1
efekt cieplarniany 1
Planeta Wenus - bardzo podobna do
Ziemi po względem rozmiarów i masy
róŜni
się
bardzo
istotnie
składem
chemicznym atmosfery (96,5 % CO
2
)
oraz temperaturą (ponad 460
0
C).
Hipoteza
Intensywne wysokoenergetyczne promie-
niowanie UV prowadziło do fotodysocjacji
pary wodnej. Lekki wodór uchodził w
przestrzeń kosmiczną a cząsteczkowy tlen
wchodził w reakcje z węglem tworząc
dwutlenek węgla. Mechanizm ten ma
charakter samonapędzający – wzrost
temperatury – intensyfikacja procesów
parowania – wzrost zawartości dwutlenku
węgla.
Rozbuchany efekt cieplarniany uczynił z Wenus
prawdziwe piekło. Temperatura Ziemi jest na
razie zbyt niska, aby doszło na niej do podobnego
zjawiska, ale za miliard lub więcej lat, w miarę,
jak będzie rosła moc Słońca, los ten stanie się
równieŜ udziałem Ziemi.
Świat Nauki czerwiec 2006
2
efekt cieplarniany 2
Świat Nauki październik 2006
3
promieniowanie słoneczne
Z termodynamicznego punktu widzenia Ziemię jako planetę moŜna traktować jako
układ zamknięty, tzn. taki, który nie wymienia z otoczeniem masy ale wymienia
energię. Transport energii odbywa się poprzez promieniowanie, przewodnictwo i
konwekcję.
NatęŜenie promieniowania słonecznego w
róŜnych zakresach fal, docierającego do
zewnętrznych warstw atmosfery Ziemi, po
przejściu przez atmosferę i przenikającego
przez chmury (wg Gatesa, 1980)
Rozkład długości fal promieniowania
docierającego do powierzchni Ziemi (biała
strzałka) i emitowanego z powierzchni Ziemi
(czarna strzałka): białe pole- promieniowanie
przechodzące przez atmosferę od 0 do 100 %,
czarne pola – promieniowanie pochłonięte, białe
trójkąty – zakresy nieprzezroczyste ze względu
na obecność w atmosferze określonych gazów)
(wg Gatesa, 1980,1985)
4
temperatura efektywna Ziemi
4
e
z
T
E
δδδδ
σσσσ
====
Ilość wypromieniowanej z powierzchni
Ziemi energii równowaŜącej insolację
określa prawo Stefana – Boltzmanna
σ
-
stała Stefana – Boltzmanna,
56,679 10
-9
W/(m
2
K
4
)
δ
- względna zdolność emisyjna („stopień
czerni” ciała), dla Ziemi
δδδδ
= 0,95
K
9
,
255
S
T
4
a
e
====
σσσσ
δδδδ
====
Stała słoneczna S
0
-
strumień
energii promieniowania słonecznego
padającego prostopadle na
jednostkę powierzchni znajdującą
się w średniej odległości od Słońca
(róŜne źródła: 1353, 1366, 1380 W/m
2
)
Albedo
A
–
stosunek ilości
promieniowania odbitego i
rozproszonego do ilości
promieniowania padającego
(róŜne źródła: 0,28; 0,32; 0,385)
Insolacja S
A
– całkowita ilość
energii słonecznej zaabsorbowanej
przez powierzchnię Ziemi w
jednostce czasu
gdzie R – promień Ziemi
wg K.KoŜuchowski,R,Przybylak:Efekt cieplarniany,
Wyd.Wiedza Powszechna, Warszawa 1995
S
O
= 1353 W/m
2
, A = 0,28 czyli S
A
=243 W/m
2
((((
))))
((((
))))
4
S
A
1
R
4
R
S
A
1
S
0
2
2
0
a
−−−−
====
ππππ
ππππ
−−−−
====
z
a
E
S
====
Z warunku
temperaturę efektywną Ziemi T
e
wyznaczyć moŜna
5
termiczny efekt istnienia atmosfery = efekt cieplarniany
temperatura efektywna Ziemi
t
e
= - 17,3
0
C
średnia temperatura
powierzchni Ziemi
w II poł.XX w.
t
z
≅≅≅≅
15
0
C
róŜnica pomiędzy temperaturą
obserwowaną a temperaturą
efektywną jest miarą
termicznego efektu istnienia
atmosfery, czyli efektu
cieplarnianego
t
z
- t
e
≅≅≅≅
32 deg
~ 10
~ 30
~ 500
efekt termiczny, deg
95,5
- 40
0,15
595
228
Mars
+ 15
+ 460
temperatura obserwowana,
0
C
3
96,5
udział gazów cieplarnianych w atmosferze, %
0,35
0,65
albedo
1365
2660
stała słoneczna, W/m
2
Podane
w tabeli
wartości
mają
charakter
szacunkowy
150
108
odległość od Słońca, mln km
Ziemia
Wenus
planeta
Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
Temperatury efektywne Wenus, Ziemi i Marsa
6
dynamika zmian składu chemicznego atmosfery ziemskiej 1
65-130
<0,8 deg
Freon 11 i 12
150
1,4 deg
Podtlenek azotu
10
0,8 deg
Metan
150
7,6 deg
Dwutlenek węgla
20,6 deg
Czas pobytu w
atmosferze w
latach
Para wodna
Termiczny wymiar efektu
cieplarnianego (1985 r.)
Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
Zmiana koncentracji gazów cieplarnianych
w atmosferze (ppmv – części na milion, ppmb-
części na miliard, pptb-części na bilion) oraz
wymuszenie radiacyjne w W/m
2
dotyczące
okresu industrialnego
W okresie 200 lat koncentracja poszczególnych
gazów wzrosła odpowiednio:
CO
2
o 32 % (0,16 % rocznie)
CH
4
o 135 % (0,675 % rocznie),
N
2
O o 1,5 % (0,0075 % rocznie)
Łączne wymuszenie radiacyjne – ok. 2,2 W/m
2
7
przyczyny wzrostu emisji gazów cieplarnianych
Przyczyny wzrostu zawartości CO
2
(teoria ludnościowa Malthusa)
•
wykładniczy wzrost produkcji energii uzyskiwanej w procesie spalania paliw
•
pozyskiwanie terenów pod uprawy rolnicze poprzez wyrąb i wypalanie lasów (1 drzewo-
asymilacja 250 kg CO
2
/dobę)
•
wzrost liczebności populacji ludzkiej (1 człowiek emituje 1 kg CO
2
/dobę)
Obecnie (2005) koncentracja zbliŜa się do 400 ppmv (pomiary bezpośrednie). W 1760 roku
280 ppmv (lodowiec). Lata 1760 – 1860 – wzrost o 4 %. Lata 1860 – 1960 – wzrost o 8 %.
Lata 1960-2005 wzrost o ok. 25 %. Prognoza na rok 2050 – 530 ppmv.
Przyczyny wzrostu zawartości N
2
O (teoria ludnościowa Malthusa)
•
produkcja energii
•
wylesianie i spalanie biomasy
•
chemizacja rolnictwa – nawozy azotowe
•
motoryzacja
W wyniku procesów fotochemicznych zachodzących w atmosferze N
2
O przekształca się w NO.
Ale w bilansie rocznym 3 – 4,5 mln t N
2
O pozostaje w atmosferze
Przyczyny wzrostu zawartości CH
4
(teoria ludnościowa Malthusa)
•
produkcja Ŝywności (uprawy rolne np. ryŜ, oraz hodowla)
•
wydobywanie gazu ziemnego (wycieki)
Obecna koncentracja metanu w atmosferze jest najwyŜsza od 160 tys.lat.
8
dynamika zmian składu chemicznego atmosfery ziemskiej 2
C
z
ę
ś
c
i
n
a
m
il
ia
r
d
(
p
p
b
v
)
Podtlenek azotu
C
z
ę
ś
c
i
n
a
b
il
io
n
(
p
p
tv
)
C
z
ę
ś
c
i
n
a
m
il
ia
r
d
(
p
p
b
v
)
CO
2
– w okresie 30 lat (1979-2008)
ciągły wzrost w tempie 0,5 % rocznie
(4-krotnie szybciej niŜ w ciągu 200 lat)
N
2
O – w okresie 30 lat (1979-2008)
ciągły wzrost w tempie 0,2 % rocznie
(26-krotnie szybciej niŜ w ciągu 200 lat)
CH
4
– stabilizacja w okresie ostatnich
10 lat (1998-2008)
Freony - od około 15 lat stabilizacja
z lekkim trendem spadkowym
Freony - od około 15 lat stabilizacja
z lekkim trendem spadkowym
Prognoza z 1985 r.
na 2030 r.:
CFC-11 1100-1850 pptb
CFC-12 1800-2800 pptb
9
wymuszenie radiacyjne w latach 1979-2007
0,3
Wm
-2
0,15
Wm
-2
0,5
Wm
-2
1,5
Wm
-2
0,0005
ppmv
0,315
ppmv
1,77
ppmv
370
ppmv
0,476
Wm-
2
/ppmv
N
2
O
0,283
Wm-
2
/ppmv
CH
4
dane dla 2000 roku
600
Wm-
2
/ppmv
CFC-12
0,004
Wm-
2
/ppmv
CO
2
Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
1 cząstka freonu daje efekt termiczny 150 000 razy silniejszy niŜ 1 cząstka CO
2
1 cząstka N
2
O daje efekt termiczny 120 razy silniejszy niŜ 1 cząstka CO
2
1 cząstka CH
4
daje efekt termiczny 70 razy silniejszy niŜ 1 cząstka CO
2
8 000 – 12 000
N
2
O, freony,
ozon troposferyczny
<8 000, > 12 000
H
2
O, CO
2
, CH
4
Absorbowane długości IR, nm
10
globalne zmiany temperatury przy powierzchni Ziemi 1
Zmiany globalnej temperatury od 1900 do 2004 roku
(czarna linia - średnia roczna, czerwona linia - średnia 11- letnia, kolor szary - obszar niepewności)
11
globalne zmiany temperatury przy powierzchni Ziemi 2
Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
12
globalne zmiany temperatury przy powierzchni Ziemi 3
Zmiany temperatur w 2007 roku względem średniej 1951-1980 (NASA)
Źródło:
Earth Observatory
• temperatura Ziemi rośnie
• wzrost temperatury nie jest równomierny
• temperatura nad lądami zmieniła się znacząco, a nad oceanami nieznacznie
• wzrost temperatury nie jest równomierny: największy wzrost temperatury
obserwuje się w Arktyce i w Azji, większy wzrost temperatury zanotowano na
półkuli północnej
13
zmiana profilu temperatury w atmosferze ziemskiej
Wzrost temperatury w troposferze, obniŜenie temperatury w stratosferze
T
O
– temperatura efektywna, T
S
– temperatura na powierzchni lądów i oceanów dla okresu
przedindustrialnego, T
G
- temperatura na powierzchni lądów i oceanów wywołana
antropogeniczną emisją gazów cieplarnianych
stratosfera
troposfera
Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
14
Czynniki
wpływające
na zmianę
globalnej
temperatury
troposferyczny
aerozole kwasu siarkowego
15
czynniki wpływające na zmianę globalnej
temperatury – gazy cieplarniane
zmiany temperatury w stosunku do
ś
redniej z lat 1961-1990
16
czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury –
wulkany, aerozole kwasu siarkowego
Wpływ aerozoli kwasu siarkowego –
rozpraszanie promieniowania
docierającego do powierzchni Ziemi
Wpływ erupcji wulkanów -
rozpraszanie (aerozole kwasu
siarkowego) i pochłanianie
(pyły wulkaniczne)
promieniowania
docierającego do powierzchni
Ziemi
17
czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury -
aktywność Słońca
Wykres aktywności słonecznej
– natęŜenie promieniowania
słonecznego w W/m
2
źródło:
www.globalwarmingart.com
Wyraźnie widoczny
11-letni cykl wzrostu
aktywności Słońca
mierzony liczbą plam
na Słońcu
źródło:
www.globalwarmingart.com
18
aktywność Słońca i nie tylko
Wzrost temperatury do końca lat 50. XX wieku moŜna wyjaśnić wzrostem aktywności
Słońca. Jednak od tego czasu jego aktywność maleje, a temperatura mimo to coraz szybciej
wzrasta.
Tak więc aktywność Słońca przez wieki sterowała klimatem Ziemi, ale od około 50 lat klimat
zaczęły kształtować równieŜ inne czynniki, w szczególności wyŜsza koncentracja gazów
cieplarnianych w atmosferze. Wszelkie podkreślenia wcześniejszej korelacji pomiędzy
aktywnością słoneczną, a temperaturą Ziemi jedynie uwypuklają fakt, Ŝe ta korelacja znikła
w latach ‘60 XX wieku.
źródło:
www.globalwarmingart.com
19
oceany jako regulator klimatu ziemskiego 1
Wody oceanu światowego pochłaniają 60 % atmosferycznego CO
2
i w procesie
cyrkulacji termoklinowej transportują go w kierunku dna, gdzie m.in. zostaje związany
w róŜnych związkach chemicznych.
śółte/czerwone
obszary to miejsca,
gdzie ciepły ocean
pozbywa się CO
2
,
a niebieskie/zielone
to miejsca, gdzie
zimny ocean
pochłania CO
2.
Termoklina – granica, poniŜej
której temperatura wody
gwałtownie maleje wraz z
głębokością, od 100 do 1000
m poniŜej poziomu morza)
Bezwładność termiczna wód oceanu światowego chroni przed zmianami
globalnej temperatury (od 008 do 0,24
0
C) na skutek zmian aktywności Słońca w
cyklu 11. letnim.
20
oceany jako regulator klimatu ziemskiego 2
Słone wody są pompowane w głębiny tzw. kominami wentylacyjnymi wytworzonymi
przez silne prądy morskie.
Działanie tej swoistej grawitacyjnej pompy wynika z duŜej gęstości wód zasolonych.
21
oceany jako regulator klimatu ziemskiego 3
22
oceany jako regulator klimatu ziemskiego 4
23
oceany jako regulator klimatu ziemskiego 5
ZagroŜenie 2
napływ słodkiej wody z topniejących lodowców zmniejsza gęstość słonych
wód oceanu światowego i utrudnia pionową wymianę wód
ZagroŜenie 3
rosnące zakwaszenie (wzrost o 30 %) stanowi zagroŜenie dla oceanicznej
flory i fauny
rozpuszczenie:
CO
2
(atmosferyczny)
→
→
→
→
CO
2
(rozpuszczony w wodzie)
konwersja do kwasu węglowego:
CO
2
(rozpuszczony w wodzie) + H
2
O
→
→
→
→
H
2
CO
3
pierwsza jonizacja:
H
2
CO
3
→
→
→
→
H
+
+ HCO
3
−
(aniony wodorowęglanowe)
druga jonizacja:
HCO
3
−
→
→
→
→
H
+
+ CO
3
2−
(aniony węglanowe)
ZagroŜenie 1
wzrost temperatury wód przypowierzchniowych zmniejsza zdolność do
rozpuszczania atmosferycznego CO
2
, a w ekstremalnych warunkach moŜe
doprowadzić do uwolnienia zaabsorbowanego CO
2
24
trendy klimatyczne 1
Obszar topiącej się powierzchni lodu w
Grenlandii
wyniki na podstawie satelitarnej obserwacji
temperatury powierzchni
mapki –1992 i 2007
wzrost o 30 % w ciągu 30 lat
Zmiana w masie pokrywy lodowej
Grenlandii w latach 2003-2008
Oszacowanie na podstawie pomiarów
satelitarnych zmian pola grawitacyjnego.
Punkt zaznaczony strzałką to największe
letnie roztopy w roku 2007.
25
trendy klimatyczne 2
Zmiany średniej globalnej wartości
temperatury powietrza (dopasowanie na
podstawie 11 lat) względem roku 1990
Niebieska linia pokazuje dane z Hadley Center
(UK Meteorological Office); czerwona linia to
dane z GISS (NASA Goddard Institute for Space
Studies, USA). Przerywane linie stanowią
prognozy z IPCC Third Assessment Report z
modyfikacją oznaczonych niepewności wokół
odpowiednich scenariuszy (dane z 2007 i
2008,Rahmstorf, S.).
Zmiany w poziomie wód oceanicznych
w latach 1970-2008
w odniesieniu do poziomu w roku 1990
(ostatnie lata – czujniki satelitarne)
Dla porównania są pokazane przewidywania
IPCC (przerywane linie) dla poszczególnych
scenariuszy (szary obszar to zakres
niepewności tych przewidywań).
2/3 ludności Świata Ŝyje w szerokim na około
60 km pasie nadmorskim (Azja i Afryka)
26
prognozy na II poł. XXI wieku 1
Przewidywania zmian temperatury do lat 2070-2100 względem średniej z lat 1960-1990.
Źródło:
Global Warming Predictions Map
27
prognozy na II poł. XXI wieku 2
• znikną lodowce górskie, w tym w Andach i Himalajach, zapewniające wodę setkom
milionów ludzi;
• stopnieją lody Arktyki, jak lustro odpijające światło Słońca, co spowoduje dalsze
ocieplanie się klimatu;
• rozpad wiecznej zmarzliny spowoduje nie tylko uszkodzenia infrastruktury, ale teŜ
wyzwolenie do atmosfery olbrzymich ilości uwięzionych w niej gazów
cieplarnianych, nakręcając spiralę zmian klimatu;
• w wyniku rozpadu czap lodowych Grenlandii i części Antarktydy podniesie się
poziom oceanów o wiele metrów co uczyni uchodźcami dziesiątki milionów ludzi;
• załamie się cyrkulacja oceaniczna - w środku globalnego ocieplenia klimat Europy
moŜe upodobnić się do klimatu Labradoru i Kamczatki;
• pojawią się huragany o nie spotykanej dotychczas mocy, w przypadku bardzo
duŜego wzrostu temperatury mogą pojawić się nawet hiperorkany - sięgające
stratosfery wiry powietrza zdolne zedrzeć ziemię do gołej skały i wrzucić ją do
oceanu;
• do końca stulecia 1/3 powierzchni Ziemi moŜe stać się pustynią, setki milionów
ludzi będą musiały przenieść się na inne tereny;
• gwałtowne burze, powodzie i lawiny błotne staną się czymś zwyczajnym;
• poŜary zagroŜą olbrzymim obszarom lasów - od Amazonii po Kanadę;
• wymrze połowa znanych gatunków zwierząt i roślin;
• tropikalne choroby i owady zawitają w dotychczas wolne od nich rejony;
• straty gospodarcze w ciągu 50 lat mogą przekroczyć 10 000 miliardów euro rocznie;
• wojny, susze, konflikty o zasoby, głód, katastrofy naturalne, zniszczenia
infrastruktury, migracje i zamieszki doprowadzą wiele regionów planety do stanu
anarchii.
28
prognozy na II poł. XXI wieku 3
29
prognozy na II poł. XXI wieku 4
30
prognozy na II poł. XXI wieku 5
31
prognozy na II poł. XXI wieku 6
"Zmiany klimatu wywołane przez obecne
pokolenie bezpośrednio wpłyną na Ŝycie
następnych pokoleń.
W rzeczywistości, temperatura planety prawie
wcale nie spadnie jeszcze w tysiąc lat po tym,
jak nasze emisje spadną do zera".
raport AR 4.5 SR
"Synthesis Report, Climate Change: Global Risks, Challenges & Decisions"
,
będący aktualizacją IV raportu IPCC