Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (5): Wpływ chmur

Chmury i ich wpływ na bilans radiacyjny (energetyczny) Ziemi. Które z nich chłodzą, a jakie grzeją klimat? Czy na chmury wpływa promieniowanie kosmiczne?

Powstawanie chmur i skład chmur

Do tej pory koncentrowaliśmy się na oddziaływaniu promieniowania z gazami cieplarnianymi, jednak nie są one jedynymi składnikami atmosfery mającymi wpływ na jej bilans radiacyjny. Powierzchnia mórz, oceanów, gleby, a także rośliny w procesie parowania dostarczają wodę do dolnych warstw atmosfery. Jak pamiętamy z części pierwszej cyklu, gdy powietrze się wznosi, ulega ochłodzeniu wskutek rozpręąnia (im wyśej tym niższe ciśnienie). Im niższa jest temperatura powietrza, tym mniej pary wodnej może ono zawierać. Temperatura, w której para wodna znajdująca się aktualnie w powietrzu nasyciłaby się, nazywana jest punktem rosy. Kondensacja, czyli zamiana pary wodnej w ciecz, zachodzi, gdy temperatura powietrza zawierającego tę parę spadnie do lub poniżej punktu rosy. Możliwe jest też bezpośrednie przejście ze stanu gazowego w stały (lód), czyli resublimacja.

Spadek temperatury nie jest jedynym warunkiem kondensacji. Ze względu na silną barierę napięcia powierzchniowego wody, pojedynczym molekułom trudno jest się połączyć. Dlatego kondensacja nie zachodzi w powietrzu absolutnie czystym, nawet przy dużym przesyceniu parą wodną. Potrzebne są jeszcze jądra kondensacji, czyli mikroskopijne cząsteczki, na których para wodna może osiadać, co ułatwia zapoczątkowanie powstawania kropel lub kryształków lodu.

Chmury to skupiska kropelek wody lub kryształków lodu tak małych, że opór powietrza skutecznie hamuje ich opadanie do prędkości milimetrów lub centymetrów na sekundę, dzięki czemu mogą długo utrzymywać się w powietrzu. Z jednej strony odbijają one światło słoneczne, zwiększając tym samym albedo Ziemi i ochładzając ją, z drugiej zaś składają się z wody, silnej substancji cieplarnianej, utrudniają więc ucieczkę promieniowania podczerwonego w kosmos, co powoduje wzrost temperatury powierzchni Ziemi. To, czy przeważa efekt chłodzący powierzchnię, czy ogrzewający ją, zależy od rodzaju chmury.

Stężenie pary wodnej szybko spada wraz z wysokością – niskie chmury zawierają więc z reguły nawet 10–100 razy więcej wody niż chmury wysokie. Te ostatnie składają się z rzadko rozmieszczonych w przestrzeni kryształków lodu (rzadko – kropelek) i w związku z tym przepuszczają większość padającego na nie światła.

Oddziaływanie chmur z promieniowaniem

Chmury i promieniowanie słoneczne

Bardzo istotne dla albedo chmury jest to, czy składa się ona z kryształków lodu, czy z kropel, oraz rozmiar i koncentracja tych cząstek. Kryształki lodu bardzo skutecznie odbijają światło. Krople wody raczej odchylają bieg światła, niż je odbijają – tak więc padające z góry promienie słoneczne, rozpraszając się na kropelkach, nadal w większości będą biec w kierunku powierzchni Ziemi. O skuteczności rozpraszania światła decyduje też rozmiar kropli – małe krople rozpraszają światło bardziej wydajnie i bardziej równomiernie we wszystkich kierunkach. Z kolei kryształki rozmieszczone są na ogół rzadziej niż krople, w efekcie czego chmury wodne mają większe albedo i są bardziej „nieprzeźroczyste” niż chmury lodowe. Pewna część energii promieniowania jest także absorbowana, przy czym stosunek rozpraszania do absorpcji zależy od wielu różnych czynników.

Chmury i promieniowanie długofalowe (podczerwone)

W zakresie podczerwieni chmury są niemal ciałami doskonale czarnymi tak, że widmo promieniowania emitowanego przez nie zależy tylko od ich temperatury. Promieniowanie z górnych partii chmur ucieka w kosmos, bardzo ważna jest więc wysokość, na której znajduje się wierzchołek chmury. W typowych warunkach panujących w troposferze im wyżej, tym niższa jest temperatura. Wierzchołki chmur wysokich są zimne i emitują promieniowanie podczerwone właściwe dla niskich temperatur, chmury bliskie powierzchni Ziemi mają zaś temperaturę znacznie bliższą temperaturze powierzchni. Wyraźnie widać to na rysunku 4, pokazującej widma opuszczającego Ziemię promieniowania podczerwonego w zależności od zachmurzenia.

Na wykresie a) widzimy widmo dla bardzo niskich chmur warstwowych nimbostratus. Temperatura ich górnej powierzchni, leżącej na wysokości zaledwie 660 metrów jest niewiele niższa od temperatury powierzchni Ziemi – widmo promieniowania jest więc bardzo zbliżone do widma obserwowanego dla bezchmurnego nieba, co szczególnie wyraźnie widać w oknie atmosferycznym (porównaj z rysunkiem 3 w trzeciej części cyklu).

Na wykresie b) pokazano emisję z wyższych chmur stratus o górnej granicy na wysokości 2 km. W oknie atmosferycznym można zauważyć, że promieniowanie pochodzi z obszaru o temperaturze niższej niż w przypadku chmur niżej położonych, a w przestrzeń ucieka mniej energii.

Widmo pokazanej na wykresie c) chmury altostratus (mającej górną granicę na wysokości 3 km) jest charakterystyczne dla ciała o jeszcze niższej temperaturze – ucieczka energii w przestrzeń jest jeszcze mniejsza.

Chmury a–c) były chmurami optycznie grubymi (zupełnie nieprzezroczystymi), za to pokazana na wykresie d) chmura pierzasta cirrus jest niemal przeźroczysta (optycznie cienka, patrz też rysunek 2). Choć występuje na dużej wysokości, gdzie temperatura jest bardzo niska, w oknie atmosferycznym nie obserwujemy widma, którego można by oczekiwać, gdyby wypromieniowało je ciało o typowej dla takiej wysokości temperaturze 250 K. Dlaczego? Ponieważ większość promieniowania wyemitowanego z powierzchni Ziemi w długościach fal okna atmosferycznego przechodzi przez chmurę cirrus bez przeszkód – obserwujemy więc faktycznie promieniowanie pochodzące z powierzchni. A dlaczego temperatura w oknie atmosferycznym jest trochę niższa? Ponieważ pewna niewielka część promieniowania jest jednak pochłaniana przez chmurę i wypromieniowywana zgodnie z widmem ciała doskonale czarnego o temperaturze 250 K. Zaznacza się to w części widma odpowiadającej pasmu absorpcyjnemu pary wodnej (18 i więcej mikrometrów), gdzie wykres opada od linii 260 K (zielona) do 240 K (fioletowa).

Które chmury chłodzą, a które grzeją klimat?

Chmury niskie, składające się z licznych, stosunkowo gęsto rozmieszczonych kropli wody, w ciągu dnia silnie odbijają promieniowanie słoneczne. Mimo tego, że znacznie przyczyniają się do efektu cieplarnianego (para wodna to efektywny gaz cieplarniany), to sumarycznie rzecz biorąc, ich obecność schładza powierzchnię Ziemi.

Chmury wysokie z kolei, składające się co prawda z kryształków lodu, ale za to bardzo rzadko rozmieszczonych, słabiej odbijają padające promieniowanie krótkofalowe. Jednocześnie jednak skutecznie blokują ucieczkę promieniowania podczerwonego Ziemi w kosmos, co powoduje, że ich obecność efektywnie ogrzewa powierzchnię Ziemi.

Szacuje się, że wypadkowy wpływ chmur na bilans energii planety jest chłodzący – efekt podwyższenia albedo planety wynosi ok. 50 W/m² i przeważa nad zwiększeniem efektu cieplarnianego wynoszącym ok. 26 W/m² (Zhang i in., 2003).

Chmury niskie sprzyjają ochładzaniu, a wysokie ocieplaniu klimatu.

Zachmurzenie (podobnie jak zawartość pary wodnej w atmosferze) dostosowuje się do panujących w atmosferze warunków – temperatur, dostępności pary wodnej i jąder kondensacji. Zmiany zachmurzenia mają z punktu widzenia klimatu charakter sprzężenia zwrotnego – są wynikiem zmian stanu atmosfery powodowanych przez inne czynniki oraz mają wpływ na klimat.

Wpływ zmian natężenia promieniowania kosmicznego na chmury

Nie jest to istotny efekt, lecz raczej nagłośniona w mediach ciekawostka, pokazująca, że nie każda hipoteza okazuje się prawdziwa.

W latach dziewięćdziesiątych XX wieku Henrik Svensmark postawił hipotezę wiążącą ocieplenie klimatu z galaktycznym promieniowaniem kosmicznym i jego możliwym wpływie na chmury.

Opierała się ona na założeniu, że cząstki promieniowania mogą sprzyjać powstawaniu chmur, które z kolei odbijają promieniowanie słoneczne. A więc jeśli w wyniku wzmocnienia pola magnetycznego Słońca (co ma miejsce w okresach wzmożonej aktywności słonecznej) do Ziemi dociera mniej cząstek promieniowania kosmicznego, powinniśmy obserwować mniejsze zachmurzenie i zwiększone natężenie światła słonecznego, a co za tym idzie – silniejsze ogrzewanie naszej planety.

Badania wykazały jednak, że cząsteczki galaktycznego promieniowania kosmicznego nie mają dużego udziału w powstawaniu zachmurzenia. Można to wykazać na podstawie analizy danych pomiarowych. Podczas ostatnich pięciu dekad liczba cząstek galaktycznego promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi wraz ze spadkiem aktywności słonecznej rosła.

Gdyby hipoteza wpływu natężenia promieniowania kosmicznego na klimat była prawdziwa, wzrost intensywności promieniowania kosmicznego powinien powodować w tym czasie ochładzanie klimatu i szczególnie niskie średnie temperatury w ostatnich kilku latach. Tymczasem dzieje się coś przeciwnego: jednocześnie z dużymi natężeniami galaktycznego promieniowania kosmicznego obserwujemy rekordowo wysokie wartości średniej temperatury powierzchni Ziemi.

Ponadto, ponieważ w wysokich szerokościach geograficznych wahania natężenia promieniowania kosmicznego są znacznie większe niż w innych obszarach, gdyby promieniowanie kosmiczne silnie wpływało na chmury, należałoby oczekiwać większych zmian zachmurzenia w regionach polarnych. Niczego takiego nie zaobserwowano. Po wybuchu reaktora w Czarnobylu, w wyniku którego do atmosfery trafiła bardzo duża ilość powodujących jonizację radioaktywnych nuklidów, również nie stwierdzono wzrostu pokrywy chmur. Brak istotnego wpływu promieniowania na formowanie się chmur wykazał też prowadzony w CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych, fr. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) eksperyment „CLOUD”.

Warto też dodać, że blisko 40 tys. lat temu natura przeprowadziła eksperyment (tzw. zdarzenie Laschampa), w którym doszło do zamiany biegunów magnetycznych miejscami, a siła pola magnetycznego Ziemi podczas tego procesu spadła do zaledwie 5% obecnej. Natężenie promieniowania kosmicznego docierającego do powierzchni Ziemi wzrosło w związku z tym dwukrotnie, pozostawiając w rdzeniach lodowych ślady wzmożonej produkcji izotopów kosmogenicznych takich jak ¹⁰Be i ¹⁴C. Co wtedy się stało z klimatem?

Nic szczególnego.

Nie świadczy to oczywiście, że promieniowanie kosmiczne w ogóle nie wpływa na klimat – jednak jest to wpływ mało znaczący.

Czytaj dalej – o znaczeniu aerozolu atmosferycznego dla bilansu radiacyjnego Ziemi.

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