Czym jest efekt cieplarniany?
Środa, 23.09.2020. Marcin Popkiewicz
Fot. Melissa Bradley on Unsplash
Najprościej mówiąc efekt cieplarniany, to zjawisko podwyższenia temperatury powierzchni planety przez obecne w jej atmosferze gazy cieplarniane. Efekt cieplarniany w bardzo istotny sposób kształtuje klimat naszej planety. Temperatura powierzchni Ziemi wynosi ok. 14°C. Gdyby nie efekt cieplarniany, średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosiłaby prawie -20°C, a Ziemia byłaby skuta lodem aż po równik (rachunek ten nie uwzględnienia większego odbijania promieniowania przez lód, spadek temperatury w takiej sytuacji byłby więc jeszcze większy).
Fakt: Dzięki obecności atmosfery i działaniu efektu cieplarnianego średnia temperatura powierzchni Ziemi jest wyższa o 33°C.
Trochę historii albo kto i jak odkrył efekt cieplarniany
Efekt cieplarniany to zjawisko znane od dawna. Na początku XIX wieku, słynny brytyjski astronom, William Herschel, prowadząc obserwacje Słońca, posługiwał się różnego rodzaju filtrami i zauważył, że filtr czerwony nagrzewa się bardziej niż inne. Zaintrygowany, postanowił sprawdzić, jakie temperatury pokaże termometr umieszczany w świetle o różnych kolorach. Do rozszczepienia światła słonecznego użył pryzmatu i ku swojemu zaskoczeniu odkrył, że termometr pokazuje podwyższoną temperaturę nie tylko wtedy, gdy pada na niego światło widzialne, lecz także wtedy, gdy umieści się go obok widocznej czerwonej plamki. To doprowadziło go do wniosku, że oprócz widzialnego promieniowania słonecznego istnieje także niewidzialne – później nazwane podczerwonym (promieniowanie podczerwone, sąsiadujące z czerwonym światłem widzialnym, nazywamy „bliską podczerwienią”, a to bardziej od niego odległe „daleką podczerwienią”).
Rysunek 1: Wiązka białego światła po przejściu przez pryzmat zostaje rozszczepiona na wiązki różnokolorowe. Obok wiązki czerwonej znajduje się jeszcze wiązka podczerwona, której nasze oczy nie widzą. Z drugiej strony widma, za kolorem fioletowym znajdziemy promieniowanie ultrafioletowe. Ilustracja: Charon, Dreamstime.com
Po tym, jak Herschel odkrył, że ciepło jest przenoszone przez promieniowanie, około 20 lat później francuski fizyk i matematyk Józef Baptysta Fourier przeprowadził ścisłą analizę bilansu energetycznego naszej planety. Obliczył, że temperatura powierzchni naszej planety jest wyższa, niż wynikałoby to z ilości energii słonecznej otrzymywanej przez nią od Słońca. Poszukując źródła tego efektu, badacz sugerował, że może być zań odpowiedzialne niewidzialne promieniowanie termiczne („chaleur obscure”) i że atmosfera ma własności izolacyjne utrudniające ucieczkę ciepła w przestrzeń kosmiczną (to zjawisko nazywamy dziś „efektem cieplarnianym”). Później zostały przeprowadzone kolejne badania, w których zidentyfikowano gazy cieplarniane, a nasza wiedza o mechanizmach kształtujących klimat planety była coraz większa.
Fakt: Więcej na temat historii badań klimatu przeczytasz np. w cyklu Historia naukowa fizyki klimatu.
Ziemski grzejnik
Aby zrozumieć, jak gazy cieplarniane wpływają na bilans energetyczny Ziemi, rozważmy prosty przykład: ogrzewanie domu w chłodny dzień. Dom traci ciepło przez ściany (oraz dach, okna itd.), aby więc panowała w nim miła dla mieszkańców temperatura, należy dostarczać do niego energię termiczną, na przykład z ciepłowni do węzła cieplnego w piwnicy lub kablem do grzejnika elektrycznego. Jeśli chcemy, żeby temperatura w domu była stała, do domu musi dopływać tyle samo energii z ciepłowni, co ucieka na zewnątrz (powiedzmy dla przykładu, że jest to 1 kW).
Rysunek 2. Dom przed ociepleniem (z lewej strony) zyskuje ciepło w tempie 1kW, traci również 1 kW, a więc zebrana w domu energia termiczna jest stała (co przekłada się na stałą temperaturę, tu 10°C). Po prawej strony sytuacja po błyskawicznie przeprowadzonym dociepleniu domu. Ilość uciekającego ciepła spada do 0,5kW. W domu więc stopniowo gromadzi się więc więcej energii (rośnie temperatura).
Teraz wyobraźmy sobie, że dom pokrywamy błyskawicznie izolacją (przyszedł czarodziej, rzucił zaklęcie i dom został natychmiast ocieplony). Izolacja utrudnia ucieczkę ciepła (powiedzmy, że spada ona z 1 kW do 0,5 kW). Jeśli do budynku będziemy dostarczać tyle samo ciepła co wcześniej (1 kW), będziemy mieć sytuację, w której w budynku będzie kumulować się ciepło – będzie więc rosła temperatura. Stopniowo, w miarę wzrostu temperatury między wnętrzem budynku a otoczeniem, będzie rosła ucieczka ciepła na zewnątrz, aż w końcu z budynku znowu będzie uciekać 1 kW energii – tyle, że już przy cieplejszym wnętrzu budynku.
Rysunek 3. Nieocieplony dom z lewej jak na rys. 1. Z prawej strony dobrze ocieplony dom w stanie równowagi termicznej – ucieka tyle ciepła, co dostarczamy (1kW) – tyle, że przy wyższej różnicy temperatur (u nas 20°C).
Grzejnik mamy ten sam – wciąż dostarcza 1 kW ciepła (rachunki pozostają więc niezmienione), ale komfort termiczny w budynku zmienił się wyraźnie: inaczej mieszka się w domu o temperaturze 20°C niż w domu o temperaturze 10°C.
Utrudnienie ucieczki ciepła, przy tym samym grzejniku, spowodowało wzrost temperatury w domu.
Po zapoznaniu się z przykładem pogrubienia izolacji domu nie powinniście mieć trudności z odpowiedzią na pytanie: dlaczego, gdy przykrywamy się kocem, robi nam się cieplej – przecież to tylko kawałek tkaniny, nie wydzielający żadnego ciepła?
Fakt: Człowiek w spoczynku wydziela ok. 100 W ciepła (pracują serce, mózg i inne organy wewnętrzne).
Nasze ciało stara się utrzymywać stałą temperaturę (jesteśmy zwierzętami stałocieplnymi). Gdy na zewnątrz jest zimno, temperatura powierzchni naszego ciała spada, co jest dla nas nieprzyjemne (a także niezdrowe lub w skrajnych przypadkach wręcz niebezpieczne), co ogranicza utratę ciepła. Przykrywając się kocem utrudniamy jego ucieczkę, podobnie jak w dobrze zaizolowanym domu – w rezultacie tracimy mniej energii niż wydzielamy, temperatura pod kocem więc wzrasta. Czemu tak dokładnie to opisaliśmy? Ponieważ ziemski system klimatyczny zachowuje się bardzo podobnie. „Grzejnikiem” (dostarczycielem energii) jest oczywiście Słońce (dostawa ciepła od Słońca uśredniona w cyklu rocznym jest niemal stała, zmienność to ok. 0,1% w cyklach słonecznych o krótszym i dłuższym okresie); a nasz dom – Ziemia – w stabilnym stanie klimatycznym emituje w przestrzeń kosmiczną tyle samo energii co pochłania od Słońca.
Fakt: Słońce jest gwiazdą, której powierzchnia jest rozgrzana do temperatury ponad 5000 stopni.
Ciało o takiej temperaturze świeci głównie w świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni. Powierzchnia Ziemi jest dużo chłodniejsza i wypromieniowuje światło o dużo niższej energii, w zakresie dalekiej podczerwieni. To, jak promieniują ciała o takiej temperaturze, możemy stwierdzić, na przykład kierując na budynek czy człowieka kamerę rejestrującą promieniowanie podczerwone.
Rysunek 4. Obraz ulicy w dalekiej podczerwieni. Po prawej stronie widoczna jest skala temperatury w stopniach Celsjusza.
Rysunek 5. Osoba z ręką w foliowej torbie – po lewej obraz w świetle widzialnym, po prawej w podczerwieni. Na obrazie w świetle widzialnym ręka jest niewidoczna; jednak wyemitowane przez rękę promieniowanie podczerwone przechodzi przez folię i jest widoczne na obrazie wykonanym za pomocą kamery termowizyjnej.
Jak widzimy na Rysunku 5, różne materiały mogą pochłaniać promieniowanie o różnych długościach fali. Na przykład znajdujące się w okularach szkło przepuszcza większość promieniowania widzialnego, pochłania zaś promieniowanie w dalekiej podczerwieni – z tego powodu okulary na zdjęciu z kamery termowizyjnej są ciemne. Szyby nie bez powodu robimy ze szkła – przepuszczając światło widzialne wpuszczają do budynku światło, pozwalają też widzieć, co jest na zewnątrz; pochłaniając zaś promieniowanie w dalekiej podczerwieni utrudniają ucieczkę ciepła i wychładzanie się pomieszczeń.
Gazy cieplarniane, czyli ziemska „izolacja”
Nasza planeta nie jest gołą skałą, lecz jest przykryta warstwą atmosfery, w której obecne są gazy cieplarniane. Obrazowo mówiąc, to takie gazy, które zachowują się jak szkło – przepuszczają promieniowanie emitowane przez Słońce (widzialne i w bliskiej podczerwieni), pochłaniają zaś promieniowanie emitowane z powierzchni naszej planety (w dalekiej podczerwieni). Zwiększanie ich ilości w atmosferze nie zmienia ilości docierającego do powierzchni Ziemi i pochłanianego przez nią promieniowania, utrudnia za to ucieczkę ciepła z powierzchni naszej planety.
Rysunek 6. Analogia efektu cieplarnianego z domem z dwóch poprzednich rysunków. Słońce jako grzejnik dostarcza energii (w świetle widzialnym). Pochłonięta przez Ziemię energia jest wypromieniowywana (w dalekiej podczerwieni). Gazy cieplarniane w atmosferze (które nie pochłaniały światła widzialnego), pochłaniają daleką podczerwień, działając jak izolacja. Zwiększając ich ilość powodujemy „pogrubienie izolacji”, a Ziemia, żeby osiągnąć równowagę pomiędzy energią pochłanianą ze Słońca a energią wypromieniowaną, ogrzewa się.
Już zanim na Ziemi pojawiliśmy się my, ludzie, i zaczęliśmy budować cywilizację przemysłową, nasza planeta miała atmosferę z gazami cieplarnianymi – obrazowo mówiąc, nasz dom miał już swoją izolację. Dzięki temu naturalnemu efektowi cieplarnianemu średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosiła plus kilkanaście stopni, a nie minus kilkanaście, jak by było bez niego.
Nie trzeba być fizykiem atmosfery, żeby zrozumieć, jak działa globalne ocieplenie. Nie trzeba skomplikowanych badań ani tysięcy pomiarów. Żeby zrozumieć zasadę działania wystarczy codzienne doświadczenie i najprostsze zrozumienie otaczającego nas świata. Już niemal 200 lat temu Joseph Fourier potrafił nie tylko prosto zanalizować, ale i oszacować, że stanowiące „izolację” naszej planety gazy cieplarniane mają olbrzymie znaczenie dla temperatury na jej powierzchni. Zwiększając izolacyjność atmosfery, powodujemy, że na powierzchni Ziemi zrobi się cieplej.
Opisaliśmy tu podstawy zjawiska, w wyniku którego temperatura powierzchni Ziemi jest wyższa, niż byłaby bez atmosfery z gazami cieplarnianymi. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o efekcie cieplarnianym, zapraszamy na portal Nauka o Klimacie, do artykułów Efekt cieplarniany – jak to działa oraz bardziej zaawansowanego cyklu artykułów Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych.
Komentarze
