Efekt cieplarniany – ABC

Co to jest efekt cieplarniany? Dzięki czemu powstaje? Jak kształtuje klimat Ziemi i innych planet? I co ma wspólnego z globalnym ociepleniem? W tym artykule znajdziesz wszystkie najważniejsze informacje.

1. Definicja

Efekt cieplarniany to zjawisko podwyższenia temperatury planety przez obecne w jej atmosferze gazy cieplarniane (w porównaniu z sytuacją, w której gazów cieplarnianych nie ma). Podnosi temperaturę powierzchni Ziemi o 33°C. Gdyby go nie było, nasza planeta byłaby cała skuta lodem, a średnia temperatura wynosiłaby -18°C, zamiast +15°C.

2. Efekt cieplarniany – najprostsze wyjaśnienie

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 przypomina piec z termostatem, który stara się utrzymywać stałą temperaturę (jesteśmy zwierzętami stałocieplnymi). Gdy na zewnątrz jest zimno, jest to dla nas nieprzyjemne, a w skrajnych przypadkach wręcz niebezpieczne. Przykrywając się kocem, utrudniamy ucieczkę ciepła – w rezultacie po przykryciu się kocem tracimy mniej energii, a temperatura wokół naszego ciała pod kocem wzrasta. Oczywiście, w miarę tego wzrostu temperatury coraz więcej ciepła przenika przez koc na zewnątrz. Dzieje się tak do momentu, gdy ustali się nowy stan równowagi, w którym z powierzchni koca ucieka tyle energii ile wydziela nasze ciało. Temperatura wokół naszego ciała pod kocem stabilizuje się, ale jest już wyższa niż początkowo.

Dlaczego porównujemy efekt cieplarniany do przykrycia się kocem, skoro w tym przykładzie źródło ciepła (nasze ciało) jest pod nim, a promieniowanie słoneczne dostarczające energię do ziemskiego systemu klimatycznego pochodzi z zewnątrz? Analogia sprawdza się dlatego, że energia słoneczna w większości przenika przez atmosferę a pochłania ją dopiero powierzchnia Ziemi. Rozgrzana promieniami Słońca powierzchnia planety jest więc odpowiednikiem rozgrzanej procesami wewnątrz organizmu skóry śpiocha.

3. Efekt cieplarniany na Ziemi – warunki powstawania

Do ziemskiego systemu klimatycznego energii dostarcza głównie Słońce. Ziemia, w stabilnym stanie klimatycznym, emituje w przestrzeń kosmiczną tyle samo energii ile energii dochodzącej od Słońca pochłania.

Im wyższa jest temperatura powierzchni ciała, tym więcej energii wypromieniowuje ono do otoczenia w formie promieniowania elektromagnetycznego. Natężenie tego promieniowania zmienia się wprost proporcjonalnie do czwartej potęgi temperatury powierzchni ciała wyrażonej w stopniach Kelvina (T⁴), co oznacza, że przy dwukrotnie wyższej temperaturze powierzchni emitowana energia będzie szesnastokrotnie większa. Ponadto wraz ze wzrostem temperatury maksimum natężenia promieniowania przesuwa się w stronę coraz wyższych energii fotonów (czyli promieniowania o większej częstotliwości a mniejszej długości fali). Dotyczy to tak samo Słońca, powierzchni Ziemi jak i gazów w jej atmosferze.

Słońce jest gwiazdą, której powierzchnia (fotosfera) jest rozgrzana do temperatury ok. 5500 stopni Kelvina (5200°C). Ciało o takiej temperaturze świeci (emituje energię) głównie w świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni. Powierzchnia Ziemi jest dużo chłodniejsza (ma niecałe 300 K) i wypromieniowuje 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 termowizyjną.

Promieniowanie emitowane przez Słońce nazywamy w kontekście efektu cieplarnianego promieniowaniem krótkofalowym, a przez powierzchnię Ziemi – długofalowym.

Nasza planeta „przykryta” jest warstwą atmosfery, w której obecne są gazy cieplarniane (m.in. para wodna H₂O, dwutlenek węgla CO₂, metan CH₄, podtlenek azotu N₂O). Ich charakterystyczną cechą jest to, że przepuszczają promieniowanie emitowane przez Słońce (widzialne i w bliskiej podczerwieni), pochłaniają zaś promieniowanie w dalekiej podczerwieni emitowane z powierzchni naszej planety, rozgrzanej w wyniku pochłaniania promieniowania słonecznego.

4. Model szyby

Najważniejsze cechy efektu cieplarnianego można zrozumieć, posługując się prostym modelem zachowania transferu promieniowania przez atmosferę, tzw. „modelem szyby”. W modelu tym atmosferę zastępuje szklana płyta zawieszona nad powierzchnią Ziemi. Szkło pojawia się tu nieprzypadkowo: podobnie jak gazy cieplarniane, przepuszcza ono promieniowanie krótkofalowe, a pochłania długofalowe i dlatego jest standardowym budulcem szklarni.

Zacznijmy od planety bez atmosfery. W stabilnym stanie klimatu (czyli bez zachodzących zmian temperatury) planeta wypromieniowuje w kosmos tyle energii promieniowania długofalowego (E_P na rys. 4), ile pochłania energii promieniowania słonecznego (E_S na rys. 4).

Wyobraźmy sobie, że przykrywamy planetę szklaną szybą, która przepuszcza całe padające ze Słońca promieniowanie krótkofalowe, ale pochłania całe wypromieniowywane przez Ziemię promieniowanie długofalowe i emituje je po równo w górę (w kosmos) i w dół (w stronę powierzchni Ziemi).

Obserwator patrzący na planetę z kosmosu może odnotować dwa strumienie energii: pochłaniany przez planetę strumień promieniowania słonecznego (E_S) i emitowany przez szybę strumień promieniowania w podczerwieni (E_P). W stanie równowagi wielkość obydwu strumieni jest taka sama (E_P=E_S) .

My jednak możemy zajrzeć, co się dzieje we wnętrzu atmosfery. Jak wspomnieliśmy, szyba emituje identyczne strumienie promieniowania w górę i w dół, czyli E_P’ = E_P. Do powierzchni planety dociera energia promieniowania słonecznego (E_S) oraz promieniowania termicznego atmosfery (E_P’). Ilość energii pochłanianej przez powierzchnię Ziemi jest większa, niż gdyby szyby – atmosfery nie było. Aby temperatura powierzchni była stała, musi ona wypromieniowywać tyle samo energii, ile otrzymuje, czyli E_G = E_S + E_P’.

Tymczasem wiemy już, że E_P = E_P’ = E_S. Jeśli uwzględnimy to w naszym bilansie, otrzymamy E_G = 2E_S. Okazuje się, że w obecności szyby ilość energii otrzymywanej przez powierzchnię Ziemi rośnie aż dwukrotnie! To oznacza, że utrzymanie stałej temperatury wymaga dwukrotnie silniejszej emisji promieniowania. Aby móc wzmocnić strumień emitowanego przez siebie promieniowania, powierzchnia Ziemi musi się rozgrzać. O ile?

Możemy to policzyć, pamiętając, że ilość emitowanej energii jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury. Po kilku przekształceniach dowiemy się, że temperatura powierzchni Ziemi z atmosferą powinna w takich warunkach wynosić 303K (+30°C). To aż o 48°C więcej niż w przypadku nagiej planety. W rzeczywistości różnica wynosi tylko 33°C. Skąd więc nasz zbyt wysoki wynik?

5. Efekt cieplarniany dla zaawansowanych

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.

Gazy cieplarniane nie wypromieniowują też całej energii jak ciało doskonale czarne, lecz pochłaniają i emitują jedynie fotony o określonych energiach, dopasowanych do ich budowy cząsteczkowej. Część promieniowania podczerwonego ucieka z Ziemi prawie bez przeszkód, a część o innych długościach fal (energiach fotonów) jest pochłaniana i wypromieniowywana, często przez wiele cząstek po kolei. Wpływ na absorpcję i emisję mają też panujące na różnych wysokościach temperatury oraz ciśnienie. Dodatkowo część energii jest przekazywana atmosferze za pomocą innych niż promieniowanie mechanizmów, takich jak konwekcja i ewapotranspiracja 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, fotony o energiach odpowiadających długościom fal pochłanianych przez gazy cieplarniane są w stanie uciekać w kosmos dopiero z wyższych warstw atmosfery (w przypadku Ziemi chodzi o wysokości powyżej kilku kilometrów), gdzie atmosfera jest już rzadsza i promieniowanie ma szanse dotrzeć przestrzeń kosmiczną nie natrafiając po drodze na cząsteczkę gazu cieplarnianego. Patrząc z kosmosu widzimy więc przede wszystkim fotony promieniowania podczerwonego pochodzące nie z powierzchni Ziemi, lecz z wyższych warstw atmosfery.

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 przy powierzchni Ziemi o około 30°C, co odpowiada temperaturze jaką miałaby powierzchnia naszej planety, gdyby nie było wokół niej atmosfery z gazami cieplarnianymi.

6. Efekt cieplarniany na Ziemi, Wenus i Marsie

Efekt cieplarniany na Ziemi podnosi temperaturę powierzchni o 33°C.

Mars ma znacznie rzadszą atmosferę, z ciśnieniem na powierzchni planety ponad 100-krotnie mniejszym od ziemskiego. Atmosfera Marsa stanowi słabą izolację „cieplarnianą” – podnosi temperaturę powierzchni o zaledwie 5°C.

Wenus z kolei ma bardzo gęstą i grubą atmosferę, z ciśnieniem na powierzchni planety blisko 100-krotnie większym od ziemskiego. Atmosfera Wenus stanowi silną izolację „cieplarnianą” – podnosi temperaturę powierzchni aż o 500°C.

Więcej w artykule Efekt cieplarniany na Ziemi, Wenus i Marsie

7. Efekt cieplarniany a globalne ocieplenie

Efekt cieplarniany to nie to samo co globalne ocieplenie. Ten drugi termin dotyczy wzmocnienia efektu cieplarnianego w wyniku zwiększenia przez ludzkość ilości gazów cieplarnianych w atmosferze.

Wzrost zawartości gazów cieplarnianych w atmosferze nie zmienia ilości docierającego do powierzchni Ziemi promieniowania słonecznego, utrudnia za to ucieczkę w kosmos promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię naszej planety. W rezultacie Ziemia wypromieniowuje w kosmos mniej energii niż pochłania ze Słońca. Energia ta kumuluje się w ziemskim systemie klimatycznym (głównie w oceanach), co obserwujemy jako globalne ocieplenie. W miarę jak powierzchnia Ziemi robi się coraz cieplejsza, emituje ona coraz więcej energii, dążąc do stanu równowagi, w którym w kosmos znów będzie wypromieniowywane tyle samo energii ile jest pochłaniane – tyle, że przy wyższej temperaturze powierzchni.

To, co dzieje się aktualnie z ziemskim systemem klimatycznym przypomina sytuację przykrycia się wieloma kocami. Nasze emisje gazów cieplarnianych i postępujący za nimi wzrost ich zawartości w atmosferze odpowiadają ciągłemu, coraz szybszemu przykrywaniu się kolejnymi kocami. W rezultacie pod warstwą izolacji (na powierzchni Ziemi) robi się coraz cieplej.

Marcin Popkiewicz