Globalne ocieplenie: wersja dla niewtajemniczonych

W medialnych dyskusjach słyszymy często opinie o tym, że klimat jest bardzo skomplikowany, a więc nie jesteśmy w stanie zrozumieć jak działa, i co więcej, nie jesteśmy w stanie udowodnić, co jest przyczyną globalnego ocieplenia. Tymczasem podstawy są naprawdę proste.

Mapa przedstawiająca koncentracje CO2 w atmosferze, na półkuli północnej wartości wyraźnie wyższe niż na południowej, jednak różnica to zaledwie kilka procent.

Zawartość tlenku i dwutlenku węgla (Carbon Monoxide, Carbon Dioxide) w atmosferze 27.04.2006 na postawie wyników numerycnzego modelowania rozprzestrzeniania się tego gazu z obszarów źródłowych. Źródło: NASA's Goddard Space Flight Center (domena publiczna). Kliknij w obrazek, żeby powiększyć.

Efekt cieplarniany

Naszą opowieść zaczniemy od efektu cieplarnianego, czyli zjawiska podniesienia temperatury powierzchni planety ze względu na obecność w jej atmosferze gazów cieplarnianych. Średnia temperatura powierzchni Ziemi to ok. 14°C. Gdyby nie efekt cieplarniany, wynosiłaby ok. –20°C, a Ziemia byłaby skuta lodem aż po równik (to proste oszacowanie nie uwzględnienia efektu albedo lodu, czyli skuteczniejszego odbijania promieniowania słonecznego przez lód; gdyby to uwzględnić okazałoby się że rzeczywisty spadek temperatury byłby jeszcze większy).

Obecność gazów cieplarnianych w atmosferze podnosi średnią temperaturę powierzchni Ziemi o około 33°C w stosunku do sytuacji gdyby tych gazów nie było!

Efekt cieplarniany to zjawisko znane od dawna. Na początku XIX wieku, słynny brytyjski astronom William Herschel, prowadził obserwacje Słońca, posługując się różnego rodzaju filtrami. Zauważył, że filtr czerwony nagrzewa się bardziej niż inne. Zaintrygowany postanowił sprawdzić, jakie temperatury pokaże termometr umieszczany w świetle o różnych barwach. Do rozszczepienia światła słonecznego użył pryzmatu i ku swojemu zaskoczeniu odkrył, że termometr pokazuje podwyższoną temperaturę nie tylko wtedy, gdy pada nań światło widzialne, lecz także wtedy, gdy umieści się go na zewnątrz obszaru światła widzialnego po stronie czerwieni. To doprowadziło go do wniosku, że oprócz widzialnego promieniowania słonecznego istnieje także niewidzialne – później nazwane podczerwonym.

Grafika przedstawiająca kryształowy pryzmat rozszczepiający światło, widoczna tęczowa plama a za kolorem czerwonym napisy „bliska podczerwień, daleka podczerwień.

Rysunek 1: Wiązka białego światła po przejściu przez pryzmat zostaje rozszczepiona na wiązki różnokolorowe. Obok wiązki czerwonej znajduje się jeszcze wiązka podczerwona, której nasze oczy nie widzą. Z drugiej strony widma, za kolorem fioletowym znajdziemy promieniowanie nadfioletowe. Źródło Wikipedia (z dodanymi napisami).

Promieniowanie podczerwone, sąsiadujące z czerwonym światłem widzialnym, nazywamy „bliską podczerwienią”, a to bardziej od niego odległe pod względem długości fali (lub ‘koloru’, o ile można tak powiedzieć odnośnie promieniowania, którego nie rejestrują nasze oczy) – „daleką podczerwienią” (patrz opis na rysunku 1).

20 lat po tym, jak Herschel odkrył, że ciepło jest przenoszone przez promieniowanie, francuski fizyk i matematyk, Józef Baptysta Fourier, przeprowadził pierwszą analizę bilansu energetycznego naszej planety. Obliczył, że temperatura powierzchni Ziemi jest wyższa, niż wynikałoby to bezpośrednio z dopływu energii słonecznej. Poszukując źródła tego efektu, sugerował że może być zań odpowiedzialne niewidzialne promieniowanie termiczne („chaleur obscure”) i że atmosfera ma własności izolacyjne, utrudniające ucieczkę ciepła w przestrzeń kosmiczną (to zjawisko nazywamy dziś „efektem cieplarnianym”).

Później przeprowadzono badania, w których zidentyfikowano gazy odpowiedzialne za to zjawisko (gazy cieplarnianiane). Nasza wiedza o mechanizmach kształtujących klimat planety była coraz większa.

Więcej na temat historii badań klimatu przeczytasz np. w cyklu Historia naukowa fizyki klimatu.

Bilans energetyczny domu

Aby zrozumieć, jak gazy cieplarniane wpływają na bilans energetyczny Ziemi, rozważmy prosty przykład: ogrzewanie domu w chłodny dzień. Dom traci ciepło przez ściany (oraz dach, okna itd.), aby więc panowała w nim miła dla mieszkańców temperatura, należy dostarczać do niego energię, na przykład z ciepłowni do węzła cieplnego w piwnicy lub kablem do grzejnika elektrycznego.

Aby temperatura w domu była stała, system ogrzewania w domu musi dostarczać tyle samo energii, ile ucieka na zewnątrz (powiedzmy dla przykładu, że jest to 1 kW).

Schemat pokazujący dom przed ociepleniem i po ociepleniu.

Rysunek 2. Dom przed ociepleniem (z lewej strony) zyskuje energię w tempie 1kW, traci również w tempie 1 kW, a więc zebrana w domu energia termiczna się nie zmienia (co przekłada się na stałą temperaturę, w naszym przykładzie 10°C). Szkic po prawej stronie przedstawia sytuację tuż po błyskawicznie przeprowadzonym dociepleniu domu. Tempo straty energii spada do 0,5kW. Wewnątrz domu stopniowo gromadzi się coraz więcej energii i wzrasta temperatura.

Dla dociekliwych: Oczywiście w praktyce sytuacja jest trochę bardziej złożona. Nawet przy ustalonym dopływie energii do domu, temperatury w różnych pokojach nie będą identyczne. Wiele zależy od tego, jak rozprowadzimy gorącą wodę po mieszkaniu, jak rozmieściliśmy grzejniki, jaka jest powierzchnia ścian zewnętrznych w konkretnych pomieszczeniach, czy w piwnicy mamy duży zbiornik, w którym gromadzimy ciepłą wodę. Ostatecznie można jednak przyjąć, że przy stałych warunkach, gdy powstrzymamy się od kręcenia zaworami (fizycy mówią „w stanie stacjonarnym”), po pewnym czasie ustali się rozkład przepływów ciepła i rozkład temperatur we wnętrzu.

Teraz wyobraźmy sobie, że dom pokrywamy błyskawicznie izolacją (przyszedł czarodziej, rzucił zaklęcie i dom został natychmiast ocieplony). Izolacja utrudnia ucieczkę ciepła (powiedzmy, że jej tempo spada z 1 kW do 0,5 kW). Jeśli do budynku będziemy dostarczać tyle samo ciepła co wcześniej (1 kW), to w budynku będzie kumulować się ciepło (ściślej – energia wewnętrzna) – będzie więc rosła temperatura. Stopniowo, w miarę wzrostu temperatury, między wnętrzem budynku a otoczeniem, będzie rosła różnica temperatur, co spowoduje wzrost tempa ucieczki ciepła na zewnątrz, aż w końcu osiągnie ono znów wartość 1 kW – tyle, że już przy cieplejszym wnętrzu budynku.

Schemat pokazujący domy nieocieplony i ocieplony, oba w równowadze termicznej. Temperatura w domu ocieplonym jest o 10 stopni wyższa.

Rysunek 3. Nieocieplony dom z lewej jak na rys. 1. Z prawej strony dobrze ocieplony dom w stanie równowagi termicznej – tempo ucieczki ciepła jest takie jak dostarczania (1kW) – tyle, że przy wyższej różnicy temperatur (u nas 20°C).

Grzejnik mamy ten sam – wciąż dostarcza 1 kW ciepła (rachunki pozostają więc niezmienione), ale komfort termiczny w budynku zmienił się wyraźnie: inaczej mieszka się w domu o temperaturze 20°C niż w domu o temperaturze 10°C.

Utrudnienie ucieczki ciepła, przy tym samym grzejniku, spowodowało wzrost temperatury w domu.

Dla dociekliwych: Inaczej będzie, gdy temperatura w domu wzrośnie wskutek zwiększonej dostawy ciepła z systemu grzewczego. Będzie można to stwierdzić zarówno na wlocie (np. mierząc zużycie prądu przez grzejnik elektryczny) jak i na wylocie – mierząc ile ciepła ucieka przez ściany, a nawet mierząc samą temperaturę zewnętrznej powierzchni ścian: będzie ona większa, niż przed wzrostem dostawy ciepła. W ten sposób nie znając nawet szczegółów budowy budynku i instalacji można łatwo poznać, czy ociepla się w środku z powodu zmian w dostawie ciepła z ciepłowni, czy wskutek zmiany izolacji. Można też, mierząc jedynie zmiany dostawy i ucieczki ciepła (nawet nie znając wielkości dostawy i ucieczki a jedynie ich zmiany!!!) stwierdzić, że wewnątrz budynku zmienia się temperatura i co jest jej przyczyną: czy zmiana w dostawie, czy zmiana w izolacji.

Po zapoznaniu się z przykładem pogrubienia izolacji domu nie powinniście mieć trudności z odpowiedzią na pytanie: dlaczego, gdy przykrywamy się kocem, robi nam się cieplej – przecież to tylko kawałek tkaniny, nie wydzielający żadnego ciepła?

Człowiek w spoczynku wydziela ok. 100 W ciepła (pracują serce, mózg i inne organy wewnętrzne). Nasze ciało stara się utrzymywać stałą temperaturę (jesteśmy zwierzętami stałocieplnymi). Gdy na zewnątrz jest zimno, jest to dla nas nieprzyjemne, a także niezdrowe lub w skrajnych przypadkach wręcz niebezpieczne. Przykrywając się kocem utrudniamy ucieczkę ciepła, podobnie jak w dobrze zaizolowanym domu – w rezultacie tracimy mniej energii niż wydzielamy, temperatura pod kocem więc wzrasta.

Nasz dom Ziemia

Czemu tak dokładnie opisaliśmy kwestie bilansu energetycznego i wpływu izolacji? Ponieważ ziemski system klimatyczny zachowuje się bardzo podobnie. „Grzejnikiem” (dostarczycielem energii) jest oczywiście Słońce (dostawa ciepła od Słońca uśredniona w cyklu rocznym jest niemal stała, zmienność to ok. 0,1% w cyklach słonecznych o krótszym i dłuższym okresie); a nasz dom – Ziemia – w stabilnym stanie klimatycznym emituje w przestrzeń kosmiczną tyle samo energii co pochłania od Słońca.

Słońce jest gwiazdą, której powierzchnia jest rozgrzana do temperatury ponad 5000 stopni. Ciało o takiej temperaturze świeci (emituje energię) głównie w świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni. Powierzchnia Ziemi jest dużo chłodniejsza i wypromieniowuje (emituje energię) w postaci fal elektromagnetycznych o dużo niższej energii, w zakresie dalekiej podczerwieni. To, jak promieniują ciała o takiej temperaturze, możemy stwierdzić, na przykład kierując na budynek czy człowieka kamerę rejestrującą promieniowanie podczerwone.

 Zdjęcie ulicy wykonane kamerą termowizyjną. Najgorętsze są samochody, średnio ciepłe – jezdnia i drzewa, chłodne niebo.

Rysunek 4. Obraz ulicy w dalekiej podczerwieni. Po prawej stronie widoczna jest skala temperatury w stopniach Celsjusza.

Ta sama scena sfotografowana w świetle widzialnym i podczerwonym. W świetle widzialnym widzimy człowieka z czarnym workiem na ręku, w podczerwieni worek znika  widzimy rękę

Rysunek 5. Osoba z ręką w foliowej torbie – po lewej obraz w świetle widzialnym, po prawej w podczerwieni. Na obrazie w świetle widzialnym ręka jest niewidoczna; jednak wyemitowane przez rękę promieniowanie podczerwone przechodzi przez folię i jest widoczne na obrazie wykonanym za pomocą kamery termowizyjnej.

Jak widzimy na Rysunku 5, różne materiały mogą pochłaniać promieniowanie o różnych długościach fali. Na przykład znajdujące się w okularach szkło przepuszcza większość promieniowania widzialnego, pochłania zaś promieniowanie w dalekiej podczerwieni – z tego powodu okulary na zdjęciu z kamery termowizyjnej są ciemne. Szyby nie bez powodu robimy ze szkła – przepuszczając światło widzialne wpuszczają do budynku światło, pozwalają też widzieć, co jest na zewnątrz; pochłaniając zaś promieniowanie w dalekiej podczerwieni utrudniają ucieczkę ciepła i wychładzanie się pomieszczeń.

Gazy cieplarniane, czyli ziemska „izolacja”

Nasza planeta jest „przykryta” warstwą atmosfery, w której obecne są gazy cieplarniane. Obrazowo mówiąc, to takie gazy, które zachowują się jak szkło – przepuszczają promieniowanie emitowane przez Słońce (widzialne i w bliskiej podczerwieni), pochłaniają zaś promieniowanie emitowane z powierzchni naszej planety (w dalekiej podczerwieni). Zwiększanie ich zawartości w atmosferze nie zmienia ilości docierającego do powierzchni Ziemi promieniowania słonecznego, utrudnia za to ucieczkę w kosmos promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię naszej planety.

Schemat wymiany energii między Ziemią i przestrzenią kosmiczną. Słońce wysyła energię do Ziemi (promienie światła), Ziemia promieniuje w kosmos we wszystkie strony (podczerwień).

Rysunek 6. Analogia efektu cieplarnianego z domem z dwóch poprzednich rysunków. Słońce jako grzejnik dostarcza energii (w świetle widzialnym). Pochłonięta przez Ziemię energia jest wypromieniowywana (w dalekiej podczerwieni). Gazy cieplarniane w atmosferze (które nie pochłaniały światła widzialnego), pochłaniają daleką podczerwień, działając jak izolacja. Zwiększając ich zawartość w atmosferze powodujemy „pogrubienie izolacji”, a powierzchnia Ziemi („wnętrze” naszego domu), żeby osiągnąć równowagę pomiędzy tempem pochłaniania energii promieniowania słonecznego ze Słońca a tempem wypromieniowywania energii, ogrzewa się.

Zanim na Ziemi pojawili się ludzie, a potem nasza planeta miała atmosferę z gazami cieplarnianymi – obrazowo mówiąc, nasz dom miał już swoją izolację. Dzięki temu naturalnemu efektowi cieplarnianemu średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosiła ok. 14°C, a nie ok. -20°C, jak by było bez niego.

To, co dzieje się aktualnie z ziemskim systemem klimatycznym jest bliską analogią tego, co stało się w przypadkach ocieplenia domu lub przykrycia się kocem. Nasze emisje gazów cieplarnianych i postępujący za nimi wzrost ich zawartości w atmosferze odpowiadają ciągłemu, coraz szybszemu pokrywaniu domu kolejnymi warstwami izolacji lub przykrywania się kolejnymi kocami. W rezultacie na powierzchni Ziemi robi się coraz cieplej.

Ponieważ izolacyjność ścian stale rośnie (stężenie głównych gazów cieplarnianych jest coraz wyższe), nasz dom – powierzchnia Ziemi – nie jest w stanie równowagi. I do tego oddala od tego stanu, bo tempo procesu „pogrubiania izolacji” narasta. I potrafimy to zmierzyć. Bilans energii jest dodatni. Średnio rzecz biorąc, z metra kwadratowego planety ucieka w kosmos ok. 0,6 W (Wata) mniej energii niż otrzymuje on od Słońca.

Nie trzeba być fizykiem atmosfery, żeby zrozumieć, jak działa globalne ocieplenie. Nie trzeba skomplikowanych badań ani tysięcy pomiarów. Żeby zrozumieć globalne ocieplenie, wystarczy codzienne doświadczenie i proste zrozumienie otaczającego nas świata. Już niemal 200 lat temu Józef Fourier potrafił nie tylko prosto zanalizować, że stanowiąca „izolację” naszej planety atmosfera ma olbrzymie znaczenie dla temperatury na jej powierzchni, ale i oszacować ten wpływ. Zwiększając „izolacyjność” atmosfery powodujemy, że na powierzchni Ziemi robi się cieplej.

Opisaliśmy tu podstawy zjawiska, w wyniku którego temperatura powierzchni Ziemi jest wyższa, niż byłaby bez atmosfery z gazami cieplarnianymi. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o efekcie cieplarnianym, polecamy artykuł Efekt cieplarniany – jak to działa oraz bardziej zaawansowany cykl artykułów Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych.

Marcin Popkiewicz, konstultacja merytoryczna: prof Szymon P. Malinowski

Opublikowano: 2014-08-20 09:44, aktualizacja: 2020-10-20 09:44
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.