Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (7): Bilans energetyczny Ziemi

Artykuł jest siódmą częścią serii pod nazwą „Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych”, bazującej na materiałach książki „Nauka o klimacie”:

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

W poprzednich artykułach naszego cyklu opisaliśmy podstawowe elementy mające znaczenie dla bilansu energetycznego Ziemi. Pora podsumować wiedzę! Umieśćmy je na jednej ilustracji:

Bilans energetyczny Ziemi

Rysunek 1: Aktualny, wieloletni (~10 lat) średni bilans energetyczny Ziemi wyrażony w watach na jednostkę powierzchni planety (W/m2). Wartości podano wraz zakresem niepewności (nawiasy). O ile poszczególne składowe bilansu charakteryzują się znacznym zakresem niepewności, o tyle ich różnice (np. nierównowaga bilansu radiacyjnego) są znane dość dokładnie. Źródło: IPCC.

Jak widzisz, ilustracja nie uwzględnia innych niż Słońce źródeł energii, w szczególności wnętrza Ziemi (energia geotermalna) i ludzkiej działalności (spalaniu paliw kopalnych i innym procesom przemysłowym towarzyszy uwalnianie energii do otoczenia). Wynika to z faktu, że ich znaczenie dla bilansu energetycznego jest znikome. Średni strumień płynącej z wnętrza Ziemi energii geotermicznej to ok. 0,09 W/m2, a ze źródeł antropogenicznych (głównie ciepło wydzielające się przy spalaniu paliw kopalnych) to ok. 0,03 W/m2.

Uśredniony dla całej planety strumień energii słonecznej na górnej granicy atmosfery wynosi 340 W/m2. Rozpraszanie Rayleigha na składnikach gazowych atmosfery powoduje odbicie 25 W/m2, chmury odbijają średnio 51 W/m2, a powierzchnia Ziemi 24 W/m2, co w sumie daje 100 W/m2. Oznacza to albedo planetarne bliskie 30%. Ziemia wraz z atmosferą pochłaniają w sumie 240 W/m2, podczas gdy strumień opuszczającego planetę promieniowania długofalowego wynosi 239 W/m2 – o ok. 1 W/m2 mniej (zaokrąglamy tu do pełnych jednostek). Bilans energetyczny Ziemi jest więc obecnie zaburzony: planeta otrzymuje więcej energii, niż emituje.

Pomiary promieniowania słonecznego i grubości optycznej aerozolu.

Rysunek 2: Pomiary podczas kampanii pomiarowej AMIE. Na pierwszym planie naukowiec obsługujący urządzenie do pomiarów grubości optycznej aerozolu, w tle przyrządy do pomiarów promieniowania słonecznego i atmosferycznego. Zdjęcie Chucka Longa publikujemy dzięki uprzejmości U.S. Department of Energy Atmospheric Radiation Measurement (ARM) (licencja CC BY-NC-SA 2.0).

To, że strumień opuszczającego Ziemię promieniowania jest trochę mniejszy od strumienia docierającego do powierzchni Ziemi nie jest przypadkiem. W artykule Globalne ocieplenie: wersja dla niewtajemniczonych porównaliśmy Ziemię do domu, który został szybko obłożony dodatkową izolacją: ilość uciekającej z domu energii spadła, w wyniku czego pojawiła się nierównowaga bilansu energetycznego, a wnętrze domu zaczęło się ogrzewać. Ostatni wzrost stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze powoduje dokładnie taki sam efekt.

Popatrzmy z kolei na bilans energii powierzchni Ziemi, która pochłania 161 W/m2 promieniowania krótkofalowego i 342 W/m2 długofalowego (efekt cieplarniany), łącznie 161 + 342 = 503 W/m2. Transport energii z powierzchni Ziemi do atmosfery odbywa się za pomocą trzech mechanizmów: promieniowania (398 W/m2), ciepła utajonego (parowania i kondensacji) pary wodnej (84 W/m2) oraz konwekcji (20 W/m2) – łącznie 502 W/m2. Patrząc w ten sposób, widzimy niezbilansowaną nadwyżkę strumienia energii około 1 W/m2 gromadzącą się w systemie klimatycznym, a dokładniej w jego elementach przy powierzchni planety.

Należy podkreślić, że podane wartości są przybliżone i obarczone niepewnościami: pomiary docierającego do Ziemi i opuszczającego ją promieniowania pokazują, że obecna nierównowaga radiacyjna planety wynosi 0,2–1 W/m2.

Czy można określić ją precyzyjniej?

Owszem, można. Gdybyśmy w ocieplonym domu z naszego przykładu mieli określić nierównowagę między energią doprowadzaną do niego i uciekającą, moglibyśmy z jednej strony mierzyć ciepło docierające do węzła cieplnego, a z drugiej strony za pomocą np. kamery termowizyjnej i innych urządzeń mierzyć ucieczkę ciepła. W ten sposób uzyskalibyśmy informacje o bilansie energetycznym domu, ale… taki sposób pomiaru nie byłby ani łatwy w realizacji, ani szczególnie dokładny. Dużo łatwiej byłoby mierzyć zmiany temperatury w domu. Podobnie my możemy podejść do problemu nierównowagi energetycznej planety, mierząc tempo wzrostu energii w ziemskim systemie klimatycznym (oceanach, atmosferze, glebach i topnienia lodu).

Bilans radiacyjny w różnych szerokościach geograficznych

Jak zauważyliśmy w poprzednich rozdziałach, lokalne warunki różnią się od siebie znacząco, zmieniają się też w czasie – zarówno w cyklu rocznym, jak i dobowym oraz przy zmianach pogody. Co więcej, w rzeczywistości nie mamy do czynienia z lokalnym zbilansowaniem strumieni energii. Spójrzmy na strumienie energii, jakie średnio rzecz biorąc, otrzymują różne regiony naszej planety.

Średni strumień energii na szczycie atmosfery w poszczególnych miesiącach, dla wybranych szerokości geograficznych.

Rysunek 3: Średni strumień energii na szczycie atmosfery w poszczególnych miesiącach i wybranych szerokościach geograficznych.

Wykres uwzględnia zmiany nasłonecznienia (ilości promieniowania otrzymywanego przez powierzchnię Ziemi w ciągu doby) powodowane zarówno zmieniającą się wysokością Słońca nad horyzontem w ciągu roku, jak i długością dnia. Na równiku wahania są najmniejsze – długość dnia zawsze wynosi tu około 12 godzin, a fluktuacje wokół wartości 410 W/m2powodowane są jedynie zmianami wysokości Słońca nad horyzontem (podczas równonocy wiosennej i jesiennej Słońce góruje w zenicie, a podczas przesileń na wysokości 66,5° nad horyzontem).

W umiarkowanych szerokościach geograficznych nasłonecznienie zmienia się zależnie od szerokości geograficznej. Na szerokości 60°N podczas przesilenia letniego w czerwcu dzień trwa 18,5 godziny, a Słońce wznosi się w południe o 53,5° nad horyzont. Minimum nasłonecznienia ma miejsce podczas przesilenia zimowego w grudniu, kiedy to dzień trwa zaledwie 5,5 godziny, a Słońce wznosi się w południe nad horyzont zaledwie na 6,5°.

Góra lodowa i lód morski na powierzchni zatoki McMurdo w Antarktyce

Rysunek 4: Góra lodowa i lód morski na powierzchni zatoki McMurdo w Antarktyce. Zobacz, jak dobrze promienie słoneczne odbijają się od ich powierzchni. Zdjęcie wykonane podczas kampanii pomiarowej IceBridge w 2017. Zdjęcie Chrisa Larsena (UAF) zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA GSFC (licencja CC BY 2.0).

Najbardziej ekstremalne zmiany nasłonecznienia zachodzą na biegunie (na ilustracji pokazane są zmiany strumienia promieniowania na biegunie północnym). Podczas trwającej od września do marca nocy polarnej promienie słoneczne w ogóle tam nie docierają, zaś w czasie bliskim przesilenia letniego, kiedy Słońce przez całą dobę znajduje się na wysokości 23,5 stopnia nad horyzontem, do bieguna w ciągu doby dociera więcej energii niż do równika.

Nie całe padające promieniowanie jest absorbowane. Śnieg i lód mają wysokie albedo, odbijają większość padającego na nie promieniowania, z kolei średnie albedo okolic równika jest bardzo niskie, rzędu 0,1.

Oszacujmy, jaka byłaby średnia temperatura na równiku, gdyby na Ziemi nie było transportu ciepła między różnymi szerokościami geograficznymi

Znając albedo powierzchni Ziemi w tym rejonie, możemy łatwo obliczyć ilość pochłanianej przez nią (i wypromieniowywanej w stanie równowagi) energii: E = 0,9 · 410 W/m2 = 369 W/m2 i podstawić ją do wzoru Stefana-Boltzmanna (E=σT4) otrzymując temperaturę emisyjną na górnej granicy atmosfery: T=(369 / (5,67*10-8))1/4 = 284K = 11°C.

Biorąc pod uwagę, że jest to temperatura na wysokości odpowiadającej poziomowi emisji, temperatura okolic równikowych przy powierzchni przekraczałaby 40°C. Równocześnie średnia temperatura emisyjna na biegunach, biorąc pod uwagę średni strumień promieniowania 150 W/m2, wynosiłaby -45°C, a przyjmując albedo 80% spadłaby poniżej -120°C.

Bilans energetyczny Ziemi: bilans promieniowania w różnych szerokościach geograficznych.

Rysunek 5: Bilans promieniowania w różnych szerokościach geograficznych. Linia niebieska dotyczy pochłanianego przez Ziemię promieniowania krótkofalowego, a czerwona – emitowanego przez Ziemię promieniowania długofalowego. Lokalnie strumienie te się nie równoważą, ponieważ energia jest także przenoszona przez wiatr i prądy morskie: ciepło z gorącego rejonu tropików przepływa w kierunku biegunów, przez co rejony podbiegunowe wypromieniowują więcej energii niż otrzymują jej od Słońca.

Podsumowując, w niskich szerokościach geograficznych bilans radiacyjny jest dodatni,a w wysokich – ujemny. Rejony polarne można porównać do chłodnicy planety, odprowadzającej ciepło z obszarów tropikalnych. Gdyby zbudować mur rozdzielający niskie i wysokie szerokości geograficzne, regiony tropikalne rozgrzałyby się tak bardzo, że oceany byłyby zbyt gorące dla istot żywych, obszary pozazwrotnikowe pokryłby zaś lądolód. Sytuacja taka nie ma miejsca dzięki transportowi ciepła z rejonów równikowych na wyższe szerokości geograficzne przez cyrkulację atmosferyczną i prądy morskie.

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

Opublikowano: 2020-08-24 16:47
Tagi

efekt cieplarniany

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