STANOWISKO NAUKI

Mamy wiele empirycznych dowodów pokazujących nasilenie efektu cieplarnianego wskutek wzrostu koncentracji CO2 w atmosferze.

Satelitarne pomiary promieniowania podczerwonego emitowanego przez Ziemię wskazują, że w ciągu ostatnich 40 lat spada strumień energii emitowanej w kosmos w tym przedziale widmowym. Jednocześnie pomiary na powierzchni Ziemi wykazują rosnący strumień energii promieniowania podczerwonego, ogrzewającego tę powierzchnię. To bezpośrednie dowody na to, że wzrost koncentracji CO2 w atmosferze skutkuje globalnym ociepleniem.

MIT

Dwutlenek węgla ma mały wkład w efekt cieplarniany i wzrost jego koncentracji nie przekłada się na ocieplenie klimatu.

UWAGA: Ten artykuł został opublikowany w roku 2014 i nie był aktualizowany. W niektórych przypadkach mogą być dostępne nowsze dane liczbowe.

O tym, jak dwutlenek węgla pochłaniania i emituje promieniowanie podczerwone, wiemy już od ponad stu pięćdziesięciu lat. Pierwszym, który zmierzył te własności w warunkach laboratoryjnych był John Tyndall, który w 1861 roku opublikował podstawową pracę na ten temat. Zjawisko badano dokładnie w licznych eksperymentach, zajmowali się tym między innymi Herzberg 1953, Burch 1962, Burch 1970, etc. Liczne doświadczenia w tym zakresie prowadzono w czasie Zimnej Wojny w laboratorium Sił Powietrznych w USA (motywowane m.in. budową rakiet, samonaprowadzających się na źródła emisji podczerwieni). Na podstawie tych badań powstała dostępna dziś dla wszystkich, zarządzana przez Uniwersytet Harvarda, baza danych HITRAN, zawierająca informacje o własnościach radiacyjnych gazów atmosferycznych, wykorzystywana przez inżynierów, fizyków i astronomów. Istnieje nawet specjalne czasopismo naukowe Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, publikujące najnowsze wyniki szczegółowych badań w tym obszarze.

Efekt cieplarniany wiąże się z tym, że atmosfera, w tym gazy cieplarniane, jest przeźroczysta dla promieniowania słonecznego (zwanego w języku fizyków promieniowaniem krótkofalowym). Dzięki temu dociera ono do powierzchni Ziemi i jest przez nią absorbowane. Pochłaniana energia promieniowania krótkofalowego powoduje ogrzanie powierzchni, dzięki czemu rośnie jej temperatura a w rezultacie także emisja (z tej powierzchni w górę) promieniowania podczerwonego (zwanego przez geofizyków długofalowym). Promieniowanie to jest absorbowane selektywnie (w pewnych obszarach długości fal) przez obecne w powietrzu gazy cieplarniane, dzięki czemu z kolei ogrzewa się atmosfera. Cieplejsza atmosfera sama emituje promieniowanie długofalowe (podczerwone) – częściowo w kosmos, a częściowo w stronę Ziemi. W efekcie do powierzchni Ziemi dociera dodatkowe promieniowanie podczerwone, które jest przez nią pochłaniane, co dalej podnosi jej temperaturę. Właśnie to nazywamy efektem cieplarnianym.

Wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze powoduje silniejsze pochłanianie podczerwieni emitowanej z powierzchni Ziemi w długościach fal, które gaz ten absorbuje, a w efekcie spadek ilości tego promieniowania uciekającego w przestrzeń kosmiczną. Jednocześnie ogrzanie dolnych warstw atmosfery powoduje wzrost strumienia promieniowania podczerwonego emitowanego w kierunku Ziemi.

Zasada działania efektu cieplarnianego
Rysunek 1: Zasada działania efektu cieplarnianego: promieniowanie słoneczne przechodzi przez atmosferę i jest absorbowane przez powierzchnię Ziemi. Powierzchnia Ziemi wypromieniowuje zgromadzoną energię pod postacią promieniowania podczerwonego. Promieniowanie podczerwone Ziemi jest absorbowane przez gazy cieplarniane, które emitują je we wszystkich kierunkach (także z powrotem w stronę Ziemi).

Satelitarne pomiary uciekającego w kosmos promieniowania długofalowego

W roku 1970 NASA umieściła na orbicie okołoziemskiej satelitę IRIS, który mierzył promieniowanie podczerwone w zakresie długości fali 6,25-25 mikronów co odpowiada tzw. liczbom falowym 400-1600 cm-1. 26 lat później podobny przyrząd wysłała w przestrzeń kosmiczną Japońska Agencja Kosmiczna JAXA. Porównanie pomiarów wykonanych w różnych okresach pozwoliło zaobserwować zmiany w promieniowaniu długofalowym emitowanym z Ziemi w przestrzeń. Różnice przedstawiono na wykresie poniżej.

: Zmiany w temperaturze emisyjnej promieniowania ziemskiego
Rysunek 2: Zmiany w temperaturze emisyjnej promieniowania ziemskiego obserwowanego z orbity pomiędzy rokiem 1970 i 1996. Zmiany temperatury emisyjnej oznaczają zmiany natężenia promieniowania. Łatwo zauważyć spadki natężenia promieniowania w długościach fal (liczbach falowych) odpowiedzialnych za absorpcję przez poszczególne gazy cieplarniane. (Harries i in., 2001).

Zaobserwowano spadek natężenia promieniowania uciekającego w kosmos w zakresie długości fal absorbowanych przez gazy cieplarniane, m. in. dwutlenek węgla czy metan. Spadek ten jest zgodny z obliczeniami teoretycznymi.

W późniejszych latach przeprowadzono analogiczne badania, z wykorzystaniem nowszych danych pomiarowych: z satelitów NASA AIRS (wystrzelonego w roku 2003, Griggs i in., 2004), oraz AURA (w ramach misji rozpoczętej w 2004 roku, Chen i in., 2007). We wszystkich przypadkach stwierdzono, że wyniki pomiarów odpowiadają zmianom wskutek wzrostu koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze. Cytowane prace podają dowody empiryczne na to, że wzrost koncentracji gazów cieplarnianych (w tym CO2) w atmosferze powoduje nasilenie efektu cieplarnianego.

Pomiary promieniowania długofalowego atmosfery docierającego do powierzchni Ziemi

Jak wynika z wielu pomiarów, rośnie natężenie promieniowania długofalowego (podczerwonego) padającego na powierzchnię Ziemi. Pokazują to np. analizy danych z lat 1973-2008 zebrane w pracy Wang i in., 2009. Także wiele badań regionalnych – np. prowadzone w środkowych Alpach (Philipona i in., 2004) – pokazuje związany z nasilonym efektem cieplarnianym wzrost natężenia docierającego do Ziemi promieniowania podczerwonego. Analiza widmowa tego promieniowania pozwala zidentyfikować, jakie gazy odpowiedzialne są za efekt cieplarniany (Rysunek 3).

Widmo promieniowania zwrotnego
Rysunek 3: Widmo promieniowania zwrotnego atmosfery mierzone z powierzchni Ziemi. Wkład pary wodnej został odfiltrowany, widoczny jest efekt związany z pozostałymi gazami cieplarnianymi. (Evans 2006).

Zasada zachowania energii

Od czasu kiedy Joseph Fourier, analizując bilans energii naszej planety, pokazał istnienie i znaczenie efektu cieplarnianego, naukowcy badają szczegóły tego bilansu. Jeden z ostatnich przykładów to artykuł z roku 2011 pod tytułem Anthropogenic and natural warming inferred from changes in Earth’s energy balance (Antropogeniczne i naturalne ocieplenie na podstawie zmian bilansu energetycznego Ziemi), opublikowany przez pracujących na Politechnice w Zurychu szwajcarskich naukowców Marcusa Hubera i Reto Knuttiego. Autorzy odpowiedzieli w nim na pytanie, za jaką część energii gromadzonej w ostatnich latach w naszym systemie klimatycznym odpowiadają poszczególne czynniki kształtujące klimat oraz gdzie ta energia jest magazynowana.

Rysunek 4 przestawia zmiany średniej temperatury powierzchni Ziemi obliczone z uwzględnieniem tylko wymuszeń naturalnych (zmiany aktywności słonecznej, zmiany orbity, wybuchy wulkanów – linia niebieska), antropogenicznych (gazy cieplarniane, aerozole – linia czerwona) oraz jednych i drugich naraz (linia szara). Jak widać, tylko uwzględnienie obydwu grup pozwala na wyjaśnienie obserwowanego wzrostu temperatur (linia czarna), a w ostatnich kilkudziesięciu latach dominują czynniki antropogeniczne.

Przebieg czasowy zmian średniej temperatury globu
Rysunek 4: Przebieg czasowy zmian (anomalii) średniej temperatury globu powodowanych przez wymuszenia antropogeniczne i naturalne. Cieniowania wyznaczają przedział ufności 5-95%. Źródło: (Huber i Knutti, 2011)

Rysunek 5 przedstawia wymuszenia antropogeniczne i naturalne w podziale na składowe, pokazując znaczenie poszczególnych procesów dla ocieplenia od roku 1850 (Rysunek 5a), od roku 1950 (Rysunek 5b) oraz w ociepleniu prognozowanym na lata 2000-2050, w oparciu o scenariusz emisji „biznes jak zwykle” (IPCC SRES A2), czyli zakładający wykładniczy wzrost PKB i wydobycia paliw kopalnych (Rysunek 5c).

Znaczenie poszczególnych czynników wymuszania radiacyjnego
Rysunek 5: Znaczenie poszczególnych czynników wymuszania radiacyjnego dla całkowitych zmian temperatury w ciągu dekady dla trzech okresów. Słupki błędu pokazują przedział ufności 5-95%. Szary obszar na wykresach obrazuje przedział ufności 5-95% dla wewnętrznych zjawisk systemu klimatycznego. Obserwowane zmiany pokazano za pomocą linii przerywanych. Źródło: (Huber i Knutti, 2011)

Jak widać, Huber i Knutti stwierdzili, że gazy cieplarniane mają znaczący wkład w ocieplenie klimatu od roku 1850, a aerozole w istotny sposób chłodzą klimat. Wyniki obliczeń pokazują, że gdyby nie aerozole, gazy cieplarniane spowodowałyby wzrost średniej temperatury globalnej o ok. 1,31°C. Chłodzący wpływ bezpośredniego i pośredniego wymuszania aerozolowego wynosi około -0,85°C. Zmiany związane z wahaniami koncentracji ozonu troposferycznego i ilości promieniowania słonecznego mają zbliżone wartości, rzędu 0,2°C. Ozon, para wodna w stratosferze, węgiel organiczny i sadza w niewielkim stopniu wpływają na zmiany temperatury.

Od lat 50. XX wieku gazy cieplarniane odpowiadają już za ok. 165% obserwowanego ocieplenia powierzchni (0,85°C). Wynik przekracza 100% ze względu na efekt aerozolowy, obniżający temperatury o ok. 0,45°C. Cytując autorów:

Z prawdopodobieństwem ponad 95% ocieplenie powodowane w drugiej połowie dwudziestego wieku przez gazy cieplarniane było większe niż obserwowany wzrost średnich temperatur, a dominującą rolę odegrały w nim wymuszenia związane z działalnością człowieka. Wymuszenia naturalne od roku 1950 są bliskie zeru.

Wniosek

Mamy liczne bezpośrednie dowody eksperymentalne na to, że wzrastająca koncentracja dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych powoduje nasilenie efektu cieplarnianego. Wyniki pomiarów laboratoryjnych informują nas szczegółowo, jak dwutlenek węgla, metan i inne gazy absorbują promieniowanie podczerwone. Pomiary satelitarne potwierdzają spadek ilości promieniowania długofalowego uciekającego w kosmos w tych przedziałach widmowych, w których zachodzi absorpcja promieniowania przez gazy cieplarniane. Pomiary na powierzchni Ziemi wykazują wzrost natężenia promieniowania zwrotnego atmosfery w tych samych przedziałach widmowych. Rezultatem jest gromadzenie ciepła w systemie klimatycznym w ciągu ostatnich lat.

Aleksandra Kardaś na podstawie Skeptical Science, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

Fajnie, że tu jesteś. Mamy nadzieję, że nasz artykuł pomógł Ci poszerzyć lub ugruntować wiedzę.

Nie wiem, czy wiesz, ale naukaoklimacie.pl to projekt non-profit. Tworzymy go my, czyli ludzie, którzy chcą dzielić się wiedzą i pomagać w zrozumieniu zmian klimatu. Taki projekt to dla nas duża radość i satysfakcja. Ale też regularne koszty. Jeśli chcesz pomóc w utrzymaniu i rozwoju strony, przekaż nam darowiznę w dowolnej wysokości