Przejdź do treści

Zaburzony bilans energetyczny Ziemi

Słońce ponad Ziemią widziane z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.  Źródło: NASA, CC BY-NC

Nasz klimat jest określany przez przepływy energii. Kiedy ilość energii przychodzącej jest większa niż ilość energii wychodząca, planeta niebezpiecznie się nagrzewa. 

Energii nie można ani stworzyć ani zniszczyć – to podstawowa właściwość Wszechświata. Energię można jednak przekształcić w inną. Przykładowo, gdy promienie słoneczne docierają do Ziemi, zamieniają się w losowe ruchy cząsteczek, które odczuwamy jako ciepło. Ale jednocześnie Ziemia i jej atmosfera wysyłają to promieniowanie – w każdym razie jego część – z powrotem w kosmos. Równowaga pomiędzy energią przychodzącą do naszej planety i i wychodzącą z niej znana jest jako bilans energetyczny Ziemi.

Może się to zdarzyć na kilka sposobów. Bilans energii jest zaburzony, gdy lód morski, który w normalnych warunkach odbija promieniowanie słoneczne w kosmos, znika, a ciemny ocean zamiast odbijać, zaczyna pochłaniać tę energię. Dzieje się tak również, gdy gazy cieplarniane gromadzą się w atmosferze i zatrzymują część energii, która w przeciwnym razie zostałaby po prostu wypromieniowana w przestrzeń kosmiczną.

Naukowcy mierzą bilans energetyczny Ziemi od około 1980 roku – z wykorzystaniem czujników pracujących na sztucznych satelitach Ziemi, ale i tych działających na oceanach, w powietrzu i na lądzie. Jest to obecnie ważna część nowej oceny zmian klimatycznych, zaprezentowanej w raporcie Międzyrządowego Zespołu ONZ ds. Zmian Klimatu, opublikowanym 9 sierpnia 2021 r. Przyjrzyjmy się zatem bliżej temu, jak przepływa energia pomiędzy Ziemią a Wszechświatem, i co obecny bilans energetyczny mówi o tym, jak i dlaczego nasza planeta się ociepla.

Światło Słońca potrzebuje zaledwie 8 minut, by pokonać odległość dzielącą naszą gwiazdę od Ziemi. Praktycznie cała energia w układzie klimatycznym Ziemi pochodzi ze Słońca. Tylko niewielka jej część jest dociera do jej powierzchni z wnętrza planety. Średnio Ziemia otrzymuje 340,4 watów światła słonecznego na metr kwadratowy. Oczywiście więcej światła otrzymuje w ten sposób w ciągu dnia, a liczba te jest dodatkowo znacznie wyższa w lokalne południe.

Z tych 340,4 watów przypadających na każdy metr kwadratowy około 99.9 watów jest odbijanych z powrotem w kosmos, przez chmury, kurz, śnieg i powierzchnię Ziemi. Jednak już pozostałe 240,5 watów jest pochłaniane – około jednej czwartej przez atmosferę, a reszta przez powierzchnię Ziemi. Promieniowanie to jest następnie przekształcane w energię cieplną.

Prawie cała ta pochłonięta energia zostaje ostatecznie wyemitowana z powrotem w kosmos. Jednak nie zawsze. Obecnie niestety jej znacząca część akumuluje się w formie globalnego ocieplenia. Zgodnie z najnowszymi danymi Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu, ta wartość rezydualna (akumulująca się, nie wypromieniowana z powrotem pozostałość energii) wzrosła z wartości niespełna 0,6 wata na metr kwadratowy pod koniec ubiegłego wieku do 0,79 w latach 2006-2018. Wydaje się to niewiele, ale w praktyce duża  jej część nagrzewa teraz oceany.


Budżet energetyczny Ziemi. Nowe pomiary wskazują na wzrost nie wypromieniowywanej z powrotem w kosmos energii.
Na ilustracji: Budżet energetyczny Ziemi. Nowe pomiary wskazują na wzrost nie wypromieniowywanej z powrotem w kosmos energii. Źródło: NASA

 

Atmosfera pochłania dużo energii i emituje ją w postaci promieniowania zarówno w kosmos, jak i z powrotem na powierzchnię naszej planety. W rzeczywistości powierzchnia Ziemi otrzymuje więc prawie dwa razy więcej promieniowania z atmosfery niż z bezpośredniej ekspozycji na światło słoneczne. Dzieje się tak przede wszystkim dlatego, że Słońce ogrzewa powierzchnię Ziemi tylko w ciągu dnia, podczas gdy ciepła atmosfera znajduje się nad nią przez 24 godziny na dobę. Łącznie energia docierająca do powierzchni Ziemi ze Słońca i atmosfery wynosi około 504 watów na metr kwadratowy. Powierzchnia Ziemi wysyła około 79% tej wartości z powrotem w kosmos. Pozostała energia powierzchniowa powoduje z kolei parowanie wody i ogrzewanie się powietrza, oceanów i lądu.

Różnica pomiędzy napływającym światłem słonecznym a wychodzącym z takiego układu promieniowaniem podczerwonym wynika głównie z gromadzenia się w powietrzu gazów cieplarnianych takich jak dwutlenek węgla. Gazy te są przezroczyste dla światła słonecznego, ale nieprzezroczyste dla promieni podczerwonych – pochłaniają zatem i emitują wiele promieniowania podczerwonego z powrotem ku Ziemi.

Co to jednak oznacza dla globalnych temperatur? Obliczono, że podwojenie ilości dwutlenku węgla dodałoby 3,7 wata ciepła na każdy metr kwadratowy Ziemi. Możemy próbować wyobrazić sobie staromodne żarowe lampki nocne, rozmieszczone co około metr na całym świecie i pozostawione tam na zawsze. Niestety, to nie tylko fantazja. Przy obecnym tempie emisji między innymi dwutlenku węgla do połowy tego stulecia poziom gazów cieplarnianych podwoi się w porównaniu z poziomem sprzed epoki przemysłowej.

Klimatolodzy obliczyli, że doprowadzenie tak dużej ilości ciepła do planety spowodowałoby ocieplenie klimatu Ziemi o około 3 stopnie C. To – mówiąc delikatnie – niebezpiecznie dużo. Skuteczne zapobieganie takiemu zjawisku wymaga zastąpienia spalania paliw kopalnych, głównego dziś źródła emisji gazów cieplarnianych, innymi formami energii. Na przykład energią atomową.

Budżet energetyczny Ziemi jest  w centrum zainteresowania setek naukowców analizujących najnowsze badania. Wiedząc o tym, co się w nim zmienia, każdy z nas może dokonywać codziennych, najlepszych dla zachowania obecnego klimatu wyborów.


Czytaj więcej:


            
Źródło: Astronomy.com

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
 

Na zdjęciu: Słońce ponad Ziemią widziane z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.  Źródło: NASA, CC BY-NC

Reklama