1
7. EFEKT CIEPLARNIANY
7.01. Efekt cieplarniany-wprowadzenie
7.02. Widmo promieniowania docieraj
ą
cego do powierzchni Ziemi i emitowanego z powierzchni Ziemi
7.03. Temperatura efektywna Ziemi
7.04. Termiczny efekt istnienia atmosfery = efekt cieplarniany
7.05. Dynamika zmian składu chemicznego atmosfery ziemskiej
7.06. Wymuszenie radiacyjne – roczny indeks gazów cieplarnianych
7.07. Globalne zmiany temperatury przy powierzchni Ziemi
7.08. Zmiany temperatury w ró
Ŝ
nych regionach
ś
wiata w 2007 roku wzgl
ę
dem
ś
redniej 30. letniej za lata 1951-1980
7.09. Zmiana profilu temperatury w atmosferze ziemskiej
7.10. Czynniki wpływaj
ą
ce na zmian
ę
globalnej temperatury na Ziemi
7.11. Czynniki wpływaj
ą
ce na zmian
ę
globalnej temperatury – gazy cieplarniane
7.12. Czynniki wpływaj
ą
ce na zmian
ę
globalnej temperatury – wulkany, aerozole kwasu siarkowego
7.13. Czynniki wpływaj
ą
ce na zmian
ę
globalnej temperatury - aktywno
ść
Sło
ń
ca
7.14. Wzrost zawarto
ś
ci CO2 w atmosferze i aktywno
ść
Sło
ń
ca a zmiany
ś
redniej temperatury
7.15. Oceany jako regulator klimatu ziemskiego
7.16. Cyrkulacja wód oceanu
ś
wiatowego
7.17. Zakłócenia pionowej wymiany wód oceanu
ś
wiatowego
7.18. Trendy klimatyczne (1)
7.19. Trendy klimatyczne (2)
7.20. Prognozy na II poł. XXI wieku
7.21. Modele klimatyczne
7.22. Temperatura w perspektywie schyłku XXI wieku – ró
Ŝ
ne modele klimatyczne
7.23. Prognozy na II poł. XXI wieku
2
2
7.01. Efekt cieplarniany-wprowadzenie
3
3
7.02. Widmo promieniowania docieraj
ą
cego do
powierzchni Ziemi i emitowanego z powierzchni
Ziemi
Z termodynamicznego punktu widzenia Ziemi
ę
jako planet
ę
mo
Ŝ
na traktowa
ć
jako układ zamkni
ę
ty,
tzn. taki, który nie wymienia z otoczeniem masy ale wymienia energi
ę
. Transport energii odbywa si
ę
poprzez promieniowanie, przewodnictwo i konwekcj
ę
.
Nat
ęŜ
enie promieniowania słonecznego w
ró
Ŝ
nych zakresach fal, docieraj
ą
cego do
zewn
ę
trznych warstw atmosfery Ziemi, po
przej
ś
ciu przez atmosfer
ę
i przenikaj
ą
cego
przez chmury (wg Gatesa, 1980)
Rozkład długo
ś
ci fal promieniowania
docieraj
ą
cego do powierzchni Ziemi (biała
strzałka) i emitowanego z powierzchni Ziemi
(czarna strzałka): białe pole- promieniowanie
przechodz
ą
ce przez atmosfer
ę
od 0 do 100 %,
czarne pola – promieniowanie pochłoni
ę
te, białe
trójk
ą
ty – zakresy nieprzezroczyste ze wzgl
ę
du na
obecno
ść
w atmosferze okre
ś
lonych gazów) (wg
Gatesa, 1980,1985)
4
4
7.03. Temperatura efektywna Ziemi
Stała słoneczna S
0
-
strumie
ń
energii
promieniowania słonecznego
padaj
ą
cego prostopadle na jednostk
ę
powierzchni znajduj
ą
c
ą
si
ę
w
ś
redniej
odległo
ś
ci od Sło
ń
ca
(ró
Ŝ
ne
ź
ródła: 1353, 1366, 1380 W/m
2
)
Albedo
A
– stosunek ilo
ś
ci
promieniowania odbitego i
rozproszonego do ilo
ś
ci
promieniowania padaj
ą
cego
(ró
Ŝ
ne
ź
ródła: 0,28; 0,32; 0,385)
Insolacja S
A
– całkowita ilo
ść
energii
słonecznej zaabsorbowanej przez
powierzchni
ę
Ziemi w jednostce czasu
gdzie R – promie
ń
Ziemi
z
a
E
S
====
Z warunku
temperaturę efektywną Ziemi T
e
wyznaczyć moŜna
Ilość wypromieniowanej z powierzchni Ziemi
energii równowaŜącej insolację określa prawo
Stefana – Boltzmanna
4
e
z
T
E
δδδδ
σσσσ
====
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
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
K
9
,
255
S
T
4
a
e
====
σσσσ
δδδδ
====
5
5
7.04. Termiczny efekt istnienia atmosfery =
efekt cieplarniany
temperatura efektywna Ziemi
t
e
= - 17,3
0
C
ś
rednia temperatura powierzchni Ziemi
w II poł.XX w.
t
z
≅≅≅≅
15
0
C
ró
Ŝ
nica pomi
ę
dzy temperatur
ą
obserwowan
ą
a temperatur
ą
efektywn
ą
jest miar
ą
termicznego efektu istnienia
atmosfery, czyli efektu cieplarnianego
t
z
- t
e
≅≅≅≅
32 deg
Temperatury efektywne Wenus, Ziemi i Marsa
~ 10
~ 30
~ 500
efekt termiczny, deg
- 40
0,15
595
228
Mars
+ 15
+ 460
temperatura obserwowana,
0
C
0,35
0,65
albedo
1365
2660
stała słoneczna, W/m
2
Podane
w tabeli
warto
ś
ci maj
ą
charakter
szacunkowy
150
108
odległo
ść
od Sło
ń
ca, mln km
Ziemia
Wenus
planeta
6
6
7.05. Dynamika zmian składu chemicznego
atmosfery ziemskiej
Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
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.)
Zmiana koncentracji gazów cieplarnianych w
atmosferze (ppmv – cz
ęś
ci na milion, ppmb- cz
ęś
ci
na miliard, pptb-cz
ęś
ci na bilion) oraz wymuszenie
radiacyjne w W/m
2
dotycz
ą
ce 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)
Ł
ą
czne wymuszenie radiacyjne – ok. 2,2 W/m
2
7
wymuszenie radiacyjne w latach 1979-2007
Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
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
7.06. Wymuszenie radiacyjne – roczny indeks
gazów cieplarnianych
8
7.07. Globalne zmiany temperatury przy
powierzchni Ziemi
Zmiany globalnej temperatury od 1900 do
2004 roku
(czarna linia -
ś
rednia roczna, czerwona linia -
ś
rednia
11- letnia, kolor szary - obszar niepewno
ś
ci)
Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology
9
Źródło:
Earth Observatory
•
temperatura Ziemi ro
ś
nie
• wzrost temperatury nie jest równomierny
• temperatura nad l
ą
dami zmieniła si
ę
znacz
ą
co, a nad oceanami nieznacznie
• wzrost temperatury nie jest równomierny: najwi
ę
kszy wzrost temperatury obserwuje
si
ę
w Arktyce i w Azji, wi
ę
kszy wzrost temperatury zanotowano na półkuli północnej
7.08. Zmiany temperatury w ró
Ŝ
nych regionach
ś
wiata w 2007 roku wzgl
ę
dem
ś
redniej 30.
letniej za lata 1951-1980
10
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
7.09. Zmiana profilu temperatury w
atmosferze ziemskiej
11
7.10. Czynniki wpływaj
ą
ce na zmian
ę
globalnej temperatury na Ziemi
troposferyczny
aerozole kwasu siarkowego
12
7.11. Czynniki wpływaj
ą
ce na zmian
ę
globalnej
temperatury – gazy cieplarniane
zmiany temperatury w stosunku do
ś
redniej z lat 1961-1990
13
7.12. Czynniki wpływaj
ą
ce na zmian
ę
globalnej
temperatury – wulkany, aerozole kwasu
siarkowego
⇐
⇐
⇐
⇐
Wpływ aerozoli kwasu
siarkowego – rozpraszanie
promieniowania docieraj
ą
cego
do powierzchni Ziemi
Wpływ erupcji wulkanów:
• rozpraszanie (aerozole kwasu
siarkowego),
• pochłanianie (pyły wulkaniczne)
promieniowania docieraj
ą
cego do
powierzchni Ziemi
⇒
⇒
⇒
⇒
14
7.13. Czynniki wpływaj
ą
ce na zmian
ę
globalnej
temperatury - aktywno
ść
Sło
ń
ca
Wykres aktywno
ś
ci słonecznej
– nat
ęŜ
enie promieniowania
słonecznego w W/m
2
źródło:
www.globalwarmingart.com
Wyra
ź
nie widoczny
11-letni cykl wzrostu
aktywno
ś
ci Sło
ń
ca mierzony
liczb
ą
plam na Sło
ń
cu
źródło:
www.globalwarmingart.com
15
7.14. Wzrost zawarto
ś
ci CO
2
w atmosferze i
aktywno
ść
Sło
ń
ca a zmiany
ś
redniej
temperatury przy powierzchni ziemi
Wzrost temperatury do ko
ń
ca lat 50. XX wieku mo
Ŝ
na wyja
ś
ni
ć
wzrostem aktywno
ś
ci
Sło
ń
ca. Jednak od tego czasu jego aktywno
ść
maleje, a temperatura mimo to coraz
szybciej wzrasta. Korelacja pomi
ę
dzy aktywno
ś
ci
ą
słoneczn
ą
a temperatur
ą
Ziemi
zanikła w latach 60. XX wieku.
źródło:
www.globalwarmingart.com
16
7.15. Oceany jako regulator klimatu ziemskiego
Wody oceanu
ś
wiatowego pochłaniaj
ą
60 % atmosferycznego CO
2
i w procesie
cyrkulacji termoklinowej transportuj
ą
go w kierunku dna, gdzie m.in. zostaje
zwi
ą
zany w ró
Ŝ
nych zwi
ą
zkach chemicznych.
ś
ółte/czerwone
obszary to miejsca,
gdzie ciepły ocean
pozbywa si
ę
CO
2
,
a niebieskie/zielone to
miejsca, gdzie zimny
ocean pochłania CO
2.
Termoklina – granica,
poni
Ŝ
ej której temperatura
wody gwałtownie maleje
wraz z gł
ę
boko
ś
ci
ą
, od 100
do 1000 m poni
Ŝ
ej poziomu
morza)
17
7.16. Cyrkulacja wód oceanu
ś
wiatowego
18
7.17. Zakłócenia pionowej wymiany wód
oceanu
ś
wiatowego 7.17. Zakłócenia pionowej
wymiany wód oceanu
ś
wiatowego
19
7.18. Trendy klimatyczne (1)
Obszar topi
ą
cej si
ę
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 strzałk
ą
to najwi
ę
ksze
letnie roztopy w roku 2007.
20
Zmiany
ś
redniej globalnej warto
ś
ci temperatury
powietrza (dopasowanie na podstawie 11 lat)
wzgl
ę
dem 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).
7.19.Trendy klimatyczne (2)
21
7.20. Prognozy na II poł. XXI wieku
Przewidywania zmian temperatury do lat 2070-2100 wzgl
ę
dem
ś
redniej z lat 1960-1990
.
Źródło:
Global Warming Predictions Map
22
7.21. Modele klimatyczne
23
7.22. Temperatura w perspektywie schyłku XXI
wieku – ró
Ŝ
ne modele klimatyczne
"
Zmiany klimatu
wywołane przez obecne
pokolenie bezpo
ś
rednio
wpłyn
ą
na
Ŝ
ycie
nast
ę
pnych pokole
ń
.
W rzeczywisto
ś
ci,
temperatura planety
prawie wcale nie spadnie
jeszcze w tysi
ą
c lat po
tym, jak nasze emisje
spadn
ą
do zera".
raport AR 4.5 SR
"Synthesis Report,
Climate Change: Global Risks,
Challenges & Decisions"
,
będący aktualizacją IV raportu IPCC
24
7.23. Prognozy na II poł. XXI wieku
"
Zmiany klimatu wywołane przez obecne pokolenie
bezpo
ś
rednio wpłyn
ą
na
Ŝ
ycie nast
ę
pnych pokole
ń
.
W rzeczywisto
ś
ci, temperatura planety prawie wcale nie
spadnie jeszcze w tysi
ą
c lat po tym, jak nasze emisje
spadn
ą
do zera".
raport AR 4.5 SR
"Synthesis Report, Climate Change: Global Risks, Challenges & Decisions"
,
będący aktualizacją IV raportu IPCC