Efekt cieplarniany występuje, gdy atmosfera zawiera gazy pochłaniające promieniowanie termiczne (podczerwone). Promieniowanie termiczne emitowane z powierzchni planety nie może wydostać się bezpośrednio w kosmos, bo jest pochłonięte przez atmosferę. Atmosfera ogrzewa się od tego pochłoniętego promieniowania i w sama emituje promieniowanie termiczne: w kosmos i do powierzchni planety. W związku z tym, do powierzchni planety dociera więcej energii, niż gdyby nie było atmosfery. EFEKT CIEPLARNIANY
Temperatura efektywna Ziemi widzianej z kosmosu wynosi: Te=[(1-A)FS/σ]1/4 gdzie: A albedo, Fs średni strumień promieniowania krótkofalowego na jednostkę powierzchni (342W/m2), σ stała Stefana-Boltzmanna. Temperatura efektywna naszej planety wynosi 255K, podczas gdy średnia temperatura przy powierzchni Ziemi wynosi 288K. Te 33K różnicy zawdzięczamy gazom cieplarnianym:
Począwszy od początku XIX wieku koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze stale rośnie i wg prognoz w 2050 roku jego zawartość podwoi się w stosunku do wartości jaka była na na początku tego okresu. Jest to efektem spalania paliw kopalnych oraz (w mniejszym stopniu) zmianami w szacie roślinnej. W paliwach tych zgromadziły się znaczne zasoby węgla przyswojone w przeszłości z atmosfery przez rośliny. Według modeli radiacyjnych podwojenie dwutlenku węgla spowoduje wymuszanie radiacyjne wzrost strumienia promieniowania długofalowego docierającego do powierzchni Ziemi o ok 4W/m2 (w stosunku do ery preindustrialnej). Podobnie jest z koncentracją innych gazów cieplarnianych. Obserwujemy stały wzrost ich koncentracji w ostatnich latach. Wiąże sie to: 1) ze wzrostem produkcji rolnej (ryż, bydło i trzoda chlewna produkują metan, nawozy sztuczne powodują wzrost koncentracji tlenków azotu); 2) ze wzrostem transportu (tlenki azotu powstają w silnikach spalinowych, ozon troposferyczny powstaje w reakcjach fotochemicznych z udziałem węglowodorów).
BILANS ENERGII UKŁADU ZIEMIA ATMOSFERA PRZESTRZEŃ KOSMICZNA EFEKT CIEPLARNIANY KOSMOS ATMOSFERA ZIEMIA Zmiany tego bilansu prowadzą do zmian klimatu.
Zmiany koncentracji dwutlenku węgla (CO2 ) w atmosferze.
Aktualna i prognozowana emisja dwutlenku węgla do atmosfery rozkład przestrzenny.
Zmiany koncentracji metanu (CH4 ) w atmosferze.
Metan w atmosferze
Aerozole wpływają istotnie na transfer promieniowania słonecznego w dolnej atmosferze rozpraszając je. Cząsteczki zanieczyszczeń mogą również absorbować promieniowanie słoneczne jednak dna ogół efekt ten jest zaniedbywalnie mały. Oddziaływanie aerozolu z promieniowaniem zależy od rozmiaru aerozolu, jego składu chemicznego oraz długości fali. Rozmiar cząsteczek aerozolu jest porównywalny do długości fali promieniowania słonecznego, w efekcie mamy do czynienia z rozpraszaniem typu Mie. Oznacza to, że współczynnik ekstynkcji promieniowania nie jest monotoniczną funkcja długości fali, zaś funkcja fazowa rozpraszania jest asymetryczna i zdecydowana większa liczba fotonów jest rozpraszana do przodu niż do tyłu. Aerozole oddziałują na klimat w dwojaki sposób. Pierwszy, tzw. bezpośredni efekt aerozolowy związany jest ze zmianami bilansu promieniowania słonecznego, wynikającymi z obecności warstwy aerozolu. Drugi, tzw. pośredni efekt aerozolowy polega na wpływie aerozolu na własności mikrofizyczne chmur. Oba te efekty działają LOKALNIE.
Rozkład przestrzenny grubości optycznej aerozolu atmosferycznego.
Aerozol mineralny pył z Sahary nad Oceanem Atlantyckim. Obraz satelitarny w świetle widzialnym.
Po lewej burza piaskowa nad Zatoką Perską, po prawej ten sam obszar pod cienką warstwa chmur Cirrus.
Grubość optyczna aerozolu w różnych porach roku.
Ilustracja pierwszego pośredniego efektu aerozolowego (czasami zwanego Efektem Twomeya ).
Pierwszy pośredni efekt aerozolowy: zmiany rozmiaru kropel chmurowych wpływają na własności optyczne chmur. Drugi pośredni efekt aerozolowy: zmiany rozmiaru kropel chmurowych wpływają na czas życia chmur i powstawanie opadu.
Smugi kondensacyjne nad Europą.
Wszystkie wspomniane czynniki musimy wziąć pod uwagę modelując procesy klimatyczne. Oczywiście to nie wystarczy!!! Niezwykle ważne jest to co dzieje sie na powierzchni Ziemi: własności powierzchni gruntu i OCEAN a w szczególności: - temperatura powierzchni morza (ang. Sea Surface Temperature) SST - cyrkulacje oceaniczne ( mechanizm transferu ciepła)
Modelowanie klimatu: + równania hydrodynamiki równania termodynamiki prawa transferu radiacyjnego własności składników atmosfery promieniowanie słoneczne oddziaływanie z podłożem model oceanu przemiany chemiczne układ równań modelu * * * zaklęcie w kod numeryczny uwzględnienie danych pomiarowych wielki superkomputer wirtualna rzeczywistość, w której możemy symulować mechanizmy zmian
Główne przyczyny zmian klimatu to: zmiany składu atmosfery: efekt cieplarniany efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni) w tym wybuchy wulkanów zmiany cyrkulacji oceanicznej zmienność aktywności Słońca zmiany w ozonosferze zmiany parametrów orbity ziemskiej dryf kontynentów zmiany pokrycia powierzchni Ziemi zmiany albeda, zmiany szorstkości, zmiany w wymianie ciepła i wody między atmosferą i powierzchnią Ziemi