Efekt cieplarniany

z naszych lekcji
Efekt cieplarniany
czy chodzenie aerozolowe?
Krzysztof Markowicz
Efekt cieplarniany
Zjawisko efektu cieplarnianego
jest zwizane ztzw. zwrotnym promieniowaniem dugofalowym, które dociera do powierzchni Ziemi.
Jest ono wynikiem wczeniejszej
absorpcji promieniowania poprzez
gazy cieplarniane zawarte w atmosferze. Efekt ten jest wgównej
mierze efektem naturalnym, który istnieje na Ziemi od momentu
pojawienia si w atmosferze pary
wodnej, CO2 i pozostaych gazów
cieplarnianych. Bez efektu cieplarnianego nie rozwinoby si prawdopodobnie ycie na Ziemi w takiej formie, wjakiej je dzi znamy,
gdy temperatura byaby duo nisza ni obecnie. Jak bardzo zimno
byoby bez efektu cieplarnianego,
trudno precyzyjnie stwierdzi, ale
róne szacunki mówi ook. 30°.
Najwaniejszym gazem cieplarnianym jest para wodna, która odpowiada za ok. 70% efektu
cieplarnianego. Dwutlenek wgla
przyczynia si do ok. 20%, ale wielkoci te róni si wzalenoci od
tego, jak zdefiniujemy ten efekt
[1]. Gazy cieplarniane maj bardzo zrónicowan efektywno,
co zwizane jest zich zawartoci
w atmosferze i struktur widmow pochaniania promieniowania.
Najbardziej efektywne s fluoropochodne, a w dalszej kolejnoci
metan ipodtlenek azotu, najmniej
za dwutlenek wgla ipara wodna
(rys. 1)
W przypadku pary wodnej najwaniejsz rol odgrywaj pasma
równe ok. 6,3 mm oraz powyej 20
mm. Najwiksza absorpcja dwutlenku wgla przypada na ok. 15
mm. Wzakresie tym pasma absorpcyjne CO2 iH2O czciowo si pokrywaj, co powoduje, e koncentracja CO2 wpywa na wymuszanie
radiacyjne pary wodnej, akoncentracja pary wodnej na wymuszanie
radiacyjne CO2. Wobszarach spektralnych, gdzie pasma absorpcyjne
osigaj swoje maksima, oba gazy
wykazuj logarytmiczn zaleno od koncentracji. Tym samym
zwikszenie zawartoci tych gazów
nie powoduje duego wzrostu absorpcji promieniowania. W przypadku fluoropochodnych czy me-
tanu zawarto tych gazów jest tak
maa, e niewielka zmiana prowadzi do duych rónic w wymuszaniu radiacyjnym.
Rys. 1. Zaleno wymuszania radiacyjnego od koncentracji gazów cieplarnianych
Wyznaczenie wymuszania radiacyjnego jest zadaniem stosunkowo prostym. Do tego celu su
modele transferu promieniowania watmosferze, które pozwalaj
rozwiza równania okrelajce
oddziaywanie
promieniowania
zmateri przy wykorzystaniu bazy
danych
opisujcej
wasnoci
optyczne wszystkich gazów atmosferycznych. Przyblion warto wymuszania radiacyjnego dla
dwutlenku wgla mona wyznaczy ze wzoru:
Fizyka w Szkole 5/2013
25
z naszych lekcji
2
ΔF = 5,35ln
C
2
[W/m ],
C0
(1)
dla freonu (CNC-11) za ze wzoru:
ΔF = 0,25(C – C0) [W/m2],
(2)
gdzie C0 iC s koncentracjami gazów w ppm dla CO2 oraz ppb dla
freonu wstanie podstawowym izaburzonym.
Wymuszanie radiacyjne CO2
liczone wzgldem koncentracji
zroku 1750 (przed rewolucj przemysow), wynoszcej 280 ppmv,
a obecn wartoci 395 ppmv, wy2
nosi 185 W/m . Uwzgldniajc wymuszanie radiacyjne pochodzce od
pozostaych gazów cieplarnianych,
2
otrzymujemy warto ok. 3 W/m .
Zakadajc, e zmiany temperatury
s liniow funkcj wymuszania radiacyjnego:
ΔT = αΔF,
(3)
gdzie parametr wraliwoci na
zmiany klimatyczne α równy jest
2
0,7 W/m , otrzymujemy zmian
temperatury zwizan zrosncym
efektem cieplarnianym na poziomie ok. 2,1 K.
Tymczasem obserwowany wzrost
temperatury w tym okresie wynosi
ok. 0,8 K. Wyznaczona wten sposób
warto zmiany redniej globalnej
temperatury odnosi si do warunków równowagi, która nie zostaa
osignita. Bezwadno oceanu
odpowiada za pochonicie ok.
26
Fizyka w Szkole 5/2013
0,6 W/m , co odpowiada ogrzewaniu
wody o ok. 0,4–0,5 K. Oszacowano, e ogrzewanie na poziomie ok.
0,2 K wynika ze zmian naturalnych, jednak nadal pozostaje 1,1 K
(2,1 + 0,2 – 0,45 – 0,8). Gównym
czynnikiem odpowiedzialnym za
mniejsze ogrzewanie klimatu jest
aerozol atmosferyczny.
Rola aerozoli
Aerozole to bardzo mae zanieczyszczenia stae lub cieke emitowane do atmosfery wskutek procesów naturalnych, ale równie przez
dziaalno czowieka. Gówne
naturalne róda aerozoli to pustynie, wulkany, poary lasów oraz powierzchnie mórz ioceanów. Emisje
antropogeniczne to przede wszyst-
kim procesy spalania. Poza emisjami aerozoli wan klas stanowi
emisje ich prekursorów, czyli gazów
takich jak SO2 czy NO2 (zasadniczo
NOx). Gazy te podlegaj reakcjom
chemicznym watmosferze, tworzc
odpowiednio kropelki kwasu siarkowego i azotowego. Skutki tego
typu reakcji byy widoczne w Polsce 20–30 lat temu, gdy wrejonach
Karkonoszy doszo do powanych
zmian wdrzewostanie, wywoanych
kwanymi deszczami.
Aerozole oddziauj na klimat
w sposób bezporedni i poredni
(rys. 2). Pierwszy efekt polega na
oddziaywaniu aerozolu na transfer
promieniowania (gównie sonecznego) w atmosferze, drugi za na
oddziaywaniu na wasnoci mikrofizyczne chmur. Oba efekty prowadz wskali globu do ujemnego wymuszania radiacyjnego na poziomie
2
ok. –1,2 W/m . Warto ta obarczona jest duym bdem bdcym odzwierciedleniem stosunkowo maej
wiedzy na temat wpywu aerozolu
na klimat. Spowodowane jest to
w gównej mierze niejednorodnoci rozkadu izmiennoci wasnoci fizycznych aerozoli wywoan
zrónicowaniem czasoprzestrzennym róde emisji oraz procesów
transportu idepozycji aerozolu. Dodatkowa niepewno oszacowania
oddziaywania aerozoli na system
klimatyczny wynika zniedostatecznej iloci ijakoci pomiarów.
z naszych lekcji
Rys. 2. Róne mechanizmy oddziaywania aerozolu na klimat
Wpyw bezporedni aerozolu na
klimat jest zwizany z procesami
rozpraszania i absorpcji promieniowania na czstkach zanieczyszcze
. Obecno tych czstek watmosferze prowadzi do redukcji
promieniowania sonecznego dochodzcego do powierzchni Ziemi.
Wpyw aerozoli na bilans energii
na górnej granicy atmosfery nie
jest ju tak oczywisty.
Zaómy na moment, e obserwujemy z Kosmosu fragmenty powierzchni Ziemi, która ma zerowe
albedo (niezym przyblieniem
jest ocean, którego albedo wynosi
ok. 2%). Rozwamy przypadek atmosfery pozbawionej aerozoli oraz
atmosfery zawierajcej aerozole.
W pierwszym przypadku promieniowanie soneczne wychodzce
w Kosmos ma niewielk warto,
bo jedynie niewielka cz promieniowania sonecznego jest rozproszona wstecznie na molekuach
powietrza. W drugim przypadku
warstwa aerozolu zwiksza promieniowanie rozproszone wstecznie.
Tym samym system klimatyczny odbija w Kosmos wicej energii. Mówimy wówczas o wzrocie
albeda planetarnego i o ujemnym
wymuszaniu radiacyjnym. Rozwamy drugi skrajny przypadek – powierzchni Ziemi pokrytej niegiem.
Zaómy, e albedo niegu wynosi
100%. W tym przypadku pojawiajcy si aerozol powoduje spadek
promieniowania
rozproszonego
wprzestrze
kosmiczn. Wynika to
zfaktu, e wikszo fotonów pokonuje warstw aerozolu dwukrotnie
(w drodze do powierzchni Ziemi
ipo odbiciu si od niej).
Tym samym nawet niewielka
zawarto aerozoli absorbujcych
prowadzi do pochaniania promieniowania i w konsekwencji do redukcji promieniowania rozpraszanego wstecznie. Wtym przypadku
albedo planetarne maleje, awymuszanie radiacyjne zwizane zobecnoci aerozolu jest dodatnie.
Pomimo e przedstawiony model jest bardzo prosty, to jednak
uzyskane wyniki s zgodne z bardziej realistycznymi obliczeniami
oraz z wynikami obserwacji satelitarnych. To, z jakim efektem
mamy do czynienia oraz jaka jest
bezwzgldna warto wymuszania
radiacyjnego, zaley nie tylko od
tego, jakie jest albedo powierzchni Ziemi, ale równie od wasnoci
optycznych aerozoli.
W szczególnoci od relacji pomidzy wspóczynnikiem absorpcji irozpraszania aerozoli. rednio
moemy przyj, e na 100 fotonów
oddziaujcych zaerozolami ok. 95
jest rozpraszanych, a tylko 5 absorbowanych. Niewielka zmiana
tej proporcji zmienia znak wymuszania radiacyjnego, atym samym
wpyw na klimat.
Woddziaywaniu porednim aerozolu na klimat wyróniamy dwa
efekty (rys. 2). Pierwszy, zwany
take efektem Twomeya, zwizany jest z oddziaywaniem aerozoli
bdcych jdrami kondensacji na
widmo kropel chmurowych.
Jdra kondensacji stanowi zarodzie powstajcej kropelki wody.
Rozwamy dwie chmury tworzce si w identycznych warunkach
termodynamicznych, ale rónice
si zawartoci aerozoli. Pierwsza
chmura rozwija si w powietrzu
czystym, adruga wpowietrzu silnie
zanieczyszczonym. Chmury te róni si iloci kropelek wody wten
sposób, e wysza koncentracja wystpi wchmurze zanieczyszczonej.
Konsekwencj tego stanu rzeczy bdzie rónica pomidzy
wielkociami kropelek. Kropelki
w chmurze czystej bd wiksze
ni w chmurze zanieczyszczonej,
gdy skondensowana woda w obu
przypadkach jest identyczna. Na
podstawie wasnoci optycznych
kropelek wody wiemy, e chmury skadajce si z wikszej iloci
mniejszych kropel maj wysze
albedo ni chmury czyste (rys. 3).
Chmury o wyszym albedzie
maj ujemne wymuszanie radiacyjne, a wic ochadzaj klimat.
Drugi efekt poredni zwizany jest
z czasem ycia chmur. W chmurach wodnych gównym mechanizmem odpowiedzialnym za powstanie kropel jest ich koagulacja, czyli
czenie wyniku zderze
. W przypadku kropel maych efektywno
czcych si drobin wody wwik-
Fizyka w Szkole 5/2013
27
z naszych lekcji
sze krople jest niska ze wzgldu
na due napicie powierzchniowe
(kropelki odbijaj si od siebie).
Skutkuje to ich duszym yciem
i tym samym duszym oddziaywaniem na system klimatyczny.
Ponadto wyrónia si jeszcze tzw.
póbezporedni efekt (semi-direct
effect), który zwizany jest zwpywem silnie absorbujcych aerozoli
(gównie sadzy) na chmury. Absorpcja promieniowania sonecznego przez te czstki prowadzi do
parowania izaniku chmury.
Przedstawione mechanizmy oddziaywania poredniego na klimat
nie s jedynie teoretyczn hipotez,
lecz procesami fizycznymi obserwowanymi w przyrodzie. Klasycznym przykadem s lady statków
na zdjciach satelitarnych. Przepywajce statki emituj do atmosfery
aerozole higroskopijne, które dostaj si do niskich chmur imodyfikuj ich wasnoci optyczne (rys. 4).
Widzimy, e chmury zmodyfikowane przez emisje antropogeniczne
s janiejsze, a wic odbij wicej
promieniowania sonecznego wKosmos. Nie mamy dzi wtpliwoci
co do wpywu aerozolu na klimat.
Jedynym problemem jest precyzyjne oszacowanie wszystkich efektów
aerozolowych.
Podsumowanie iperspektywy
Aktualny stan wiedzy na temat
zmian klimatu na Ziemi iprocesów
fizycznych odpowiedzialnych za
te zmiany jest do spójny. Modele klimatu wskazuj, e obecnych
zmian temperatury powietrza nie
da si wytumaczy, biorc pod
uwag jedynie czynniki naturalne.
Dopiero uwzgldnienie czynników
antropogenicznych, gównie gazów
cieplarnianych i aerozoli, zblia
wyniki modeli klimatu do zaobserwowanych zmian temperatury.
Wystpujce wostatnich ok. 20–30
latach przyspieszenie w ocieplaniu si klimatu jest spowodowane
zjednej strony coraz wiksz emisj gazów cieplarnianych do atmosfery, azdrugiej redukcj emisji aerozoli.
28
Fizyka w Szkole 5/2013
Rys. 3. Wpyw chmur zawierajcych due i mae iloci
jder kondensacji na albedo chmury
ródo: http://terra.nasa.gov/FactSheets/Aerosols/
Odkryte kilka lat temu zjawiska
globalnego zaciemnienia (global
dimming) oraz pojanienia (global
brightening) przyczyniy si do
zmian w trendach redniej temperatury na Ziemi. Oba zjawiska
zwizane s ze zmian zawartoci
aerozoli w atmosferze. Globalne
zaciemnienie przypada na lata
1960–1980, kiedy to emisja aerozoli
bya najwiksza w historii ludzkoci. Zawarte watmosferze aerozole
zredukoway promieniowanie soneczne dochodzce do powierzchni
Ziemi okilka procent. Po roku 1980
gównie w krajach europejskich
iUSA wprowadzono nowe technologie izaczto ogranicza emisj pyów. Dziki temu jako powietrza
zacza si poprawia. Wraz z redukcj emisji aerozoli ronie antropogeniczne wymuszanie radiacyjne, co skutkuje coraz szybszym
wzrostem temperatury na Ziemi.
Nie dotyczy to jednak wszystkich
regionów wiata. Najbardziej zanieczyszczonym rejonem s obecnie poudniowo-wschodnie tereny
Azji (Chiny iIndie), gdzie yje ponad 2,5 mld ludzi. W tych obsza-
Rys. 4. lady statków nad wschodnim Pacyfikiem uzyskane z detektora AVHRR umieszczonego na satelicie NOAA
z naszych lekcji
rach aerozole znaczco ograniczaj
ogrzewanie systemu klimatycznego
przez gazy cieplarniane.
Mimo e modele klimatu potrafi odtworzy jego zmiany, jakie
miay miejsce na Ziemi wprzeszoci, to jednak prognozowanie zmian
jest duo trudniejsze. Nie sposób
dzi przewidzie, jaki bdzie poziom emisji zanieczyszcze
za 10
czy 20 lat, aco dopiero za 100 lat.
Ponadto nie wiemy, kiedy nastpi
wybuchy wulkanów ijak intensywne bd oraz kiedy nasza gwiazda
obniy swoje maksimum do poziomu porównywalnego z minimum
Maundera. Wszystko to sprawia, e
modeluje si zmiany klimatu wedug okrelonych scenariuszy. Rozwaa si róne scenariusze rozwoju
cywilizacji i na ich podstawie szacuje si emisj zanieczyszcze
. Wedug takich przewidywa
na Ziemi
za 100 lat bdzie cieplej ook. 2–4 K
przy zaoeniu, e nie bdzie wybuchu duych wulkanów, aaktywno
soneczna utrzyma si na obecnym
poziomie.
dr hab. Krzysztof Markowicz
Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski
LITERATURA
[1] Lacis A.A., Schmidt G.A.,
Rind D., Ruedy R.A., Atmospheric
CO2: Principal control knob
governing Earth’s temperature,
Science 2010, 330, s. 356–359.
Fizyka w Szkole 5/2013
29