Efekt cieplarniany

Ciało niebieskie pozbawione atmosfery (np. Księżyc) pochłania i emituje promieniowanie bezpośrednio ze swojej powierzchni. Atmosfera zaburza ten proces wymiany ciepła głównie poprzez ograniczenie ilości ciepła wypromieniowywanego z powierzchni planety i dolnych warstw jej atmosfery bezpośrednio w przestrzeń kosmiczną. Efekt ten jest wywołany przez gazy cieplarniane a w mniejszym stopniu przez pyły i aerozole zawieszone w atmosferze. W opisie bilansu energetycznego planety oprócz efektu cieplarnianego uwzględnia się też wszystkie inne procesy zachodzące w atmosferze, jak i na powierzchni planety, odpowiedzialne za przepływ energii z gwiazdy macierzystej, a także przenoszące energię z planety w przestrzeń kosmiczną.

W Układzie Słonecznym występowanie efektu cieplarnianego stwierdzono na Ziemi, Marsie, Wenus, oraz na księżycu Saturna – Tytanie.

W dyskusjach na temat zmiany klimatu na Ziemi można spotkać się z mylnym utożsamianiem pojęcia efektu cieplarnianego z globalnym ociepleniem. W rzeczywistości za obserwowany w ostatnich stuleciach wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi odpowiada spowodowane wzrostem koncentracji gazów cieplarnianych nasilenie efektu cieplarnianego a nie sam fakt jego istnienia.

Termin efekt cieplarniany wywodzi się z podobieństwa do przemian cieplnych zachodzących w szklarni, dlatego niekiedy używa się określenia efekt szklarniowy. Zjawiska nagrzewania atmosfery planety do nagrzewania się szklarni nie można jednak utożsamiać. Mimo że w obu przypadkach następuje wzrost temperatury, przyczyny podwyższania się temperatury w szklarni różnią się od czynników wywołujących efekt cieplarniany w atmosferze. Ogrzewanie się szklarni następuje w wyniku ograniczenia ucieczki ciepłego powietrza, czyli ograniczeniu konwekcyjnej i turbulentnej wymiany ciepła. Promienie słoneczne nagrzewają grunty w szklarni, co z kolei ociepla powietrze w środku pomieszczenia. Temperatura powietrza wzrasta ponieważ jest ono uwięzione w szklarni, w przeciwieństwie do warunków zewnętrznych, gdzie ciepłe powietrze swobodnie miesza się z zimnym. Można to łatwo zademonstrować otwierając okno w szklarni, co prowadzi do szybkiego spadku temperatury. Szklarnia działa głównie poprzez zapobieganie konwekcji. Atmosferyczny efekt cieplarniany funkcjonuje z kolei poprzez ograniczenie wypromieniowania. Istnieją jednak tendencja by w uproszczony sposób wykorzystywać analogię pomiędzy tymi zjawiskami.

Efekt cieplarniany na Ziemi

Możliwość kumulacji ciepła pochodzącego z promieniowania słonecznego na Ziemi jako pierwszy rozpatrywał Jean Baptiste Joseph Fourier w 1824. Później zjawisko badane było również między innymi przez Svante Arrheniusa, autora pierwszych obliczeń dotyczących reakcji klimatu na podwojenie koncentracji dwutlenku węgla (czułości klimatu).

Efekt cieplarniany (naturalny) jest zjawiskiem korzystnym dla kształtowania warunków życia na Ziemi. Szacuje się, że podnosi on temperaturę powierzchni od 20 do 34°C. Średnia temperatura naszej planety wynosi 14-15°C. Gdyby efekt cieplarniany nie występował, przeciętna temperatura Ziemi wynosiłaby ok. -18°C.

Globalne ocieplenie

Zmiany w efekcie cieplarnianym wywołane działalnością człowieka są głównym czynnikiem wpływającym na podnoszenie się temperatury na Ziemi. W 2017 średnia temperatura powierzchni Ziemi wzrosła już o 1±0,2°C względem epoki przedprzemysłowej (gdzie za przybliżenie stanu z epoki przedprzemysłowej przyjmuje się średnią z lat 1850-1900).

Według V Raportu IPCC, obserwowane od połowy XX wieku globalne ocieplenie z ponad 95% prawdopodobieństwem spowodowane jest działalnością człowieka. Podstawowe wnioski IPCC poparło co najmniej trzydzieści stowarzyszeń i akademii naukowych, w tym wszystkie narodowe akademie nauk krajów G8. Na temat przyczyny współczesnej zmiany klimatu panuje obecnie naukowy konsensus – ponad 97% prac na ten temat przedstawia zgodne wnioski a w pozostałych 3% znaleziono poważne błędy. Obecnie żadna poważna instytucja naukowa nie podważa ani problemu globalnego ocieplenia ani jego związku z działalnością człowieka.

Sugerowane alternatywne wyjaśnienia globalnego wzrostu temperatury od czasów rewolucji przemysłowej to np.

• efekt aktywności słonecznej – której zmiany są jednak na to zbyt słabe i która od kilku dekad spada
• wpływ promieniowania kosmicznego na zachmurzenie – który okazał się jednak nieznaczący

dodatkowe informacje:
Globalne ocieplenie

Mechanizm działania efektu cieplarnianego

Bilans cieplny

Ziemia wraz z atmosferą jak każda inna planeta otoczona jest 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.

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. Takie modele jako jeden z pierwszych opracował w 1962 roku Michaił Budyko. Zwracał on uwagę na pozytywny efekt cieplarniany, oraz na możliwość globalnego ochłodzenia po zmniejszeniu emisji CO2. Opierając się na powyższych założeniach oraz na prawach promieniowania cieplnego oszacowano, że bez atmosfery Ziemia miałaby średnią temperaturę od ok. −19 °C do ok.–27 °C. Różnice wynikają ze zróżnicowanych uproszczeń i założeń czynionych (np. zmian współczynnika odbicia światła przy zmianie pokrycia powierzchni śniegiem) przy obliczaniu bilansu energetycznego. Szczegółową analizę energetyczną procesów zachodzących w atmosferze Ziemi opracowali J.T. Kiehl i Kevin E. Trenberth w pracy Earth’s Annual Global Mean Energy Budget.

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.

Bilans energetyczny na szczycie atmosfery

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/m² powierzchni prostopadłej do promieniowania (jest to tzw. stała słoneczna). Po uwzględnieniu kulistego kształtu Ziemi odpowiada to około 342 W/m² powierzchni Ziemi i mocy 1,74•1017 wata dostarczanej średnio całej planecie.

Widmo promieniowania słonecznego jest zbliżone do promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze 5250 °C, a większość energii promieniowania słonecznego przypada na światło widzialne i bliską podczerwień. W tym zakresie czysta atmosfera Ziemi jest niemal przezroczysta.

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

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 w bilansie rocznym. Zachodzą duże zmiany w dobowych, sezonowych i regionalnych wartościach, zarówno odbicia, jak i pochłaniania.

Podsumowując, na szczycie atmosfery bilans energetyczny to 342 W/m² dochodzącego promieniowania słonecznego i taka sama ilość promieniowania wysyłanego w przestrzeń kosmiczną, na które przypada 107 W/m² promieniowania słonecznego odbitego oraz przez 235 W/m² promieniowania podczerwonego wyemitowanego przez układ atmosfera – Ziemia.

Bilans energetyczny na powierzchni Ziemi

Ziemia, tak jak każde ciało, emituje promieniowanie cieplne. Promieniowanie to ma rozkład zbliżony do promieniowania ciała doskonale czarnego dla temperatury 287 K. Ponieważ powierzchnia Ziemi jest znacznie chłodniejsza niż powierzchnia Słońca (287 K vs 5780 K), dlatego wypromieniowuje energię cieplną falami o większej długości, niż długości fal docierających do Ziemi (i ogrzewających ją). Natężenie promieniowania słonecznego ma zgodnie z prawem Wiena maksimum w promieniowaniu widzialnym (około 0,5 μm), a promieniowanie cieplne Ziemi w dalekiej podczerwieni (około 10 μm).

Dla promieniowania emitowanego przez powierzchnię Ziemi atmosfera ziemska jest nieprzezroczysta i pochłania jego większą część, w wyniku czego ulega ogrzaniu. Pochłonięta energia jest wypromieniowana 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 (168 W/m²). W wyniku promieniowania atmosfery w kierunku Ziemi wzrasta temperatura jej powierzchni, zwiększając jej emisję promieniowania cieplnego, co prowadzi do wzrostu temperatury atmosfery. Procesy pochłaniania i emisji energii znajdują się w równowadze, która określa średnią temperaturę powierzchni Ziemi i atmosfery.

Atmosfera jest chłodniejsza od powierzchni Ziemi. Temperatura atmosfery zmniejsza się o około 6,5 °C na każdy 1 km wysokości. Dlatego energia wypromieniowana przez atmosferę w kierunku Ziemi jest mniejsza od promieniowania wysłanego przez Ziemię.

Wymiana radiacyjna w atmosferze opisywana jest równaniem transportu promieniowania. Wymiana ta zależy od optycznej grubości atmosfery dla danej długości fali elektromagnetycznej, na co wpływ ma przede wszystkim temperatura atmosfery, pokrywa chmur, oraz ilość pyłów zawieszonych w atmosferze. Aby nastąpiło przeniesienie energii z powierzchni Ziemi w przestrzeń kosmiczną, proces pochłaniania i emisji promieniowania podczerwonego zachodzi wielokrotnie, zanim promieniowanie „przebije się” przez atmosferę.

Oprócz promieniowania cieplnego przenoszenie energii w górę atmosfery odbywa się także przez konwekcję. Ogrzana powierzchnia Ziemi ogrzewa najniższe warstwy powietrza, które jako lżejsze od położonego wyżej jest przenoszone w górę, chłodniejsze zaś w dół. Konwekcja zachodzi zarówno w wyniku mieszania turbulentnego w którym obszary unoszenia i opadania są niewielkie, jak i transporcie wielkoskalowym wywołanym pionowymi ruchami powietrza o skali kilku kilometrów. Występuje także wymiana powietrza na skalę globalną, zwana cyrkulacją powietrza. Transport energii wywołany konwekcją powietrza jest szacowany na 24 W/m². Procesowi przenoszenia powietrza towarzyszy przenoszenie pary wodnej z powierzchni Ziemi w górę, oraz proces parowania wody z powierzchni Ziemi i skraplania oraz resublimacji w atmosferze. Szacuje się, że w procesie parowania/kondensacji wody przenoszone jest średniorocznie około 78 W/m².

Podsumowując bilans energetyczny na powierzchni Ziemi:

• do powierzchni dociera 168 W/m² promieniowania słonecznego dochodzącego oraz 324 W/m² promieniowania atmosfery
• tracone jest 390 W/m² przez emisję promieniowania, 24 W/m² przenoszone do góry przez konwekcję oraz 78 W/m² przez parowanie

Bilans energetyczny atmosfery

Przepływ energii od powierzchni Ziemi w górę zachodzący w atmosferze wywołany jest kilkoma zjawiskami, takimi jak: bezpośredni przepływ promieniowania w oknie atmosferycznym, pochłanianie oraz emisja promieniowania cieplnego, konwekcja oraz parowanie i kondensacja wody. Proces przenoszenia energii jest opisywany przez równanie transportu promieniowania. W uproszczonych modelach oraz by zobrazować rolę poszczególnych zjawisk, rozpatruje się bilans energii dla atmosfery jako całości.

Górne warstwy atmosfery emitują energię cieplną w przestrzeń kosmiczną (ok. 195 W/m²), a dolne w stronę Ziemi (ok. 324 W/m²). Tak duża emisja powodowałaby obniżenie temperatury atmosfery o około 1,6 °C na dzień. Proces ten jest jednak bilansowany w wyniku pochłaniania promieniowania słonecznego (67 W/m²), dopływ energii z niższych warstw atmosfery przez promieniowanie (350 W/m²), konwekcję (24 W/m²) i kondensację pary wodnej (78 W/m²).

Transport energii z Ziemi w przestrzeń kosmiczną

Bezchmurna atmosfera ziemska silnie pochłania promieniowanie podczerwone (termiczne) emitowane przez powierzchnię Ziemi, którego maksimum przypada około 10 μm, z wyjątkiem wąskiego zakresu fal o długości pomiędzy 8-14 µm, które dobrze przechodzą przez atmosferę. Zakres ten, dla którego atmosfera jest prawie całkowicie przezroczysta, został nazwany oknem atmosferycznym. Chmury, pyły, oraz gazy cieplarniane, pochłaniając promieniowanie z tego zakresu przymykają podczerwone okno atmosferyczne, a przez to zwiększają efekt cieplarniany. Dla czystej atmosfery znaczna część promieniowania ziemskiego ucieka bezpośrednio do przestrzeni kosmicznej (około 100 W/m²). Para wodna w atmosferze (zwłaszcza w atmosferze tropikalnej, gdzie jest jej najwięcej) pochłania większość promieniowania podczerwonego i emituje je częściowo z powrotem ku powierzchni Ziemi, w wyniku czego średnia ilość energii odchodzącej do przestrzeni kosmicznej bezpośrednio z Ziemi zmniejsza się do 40 W/m.

Każdy gaz pochłania i emituje promieniowanie elektromagnetyczne tylko w określonych dla danej substancji przedziałach częstotliwości (długości fali). Efekt cieplarniany wywołują tylko te gazy, które pochłaniają promieniowanie w zakresie emitowanym przez powierzchnię planety. Dla ciała o temperaturze powierzchni Ziemi maksimum natężenia promieniowania przypada w okolicy 10 mikrometrów. Tlen dwuatomowy (O2), azot (N2) i argon (Ar) nie pochłaniają promieniowania w zakresie fal o długości mikrometrów i dlatego nie wpływają na efekt cieplarniany. Natomiast para wodna (H2O), dwutlenek węgla (CO2), ozon (O3), metan (CH4) pochłaniają promieniowanie w tym zakresie, wywołując efekt cieplarniany.

Znając charakterystykę pochłaniania promieniowania przez daną substancję, oraz rozkład jej stężenia w atmosferze można określić pochłanianie promieniowania, oraz wpływ na efekt cieplarniany. Najważniejszymi gazami cieplarnianymi w atmosferze Ziemi są para wodna, oraz dwutlenek węgla. Woda w stanie ciekłym i stałym, choć nie jest gazem, ma także duży wpływ na zjawiska cieplne zachodzące w atmosferze i na powierzchni Ziemi i dlatego jest omawiana jako czynnik efektu cieplarnianego.

Woda

Woda wpływa głównie stabilizująco na temperaturę Ziemi. Dzieje się tak dzięki jej specyficznym właściwościom fizycznym (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.

Wpływ chmur na transport energii w atmosferze jest różnorodny. W zakresie promieniowania słonecznego chmury, poprzez odbicie promieniowania, ograniczają dopływ energii słonecznej do Ziemi, z drugiej strony tak samo odbijają promieniowanie w zakresie fal o długości mikrometrów emitowane przez Ziemię, ograniczając wypromieniowywanie energii przez Ziemię. Klimatolodzy wysuwają różne hipotezy dotyczące związku chmur ze zjawiskami cieplnymi w atmosferze np. hipoteza tęczówki, hipoteza termostatu.

Para wodna jest głównym gazem cieplarnianym w atmosferze ziemskiej. Efekt cieplarniany wywołany przez parę wodną zawiera się pomiędzy 36–60% a wzrost stężenia pary wodnej w atmosferze zwiększa efekt cieplarniany. Dodatkowo para wodna jest gazem, którego stężenie w powietrzu silnie zależy od warunków lokalnych i pogodowych. Widmo absorpcyjne pary wodnej pokrywa się też z widmami absorpcyjnymi innych gazów, dlatego para wodna oprócz bezpośredniego ma też pośredni wpływ na efekt cieplarniany. Efekty pary wodnej zależą od tego, czy jest ona skoncentrowana wysoko czy nisko w atmosferze.

Raport IPCC TAR (2001; sekcja 2.5.3) ocenia, że mimo niejednorodnego rozkładu pary wodnej w atmosferze, które utrudnia określenie jej ilości w całej atmosferze, ilość pary wodnej w atmosferze wzrosła w przeciągu XX w.

Hipoteza tęczówki

Efekt tęczówki w meteorologii to kontrowersyjny mechanizm klimatycznego sprzężenia zwrotnego wiążącego parę wodną, temperaturę oceanu i pokrywę wysokich chmur w tropikach. Według tej hipotezy klimatycznej zwiększona temperatura oceanu związana z globalnym ociepleniem prowadzi do zmniejszenia pokrywy chmur w atmosferze tropikalnej. W związku z tym powierzchnia Ziemi może wyemitować więcej energii cieplnej, co prowadzi do oziębienia. Wobec tego zwiększona ilość pary wodnej, w tej hipotezie, prowadzi do stabilizacji klimatu. Nazwa tęczówka jest analogią do fizjologii oka, którego tęczówka może się zwężać lub rozszerzać regulując ilość dochodzącego światła.

Konwekcja w atmosferze tropikalnej powoduje wymianę ciepła i pary wodnej pomiędzy oceanem i atmosferą. Ciepłe i wilgotne powietrze wznosi się do góry w obszarze prądów wstępujących i tworzy charakterystyczne kowadło – rozległy obszar górnych chmur powstających na wysokości około 15 km nad powierzchnią ziemi. Chmury tworzące kowadło są horyzontalnie rozwiewane przez silne wiatry w górnej troposferze. W rejonach prądów wstępujących następuje kondensacja i opady deszczu. W zależności od efektywności powstawania deszczu powietrze w kowadle jest bardziej lub mniej wilgotne, co powoduje zmianę nawilżenia górnych warstw atmosfery i zmianę prawdopodobieństwa wystąpienia górnych chmur. Hipoteza tęczówki zakłada, że efektywność powstawania deszczu zależy od temperatury powierzchni oceanu.

W obszarach głębokiej konwekcji prawie całe promieniowanie słoneczne jest odbijane do przestrzeni kosmicznej, wierzchołki chmur wypromieniowują bardzo mało energii cieplnej. Chmury cirrus w kowadle odbijają część promieniowania słonecznego do przestrzeni kosmicznej, a część przenika do ziemi. Podobnie jest z promieniowaniem długofalowym, część promieniowania dochodzącego od ziemi jest przepuszczana przez kowadło. Natomiast obszar bez chmur i bez pary wodnej jest przeciwieństwem obszarów głębokiej konwekcji – większość promieniowania słonczego dochodzi do ziemi i jest emitowana w paśmie podczerwonym. Tak więc efekt źrenicy zależy także od podziału pomiędzy obszarem głębokiej konwekcji, obszarem kowadła i obszarem bez chmur.

Hipoteza ta jest jednym z argumentów używanych przeciw dodatniemu sprzężeniu zwrotnemu temperatury oceanu i pary wodnej tzw. niekontrolowanemu efektowi cieplarnianemu (runaway global warming).

Efekt tęczówki został zaproponowany w 2001 roku przez Richarda Lindzena i współautorów. Wiele lat przed Lindzenem podobne argumenty były sformułowane przez Williama Graya, który wskazywał, że osiadanie powietrza w rozległych obszarach pomiędzy prądami wstępującymi głębokiej konwekcji powoduje wysuszanie atmosfery.

Hipoteza termostatu

Hipoteza termostatu równikowego to meteorologiczna hipoteza, która stara się wytłumaczyć dlaczego maksymalna temperatura oceanu na ziemi utrzymuje się w granicach 300K.

W 1991 roku Ramanathan i Collins zapostulowali hipotezę termostatu tropikalnego, w której przy rosnącej temperaturze oceanu zaczyna rozwijać się głęboka konwekcja burzowa, która powoduje powstawanie rozległych stratyfikowanych chmur w górnych warstwach atmosfery. Wierzchołki tych chmur odbijają promieniowanie słoneczne. W hipotezie termostatu ujemne sprzężenie zwrotne ogranicza maksymalną temperaturę wody na powierzchni ziemi. Hipoteza stanowiła centralny temat eksperymentu badawczego CEPEX w 1993 roku.

Eksperyment zakończył się połowicznym sukcesem, a jego głównym wynikiem była kontrowersyjna hipoteza anomalnej absorpcji chmur opublikowana w czasopiśmie Science w 1995 głosząca, że radiacyjny wpływ chmurowy w tropikach jest o około 1,5 raza większy niż postulowany uprzednio. Hipoteza ta przez wiele lat dominowała dyskusję efektu chmur na klimat.

Dwutlenek węgla

Dwutlenek węgla silnie pochłania promieniowanie podczerwone w trzech pasmach. Jeden z zakresów pochłaniania wypada w pobliżu maksimum promieniowania cieplnego Ziemi, obszar ten przypada w znacznej części na długości fal, w których para wodna słabo pochłania promieniowanie, dlatego jest on ważnym gazem cieplarnianym.

Dwutlenek węgla bierze udział w licznych procesach przyrodniczych na Ziemi, które wpływają na jego stężenie w atmosferze, a przez to i na efekt cieplarniany.

Głównymi naturalnymi źródłami dwutlenku węgla są emisje związane z wybuchami wulkanów, procesy życiowe organizmów i rozkładu substancji organicznych w tym także w bagnach i torfowiskach, oraz oddawanie CO2 wcześniej zaabsorbowanego przez zbiorniki wodne.

Człowiek również wytwarza dwutlenek węgla głównie w wyniku spalania paliw kopalnych zawierających węgiel. Ważnym procesem w bilansie atmosferycznego dwutlenku węgla jest rozpuszczanie się CO2 w oceanach, gdzie jest on częściowo pochłaniany przez organizmy żywe, oraz wchodzi w reakcje chemiczne, a częściowo pozostaje w wodzie oceanicznej. Powoduje to zwiększenie stężenia dwutlenku węgla w warstwach powierzchniowych wody, następnie, w wyniku powolnego mieszania się wód oceanicznych, także w głębszych jej warstwach i wzrost zakwaszenia wód. Konsekwencją pochłaniania CO2 w oceanach jest znacznie mniejszy wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, niż wynikałoby to z ilości spalonych paliw kopalnych. Z kolei oddawanie CO2 zaabsorbowanego przez oceany powoduje wzrost jego stężenia w atmosferze wraz ze wzrostem temperatury wody w związku ze zmniejszeniem rozpuszczalności.

Pomiary dwutlenku węgla w obserwatorium Mauna Loa pokazują, że stężenie CO2 wzrosło z około 313 ppm (cząsteczek na milion) w 1960 do około 420 ppm w 2023 roku (krzywa Keelinga). Obecnie obserwowane koncentracje przewyższają stężenia CO2 z ostatnich 800 tys. lat, okres, dla którego uzyskano wiarygodne dane z rdzeni lodowych, których maksima szacowane są na ok. 300 ppm.

Rdzeń lodowy to próbka rdzeniowa z wieloletniej akumulacji śniegu i lodu, które zrekrystalizowały i uwięziły pęcherzyki powietrza oraz inne osady pochodzące z różnych okresów. Ze składników rdzenia lodowego, szczególnie obecności izotopów wodoru i tlenu, możliwe jest odczytanie informacji o klimacie w przeszłości. Rdzeń wydobyty z kopuły lodowej Dome C na Antarktydzie pozwala odtworzyć historię klimatu w ciągu ostatnich 800 tysięcy lat. Starszy lód, zalegający na większej głębokości, w większości przypadków ulegał stopieniu pod wpływem ciepła geotermalnego. Przewiduje się, że w niektórych obszarach lądolodu antarktycznego może być możliwe wydobycie rdzeni sięgających aż 1,5 miliona lat wstecz. W 2017 roku poinformowano o wydobyciu rdzenia zawierającego niebieski lód lodowcowy o wieku sięgającym 2,7 miliona lat (najmłodszy pliocen), czyli obejmującego cały czwartorzęd i sięgającego w okres przed zlodowaceniami.

W artykule opublikowanym w 2008 w PNAS dyskutowane są oceny stężenia dwutlenku węgla wykonane na podstawie zagęszczenia porów liści w latach 1000–1500 naszej ery. Oceny wykonane na podstawie pomiarów indeksu porów dębu angielskiego wskazują na zmiany dwutlenku węgla o około 34 ppm pomiędzy 1200 a 1300 rokiem. Są to zmiany większe niż oceny wykonane na podstawie analizy pęcherzy powietrza w rdzeniach antarktycznych. Autorzy sugerują, że obserwowane zmiany związane są ze zmianami temperatury oceanu. W pracy Friederike Wagner i in. wysunięto wniosek, że stężenie CO2 we wczesnym holocenie było znacznie wyższe (ponad 300 ppm), niż się powszechnie uważa. Inni naukowcy uznali ten pogląd za nieuzasadniony i pozostający w sprzeczności z innymi niezależnymi pomiarami i szacunkami stężenia CO2.

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 zwiększenie stężenia CO2 mogło z dużym prawdopodobieństwem spowodować globalne ocieplenie, dlatego za obserwowany od początku XX wieku wzrost temperatury Ziemi obarcza się głównie wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze.

dodatkowe informacje:
Dwutlenek węgla

Wpływ 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.

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 diazotu 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 dokładnie określić 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.

dodatkowe informacje:
Gazy cieplarniane

Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (Global warming potential, GWP)

Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego to wskaźnik służący do ilościowej oceny wpływu danej substancji na efekt cieplarniany. Porównuje ilość ciepła zatrzymanego przez określoną masę gazu do ilości ciepła zatrzymanego przez podobną masę dwutlenku węgla. GWP jest przeliczany dla określonego przedziału czasu, zwykle 20, 100 lub 500 lat. GWP dla dwutlenku węgla wynosi z definicji 1.

Do związków o dużym GWP należą freony, np. dla freonu R-12 (CFC-12) wynosi on 10 600.

Wartość współczynnika GWP zależy od:

• stopnia absorpcji promieniowania podczerwonego przez daną substancję chemiczną
• czasu życia danej substancji chemicznej w atmosferze

Węgiel uczestniczy w szybkim cyklu węglowym, w którym pojedyncza cząsteczka CO2 jest usuwana z atmosfery i zastępowana inną cząsteczką CO2 nie zmieniając nadwyżki dwutlenku węgla w atmosferze. Jednocześnie CO2 w niewielkich nadwyżkach jest stosunkowo dobrze absorbowany przez przyrodę, natomiast duże nadwyżki CO2 pozostaną w atmosferze przez setki tysięcy lat lub miliony lat.

Wartości GWP dla wybranych substancji (według IPCC)

Efekt cieplarniany a inne ciała niebieskie

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 cieplarniany jest minimalny z powodu niewielkiego ciśnienia (grubości) atmosfery. Efekt cieplarniany na Tytanie, księżycu Saturna, wywołany przez dużą zawartość metanu w atmosferze, chroni ją przed skondensowaniem w panującej tam niskiej temperaturze.

źródło: materiały prasowe
Central Equatorial Pacific Experiment, autorzy, licencja CC BY SA 3.0
Efekt cieplarniany, autorzy, licencja CC BY SA 3.0
Globalne ocieplenie, autorzy, licencja CC BY SA 3.0
Hipoteza tęczówki, autorzy, licencja CC BY SA 3.0
Hipoteza termostatu, autorzy, licencja CC BY SA 3.0
Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego, autorzy, licencja CC BY SA 4.0
Rdzeń lodowy z odwiertu, autorzy, licencja CC BY SA 3.0

Zmiany klimatu – dodatkowe informacje:
carbon offset, dekarbonizacja, denializm klimatyczny (zaprzeczanie globalnemu ociepleniu), depresja klimatyczna (ekolęk, lęk klimatyczny), fakty i mity klimatyczne, handel emisjami CO2, hipoteza pistoletu metanowego, naturalna zmienność klimatu, neutralność klimatyczna, neutralność węglowa, odnawialne źródła energii, rekompensata węglowa, sekwestracja CO2, ślad ekologiczny, ślad węglowy, ślad wodny, węglowy rezerwuar, zielona transformacja energetyczna, zielony rozwój, zrównoważony rozwój

efekt cieplarniany, gazy cieplarniane, globalne ocieplenie
dwutlenek węgla, freony (chlorofluorowęglowodory CFC), metan, ozon, podtlenek azotu

międzynarodowe organizacje, petycje, protokoły, umowy:
Europejski System Handlu Emisjami (EU ETS), Europejski Zielony Ład, funduszu Loss and Damage, Green Climate Fund, Konferencje Stron COP (Conferences of the Parties), Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC), Petycja Oregońska, Porozumienie Paryskie, Protokół z Kioto, Ramowa konwencja Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu (United Nations Framework Convention on Climate Change – UNFCCC, FCCC)

zagrożenia ekologiczne związane z zmianami klimatu:
blaknięcie (bielenie) raf koralowych, El Niño, ekstremalne zjawiska, gatunki zagrożone wyginięciem, geoinżynieria klimatu, gwałtowne zmiany pogody, huragany, kwaśny deszcz, La Niña, miejska wyspa ciepła, migracje gatunków, migracja ludności, ocieplenie oceanu, odtlenienie oceanu, osuwiska i tsunami, otwarcie nowych szlaków handlowych, paliwa kopalne, podtopienia, powodzie, punkty krytyczne w ziemskim systemie klimatycznym, pustynnienie, redukcja morskiej pokrywy lodowej (zmniejszenie zasięgu i frekwencji lodu morskiego), sprzężenia zwrotne w ziemskim systemie klimatycznym, straty ekonomiczne, susza, topnienie lodowców i lądolodów, topnienie lodu morskiego, topnienie wiecznej zmarzliny, ubożenie (utrata) różnorodności biologicznej, wydłużony okres wegetacyjny roślin, wylesianie (deforestacja), wymieranie gatunków, wzrost poziomu mórz i oceanów, wzrost śmiertelności, zakwaszenie wód (rzek, jezior, mórz i oceanów), zmniejszony dopływ słodkiej wody, zanieczyszczenie powietrza, zanieczyszczenie środowiska, zmiana (modyfikacja) cyrkulacji atmosferycznej, zmiana cyrkulacji termohalinowej (zaburzenie cyrkulacji oceanicznej), zwiększenie produkcji rolnej, zwiększenie powierzchni tundry w Arktyce, zwiększony zasięg występowania wektorów przenoszących zakaźne drobnoustroje (rozprzestrzenianie się chorób)

Wiedza ekologiczna – dodatkowe informacje:
aforyzmy ekologiczne, biblioteka ekologa, biblioteka młodego ekologa, ekoprognoza, encyklopedia ekologiczna, hasła ekologiczne, hasztagi (hashtagi) ekologiczne, kalendarium wydarzeń ekologicznych, kalendarz ekologiczny, klęski i katastrofy ekologiczne, największe katastrofy ekologiczne na świecie, międzynarodowe organizacje ekologiczne, podcasty ekologiczne, poradniki ekologiczne, (nie) tęgie głowy czy też (nie) najtęższe umysły, znaki i oznaczenia ekologiczne

Dziękuję, że przeczytałaś/eś powyższe informacje do końca. Jeśli cenisz sobie zamieszczane przez portal treści zapraszam do wsparcia serwisu poprzez Patronite.

Możesz również wypić ze mną wirtualną kawę! Dorzucasz się w ten sposób do kosztów prowadzenia portalu, a co ważniejsze, dajesz mi sygnał do dalszego działania. Nad każdym artykułem pracuję zwykle do późna, więc dobra, mocna kawa wcale nie jest taka zła ;-)

Zapisz się na Newsletter i otrzymuj email z ekowiadomościami. Dodatkowo dostaniesz dostęp do specjalnego działu na stronie portalu, gdzie pojawiają się darmowe materiały do pobrania i wykorzystania. Poradniki i przewodniki, praktyczne zestawienia, podsumowania, wzory, karty prac, checklisty i ściągi. Wszystko czego potrzebujesz do skutecznej i zielonej rewolucji w twoim życiu. Zapisz się do Newslettera i zacznij zmieniać świat na lepsze.

Chcesz podzielić się ciekawym newsem lub zaproponować temat? Skontaktuj się pisząc maila na adres: informacje@wlaczoszczedzanie.pl

Więcej ciekawych informacji znajdziesz na stronie głównej portalu Włącz oszczędzanie