Efekt cieplarniany na Ziemi, Wenus i Marsie

W naszych artykułach czy wykładach wyjaśniamy zwykle działanie efektu cieplarnianego w bardzo prosty sposób – w terminach najbardziej podstawowych praw fizyki, stosując grube uproszczenia, tak by dało się podać główną zasadę w jednym-dwóch zdaniach. Warto jednak mieć świadomość, że dokładne opisanie niuansów kształtowania się bilansu energetycznego atmosfery wymaga uwzględnienia wielu efektów, które w takim najprostszym ujęciu po prostu się pomija. Użycie do obliczeń nazbyt prostego modelu może prowadzić do błędnych wniosków.

Rysunek 1: Koncentracje dwutlenku węgla na różnych wysokościach w atmosferze – fragment wizualizacji wyników modelowania transportu tego gazu w atmosferze za stroną NASA's Scientific Visualization Studio.

Efekt cieplarniany to zjawisko polegające na ograniczeniu ucieczki ciepła z powierzchni planety w kosmos przez jej atmosferę. Zwykle rozpatruje się je w kontekście atmosfery ziemskiej, która jest w dużej mierze przezroczysta dla promieniowania słonecznego i nieprzezroczysta dla promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię. Efekt cieplarniany występuje jednak również w atmosferach innych planet, zarówno w naszym Układzie Słonecznym, jak i tych krążących wokół odległych gwiazd. I choć u podstaw efektu cieplarnianego na różnych planetach leżą te same prawa fizyki, jego skutki zależą od lokalnych warunków: odległości danej planety od Słońca/gwiazdy, składu atmosfery i jej topografii. Poniżej pokrótce omówimy, jak działa efekt cieplarniany na najbardziej podobnych do Ziemi planetach: Wenus i Marsie.

Opis samego efektu cieplarnianego „krok po kroku” znajdziesz także w artykule Efekt cieplarniany - jak to działa.

Światło i materia

Na poziomie kwantowym, efekt cieplarniany polega na pochłanianiu promieniowania podczerwonego przez cząsteczki gazów cieplarnianych. W warunkach jakie występują w atmosferze ziemskiej, takimi gazami są głównie cząsteczki trój-(i więcej)atomowych gazów takich jak para wodna, dwutlenek węgla, metan czy ozon. Przy odpowiednio dużych ciśnieniach, z powodu zderzeń międzycząsteczkowych, nieprzezroczyste w podczerwieni stają się również gazy dwuatomowe, a gazy cieplarniane zaczynają z kolei pochłaniać także fale inne niż podczerwień.

Rysunek 2: Molekuły gazów cieplarnianych występujących w atmosferze ziemskiej.

Absorpcja fotonów oraz zderzenia z innymi cząsteczkami, podnoszą energię cząsteczek, dzięki czemu przechodzą one do stanu wzbudzonego. W typowych warunkach cząsteczka nie może w takim stanie pozostawać bardzo długo: zwykle utraci uzyskaną energię w zderzeniach z innymi cząsteczkami, albo – bardzo rzadko – wyemituje foton o długości fali odpowiadającej różnicy energii pomiędzy stanem wzbudzonym a podstawowym. W praktyce, nawet niewielka objętość powietrza zawiera ogromną liczbę cząsteczek gazów cieplarnianych, takich jak CO2, z których część zawsze jest w stanie wzbudzonym, zatem oprócz absorpcji zawsze obserwujemy emisję promieniowania o długościach fal charakterystycznych dla poszczególnych gazów1. A ponieważ rozkład energii cząsteczek zależy od temperatury, emisja promieniowania rośnie wraz ze wzrostem temperatury gazu.

Opisane zjawiska można zweryfikować eksperymentalnie w laboratorium, można obliczyć z równań transferu radiacyjnego, można też zaobserwować „w naturze”, mierząc widma emisyjne promieniowania atmosfery ziemskiej i innych planet. Widma Ziemi, Wenus i Marsa, uzyskane na podstawie obliczeń, pokazuje rysunek poniżej. Wspólną cechą widma tych trzech planet jest silna absorpcja w atmosferze promieniowania o długości fali około 15 mikrometrów, za którą odpowiedzialny jest dwutlenek węgla.

Rysunek 3: Obliczone na podstawie składu atmosfery widma emisyjne promieniowania Ziemi, Wenus i Marsa. Na osi pionowej natężenie promieniowania, podane jako liczba fotonów o określonych długościach fali, przechodzących przez jednostkę powierzchni w ciągu godziny). Linie przerywane przedstawiają widma promieniowania ciał doskonale czarnych o oznaczonych na rysunku temperaturach efektywnych (Teff)). Źródło: Kaltenegger (2017).

Różne planety, różna odległość od Słońca

Głównym źródłem energii napędzającej planetarny system klimatyczny jest Słońce. Uśredniając w dłuższych okresach, ilość tej energii zależy od jasności Słońca i odległości planety od niego. W przypadku Ziemi odległość ta wynosi około 150 milionów kilometrów, czyli 1 jednostkę astronomiczną. Orbita Wenus znajduje się bliżej (0,72 j.a.), a Marsa dalej od Słońca (1,52 j.a.). Dodatkowo, tylko część promieniowania słonecznego jest przez planety pochłaniana: ziemska atmosfera i powierzchnia odbija około 30%, atmosfera Wenus – a dokładniej pokrywa złożonych z kropelek kwasu siarkowego chmur wysokich – około 76%, a Mars tylko 25% promieniowania.

Znając oba czynniki można obliczyć tak zwaną temperaturę efektywną, to znaczy temperaturę ciała doskonale czarnego, które pochłaniałoby (i emitowałoby) tyle samo energii, co dana planeta. Zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna strumień energii emitowanej przez jednostkową powierzchnię ciała doskonale czarnego jest proporcjonalny do czwartej potęgi jego temperatury (σT⁴), zatem ta temperatura, dla wartości wynikających z odległości od Słońca i wartości albedo, wynosi 255, 210 i 229 kelwinów dla Ziemi, Marsa i Wenus, odpowiednio.

Pamiętajmy o albedo!

Choć często przedstawia się temperaturę efektywną jako temperaturę, która panowałaby na planecie „bez efektu cieplarnianego”, taka interpretacja wymagałaby przyjęcia dodatkowych założeń. Temperatura efektywna zależy od albedo planety, które z kolei jest konsekwencją istnienia atmosfery z efektem cieplarnianym. Przykładowo, gdyby usunąć z ziemskiej atmosfery dwutlenek węgla (co tylko w niewielkim stopniu zmieniłoby absorpcję promieniowania słonecznego, ale znacząco osłabiłoby efekt cieplarniany), zainicjowane tym ochłodzenie spowodowałoby kondensację pary wodnej, i przyrost lądolodów prowadzący do globalnego zlodowacenia (Lacis i in., 2010). Choć w zimnej i suchej atmosferze pokrywa chmur była by mniejsza niż obecnie, zostałoby to z nawiązką skompensowane wysokim albedo lodowej powierzchni i w konsekwencji temperatura Ziemi byłaby niższa niż 255 kelwinów. Druga kwestia jest trochę bardziej subtelna: ponieważ emisja promieniowania definiowana przez prawo Stefana-Boltzmanna zależy od czwartej potęgi temperatury, w sytuacji gdy planeta zawiera obszary cieplejsze i chłodniejsze, temperatura efektywna obliczona na podstawie emisji promieniowania z powierzchni zwykle jest wyższa od rzeczywistej średniej temperatury powierzchni (Haberle 2013).

Rysunek 4: Albedo i albedo: obraz satelitarny w kolorach realistycznych z okolic Labradoru, 18.02.2018. Od lewej widzimy chmury nad lądem, pokrywę śnieżną na lądzie, lód morski, odkrytą wodę (ciemny kolor), chmury. Większość tych obiektów ma duże albedo, a więc odbija dużo promieniowania słonecznego i na zdjęciu przybiera kolor biały lub zbliżony. Wizualizację przygotowaną przez Jeffa Schmaltza (NASA) i Mike’a Carlowicza (LANCE/EOSDIS Rapid Response) zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA.

Różne planety – różne bilanse energii

Jak wspomnieliśmy wcześniej, efekt cieplarniany polega na ograniczeniu ucieczki ciepła z powierzchni planety, co oznacza, że część promieniowania jest pochłaniana przez gazy cieplarniane znajdujące się w atmosferze, a strumień promieniowania emitowanego z powierzchni planety jest większy niż wynosi całościowa emisja (zarówno z powierzchni, jak i atmosfery) w kosmos. Oznacza to też, że powierzchnia planety jest ogrzewana zarówno przez promieniowanie słoneczne, jak i promieniowanie podczerwone emitowane przez gazy cieplarniane znajdujące się w dolnych warstwach atmosfery. Jak kształtuje się uśredniony bilans promieniowania na Ziemi, Wenus i Marsie pokazują diagramy poniżej:

Rysunek 5: Diagram uśrednionego bilansu energetycznego atmosfery ziemskiej na podstawie pomiarów satelitarnych i obliczeń z użyciem modeli numerycznych. Kolorem niebieskim oznaczono promieniowanie krótkofalowe pochodzące od Słońca, czerwonym – promieniowanie długofalowe ziemi i atmosfery. Pomarańczowa strzałka oznacza strumień energii przekazywanej na drodze konwekcji (unoszenia ciepłego powietrza) a zielony – na drodze ciepła utajonego. Źródło: Read i in. (2015).

Powierzchnia Ziemi absorbuje średnio 161 W/m2 promieniowania słonecznego oraz 342 W/m2 promieniowania emitowanego przez atmosferę, sama zaś emituje 398 W/m2 w podczerwieni, z czego tylko 20 W/m2 ucieka bezpośrednio w kosmos (poprzez tzw. „okno atmosferyczne”, czyli w zakresie długości fal, który nie jest pochłaniany przez gazy cieplarniane), reszta zaś jest pochłaniana przez gazy cieplarniane.

Na Wenus, bilans energetyczny powierzchni planety jest zdominowany przez podczerwień emitowaną przez dolne warstwy atmosfery: powierzchnia absorbuje tylko 22 W/m2 promieniowania słonecznego i aż 17132 W/m2 promieniowania z atmosfery.

Rysunek 6: Diagram uśrednionego bilansu energetycznego atmosfery Wenus na podstawie obliczeń z użyciem modeli numerycznych. Kolorem niebieskim oznaczono promieniowanie krótkofalowe pochodzące od Słońca, czerwonym – promieniowanie długofalowe powierzchni i atmosfery. Pomarańczowa strzałka oznacza strumień energii przekazywanej na drodze konwekcji i promieniowania podczerwonego z dolnej atmosfery. Źródło: Read i in. (2015).

Na Marsie większość promieniowania absorbowanego przez powierzchnię to promieniowanie słoneczne (95 W/m2). Atmosfera dostarcza tylko 29 W/m2 i jednocześnie pochłania 33 W/m2 ze 123 W/m2 emitowanej przez powierzchnię podczerwieni.

Rysunek 7: Diagram uśrednionego bilansu energetycznego atmosfery Marsa na podstawie bazy danych ESA Mars Climate Database. Kolorem niebieskim oznaczono promieniowanie krótkofalowe pochodzące od Słońca, czerwonym – promieniowanie długofalowe powierzchni i atmosfery. Źródło: Read i in. (2015).

Choć na każdej z tych planet występuje efekt cieplarniany, manifestuje się on z różnym natężeniem. Przyjrzymy się więc różnicom pomiędzy warunkami panującymi na Ziemi, Marsie, i Wenus.

Pierwszą z nich jest gęstość atmosfery. Nawet jeśli gazy cieplarniane występują w atmosferze ziemskiej w śladowych ilościach, gazy nie-cieplarniane, takie jak azot i tlen, również wpływają na siłę efektu cieplarnianego. Wszystko dzięki temu, że pomiędzy cząsteczkami gazów dochodzi do zderzeń. Cząsteczka gazu cieplarnianego może pochłonąć falę o energii innej niż potrzebna do przejścia do stanu wzbudzonego, jeśli może natychmiast oddać jej część innej cząsteczce (dowolnego gazu), z którą się zderzy. Skutkuje to poszerzeniem zakresu długości fal, które mogą być pochłaniane. W rzadkiej atmosferze do takich zderzeń dochodzi z mniejszą częstością a zakresy długości pochłanianych fal są wąskie. Z tego też powodu dwutlenek węgla w atmosferze Marsa nie jest tak efektywnym gazem cieplarnianym, jak w atmosferze Ziemi. Z drugiej strony, wysoka gęstość i temperatura atmosfery Wenus powodują znaczące poszerzenie zakresu fal pochłanianych przez atmosferę (w szczególności dwutlenek węgla pochłania tu niemal wszystkie fale z zakresu podczerwieni) (Lee i in., 2016).

Obliczenia przepływu promieniowania przez atmosfery tak bardzo różniących się planet muszą zatem uwzględniać nie tylko skład atmosfery, ale też profil temperatury i ciśnienia na całej jej głębokości. Muszą też uwzględniać obecność innych gazów cieplarnianych, oraz wodnych, pyłowych i siarczanych chmur tworzących się w atmosferach Ziemi, Marsa i Wenus, odpowiednio.

Drugą powiązaną kwestią jest głębokość troposfery2. Jak zauważono już 60 lat temu (Manabe i Wetherland, 1966), do opisania struktury termicznej planety nie wystarczają same prawa transferu radiacyjnego. W miarę jak przesuwamy się z kosmosu ku powierzchni, w kierunku coraz gęstszych warstw powietrza, efekt cieplarniany rośnie, i jest coraz lepszą barierą dla ucieczki promieniowania, powodując coraz wyższe temperatury głębszych warstw atmosfery. Jednak w realistycznych warunkach – to znaczy na planetach, na których obowiązują prawa ciążenia – tempo zmiany temperatury z wysokością nie może przekroczyć tzw. gradientu suchoadiabatycznego, a często i wilgotnoadiabatycznego (jeśli w atmosferze występują kondensaty, takie jak para wodna), co w najniższej warstwie atmosfery – troposferze – ogranicza wzrost temperatury wynikający z efektu cieplarnianego. W przypadku Wenus ograniczenie to dotyczy najniższych aż 65 kilometrów atmosfery; podobnie sytuacja wygląda na innych planetach z gęstą atmosferą, których troposfera rozciąga się do poziomu ciśnienia około 0,1 bara.

Rysunek 8: Temperatura w atmosferach planet i księżyców w układzie słonecznym mających „gęstą atmosferę”. Najwyższe ciśnienia występują przy powierzchni planet, im wyżej tym są mniejsze. Wykres pokazuje więc de facto profile temperatury w atmosferach. Źródło: Robinson i Catling (2014).

A co, jeśli weźmiemy nazbyt prosty model?

Zapominając albo ignorując opisane wyżej czynniki łatwo można dojść do niepoprawnych wniosków. Dobrym tego przykładem może być pseudonaukowa publicystyka M. Adamczyka z „Najwyższego Czasu”, przedrukowana też w książce „Mity globalnego ocieplenia”. W oparciu o przedstawione tam obliczenia autor doszedł do wniosku, że udział dwutlenku węgla w efekcie cieplarnianym na Ziemi jest „zupełnie pomijalny”, a „nawet podwojenie ilości CO2 w ziemskiej atmosferze zwiększyłoby średnią temperaturę o... 0,03°C”, co oczywiście stoi w sprzeczności z ustaleniami nauki – spektroskopii, fizyki atmosfery, klimatologii fizycznej, planetologii – z ostatnich kilkudziesięciu lat (w rzeczywistości efekt ten to ok. 1°C, zanim uruchomią się sprzężenia zwrotne, a po uwzględnieniu ich ok. 3°C).

Głównym argumentem Adamczyka jest prosty model atmosfery, w którym podzielono ją na izotermiczne warstwy, grubość optyczna każdej warstwy jest wprost proporcjonalna do ilości dwutlenku węgla, a każda warstwa zachowuje się jak ciało doskonale czarne. W modelu tym temperatura każdej warstwy atmosfery oraz powierzchni planety zależy tylko od temperatury efektywnej i liczby warstw atmosfery. Znając temperaturę efektywną Wenus, oraz temperaturę jej powierzchni, Adamczyk obliczył, że w atmosferze znajduje się 106 doskonale czarnych warstw, co odpowiada ciśnieniu ~100 barów dwutlenku węgla, zatem jedna warstwa odpowiada ilości dwutlenku węgla wywierającej ciśnienie 1 bara. Na Ziemi dwutlenku węgla jest znacznie mniej, z czego Adamczyk wyciągnął wniosek, że związany z nim efekt cieplarniany jest „zupełnie pomijalny”.

Użyty przez Adamczyka prosty model nie uwzględnia żadnego z czynników opisanych w głównej części naszego artykułu, można więc podejrzewać, że wynikające z niego wnioski są konsekwencją uproszczeń modelu i błędnych założeń autora. Że tak jest w istocie, można się przekonać porównując przewidywania tego modelu z rzeczywistością dla samej Wenus. Ponieważ autor dopasował go do temperatury powierzchni, i ponieważ sam model radiacyjny przewiduje gradienty temperatury wyższe niż adiabatyczny, można spodziewać się, że będzie on zaniżał temperaturę troposfery. Tak się rzeczywiście dzieje: przykładowo, dla atmosfery na wysokości 12 km nad powierzchnią planety, gdzie ciśnienie wynosi 41 barów (45% ciśnienia panującego na powierzchni, zatem n=47) model Adamczyka przewiduje temperaturę 603 kelwinów, przy obserwowanej 643 K (Mackwell i in. 2013). Dla ciśnienia 7,94 barów (n=9,15) różnica wynosi już 80 kelwinów (przewidywane 400 K i obserwowane 480 K), dla ciśnienia 1,38 bara (n=1,59) model Adamczyka przewiduje temperaturę bliską efektywnej (258 K), a rzeczywista jest ponad sto stopni wyższa (366 K).

Widać więc, że użyty przez niego model jest bezwartościowy jeśli chodzi o opisanie zależności temperatury od ilości dwutlenku węgla w atmosferze w tak szerokim zakresie stężeń, a wyciągnięte przez autora wnioski są nieuprawnione.

Doskonale Szare, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

----------------------------------

1 Przy ciśnieniu panującym na poziomie morza metr sześcienny powietrza zawiera około 2,5x1025 cząsteczek, z czego 0,04% (1022) to cząsteczki dwutlenku węgla. W takich warunkach foton promieniowania podczerwonego o długości fali 15 mikrometrów może pokonać średnio tylko 10 metrów, zanim zostanie pochłonięty przez cząsteczkę CO₂.

2 Troposfera to najniższa warstwa atmosfery, charakteryzująca się spadkiem temperatury wraz z wysokością, tzn. im dalej jesteśmy od powierzchni, tym jest zimniej. Troposfera kończy się na poziomie, na którym temperatura się stabilizuje lub zaczyna rosnąć.

Opublikowano: 2020-02-04 13:02
Tagi

efekt cieplarniany

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