7. EFEKT CIEPLARNIANY

7. EFEKT CIEPLARNIANY 7.01. Efekt cieplarniany-wprowadzenie 7.02. Widmo promieniowania docierającego 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 róŝnych regionach świata w 2007 roku względem średniej 30. letniej za lata 1951-1980 7.09. Zmiana profilu temperatury w atmosferze ziemskiej 7.10. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury na Ziemi 7.11. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury gazy cieplarniane 7.12. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury wulkany, aerozole kwasu siarkowego 7.13. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury - aktywność Słońca 7.14. Wzrost zawartości CO2 w atmosferze i aktywność Słońca a zmiany średniej temperatury 7.15. Oceany jako regulator klimatu ziemskiego 7.16. Cyrkulacja wód oceanu światowego 7.17. Zakłócenia pionowej wymiany wód oceanu światowego 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 róŝne modele klimatyczne 7.23. Prognozy na II poł. XXI wieku 1

7.01. Efekt cieplarniany-wprowadzenie 2

7.02. Widmo promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi i emitowanego z powierzchni Ziemi 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) 3

7.03. Temperatura efektywna Ziemi Z warunku S a = E z wyznaczyć moŝna temperaturę efektywną Ziemi T e 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 Ilość wypromieniowanej z powierzchni Ziemi energii równowaŝącej insolację określa prawo Stefana Boltzmanna 4 Ez = σ δ T e σ- stała Stefana Boltzmanna, 56,679 10-9 W/(m 2 K 4 ) δ- względna zdolność emisyjna ( stopień czerni ciała), dla Ziemi δ = 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 S δ σ T 4 a e = = 255,9 K gdzie R promień Ziemi 4

7.04. 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 Temperatury efektywne Wenus, Ziemi i Marsa planeta odległość od Słońca, mln km stała słoneczna, W/m 2 albedo temperatura obserwowana, 0 C Wenus 108 2660 0,65 + 460 Ziemia 150 1365 0,35 + 15 Mars 228 595 0,15-40 Podane w tabeli wartości mają charakter szacunkowy efekt termiczny, deg ~ 500 ~ 30 ~ 10 5

7.05. Dynamika zmian składu chemicznego atmosfery ziemskiej Termiczny wymiar efektu cieplarnianego (1985 r.) Para wodna Dwutlenek węgla 20,6 deg 7,6 deg Czas pobytu w atmosferze w latach 150 Metan Podtlenek azotu Freon 11 i 12 0,8 deg 1,4 deg <0,8 deg 10 150 65-130 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) Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology Łączne wymuszenie radiacyjne ok. 2,2 W/m 2 6

7.06. Wymuszenie radiacyjne roczny indeks gazów cieplarnianych wymuszenie radiacyjne w latach 1979-2007 Absorbowane długości IR, nm H 2 O, CO 2, CH 4 N 2 O, freony, ozon troposferyczny <8 000, > 12 000 8 000 12 000 Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology 7

7.07. Globalne zmiany temperatury przy powierzchni Ziemi Zmiany globalnej temperatury od 1900 do 2004 roku (czarna linia -średnia roczna, czerwona linia -średnia 11- letnia, kolor szary - obszar niepewności) Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology 8

7.08. Zmiany temperatury w róŝnych regionach świata w 2007 roku względem średniej 30. letniej za lata 1951-1980 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 9

7.09. Zmiana profilu temperatury w atmosferze ziemskiej stratosfera troposfera 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 Źródło:Australian Government -Bureau of Meteorology 10

7.10. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury na Ziemi troposferyczny aerozole kwasu siarkowego 11

7.11. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury gazy cieplarniane zmiany temperatury w stosunku do średniej z lat 1961-1990 12

7.12. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury wulkany, aerozole kwasu siarkowego Wpływ erupcji wulkanów: rozpraszanie (aerozole kwasu siarkowego), pochłanianie (pyły wulkaniczne) promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi Wpływ aerozoli kwasu siarkowego rozpraszanie promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi 13

7.13. Czynniki wpływające na zmianę globalnej temperatury - aktywność Słońca Wyraźnie widoczny 11-letni cykl wzrostu aktywności Słońca mierzony liczbą plam na Słońcu źródło: www.globalwarmingart.com Wykres aktywności słonecznej natęŝenie promieniowania słonecznego w W/m 2 źródło: www.globalwarmingart.com 14

7.14. Wzrost zawartości CO 2 w atmosferze i aktywność Słońca a zmiany średniej temperatury przy powierzchni ziemi 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. Korelacja pomiędzy aktywnością słoneczną a temperaturą Ziemi zanikła w latach 60. XX wieku. źródło: www.globalwarmingart.com 15

7.15. Oceany jako regulator klimatu ziemskiego 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. Termoklina granica, poniŝej której temperatura wody gwałtownie maleje wraz z głębokością, od 100 do 1000 m poniŝej poziomu morza) śółte/czerwone obszary to miejsca, gdzie ciepły ocean pozbywa się CO 2, a niebieskie/zielone to miejsca, gdzie zimny ocean pochłania CO 2. 16

7.16. Cyrkulacja wód oceanu światowego 17

7.17. Zakłócenia pionowej wymiany wód oceanu światowego 7.17. Zakłócenia pionowej wymiany wód oceanu światowego 18

7.18. Trendy klimatyczne (1) 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. 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 19

7.19.Trendy klimatyczne (2) 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). 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.). 20

7.20. Prognozy na II poł. XXI wieku Przewidywania zmian temperatury do lat 2070-2100 względem średniej z lat 1960-1990. Źródło: Global Warming Predictions Map 21

7.21. Modele klimatyczne 22

7.22. Temperatura w perspektywie schyłku XXI wieku róŝne modele klimatyczne "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 23

7.23. Prognozy na II poł. XXI wieku "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 24