Mit: Teoria efektu cieplarnianego jest niezgodna z drugą zasadą termodynamiki

Większość uczestników debaty klimatycznej rozumie i przyjmuje argumenty naukowe mówiące o tym, że zdolność atmosfery do oddziaływania z promieniowaniem termicznym pozwala utrzymać temperaturę powierzchni Ziemi na poziomie pozwalającym na istnienie życia w znanej nam obecnie postaci. Temperatura powierzchni Ziemi jest o około 33°C wyższa od temperatury pozwalającej wypromieniować z powrotem w kosmos całość otrzymywanej od Słońca energii. Dzieje się tak dlatego, że większość wypromieniowanego przez powierzchnię promieniowania podczerwonego jest pochłaniana w atmosferze, a w kosmos ucieka dopiero promieniowanie wypromieniowywane z wysokich zimnych warstw atmosfery.

Wspomniana absorpcja jest następstwem obecności w atmosferze gazów cieplarnianych, których budowa cząsteczkowa powoduje, że są nieprzezroczyste dla promieniowania termicznego Ziemi. Najważniejsze z nich to para wodna i dwutlenek węgla, a także metan, tlenki azotu oraz ozon. Gdyby atmosfera składała się wyłącznie z azotu i tlenu (które nie pochłaniają promieniowania krótkofalowego), powierzchnia Ziemi byłaby skuta lodem od biegunów po równik.

Efekt cieplarniany w akcji

Najprostszym sposobem bezpośredniej obserwacji działania efektu cieplarnianego są pomiary promieniowania długofalowego (termicznego) padającego z atmosfery na powierzchnię Ziemi. Jak wynika z jednego podstawowych praw fizyki tj. prawa promieniowania cieplnego Kirchoffa każda substancja, która absorbuje promieniowanie termiczne, będzie je także emitować. Dzięki obecności gazów cieplarnianych, atmosfera absorbuje promieniowanie termiczne, a następnie wypromieniowuje je we wszystkich kierunkach. Te emisje mogą być (i są) mierzone zarówno z powierzchni, jak i z satelitów. Pomiary pokazują wprost, że promieniowanie atmosfery dostarcza Ziemi więcej energii niż promieniowanie słoneczne.

Temperatura powierzchni Ziemi a więc i strumień emitowanej przez nią energii (na rysunku 396 W/m²) są odpowiednio większe od temperatury i promieniowania zwrotnego atmosfery (na rysunku 333 W/m²). Druga zasada termodynamiki, zgodnie z którą ciepło nie może spontanicznie przepływać z ośrodka chłodniejszego do cieplejszego, jest tu więc spełniona. Jednak dzięki temu, że oprócz energii promieniowania słonecznego powierzchnia Ziemi pochłania także energię promieniowania termicznego atmosfery, temperatura powierzchni jest znacznie wyższa, niż gdyby efektu cieplarnianego nie było.

Skutki tego efektu widzimy na co dzień. Popatrzmy na prawą stronę rysunku. W nocy do powierzchni nie dociera promieniowanie słoneczne, przez co temperatura powierzchni spada. To, w jakim tempie temperatura spada, zależy w dużej mierze od tego, ile chmur (złożonych z wody i pary wodnej, silnego gazu cieplarnianego), znajduje się w najniższych warstwach atmosfery. Gdy wschodzi Słońce, energia promieniowania słonecznego dociera do powierzchni Ziemi, a temperatura powierzchni rośnie.

Skierowane w dół promieniowanie atmosfery jest mierzone bezpośrednio już od ponad 50 lat, a wpływ poszczególnych gazów cieplarnianych jest wyraźnie widoczny w pomiarach widma promieniowania.

Kiedy patrzymy w dół z pokładu samolotu lecącego na wysokości 20 km (Rysunek 2a), „widzimy” promieniowanie termiczne docierające od spodu. Część pochodzi z powierzchni – to część spektrum pasująca do widma emisji ciała doskonale czarnego temperaturze 268 K (-5°C). Ciało doskonale czarne to ciało, które pochłania i reemituje całą energię, jaka na nie pada zgodnie z rozkładem Plancka – taki wyidealizowany punkt odniesienia wykorzystywany w analizie promieniowania. Część promieniowania odpowiada temperaturom w okolicach 225 K (-48°C) – pochodzi ono z położonych nad powierzchnią (i chłodniejszych od niej) warstw atmosfery zawierających gazy cieplarniane. Dzięki temu, że cząsteczki gazów absorbują fale o częstotliwościach, które zależą od ich budowy i składu, „dziury w widmie” pozwalają stwierdzić obecność konkretnych związków chemicznych – pary wodnej, dwutlenku węgla, metanu itd. Gazy pochłaniają promieniowanie, a następnie wypromieniowują zaabsorbowaną energię.

Kiedy z powierzchni Ziemi patrzymy w górę (Rysunek 2b), „widzimy” promieniowanie podczerwone wypromieniowywane przez atmosferę. W niektórych częstotliwościach jest ono bardzo mocno blokowane. Promieniowanie, które obserwujemy, pochodzi więc z małych wysokości i jest typowe dla temperatur bliskich powierzchni Ziemi. W widmie promieniowania widzimy też „podczerwone okno atmosferyczne”, czyli taki przedział częstotliwości fal, w którym atmosfera nie absorbuje promieniowania (wypuszcza je w kosmos „jak przez okno”).

„Efekt szklarniowy”

Określenie „efekt cieplarniany” (czasem też określany jako „efekt szklarniowy”) zostało ukute w XIX wieku. Zarówno w przykrytej szkłem szklarni, jak i w atmosferze mamy do czynienia z fizyczną barierą blokującą przepływ ciepła, prowadzącą do wzrostu temperatury pod barierą. Stojąca za działaniem bariery fizyka jest jednak w obu przypadkach inna: szklany dach szklarni działa głównie dzięki blokowaniu pionowych ruchów powietrza, a efekt cieplarniany w atmosferze dzięki blokowaniu promieniowania podczerwonego przez gazy cieplarniane. To istotne różnice, dobrze rozumiane przez naukę i wyjaśniane w publikacjach naukowych, a także w podręcznikach dla studentów.

Wzmocniony efekt cieplarniany

Naturalny efekt cieplarniany towarzyszył nam „od zawsze”. Stanowi on ważny element systemu klimatycznego Ziemi i jest krytycznie istotny dla istnienia na Ziemi sprzyjającego życiu środowiska. Bez niego powierzchnia Ziemi byłaby skuta lodem od biegunów aż po równik.

Istnienie efektu cieplarnianego nie powinno być mylone ze zmianami jego natężenia. Obecne globalne ocieplenie jest powodowane wzrostem koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze, co prowadzi do wzmocnienia efektu cieplarnianego.

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