Fizyka środowiska-pytanie 3-„Przedstawić w skrócie bilans energetyczny ziemi”

Ziemia wraz z atmosferą, jak każda inna planeta, otoczona jest prawie próżnią i dlatego wymiana energii cieplnej z otoczeniem odbywa się prawie wyłącznie poprzez promieniowanie elektromagnetyczne. Najistotniejsza dla bilansu energetycznego Ziemi jest docierająca do niej ilość promieniowania słonecznego. Inne rodzaje energii, które zmieniają się w energię cieplną i ogrzewają powierzchnię Ziemi (np. energia geotermalna, energia pływów, energia rozpadów promieniotwórczych, energia spalania paliw kopalnych) są mniej istotne od energii promieniowania słonecznego.

Z przestrzeni kosmicznej do układu Ziemia-atmosfera, dochodzi olbrzymia ilość energii w postaci promieniowania słonecznego. Strumień promieniowania dochodzącego do górnych warstw atmosfery wynosi około 1366 W/metr kwadratowy powierzchni prostopadłej do promieniowania (jest to tzw. stała słoneczna). Po uwzględnieniu kulistego kształtu Ziemi, odpowiada to około 342 W/m² powierzchni Ziemi. Promieniowanie słoneczne jest częściowo odbijane. Albedo Ziemi obserwowane z kosmosu (na szczycie atmosfery) wynosi około 31% (107 W/m²), w tym atmosfera (chmury, pyły i gazy) odbija 22% (77 W/m²) , a 9% (30 W/m²) powierzchnia Ziemi. Pozostałe 69% promieniowania (235 W/m²) jest absorbowane w atmosferze i na powierzchni Ziemi, w tym:

* 16% przez atmosferę (większość promieniowania ultrafioletowego),

* 3% przez chmury (łącznie 67 W/m²),

* 50% (168 W/m²) przez powierzchnię Ziemi.

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 planety nie zmienia się w czasie, ustala się jej średnia temperatura, a energia pobierana jest równa energii oddawanej. W takim przypadku średnia temperatura planety praktycznie nie zmienia się (panuje stan równowagi termicznej). Na tych założeniach oparte są proste, równowagowe modele klimatu planety. Oszacowano, że bez atmosfery Ziemia miałaby średnią temperaturę od około −18 °C do około -27 °C. Różnice wynikają ze zróżnicowanych uproszczeń i założeń czynionych (np. zmian współczynnika odbicia światła przy zmianie pokrycia powierzchni śniegiem) przy obliczaniu bilansu energetycznego.

Powyższe proste modele zakładają, że Ziemia znajduje się w stanie równowagi termicznej, jednak obserwowany wzrost temperatury powierzchni Ziemi, topnienie lodowców oraz wzrost temperatury oceanów wskazywać może, że Ziemia otrzymuje więcej energii niż wypromieniowuje. Na podstawie szybkości wzrostu temperatury szacuje się, że różnica ta jest równa 0,85 [W/m²]. By uzyskać stan równowagi w obecnie panujących warunkach, temperatura Ziemi musiałaby wzrosnąć o około 1 °C.

Uproszczony schemat bilansu energetycznego ziemi:

---