Ryc. 1. Uproszczony bilans energetyczny Ziemi (na podstawie pracy Kiehl i Trenberth (1997))

Efekt cieplarniany – zjawisko podwyższenia temperatury planety powodowane obecnością gazów cieplarnianych w atmosferze. Zmiany powodujące wzrost roli efektu cieplarnianego mogą być jedną z przyczyn globalnego ocieplenia.

Ciało niebieskie pozbawione atmosfery (np. Księżyc) pochłania i emituje promieniowanie bezpośrednio ze swojej powierzchni. Atmosfera zaburza ten proces wymiany ciepła, głównie poprzez ograniczenie ilości energii cieplnej wypromieniowywanej z powierzchni planety i dolnych warstw jej atmosfery bezpośrednio w przestrzeń kosmiczną. Proces ten jest wywołany przez gazy cieplarniane, pyły i aerozole zawieszone w atmosferze. W opisie zjawiska 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.

Choć efekt cieplarniany może zachodzić na wszystkich planetach posiadających atmosferę, dalsza część artykułu dotyczy tego zjawiska przede wszystkim w odniesieniu do 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 w 1896. Termin "efekt cieplarniany" wywodzi się z podobieństwa do przemian cieplnych zachodzących w szklarni (niekiedy używa się określenia – "efekt szklarniowy").

Na Ziemi termin "efekt cieplarniany" odnosi się zarówno do podwyższenia temperatury, związanego z czynnikami naturalnymi, jak i do zmiany tego efektu, wywołanego emisją gazów cieplarnianych wskutek działalności człowieka. W potocznym rozumieniu efekt naturalny jest często pomijany, zwracana jest natomiast uwaga na wzrost temperatury Ziemi w ciągu ostatniego stulecia, zwany globalnym ociepleniem. Efekt cieplarniany (naturalny), jest zjawiskiem korzystnym dla kształtowania warunków życia na Ziemi. Szacuje się, że podnosi on temperaturę powierzchni o 20 – 34 °C. Średnia temperatura naszej planety wynosi 14 – 15 °C. Gdyby efekt cieplarniany nie występował, przeciętna temperatura Ziemi wynosiłaby ok. –19 °C.

Mechanizm działania efektu cieplarnianego

Bilans cieplny

Ziemia wraz z atmosferą, jak każda inna planeta, otoczona jest prawie 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 około −18 °C do około –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, poniższy opis bilansu cieplnego opiera się na tej pracy.

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

Ryc. 2. Rozkład widmowy promieniowania słonecznego

Ryc. 3. Promieniowanie przechodzące przez atmosferę oraz czynniki odpowiedzialne za jego pochłanianie

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/metr kwadratowy 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•10 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 (Ryc. 2).

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:

Pochłonięte promieniowanie (około 1,2·10W) 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 (Ryc. 1).

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 (Ryc. 1). 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 (zobacz: atmosfera wzorcowa, gradient adiabatyczny). 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 (patrz stosunek Bowena).

Podsumowując bilans energetyczny na powierzchni Ziemi, do powierzchni dociera 168 W/m² promieniowania słonecznego dochodzącego oraz 324 W/m² promieniowania atmosfery, natomiast tracone jest 390 W/m² przez emisję promieniowania, 24 W/m² przenoszone do góry przez konwekcję oraz 78 W/m² przez parowanie (Ryc. 1).

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 (Ryc. 1) 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" (Ryc. 3). 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/m².

Każdy gaz pochłania i emituje promieniowanie elektromagnetyczne tylko w określonych dla danej substancji przedziałach częstotliwości (długości fali) (Ryc. 3). 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 (Ryc. 3). 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.

Dwutlenek węgla

Ryc. 4. Atmosferyczne stężenie CO2 w ostatnich dekadach. Dane z obserwatorium w Mauna Loa.

Dwutlenek węgla silnie pochłania promieniowanie podczerwone w trzech pasmach (patrz grafika po prawej). 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, a następnie, w wyniku powolnego mieszania się wód oceanicznych, także w głębszych jej warstwach. 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 (Ryc. 4) pokazują, że stężenie CO2 wzrosło z około 313 ppm (cząsteczek na milion) w 1960 do około 385 ppm w 2008 (krzywa Keelinga). Obecnie obserwowane koncentracje przewyższają stężenia CO2 z ostatnich 650.000 lat, okres dla którego uzyskano wiarygodne dane ze rdzeni lodowych, których maksima szacowane są na ok. 300 ppm. Z innych, mniej bezpośrednich dowodów geologicznych przypuszcza się, że zawartości dwutlenku węgla nie były tak wysokie od 20 milionów lat.

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 ppmv 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 ppmv) 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 mogły 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.

Wpływ poszczególnych 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. Tabela 1 pokazuje szacowane wartości na podstawie obliczeń teoretycznych.

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 azotu 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.