efekt cieplarniany, Materiały, Geologia, Geologia Historyczna


Wapedia Wiki

Wiki: Efekt cieplarniany

Uproszczony bilans energetyczny Ziemi

Efekt cieplarniany - zjawisko wywoływane przez

atmosferę, w wyniku którego temperatura planety jest wyższa niż gdyby

planeta nie posiadała atmosfery. Spowodowane jest ograniczeniem

wypromieniowywania ciepła

z jej powierzchni i dolnych warstw atmosfery w przestrzeń kosmiczną. Czynnikiem

ograniczającym wypromieniowanie ciepła są gazy cieplarniane. Efekt cieplarniany

zachodzi na planetach i księżycach posiadających atmosferę i

ogrzewanych przez gwiazdy. W Układzie Słonecznym zachodzi on na

Ziemi, Marsie, Wenus

oraz na księżycu Saturna - Tytanie.

Choć efekt cieplarniany zachodzić może na wszystkich planetach

posiadających atmosferę, dalsza część artykułu omawia go przede

wszystkim w odniesieniu do Ziemi.

Istnienie zjawiska rozpatrywał już Jean Baptiste Joseph Fourier

w 1824, a badał między innymi Svante Arrhenius w 1896. Jego nazwa pochodzi od podobieństwa do

przemian cieplnych, zachodzących w szklarni (niekiedy używa się pojęcia

"efekt szklarniowy" [1] . Światło słoneczne nagrzewa

szklarnię natomiast szkło nie pozwala ciepłu emanować do atmosfery,

co sprawia, że wewnątrz szklarni temperatura rośnie.

Na Ziemi termin "efekt cieplarniany" odnosi się

zarówno do podwyższenia temperatury, związanego z czynnikami

naturalnymi, jak i do zmiany tego efektu, wywołanego przez gazy

emitowane w wyniku działalności człowieka. W potocznym rozumieniu

ten naturalny efekt jest często pomijany, a zwracana jest uwaga na

wzrost temperatury Ziemi w ciągu ostatnich około 100 lat, zwany

globalnym ociepleniem. Efekt

cieplarniany (naturalny), jest zjawiskiem korzystnym dla

kształtowania warunków życia na Ziemi. Szacuje się, że podnosi on

temperaturę powierzchni o 20 - 34°C. Średnia temperatura naszej

planety wynosi 14 - 15°C [2] . Gdyby efekt cieplarniany nie

występował przeciętna temperatura Ziemi wynosiłaby ok. -20°C.

1. Mechanizm działania

1. 1. Bilans cieplny

Ziemia, jak każda inna planeta,

otoczona jest próżnią i dlatego

wymiana energii cieplnej z

otoczeniem odbywa się wyłącznie poprzez promieniowanie

elektromagnetyczne. Jedyną znaczącą ilościowo energią

docierającą do Ziemi jest energia światła słonecznego. Inne rodzaje

energii, które zmieniają się w energię cieplną i ogrzewają

powierzchnię Ziemi (np. energia geotermalna, energia pływów,

energia rozpadów promieniotwórczych, energia powstała ze spalania

paliw kopalnych) są znikomo małe w porównaniu z energią

promieniowania słonecznego i mogą być pominięte.

Ziemia nie tylko otrzymuje, ale też oddaje energię cieplną w

postaci promieniowania cieplnego, którego ilość zależy od

temperatury planety.

Gdy średnia ilość energii docierającej do ciała nie zmienia się

w czasie ustala się średnia temperatura planety, w której energia

pobierana jest równa i energii oddawanej. Temperatura Ziemi

praktycznie nie zmienia się (panuje stan równowagi termicznej),

oznacza to, że energia otrzymywana jest równa energii wysyłanej.

Opierając się na powyższych założeniach oraz na prawach promieniowania cieplnego

Lashof oszacował, że bez atmosfery Ziemia miałaby średnią

temperaturę około −18°C (Lashof 1989) [3] , inne źródła podają

nawet temperaturę -27°C (zobacz modele

klimatu).

Powyższe proste modele zakładają, że Ziemia znajduje się w

stanie równowagi termicznej, ale skoro obserwuje się powolny ale

długotrwały wzrost temperatury powierzchni Ziemi, topnienie

lodowców, wzrost temperatury oceanów, oznacza to, że Ziemia

otrzymuje więcej energii niż wypromieniowuje. Na podstawie

szybkości wzrostu temperatury szacuje się, że różnica ta jest równa

0,85 W/m² [1] . By uzyskać stan równowagi, w obecnie panujących

warunkach, temperatura Ziemi musiałaby wzrosnąć o około 1°C.

1. 1. 1. Energia docierająca do Ziemi

Ziemia otrzymuje olbrzymią ilość energii w postaci

promieniowania słonecznego. Strumień promieniowania

dochodzącego do górnych warstw atmosfery wynosi około 1366 W/m² powierzchni

prostopadłej do promieniowania. Jest to ok. 342 W na każdy metr

kwadratowy powierzchni Ziemi i odpowiada mocy 1,74•1017W

dostarczanej do całej Ziemi.

Widmo promieniowania słonecznego jest zbliżone do promieniowania

ciała doskonale

czarnego o temperaturze 5250°C, większość energii

promieniowania słonecznego przypada na światło widzialne i bliską podczerwień w tym zakresie

atmosfera jest niemal przeźroczysta.

Promieniowanie słoneczne jest odbijane (średnio) w około 30%, w

tym 6% odbija atmosfera ziemska, 20% chmury, a 4% powierzchnia

Ziemi.

Pozostałe 70% promieniowania (średnio 235W/m²) jest absorbowane

przez Ziemię. W tym: 16% przez atmosferę (większość promieniowania

ultrafioletowego); 3% przez chmury, 51% przez powierzchnię ziemi.

Pochłonięte promieniowanie (około 1,2*1017W) ogrzewa

atmosferę, oceany i lądy, a jego niewielka część poprzez

fotosyntezę dostarcza energii dla życia. Podane liczby są

uśrednione dla całej Ziemi i przybliżone, w rzeczywistości zachodzą

duże zmiany w dobowych, rocznych i regionalnych wartościach zarówno

odbicia jak i pochłaniania.

1. 1. 2. Energia wypromieniowywana przez

Ziemię

Podobnie jak każde ciało posiadające temperaturę, tak i Ziemia

emituje promieniowanie cieplne.

Powierzchnia Ziemi jest znacznie chłodniejsza niż powierzchnia

Słońca (287 K vs 5780 K), promieniowanie to ma także rozkład

zbliżony do promieniowania ciała doskonale czarnego w temperaturze

287 K, dlatego wypromieniowuje energię cieplną falami o większej długości niż długość fal

docierających do Ziemi (i ogrzewających ją). Natężenie

promieniowania słonecznego ma zgodnie z prawem Wiena w promieniowaniu widzialnym

(0,5 μm), a promieniowanie cieplne

Ziemi ma maksimum w dalekiej podczerwieni (10 μm).

W zakresie promieniowania emitowanego przez powierzchnię Ziemi

(około 10 μm) atmosfera silnie pochłania promieniowanie. W wyniku

czego, tylko około 9% (40 W/m²) promieniowania emitowanego przez

powierzchnię Ziemi ucieka do przestrzeni kosmicznej, pozostała

część energii jest pochłaniana przez atmosferę i chmury,

przenoszona do wyższych warstw atmosfery w wyniku kilku zjawisk i

dopiero wypromieniowana w kosmos. Zdolności pochłaniające atmosfery

zależą od wchodzących w jej skład gazów.

Atmosfera dla promieniowania emitowanego przez Ziemię zachowuje

się jak ciemne ciało otaczające Ziemię. Ciało to jest ogrzewane od

dołu promieniowaniem powierzchni Ziemi uzyskując temperaturę

zbliżoną do temperatury Ziemi. Ciało to wypromieniowuje energię

zarówno w stronę Ziemi jak i w stronę kosmosu. Energia wysyłana w

kierunku Ziemi jest znaczna (324 W/m²), przewyższa niemal

dwukrotnie energię dostarczaną przez Słońce (162 W/m²). W wyniku

tego dodatkowego promieniowania atmosfery w kierunku Ziemi

wzrastają: temperatura powierzchni Ziemi, emisja promieniowania

cieplnego i temperatura atmosfery. W wyniku tych procesów w końcu

ustala się średnia temperatura powierzchni Ziemi i atmosfery.

Atmosfera jest chłodniejsza od powierzchni Ziemi. Temperatura

atmosfery zmniejsza się o 6,5°C na każdy 1 km wysokości (pionowy gradient

temperatury). Dlatego energia wypromieniowana przez atmosferę w

kierunku Ziemi jest mniejsza od promieniowania wysłanego przez

Ziemię.

Atmosfera ma grubość znacznie większą niż droga promieniowania

mikrofalowego. W związku z tym aby nastąpiło przeniesienie energii

z powierzchni Ziemi w przestrzeń kosmiczną, proces emisji i

pochłaniania zachodzić musi wielokrotnie zanim promieniowanie

"przebije się" przez atmosferę.

Oprócz promieniowania cieplnego przenoszenie energii w górę

atmosfery odbywa się także przez konwekcję. Cieplejsze powietrze przenoszone

jest w górę, a chłodniejsze w dół. Konwekcja zachodzi zarówno w

wyniku mieszania turbulentnego, w

którym obszary unoszenia i opadania są niewielkie jak i konwekcji

wielkoskalowej, wywołanej pionowymi ruchami powietrza o skali kilku

kilometrów. Zachodzi także wymiana powietrza na skalę globalną,

zwana cyrkulacją

powietrza.

Na proces konwekcji i promieniowania atmosfery duży wpływ ma

woda (para wodna, krople wody w

atmosferze i płatki śniegu w chmurach) oraz procesy parowania powierzchni Ziemi i kondensacji pary wodnej w chmurach.

2. Gazy cieplarniane

Efekt cieplarniany wywołują gazy w atmosferze, pochłaniające

promieniowanie cieplne, nazywane gazami cieplarnianymi. Gdyby atmosfera

była przepuszczalna dla promieniowania cieplnego emitowanego przez

powierzchnię Ziemi, to nie zwiększałaby jej temperatury.

Wpływ poszczególnych gazów na efekt cieplarniany jest trudny do

określenia. Najważniejszymi gazami cieplarnianymi w atmosferze

Ziemi jest para wodna, oraz dwutlenek węgla. Woda w stanie

ciekłym i stałym, choć nie jest gazem, ma duży wpływ na zjawiska

cieplne zachodzące w atmosferze i na powierzchni Ziemi i dlatego

jest omawiana jako czynnik efektu cieplarnianego.

2. 1. Woda

Woda wpływa głównie stabilizująco na temperaturę Ziemi. Dzieje

się tak dzięki jej właściwościom (duże ciepło właściwe, parowanie,

skraplanie, zamarzanie, sublimacja i topnienie w troposferze Ziemi). Zjawiska te odgrywają

ważną rolę w transporcie energii cieplnej w górę atmosfery. Woda

paruje na powierzchni Ziemi i kondensuje w górnych warstwach atmosfery.

Dzięki temu do górnych warstw atmosfery dostarczane jest więcej

ciepła, niż gdyby zachodził jedynie proces wypromieniowywania

energii cieplnej [4] .

Wpływ chmur na transport energii w atmosferze jest różnorodny. Z

jednej strony chmury, poprzez zaciemnienie, ograniczają dopływ

energii słonecznej do Ziemi, z drugiej strony ograniczają też

wypromieniowywanie energii przez Ziemię. Klimatolodzy wysuwają

różne hipotezy dotyczące związku chmur ze zjawiskami cieplnymi w

atmosferze np. hipoteza

tęczówki, hipoteza

termostatu.

2. 2. Para wodna

O ile woda w stanie płynnym i stałym wpływa głównie na

zmniejszenie efektu cieplarnianego, to para wodna jest głównym

gazem cieplarnianym w atmosferze ziemskiej. Dodatkowo para wodna

jest gazem, którego stężenie w powietrzu silnie zależy od warunków

lokalnych i pogodowych. Efekt cieplny zależy też, od zmieszania

pary wodnej z innymi gazami, oraz od tego czy para wodna jest

skoncentrowana wysoko czy nisko w atmosferze. Wysoka wilgotność

wpływa na tworzenie się chmur.

Raport IPCC TAR (2001; sekcja 2.5.3) ocenia, że mimo

niejednorodnego rozkładu pary wodnej w atmosferze, jej ilość

wzrosła w XX w. Ocenia się, że efekt cieplarniany wywołany przez

parę wodną zawiera się pomiędzy 36% - 60%, a wzrost stężenia pary

wodnej w atmosferze zwiększa efekt cieplarniany.

2. 3. Dwutlenek węgla

Stężenie CO2 w atmosferze mierzone w obserwatorium Mauna Loa. U dołu cykl roczny

Stężenie CO2 w atmosferze mierzone w

obserwatorium Mauna Loa. U dołu cykl roczny

Dwutlenek węgla silnie

pochłania promieniowanie mikrofalowe i dlatego jest ważnym gazem

cieplarnianym, bierze on udział w licznych procesach przyrodniczych

na Ziemi. Także człowiek wytwarza dwutlenek węgla w wyniku spalania

paliw, zawierających węgiel. Ważnym procesem w bilansie

atmosferycznego dwutlenku węgla jest jego rozpuszczanie w wodach

oceanów, w których jest częściowo pochłaniany przez organizmy żywe

oraz wchodzi w reakcje chemiczne, ale jego część pozostaje w wodzie

oceanicznej zwiększając stężenie CO2 w warstwach

powierzchniowych wody. Dwutlenek węgla dociera do głębszych warstw

wody w wyniku mieszania się wody. Proces mieszania się wód

oceanicznych jest powolny, wyrównywanie się stężenia CO2

w oceanach trwa kilkaset lat, czego konsekwencją jest znacznie

mniejszy wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze niż

wynikałoby to z ilości spalonych paliw kopalnych [5] . Za kilkaset

lat gdy stężenie dwutlenku węgla w wodach oceanów osiągnie stan

równowagi ze stężeniem w atmosferze nie będą już pobierały

dwutlenku węgla a każda ilość dwutlenku węgla wprowadzonego do

atmosfery pozostanie w niej zwiększając efekt cieplarniany.

Pomiary dwutlenku węgla w obserwatorium Mauna Loa pokazują, że

stężenie CO2 wzrosło z około 313 ppm (części na milion)

w 1960 do około 375 ppm w 2005. Obecnie obserwowane stężenie

CO2 przewyższa stężenia CO2 w poprzednich

epokach, oszacowane na podstawie badań lodowców, którego maksima są

szacowane na ~300 ppm. [6] Jednak poziom dwutlenku węgla w okresie

kredy jest oceniany na znacznie wyższy niż obecny.

Produkcja CO2 w okresie przemysłowym (spalanie paliw

kopalnych) i inne czynniki aktywności człowieka takie jak zmiany w

użytkowaniu lądów spowodowały, że poziom naturalnej równowagi

między wytwarzaniem dwutlenku węgla a pochłanianiem go przez

rośliny i wody został zaburzony. 25%

światowej emisji dwutlenku węgla pochodzi ze Stanów Zjednoczonych zamieszkanych

przez 5% ludności świata.

Trwają dyskusje związane ze źródłami i efektywnością

pochłaniania dwutlenku węgla oraz prognozy zmiany jego zawartości w

atmosferze w przyszłości. Obliczenia za pomocą globalnych modeli klimatu wskazują, że podwyższone

wartości CO2 mogły z dużym prawdopodobieństwem

spowodować globalne ocieplenie. Za obserwowany, od początku XX w.

wzrost temperatury Ziemi, obarcza się głównie wzrost stężenia

dwutlenku węgla w atmosferze. [1] .

2. 4. Wpływ poszczególnych gazów na efekt

cieplarniany

Trudno ocenić wpływ danego gazu na efekt cieplarniany ponieważ

widma pochłaniania

różnych składników często pokrywają się, dlatego zmiana stężenia

danego gazu nie wywoła efektu proporcjonalnego do zmiany,

promieniowanie i tak pochłonie inny gaz. Tabela pokazuje szacowane

wartości na podstawie obliczeń teoretycznych.

Para wodna jest najważniejszym gazem absorbującym promieniowanie

(sama powoduje 36% - 66% bezpośredniego efektu cieplarnianego),

razem z chmurami jest odpowiedzialna za od 66% do 85% efektu

cieplarnianego. Sam CO2 odpowiada za 9% - 26%, podczas

gdy O3 jest odpowiedzialny za 7%, a inne gazy

cieplarniane (w tym głównie metan, tlenki azotu i freony) są odpowiedzialne za 8% efektu. Łącznie

gazy te nazywa się gazami cieplarnianymi (GHG). Efekt cieplarniany

spowodowany wyłącznie przez dwutlenek węgla nazywa się efektem

Callendara.

Badając metodami spektrometrycznymi w laboratorium gazy

można określić, dokładnie pasma absorpcyjne gazów, istnienie pasm

pochłaniania można nawet określić teoretycznie na podstawie

struktury cząsteczki. Heteromolekularne (zawierające atomy różnych

pierwiastków) dwuatomowe i trójatomowe molekuły absorbują

promieniowanie w podczerwieni, ale homonuklearne (zbudowane z

jednakowych atomów) dwuatomowe molekuły nie absorbują

promieniowania podczerwonego. Dlatego H2O oraz

CO2 są gazami cieplarnianymi, a główne składniki

powietrza - azot (N2) i tlen

(O2) nie są. Pomiędzy pasmami absorpcji dwutlenku węgla

i pary wodnej znajdują się pasma "okien atmosferycznych",

w których promieniowanie podczerwone jest stosunkowo słabo

absorbowane, dotyczy to zwłaszcza okna atmosferycznego pomiędzy 8 i

15 μm. Składniki takie jak chloro-i fluoropochodne węglowodory

alifatyczne (freony) absorbują bardzo

silnie w tym zakresie długości fal, co oznacza, że są one bardzo

silnymi gazami cieplarnianymi. Związki te praktycznie nie

występowały w atmosferze, pojawiają się w wyniku działalności

ludzkiej. W atmosferze Ziemi nie ma mechanizmów powodujących ich

usuwanie z atmosfery, a wyemitowane do atmosfery pozostają w niej

długo i nagromadzają się. Niektóre z nich mają w atmosferze

średni czas życia

około 50 000 lat.

3. Inne planety

Atmosfera Wenus ma

ciśnienie prawie 100 razy większe od ziemskiego i jest złożona głównie z dwutlenku węgla, co sprawia,że temperatura powierzchni wynosi około 460°C i jest wyższa od znajdującego się znacznie bliżej Słońca, ale pozbawionego atmosfery Merkurego, efekt cieplarniany dla Wenus szacuje się na ponad 300°C. W atmosferze Marsa efekt cieplarnianyjest minimalny z powodu niewielkiego ciśnienia (grubości)atmosfery.



Wyszukiwarka