Efekt cieplarniany – jak to działa

Gdyby nie efekt cieplarniany, średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosiłaby minus kilkanaście stopni Celsjusza. Wzrost ilości gazów cieplarnianych w atmosferze prowadzi do spadku jej przezroczystości w podczerwieni i w rezultacie do wzrostu temperatury na powierzchni Ziemi.

Uwaga: Przed zapoznaniem się z artykułem rekomendujemy przeczytanie najpierw wpisu Efekt cieplarniany ABC.

Rysunek 1: Dziecko sfotografowane za pomocą kamery na podczerwień.

Wszystko we wszechświecie promieniuje, a więc wysyła promieniowanie elektromagnetyczne. Promieniują wszystkie ciała o temperaturze większej niż zero absolutne. Wszechświat, pustka kosmiczna też. Za odkrycie praw rządzących tym promieniowaniem, zwanym promieniowaniem termicznym, przyznano kilka nagród Nobla. Taką nagrodę dostał w roku 1918 Max Planck, który zaobserwował, że promieniujące termicznie ciała wysyłają fotony – kwanty promieniowania elektromagnetycznego – i opisał to zależnością, zwaną dziś prawem Plancka. Nagrodę Nobla dostali 60 lat później Arno Penzias i Robert Wilson za zmierzenie promieniowania termicznego wszechświata (tzw. promieniowania tła).

Podstawowy sposób wymiany energii

Promieniowanie elektromagnetyczne to podstawowy sposób wymiany energii: fotony przenikają zarówno przez pustkę kosmosu, jak i przez materię, chyba że materia ta, ze względu na swoja budowę, oddziałuje z nimi i je pochłania. Fotony przynoszą do nas energię Słońca. Ziemia także wysyła w kosmos fotony i w ten sposób się chłodzi.

Prawo Plancka, a także zgodne z nim (i znane wcześniej) prawa Stefana-Boltzmanna i Wiena mówią, że całkowita energia promieniowania termicznego rośnie z czwartą potęgą temperatury ciała emitującego to promieniowanie:

gdzie E jest strumieniem energii mierzonym w W/m², T to temperatura wyrażona w stopniach Kelwina, a σ to stała Stefana-Boltzmanna równa 5,67•10-¹¹ W/(m²•K⁴). Ponadto w miarę wzrostu temperatury spada dominująca długość fali promieniowania (czyli rośnie jego częstotliwość) .

Reakcje termojądrowe (zamiana wodoru w hel) rozgrzewają nasze Słońce tak, że zewnętrzne warstwy gwiazdy osiągają temperaturę około 5800K. Emitują one promieniowanie termiczne głównie w świetle widzialnym, które odbierają nasze oczy. Z kolei promieniowanie termiczne niemal wszystkich ciał wokół nas, i całej naszej planety, z powodu niższej temperatury naszego otoczenia (~300K) charakteryzuje się znacznie większą długością fal – jest to promieniowanie w dalekiej podczerwieni, co możemy stwierdzić na przykład kierując na człowieka czy budynek rejestrującą podczerwień kamerę. Mówiąc o promieniowaniu słonecznym w języku fizyki atmosfery często skrótowo używamy sformułowania „promieniowanie krótkofalowe”, a o ziemskim „długofalowe”.

Rysunek 2: Promieniowanie długofalowe (podczerwone) Ziemi we wrześniu 2008. Ilustrację przygotował Robert Simmon z NASA’s Earth Observatory na podstawie pomiarów satelitarnych w ramach projektu CERES.

Temperatura efektywna

Energia promieniowania słonecznego przechodzącego przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do promieniowania, znajdującą się w takiej odległości od Słońca, jak Ziemia, nazywa się stałą słoneczną (jej wartość to około 1362 W/m²). Część promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię jest absorbowana, a część odbijana w kosmos (Rysunek 3). Ułamek (stosunek) energii odbitej do przychodzącej to tzw. albedo planetarne.

Rysunek 3: Bilans radiacyjny powierzchni planety. Żółte strzałki – promieniowanie słoneczne padające na powierzchnię równa przekrojowi planety, częściowo pochłonięte i częściowo odbite przez planetę. Czerwone strzałki promieniowanie termiczne planety emitowane z całej jej powierzchni (zakładamy że planeta obraca się tak, że oświetlana jest jej cała powierzchnia).

W stabilnym stanie klimatu (czyli bez zmian temperatury) ilość energii zgromadzonej w ziemskim systemie klimatycznym jest stała, a więc Ziemia wypromieniowuje w kosmos tyle energii, ile pochłania. Jak wiele energii ze Słońca pochłania Ziemia? To prosty rachunek. Gdy oznaczymy promień Ziemi literą R zauważymy, że stanowi ona na drodze promieniowania słonecznego przeszkodę o powierzchni πR². Przy strumieniu energii słonecznej S, całkowita energia słoneczna docierająca do powierzchni wyniesie SπR², z czego przy albedo A planeta pochłonie:

A jak określić ilość energii wypromieniowywanej przez Ziemię? Jeśli planeta obraca się i w cyklu dobowym oświetlana jest cała jej powierzchnia, a dodatkowo cyrkulacje atmosferyczne i oceaniczne rozprowadzają ciepło po całym globie (to oczywiście przybliżenia), promieniowanie termiczne Ziemi emitowane jest z całej powierzchni kuli, która wynosi 4πR². Przyjmijmy, że Ziemia emituje jak ciało doskonale czarne (to nieco mylące określenie i dlatego warto sprawdzić co to w języku fizyki znaczy). Jest to niezłe przybliżenie w zakresie temperatur Ziemi, nawet śnieg w tym zakresie długości fal jest doskonale czarny! Zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna nasza planeta o temperaturze emisyjnej T_e wypromieniowuje w kosmos energię w ilości:

W stanie równowagi energia pochłanianego promieniowania słonecznego S równoważona jest emisją promieniowania termicznego E_P co daje:

skąd łatwo obliczyć że temperatura emisyjna planety wynosi:

Podstawiając wartość stałej słonecznej dla Ziemi S=1361±1 W/m² (±1W to górna granica fluktuacji stałej słonecznej w 11 letnim cyklu aktywności a także w dłuższych okresach czasu) oraz średnie albedo Ziemi A=0,3 dostaniemy T_e=254,62±0,05K. Innymi słowy, patrząc z Kosmosu widzimy naszą planetę jako chłodną (temperatura mniejsza niż -18°C). Tymczasem średnia temperatura na powierzchni Ziemi jest o ponad 33°C wyższa, niż obliczona przez nas temperatura efektywna. Skąd bierze się ta różnica? Odpowiada za nią otoczka gazowa, która oracza powierzchnię naszej planety: atmosfera ziemska.

Efekt cieplarniany

Żeby zrozumieć, jak silnie cienka warstwa powietrza nad naszymi głowami wpływa na warunki panujące na powierzchni Ziemi, wystarczy spojrzeć na Księżyc. Nasz satelita otrzymuje od Słońca średnio rzecz biorąc tyle samo energii co nasza planeta i niemal całą ją absorbuje (średnie albedo ok. 0,12), a pomimo to jest na nim zupełnie inaczej, głównie z powodu braku oceanów i atmosfery. Z powodu powolnej rotacji na powierzchni Księżyca występują ogromne różnice temperatur między dniem a nocą, ale tym się tu nie będziemy zajmować. System klimatyczny to nie tylko Słońce i, mimo że Słońce jest w praktyce jedynym źródłem energii w systemie klimatycznym, klimat zależy także od wielu innych czynników.

Dla klimatu, a także dla życia na Ziemi, bardzo ważną cechą atmosfery jest to, że jest ona niemal przezroczysta dla promieniowania krótkofalowego (słonecznego) i niemal nieprzezroczysta dla promieniowania termicznego (podczerwonego) w długościach fal wypromieniowywanych przez powierzchnię Ziemi.

Rysunek 4: Promieniowanie krótko- i długofalowe oraz jego transmisja przez atmosferę w rozbiciu na najważniejsze składniki atmosfery pochłaniające promieniowanie i efekty rozpraszania na gazach atmosferycznych (Źródło).

Za tę ostatnią cechę odpowiadają tzw. „gazy cieplarniane” (para wodna, CO₂, CH₄ i in.). Jest ich w atmosferze relatywnie niewiele, jednak efekt ich działania jest istotny. Pochłaniają one promieniowanie długofalowe, utrudniając wypromieniowanie energii w kosmos. Zjawisko to nazywa się „efektem cieplarnianym”, a opisał je, badając bilans energetyczny naszej planety i zdając sobie sprawę z istnienia promieniowania długofalowego francuski fizyk Joseph Fourier już w 1824 roku.

Model szyby

Najważniejsze cechy efektu cieplarnianego można zrozumieć, posługując się prostym modelem transferu radiacyjnego przez atmosferę, tzw. „modelem szyby” (Rysunek 5). Wyobraźmy sobie, że przykrywamy planetę szklaną szybą, która przepuszcza całe padające ze Słońca promieniowanie krótkofalowe, ale pochłania całe wypromieniowywane przez Ziemię promieniowanie długofalowe i symetrycznie wypromieniowuje je w górę i w dół.

Rysunek 5: Schematyczne przedstawienie efektu cieplarnianego za pomocą tzw. „modelu szyby”.

Z punktu widzenia obserwatora w kosmosie można zaobserwować dwa strumienie energii: promieniowania słonecznego, pochłanianego przez planetę (E₁) i promieniowania w podczerwieni emitowanego przez nią (E₂). W stanie równowagi wartość obydwu strumieni jest taka sama (E₁=E₂). „Szyba” emituje identyczne ilości promieniowania w górę i w dół (E₂=E₃). Widać ciekawą zależność E₁=E₂=E₃. Do powierzchni Ziemi dociera energia promieniowania słonecznego (E₁) oraz promieniowania termicznego atmosfery (E₃). Brak zmian temperatury powierzchni Ziemi oznacza, że wypromieniowywana energia E₄=E₁+E₃ = 2E₁.

Tak więc powierzchnia Ziemi będzie wypromieniowywać dwukrotnie więcej energii, niż wynosi dopływ energii słonecznej (co odpowiada też energii wypromieniowywanej w kosmos przez „szybę”).

Obserwator zewnętrzny w kosmosie widzi planetę wypromieniowującą energię z szyby o temperaturze T_E. Wypromieniowywana z 1 m² energia będzie wynosić (zgodnie z prawem Stefana-Boltzmana) E₂=σT_E⁴. Z kolei obserwator nad powierzchnią gruntu będzie widział, że grunt o temperaturze TG wypromieniowuje energię E⁴=σT_G⁴.

Ponieważ E₄=2E₂, więc T_G⁴ = 2T_E⁴, czyli

Gdyby atmosfera była jeszcze mniej przepuszczalna dla promieniowania długofalowego, można by ją modelować jako kilka szyb jedna nad drugą. Wtedy temperatura powierzchni wynosiłaby:

gdzie N to liczba szyb (to prosty rachunek, zachęcamy do zrobienia rysunku analogicznego do Rysunku 5 i sprawdzenia samemu dla dwóch szyb, pamiętając, żeby ilość energii uciekającej w kosmos z najwyższej szyby była równa ilości energii docierającej ze Słońca). Sytuację odpowiadającą wielu szybom mamy na Wenus, na której warstwa gazów cieplarnianych (głównie dwutlenku węgla) jest wyjątkowo gruba. Z kolei na Marsie „szyba” jest mniej nieprzeźroczysta niż na Ziemi. Ogólnie, na najbliższych nam planetach temperatury efektywne i temperatury powierzchni są w przybliżeniu następujące:

Ten przykład dobrze pokazuje, że temperatura na powierzchni planet zależy NIE TYLKO od dopływu energii od Słońca, ale też od albedo (zdolności odbijania przez planetę promieniowania słonecznego) i efektu cieplarnianego (własności „szyby”, czyli składu i struktury atmosfery). Zmiana każdego z tych elementów powoduje zmianę temperatury powierzchni planety.

Konsekwencje zmian w „przeźroczystości” szyb dla promieniowania termicznego są oczywiste: coraz mniej przeźroczyste szyby – coraz więcej gazów cieplarnianych – oznaczają wzrost temperatury powierzchni planety. I właśnie to zjawisko, zwane globalnym ociepleniem, obserwujemy na powierzchni Ziemi.

Przedstawiony tu model szyby pozwala łatwo zrozumieć podstawy działania efektu cieplarnianego, jest jednak tylko bardzo uproszczoną ilustracją zachodzących procesów. W rzeczywistości gazy cieplarniane nie tworzą cienkiej warstwy, lecz są rozproszone w atmosferze, nie wypromieniowują też energii jak ciało doskonale czarne, lecz pochłaniają i emitują jedynie fotony o określonych energiach, na różnych wysokościach panują różne temperatury, występuje transport energii przez konwekcję, ewapotranspirację itd.

Bliższy rzeczywistości (choć nie tak prosty pojęciowo i matematycznie) jest obraz uwzględniający te mechanizmy. Ponieważ obecne w atmosferze gazy cieplarniane blokują ucieczkę w kosmos wypromieniowywanej przez powierzchnię Ziemi energii, więc fotony o energiach odpowiadających długościom fal pochłanianych przez gazy cieplarniane są w stanie uciekać w kosmos dopiero z wyższych warstw atmosfery (od wysokości kilku kilometrów). Patrząc z kosmosu widzimy więc przede wszystkim fotony promieniowania podczerwonego pochodzące nie z powierzchni Ziemi, lecz z wyższych warstw atmosfery.

Jak na pewno pamiętacie ze szkoły, temperatura powietrza na Ziemi spada wraz z wysokością, zależnie od warunków atmosferycznych w tempie 0,6-1°C na 100 m. Temperatura na wysokości kilku kilometrów jest niższa niż na powierzchni Ziemi o około 30°C, odpowiadając temperaturze takiej, jaką miałaby powierzchnia naszej planety, gdyby nie było wokół niej atmosfery z gazami cieplarnianymi.

W rezultacie temperatura powierzchni jest wyższa o ponad 30°C względem sytuacji, w której wokół Ziemi nie byłoby atmosfery z gazami cieplarnianymi. Gdyby nie efekt cieplarniany, średnia temperatura na powierzchni Ziemi wynosiłaby minus kilkanaście stopni, a nasza planeta byłaby skuta lodem od biegunów aż po równik. Z drugiej strony, wzrost ilości gazów cieplarnianych w atmosferze prowadzi do spadku przezroczystości atmosfery, przez co promieniowanie podczerwone jest w stanie uciekać w kosmos z jeszcze większej wysokości, co (przy spadku temperatury o 0,6-1°C/100 m) przekłada się na wyższą temperaturę powierzchni.

Jeśli zainteresowała Cię ta tematyka, polecamy popularnonaukową książkę Davida Archera „Globalne ocieplenie – zrozumieć prognozę”.

Marcin Popkiewicz, dr Aleksandra Kardaś, prof. Szymon P. Malinowski