Troposfera

Wiadomości podstawowe

Promieniowanie i efekt cieplarniany 

Prawie cała energia dostępna na Ziemi pochodzi od Słońca. Co się jednak dzieje ze światłem słonecznym w czasie jego wędrówki na Ziemię i jak energia cieplna emitowana przez Ziemię trafia w kosmos?

Wpływ atmosfery na promieniowanie słoneczne

W pierwszej części niniejszego pola tematycznego dowiedzieliśmy się, że powietrze to mieszanina gazów. Ponadto w powietrzu unoszą się cząstki stałe i zawiera ono parę wodną, która czasem tworzy małe kropelki wody widoczne np. jako chmury. W czasie burzy piaskowej na pustyni albo w czasie burzy śnieżnej, słońce jest niewidoczne i do ziemi dociera mało promieniowania słonecznego. Podobnie w deszczowy dzień, kiedy chmury pokrywają całe niebo, do ziemi dociera znacznie mniej światła niż w dniu jasnym i  słonecznym. Jednak nie tylko chmury, ale także niewidoczne gazy atmosferyczne oddziałują na światło docierające do nas ze Słońca.

Bilans energii

Kiedy promieniowanie słoneczne dociera do Ziemi i zostaje pochłonięte – powoduje ogrzanie jej powierzchni. Woda w morzach ogrzewa się, co czujemy zwłaszcza latem kąpiąc się, ulice w miastach nagrzewają się tak bardzo, że nie sposób dotknąć ich gołą stopą. Ziemia nie może magazynować tego ciepła i wypromieniowuje je. Promieniowanie emitowane przez Ziemię różni się od promieniowania słonecznego. Promieniowanie słoneczne to głównie promieniowanie widzialne i ultrafioletowe (UV). Promieniowanie Ziemi jest niewidzialne i nazywamy je podczerwonym czy też długofalowym, albo cieplnym. Zawiera ono mniej energii niż promieniowanie słoneczne.

• A oto ważna reguła:

Gdyby Ziemia nie wypromieniowywała z powrotem w kosmos energii, którą dostaje od Słońca to coraz więcej energii gromadziłoby się na Ziemi i stawałaby się ona coraz cieplejsza. Tak się jednak nie dzieje. Długookresowy bilans energetyczny Ziemi jest równy zero. Oznacza to, że Ziemia oddaje z powrotem to co otrzymała.
Na ryc. 2 pokazane jest promieniowanie słoneczne (kolorem żółtym) i promieniowanie podczerwone wysyłane przez Ziemię (kolorem czerwonym).
 

2. Co się dzieje z promieniowaniem Słońca i Ziemi w atmosferze? Wyjaśniamy to w 10 punktach poniżej.
Autor: Elmar Uherek. Opracowanie graficzne: Mateusz Kamiński.

Co się dzieje z promieniowaniem gdy przechodzi przez atmosferę?

Najpierw popatrzmy co się dzieje z promieniowaniem słonecznym.

(1) Słońce jest źródłem całego promieniowania i energii docierających do Ziemi z kosmosu.
(2) Część promieniowania słonecznego dociera do powierzchni Ziemi, która jest bardzo zróżnicowana, pokryta m.in. lasami, oceanami, pustyniami, sawannami, miastami, lodem i śniegiem.
(3) Powierzchnia Ziemi nie pochłania całego promieniowania słonecznego, częściowo je odbija. Zwłaszcza jasne powierzchnie, jak lód czy śnieg, odbijają znaczną część docierającego promieniowania słonecznego.
(4) Odbicie promieniowania ma miejsce nie tylko na powierzchni Ziemi. Także chmury i niektóre aerozole odbijają promieniowanie słoneczne.
(5) Pochłanianie promieniowania (absorpcja) także zachodzi nie tylko na powierzchni Ziemi, ale również w powietrzu; niektóre cząsteczki gazów i cząstki stałe absorbują część promieniowania.

Ta część promieniowania słonecznego, która zostanie pochłonięta ogrzewa powierzchnię Ziemi. Ziemia wypromieniowuje to ciepło jako promieniowanie podczerwone. Popatrzmy teraz co się dzieje z tym promieniowaniem.

(6) Powierzchnia Ziemi ogrzana dzięki pochłanianiu promieniowania słonecznego jest źródłem promieniowania cieplnego (czyli długofalowego, podczerwonego).
(7) Część energii jest zużywana na parowanie wody. Zachodzi tu proces, który obserwujemy np. gotując wodę w czajniku: aby zamienić wodę w stanie ciekłym na wodę w stanie gazowym (czyli parę wodną) musimy dostarczyć energii, czyli podgrzać ją. W przyrodzie woda w stanie ciekłym, np. w oceanach, paruje tworząc parę wodną w powietrzu.
(8) Część promieniowania podczerwonego uchodzi bezpośrednio w kosmos, ale stosunkowo niewiele.
(9) Chmury nie tylko odbijają promieniowanie słoneczne, one także pochłaniają je i potem ponownie wypromieniowują, także w kierunku Ziemi. Pochmurne niebo utrzymuje ciepło na Ziemi jak kołderka.
(10) Ponadto w powietrzu znajdują się cząstki stałe i gazy, które pochłaniają promieniowanie podczerwone. Są to tzw. gazy cieplarniane. Zatrzymują energię tego promieniowania blisko powierzchni Ziemi.

Wszystkie opisane tu procesy związane ze światłem a zachodzące w atmosferze i na powierzchni Ziemi mają wpływ na funkcjonowanie systemu klimatycznego. Dlaczego jednak nazywamy to efektem cieplarnianym?

3. Efekt cieplarniany – porównanie szklarni i Ziemi.
źródło: NOAA

Rola gazów cieplarnianych w atmosferze może być porównana do roli szklanego dachu w szklarni. Szkło pozwala światłu słonecznemu dostać się do środka szklarni. Promieniowanie słoneczne zostaje pochłonięte i ogrzewa glebę i rośliny w szklarni.  One z kolei emitują promieniowanie cieplne. Kiedy dociera ono do szklanego dachu nie jest przepuszczane na zewnątrz lecz pochłonięte przez szkło a następnie wypromieniowane z powrotem. (Zauważmy, że szkło jest ciałem stałym, jest więc barierą dla konwekcyjnego przemieszczania się ciepłego powietrza, dlatego też porównanie szklarni i atmosfery tłumaczy tylko niektóre aspekty omawianych procesów.) W uproszczeniu można więc powiedzieć, że gazy cieplarniane w atmosferze pozwalają światłu słonecznemu dotrzeć do powierzchni Ziemi, ale zatrzymują promieniowanie cieplne Ziemi.

O tej stronie:

Autor: dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: dr Pascal Guyon - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Konsultacja dydaktyczna: Roland Bergmann + uczniowie, szkoła zawodowa Velbert
Konsultacja dydaktyczna wersji polskojęzycznej: mgr Hanna Smolińska, Zespół Szkół Rolniczych CKP, Kaczki Średnie - 2008-09-18
Ostatnia aktualizacja: 2008-09-30
Tłumaczenie na język polski: dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków