1. Światowy klimat i efekt cieplarniany

1.3 Przepływy energii w systemie Ziemia-atmosfera

Zanim zajmiemy się wzmocnionym efektem cieplarnianym, musimy jeszcze skorygowac schemat na Rysunku 6, uwzględniając niektóre procesy wpływające na temperaturę Ziemi – nie tylko na jej powierzchni, ale również w różnych warstwach atmosfery

1.3.1 Warstwy atmosfery

Atmosfera nie jest jednorodną materią. Przeciwnie, wraz ze wzrostem wysokości staje się stopniowo coraz „rzadsza”, czyli zmiejsza się jej gęstość. Oznacza to, że całkowita ilość cząsteczek w danej objętości powietrza jest mniejsza. Tym samym zmniejsza się ciśnienie. Blisko 80% całkowitej masy atmosfery znajduje się w warstwie do wysokości ok. 10 km nad powierzchnią, zaś 99,9% zawarte jest w warstwie do 50 km. Ważnym następstwem tego jest, iż kluczowe gazy cieplarniane (H2O i CO2) występują również obficiej blisko powierzchni gruntu, a stopniowo coraz mniej jest ich na większych wysokościach. Dlatego też dokładniejszym modelem obrazującym wyłapywanie promieniowania przez atmosferę będzie przyjęcie, iż proces ten odbywa się w kilku etapach.

Uchodzące długofalowe promieniowanie podczas wędrówki przez atmosferę jest wielokrotnie pochłaniane i reemitowane. Jest ono wypromieniowywane w przestrzeń kosmiczną jedynie w warstwach odpowiednio wysokich (i odpowiednio rozrzedzonych), aby pochłanianie było bardzo słabe. Sugeruje to, iż atmosfera powinna być cieplejsza przy powierzchni Ziemi – blisko źródła uchodzącego promieniowania i zarazem tam, gdzie obficiej występują cząsteczki pochłaniające to promieniowanie. Codzienne doświadczenie potwierdza tę tezę. Na przykład, gdy wspinamy się na wysoką górę - zazwyczaj robi się coraz chłodniej.

Rysunek 7 przedstawia typowy rozkład temperatury w atmosferze. Widać na nim, że temperatura powietrza w całej troposferze (donej części atmosfery) rzeczywiście spada ze wzrostem wysokości n.p.m., osiągając minimalną wartość (ok. -55ºC) w tropopauzie. Tropopauza znajduje się na wysokości 8-15 km, co zależy głównie od szerokości geograficznej. Na równiku znajduje się wyżej (i jest zimniejsza), niż na biegunach. W warstwie tej żyjemy (żaden punkt na Ziemi nie wznosi się powyżej troposfery) i w niej zachodzą niemal wszystkie zjawiska pogodowe (deszcz, chmury, wiatry itp.). Jednakże gdybyśmy się znaleźli jeszcze wyżej, zauważylibyśmy, że temperatura znów się podnosi i dzieje się tak aż do osiągnięcia stratopauzy w górze stratosfery. Dlaczego tak się dzieje?

Rysunek 7: Charakterystyczny pionowy rozkład temperatury atmosfery. Następujące po sobie warstwy (sfery) są oddzielone przez ‘pauzy’, w których następuje odwrócenie kierunku zmian temperatury wraz z wysokością.

1.3.2 Losy dochodzącego promieniowania słonecznego

Spójrzmy ponownie na Rysunek 6. Widać tam, że dochodzące promieniowanie słoneczne jest częściowo odbijane z powrotem w przestrzeń kosmiczną (31 jednostek), a częściowo pochłaniane przez powierzchnię planety (69 jednostek). Część promieniowania słonecznego jest w rzeczywistości absorbowana przez atmosferę już w trakcie wędrówki ku powierzchni planety. Przede wszystkim jest to promieniowanie w zakresie długości fal z obu krańców widma słonecznego (Rysunek 5) – ultrafiolet i bliska podczerwień.

Ozon w troposferze działa jako gaz cieplarniany, podobnie jak para wodna i dwutlenek węgla. Jednak pary wodnej i dwutlenku węgla najwięcej jest w troposferze, podczas gdy ozonu występuje tam niewiele. Większość tego gazu (ok. 90%) zgromadzona jest w stratosferze, gdzie tworzy tak zwaną warstwę ozonową. W tym dość rozrzedzonym rejonie atmosfery ozon odgrywa inną rolę, ponieważ pochłania również krótkofalowe promieniowanie ultrafioletowe, które jest śmiertelne dla wielu mikroorganizmów i może uszkadzać ważne biologicznie cząsteczki, prowadząc do schorzeń takich jak nowotwory skóry u ludzi. Szczęśliwie dla życia na Ziemi, większość tego promieniowania jest pochłaniana przez warstwę ozonową, uniemożliwiając mu penetrację w głąb w atmosfery. Ponadto, pochłanianie promieniowania słonecznego przez ozon stratosferyczny przyczynia się bezpośrednio do podgrzania tej strefy. W efekcie stratosfera jest ogrzewana z góry, podczas gdy troposfera jest ogrzewana od dołu. To dlatego najwyższe temperatury w atmosferze odnotowujemy u góry stratosfery oraz na dole troposfery (Rysunek 7).

Także promieniowanie z zakresu bliskiej podczerwieni jest częściowo absorbowane przez atmosferę (w ok. 50%) zanim dotrze do powierzchni Ziemi. Za jego pochłanianie odpowiada głównie para wodna obecna nisko w troposferze. Dodatkowo atmosfera zawiera różnorodne aerozole – drobne stałe cząstki i kropelki cieczy zawieszone w powietrzu. Aerozoli najwięcej jest w troposferze. Jedynym wyjątkiem jest sytuacja tuż po wielkich erupcjach wulkanicznych, o czym będzie mowa w rozdziale 1.5. Naturalnymi źródłami aerozoli są np. pyły pustynne podrywane przez wiatr, dym i sadza z wielkich pożarów, czy rozbryzgiwana woda morska. W zależności od swojego charakteru, aerozole mogą absorbować promieniowanie słoneczne – albo też (i to jest zwykle bardziej istotne) rozpraszać je z powrotem w przestrzeń kosmiczną. W ujęciu globalnym, aerozole mają znaczący wkład w albedo Ziemi (zawarte w liczbie 31% podanej wcześniej). Odgrywają także inną ważną rolę. Wiele aerozoli działa jako jądra kondensacji chmur (jądra nukleacji), stanowiąc powierzchnię na której zaczyna kondensować się para wodna przechodząca w formę zawieszonych w chmurach kropelek (lub kryształków lodu, na większych wysokościach gdzie jest zimniej). Proces taki zachodzi dużo trudniej w „czystym” (tzn. pozbawionym aerozoli) powietrzu.

1.3.3 Rola chmur

Dostrzegliśmy już jedną z ról jakie pełnią chmury dla klimatu Ziemi: bardzo skutecznie odbijają promieniowanie (rozdział 1.2.1). W każdym momencie, mniej więcej połowa naszej planety pokryta jest chmurami, a ilość promieniowania słonecznego, które odbija się od chmur z powrotem w przestrzeń stanowi ok. 55% całkowitego albedo planety. Jednakże chmury także absorbują i ponownie emitują uchodzące promieniowanie długofalowe, co oznacza, że przyczyniają się do zwrotnego promieniowana z atmosfery, a więc do powstawania naturalnego efektu cieplarnianego. To właśnie dlatego w rozgwieżdżone noce, przy czystym niebie temperatura powietrza z reguły jest niższa aniżeli w noce, gdy niebo pokrywa gruba warstwa chmur.

Tak więc w przypadku chmur mamy do czynienia z pewnym paradoksem – jednocześnie przyczyniają się do ogrzewania i wychładzania Ziemi. Jaka w danym momencie będzie wypadkowa tych dwóch przeciwstawnych oddziaływań, zależy m.in. od czynników takich jak rodzaj i grubość chmur, wysokość na jakiej się znajdują, czy składają się z kropelek wody czy kryształków lodu, itd. (Rysunek 8). Uśredniając dla całej planety i różnego czasu, dane satelitarne wskazują, że w ostatecznym rozrachunku chmury oddziałują na nasz klimat lekko ochładzając powierzchnię planety. Jak zauważymy później, jednym z największych wyzwań dla klimatologów jest stworzenie trafnych prognoz, w jaki sposób ta równowaga między ogrzewaniem i ochładzaniem planety mogłaby zmienić się, gdyby świat stał się cieplejszy.

Rysunek 8: Badacze dopiero zaczynają rozumieć złożoną rolę, jaką chmury odgrywają w kształtowaniu temperatury na Ziemi. Ten rysunek podsumowuje pewne kluczowe aspekty, podkreślając jak różne typy chmur odmiennie oddziałują na bilans promieniowania na Ziemi. Nadal pozostaje zagadką, w jaki sposób te różnorodne oddziaływania współgrają w osiąganiu efektu ochładzania Ziemi, oraz jak mogłoby się to zmienić w cieplejszym świecie.

1.3.4 Rola konwekcji w atmosferze

Dochodzimy do ostatniej poprawki prostego modelu pokazanego na Rysunku 6. Przypomnijmy sobie, iż troposfera jest ogrzewana od dołu, a jej temperatura maleje wraz ze wzrostem wysokości npm. Do układu tego wprowadzimy teraz konwekcję, czyli ruch materii wywołany różnicami temperatur, który prowadzi do przenoszenia ciepła. W atmosferze konwekcja odgrywa istotną rolę w dwóch dalszych mechanizmach – zupełnie niezależnych od emisji promieniowania długofalowego – w których energia przenoszona jest od powierzchni Ziemi do atmosfery.

Pierwszym z mechanizmów jest przenoszenie energii cieplnej (często nazywanej po prostu „ciepłem”) poprzez połączenie przewodnictwa i konwekcji. Jest to w gruncie rzeczy taki sam mechanizm, jak mechanizm ogrzewania garnka z wodą na kuchence (Ramka 4). Sytuacja w atmosferze jest ozywiście bardziej skomplikowana, jednak podstawowa zasada jest taka sama. Ciepłe powietrze, ogrzane przez kontakt z gruntem lub ciepłym morzem, wznosi się wysoko w górę, unosząc ze sobą ciepło odebrane od podłoża. Umożliwia to chłodniejszemu powietrzu wejście w kontakt z podłożem i ogrzanie się wskutek tego. Powoduje to cyrkulację powietrza. Procesy przewodnictwa i konwekcji wywołują znaczącą wymianę ciepła między lądem a powietrzem.

Ramka 4 Ogrzewanie wody przez przewodnictwo i konwekcję

Jeśli spróbujemy podnieść metalową łyżkę zostawioną w gorącym garnku, szybko zauważymy, że metale są dobrymi przewodnikami ciepła. Przewodnictwo jest przenoszeniem energii przez materię poprzez aktywność cząsteczek – tzn. energia jest przenoszona przez kontakty pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami. Dla odmiany, konwekcja jest przenoszeniem ciepła przez ruch płynów (cieczy takich jak woda lub gazów takich jak powietrze).

Na Rysunku 9 ciepło przekazywane jest na zasadzie przewodnictwa z płytki elektrycznej przez garnek do wody, która jest w kontakcie z dnem garnka. Gdy woda w tej warstwie ulegnie ogrzaniu, rozszerza się – co jest określane terminem rozszerzalności cieplnej – i w ten sposób staje się mniej gęsta niż woda znajdująca się nad nią. Z powodu zmiany pływalności, ogrzana woda zaczyna się unosić w górę, a jej miejsce zajmuje chłodniejsza, gęstsza woda z góry, która z kolei zaczyna się ogrzewać. Unosząc się w stronę powierzchni, ogrzana woda zaczyna oddawać ciepło powietrzu. Ochładzając się ponownie, staje się gęstsza i opada na dno, gdzie znów ulega ogrzaniu i tak w kółko. Jak długo woda podgrzewana jest nierówno (tzn. od dołu), będzie ona krążyć w konwekcyjnej cyrkulacji, aż w końcu cała się ogrzeje.

Rysunek 9: Schemat krążenia w garnku wody ogrzewanym na kuchence elektrycznej.

Drugi sposób przenoszenia energii to sposób pośredni, mający jednak w skali globalnej nieco większe znaczenie. Wiąże się on z odparowywaniem wody – przede wszystkim z oceanów, ale także z jezior i rzek, gleby, skał oraz roślinności lądowej. Parowanie wymaga dostarczenia energii, znanej jako utajone ciepło parowania. Energia ta pobierana jest z powierzchni, z której ciecz odparowuje. Dlatego właśnie np. odparowanie potu ochładza ciało. Utajone ciepło parowania wody, czyli ilość energii potrzebna do przekształcenia 1 kg wody w stanie ciekłm w parę wodną (przy stałym ciśnieniu i temperaturze), wynosi 2,25 × 10⁶ J kg⁻¹ i jest wyższe niż w przypadku jakiejkolwiek innej substancji.

Konwekcja jest procesem, który może ułatwiać parowanie wody. W wyniku konwekcji powietrze zawierające parę wodną unosi się w górę, w związku z czym nad powierzchnię parowania napływa powietrze nie wysycone jeszcze parą wodną i więcej wody może odparować.

Jak już wspomnieliśmy w rozdziale 1.2.2, pojemność powietrza dla pary wodnej (limit wysycenia) jest zależna od temperatury: ciepłe powietrze może pomieścić wiecej pary wodnej, niż powietrze zimne. Gdy wilgotne powierze unoszone jest w górę, ulega schłodzeniu, przez co może osiągnąć stan całkowitego wysycenia parą wodną. Dalsze wznoszenie i schładzanie sprawia, że para wodna kondensuje na aerosolach obecnych w powietrzu. Tworzą się chmury i ciepło utajone uwalniane jest do atmosfery. Wystepowanie chmur, prądów konwekcyjnych oraz wiatrów rozprowadzających ciepło po całym świecie, w znacznym stopniu organiczone jest do troposfery (greckie tropos – zwrot, obrót).

Sprójrzmy ponownie na Rysunek 7. Często mówi się, że tropopauza działa jak pokrywa, która uniemożliwia powietrzu wznoszącemu się w troposferze przedostanie się do wyższych warstw atmosfery. Dzieje się tak, ponieważ powietrze w leżącej powyżej stratosferze jest cieplejsze (czyli mniej gęste) od chłodniejszego (gęstszego) powietrza w górze troposfery, co uniemożliwia zachodzenie zjawiska konwekcji. Niekiedy zdarza się jednak, iż gwałtownie wznoszące się powietrze przedostaje się ponad troposferę, głównie za sprawą prądów wznoszących powstałych w wyniku gwałtownych burz w strefie tropikalnej. Są też drogi powrotne, głównie w średnich szerokościach geograficznych. Ogólnie jednak, krążenie powietrza w stratosferze nie oddziałuje znacząco z układem wiatrów w troposferze. I właściwie w obrębie troposfery rozgrywa się cały dramat pogody na Ziemii.