B będą miały większe szanse na spotkanie z fotonami (zniknie ich konkurencja), wzrośnie więc ilość promieniowania pochłanianego przez B. Nie mamy tu zatem do czynienia z prostym dodawaniem.

Rysunek 5: Satelita GOSAT (znany też jako IBUKI) Japońskiej Agencji Kosmicznej (JAXA), wykonujący pomiary promieniowania Ziemi i atmosfery w różnych długościach fali, pozwalające między innymi na określanie zawartości dwutlenku węgla i metanu w powietrzu. Ilustrację zamieszczamy dzięki uprzejmości Japońskiego Ministerstwa Środowiska oraz JAXA.

Dzięki modelom komputerowym możliwe jest rozpatrzenie wszystkich możliwych wariantów składu atmosfery, ale dla zrozumienia podstaw względnego znaczenia poszczególnych gazów, wystarczy odpowiedzieć tylko na dwa pytania, dotyczące skrajnych sytuacji:

1. jaką część strumienia promieniowania długofalowego pochłaniałaby atmosfera, gdyby usunąć dany gaz, a inne pozostawić bez zmian;

2. jaką część całkowitego strumienia promieniowania długofalowego pochłaniałby ten gaz, gdyby usunięto z atmosfery pozostałe gazy.

Zgodnie z tym, co napisaliśmy wyżej, ta druga wartość jest większa.

Tabela 1. Wpływ poszczególnych gazów cieplarnianych na pochłanianie promieniowania podczerwonego. Dla pary wodnej przedstawione są dwa obliczenia – bez chmur i z chmurami. Chmury „utrzymują” podczerwień przy ziemi (to dlatego w bezchmurne noce robi się tak zimno), lecz z drugiej strony odbijają światło słoneczne, nie dopuszczając go do powierzchni Ziemi. W ten sposób obniżają ilość docierającej do niej energii – oba efekty w dużym stopniu się znoszą. Źródło Schmidt i in., 2010.

Uśredniając i zaokrąglając wartości z tabeli 1., możemy przyjąć w przybliżeniu, że średni wpływ pary wodnej na efekt cieplarniany (wraz z chmurami) w aktualnym stanie planety to 75%, wpływ dwutlenku węgla to 20%, a pozostałych gazów cieplarnianych – łącznie około 5%.

Po bliższym przyjrzeniu się działaniu gazów cieplarnianych i ich istotnej roli w kształtowaniu bilansu energetycznego planety warto zadać pytanie, czy i jak wpływa na niego obecność innych gazów w atmosferze, a szczególnie – dominujących w niej azotu i tlenu. Choć nie są one gazami cieplarnianymi, to mają całkiem duże znaczenie. Po pierwsze, dzięki nim ciśnienie na powierzchni Ziemi jest znacznie wyższe, co poszerza linie widmowe gazów cieplarnianych (patrz rysunki 6 i 7 w drugiej części cyklu). Po drugie, wskutek tzw. rozpaszaniaRayleigha ich cząsteczki rozpraszają i odbijają w kosmos znaczącą część docierającego do Ziemi promieniowania słonecznego. Na ile znaczącą? Z padających na szczyt atmosfery średnio 340 W/m2 odbijane jest w ten sposób około 25 W/m2 (głownie nadfiolet i światło niebieskie).

Rozpraszanie Rayleigha Gdy promieniowanie elektromagnetyczne trafia na cząstkę, w której ładunki elektryczne nie są rozłożone identycznie w przestrzeni (a taką własność mają znajdujące się w atmosferze atomy i cząsteczki gazów, których ładunki dodatnie skupione są w jądrach, a ujemne to otaczające je elektrony), pobudza ją do drgań. Drgająca cząstka wypromieniowuje tę energię jako falę elektromagnetyczną o tej samej częstości, ale niekoniecznie w tym samym kierunku. Mówimy wtedy o rozpraszaniu. Silna zależność rozpraszania od długości fali powoduje, że promieniowanie o małej długości fali jest silniej rozpraszane od promieniowania o dużej długości fali. Światło niebieskie i fioletowe jest więc rozpraszane kilkukrotnie silniej niż czerwone. To rozproszone promieniowanie dociera do nas ze wszystkich stron nieba – widzimy więc, że jest ono zabarwione na niebiesko (to, że nie widzimy nieba w kolorze fioletowym wynika z tego, że dochodzące do nas światło składa się z wymieszanych w stopniowo malejących wraz z długością fali proporcjach różnych kolorów – od fioletu przez niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy po czerwony; a także tego, że nasze oczy są mniej czułe na światło fioletowe).

Gdy patrzymy na zachodzące Słońce, jego promienie docierają do nas prawie poziomo po przejściu przez bardzo grubą warstwę atmosfery – w takiej sytuacji promieniowanie o mniejszej długości fali (fioletowe, niebieskie) jest rozpraszane na boki tak bardzo, że prawie do nas nie dochodzi. Promieniowanie o większej długości fali (pomarańczowe, czerwone) jest rozpraszane znacznie słabiej i dociera go do nas proporcjonalnie więcej – w rezultacie widzimy tarczę zachodzącego Słońca zabarwioną na kolor czerwony.

Artykuł jest przeredagowanym na potrzeby publikacji w internecie fragmentem książki Marcina Popkiewicza, Aleksandry Kardaś i Szymona Malinowskiego pt. Nauka o klimacie.

Opublikowano: 2020-04-16 11:15
Tagi

efekt cieplarniany

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.