25 marca
2010
Marcin Gerwin

Zdjęcie: José Miguel M.P/Flickr.

Zmiany klimatu to ogromny temat i trzeba się sporo naczytać, aby móc się w nim rozeznać. Nie wszystkie badania można potwierdzić samemu, jak na przykład odtwarzanie temperatur oceanu w kredzie, czyli 65-144 milionów lat temu, i pozostaje przyjąć, że badania te zostały zrobione poprawnie. Podstawy są jednak zupełnie proste i kiedy się je pozna, to można zrozumieć, dlaczego uważa się, że działalność człowieka przyczynia się do zmian klimatu na Ziemi. To po prostu fizyka i matematyka. W wypowiedziach osób, które zaprzeczają temu, by człowiek mógł mieć wpływ na ocieplanie się klimatu, pojawiają się wielokrotnie te same argumenty, jak to, że przecież wulkany dostarczają więcej CO2 rocznie niż ludzie albo że to Słońce świeci mocniej lub słabiej, przez co klimat ociepla się lub ochładza. Czy tak jest w rzeczywistości?

1. Na czym polega efekt cieplarniany?

To, że na naszej planecie jest ciepło, zawdzięczamy światłu Słońca. Promienie słoneczne niosą ze sobą ciepło, które ogrzewa Ziemię. Ziemia jednak nie nagrzewa się coraz bardziej i bardziej, lecz oddaje to ciepło w postaci niewidzialnego dla ludzkiego oka promieniowania podczerwonego. Jeżeli policzylibyśmy, jaka powinna być średnia temperatura na Ziemi, biorąc pod uwagę jedynie ilość ciepła, które dociera do Ziemi i ilość ciepła, które opuszcza Ziemię, to wyszłoby nam ok. -18°C. Coś więc się nie zgadza. Na Ziemi nie jest przecież tak zimno. Część ciepła, które oddaje Ziemia jest zatrzymywane przez gazy, które znajdują się w atmosferze otaczającą Ziemię. Dzięki temu, zamiast skutej mrozem planety, mamy średnią temperaturę ok. +15°C. Efekt cieplarniany jest więc niezbędny do tego, aby na Ziemi mogło się rozwinąć życie, jakie dziś znamy.

Efekt cieplarniany - ciepło uchodzące z nagrzanej przez Słońce Ziemi jest zatrzymywane przez gazy cieplarniane.

2. Czy wszystkie gazy mogą zatrzymywać ciepło?

Nie. Gazy, których jest najwięcej w atmosferze, czyli azot i tlen, nie mają takiej właściwości. Gdyby wokół Ziemi były tylko azot i tlen, to ciepło po prostu by przelatywało przez atmosferę i nie byłoby efektu cieplarnianego. Skąd to wiadomo? Zatrzymywanie ciepła przez gazy zostało stwierdzone eksperymentalnie. Jako pierwszy zbadał pod tym kątem gazy John Tyndall w połowie XIX wieku. Współczesny eksperyment pokazujący cieplarniane własności dwutlenku węgla można obejrzeć tutaj.

3. Dlaczego gazy cieplarniane są cieplarniane?

Wynika to z budowy ich cząsteczek. Dla uproszczenia można przyjąć, że gazy, które zbudowane są z 3 lub więcej atomów, będą reagowały na promieniowanie podczerwone o odpowiedniej częstotliwości. Będzie je ono wprawiało w wibrację, a praktyczny skutek tego będzie taki, że będą zatrzymywać ciepło, zamiast je przepuszczać. Gazy, które zbudowane są z tylko dwóch atomów, jak azot lub tlen, nie są wprawiane w wibrację przez promieniowanie podczerwone, podobnie jak argon, który występuje w powietrzu jako pojedynczy atom.

Potencjał cieplarniany, czyli to, jak dużo ciepła może dany zatrzymać gaz, jest różny dla różnych gazów. Dla przykładu: metan jest 25 razy silniejszym gazem cieplarnianym niż dwutlenek węgla, a sześciofluorek siarki jest aż 22 800 razy silniejszy.

Zobacz więcej:

4. Dlaczego tyle uwagi poświęca się dwutlenkowi węgla?

Dlatego, że z gazów cieplarnianych, wytwarzanych przez człowieka, jest go tak dużo, że jego wpływ na zatrzymywanie promieniowania podczerwonego jest znacznie większy niż metanu czy sześciofluorku siarki, nawet pomimo tego, że jest on od nich słabszym gazem cieplarnianym.

Zobacz więcej:

5. Czy to prawda, że w atmosferze jest tylko 0,0389% dwutlenku węgla?

Tak, w porównaniu z azotem lub tlenem jest go naprawdę bardzo mało. Azot i tlen stanowią razem aż 99,3% składu atmosfery. Wszystkie inne gazy mieszczą się w pozostałych 0,7%. Za efekt cieplarniany są więc odpowiedzialne gazy niemal śladowe. Metanu jest jeszcze mniej, ok. 0,00018%. Stężenie CO2 w powietrzu podaje się w cząsteczkach na milion (ang. parts per million) i jego obecny poziom wynosi ok. 389 ppm.

Azot i tlen w atmosferze Ziemi.

Zobacz także:

6. Jak bardzo zwiększyło się stężenie dwutlenku węgla w atmosferze na skutek działalności człowieka?

Wybuch wulkanu Pinatubo.

W 1750 roku, gdy dopiero zaczynano spalać na dużą skalę paliwa kopalne (węgiel, gaz ziemny i ropę naftową), stężenie CO2 w atmosferze wynosiło ok. 278 ppm. Dziś jest to ok. 389 ppm. Poziom dwutlenku węgla wzrósł zatem o 38%. Naturalnym źródłem dwutlenku węgla są wulkany, jednak ich emisje to ok. 300 milionów ton CO2 rocznie, czyli ok. 1% tego, co dziś ludzie dostarczają do atmosfery. Część emisji CO2 jest pochłanianych przez oceany i biosferę, jednak te emisje są dziś tak duże, że kumulują się w atmosferze i dlatego stężenie CO2 z roku na rok rośnie. Istotnym źródłem emisji dwutlenku węgla są oprócz spalania paliw kopalnych także rolnictwo, wycinanie lasów i produkcja cementu. Można więc spokojnie przyjąć, że na skutek działalności człowieka poziom CO2 w atmosferze wzrósł o ponad 30%.

Zobacz także:

7. Jaki jest bezpieczny dla klimatu poziom CO2 w atmosferze?

Według wyników badań przeprowadzonych przez zespół Jamesa Hansena jest to nie więcej niż 350 ppm. Jeżeli ten poziom zostaje przekroczony przez dłuższy okres czasu, to możliwe są globalne zmiany klimatu, spowodowane wzmocnionym efektem cieplarnianym.

Zobacz więcej:

8. Czy zmiany aktywności Słońca mają wpływ na klimat na Ziemi?

Plamy na Słońcu, NASA.

Tak. Słońce świeci trochę mocniej i trochę słabiej w cyklu, który trwa zwykle 11 lat (zdarza się także 9-12 lat). Cykl ten jest związany z pojawianiem się na Słońcu plam słonecznych i co ciekawe, właśnie kiedy jest ich dużo, Słońce świeci bardziej intensywnie. Jest to spowodowane tym, że pomimo tego, że same plamy są chłodniejsze niż reszta Słońca, to ich brzegi są cieplejsze i bilans wychodzi na plus. Wzrost aktywności Słońca w tym cyklu oznacza, że na metr kwadratowy powierzchni Ziemi przypadają ok. 0,2 wata energii słonecznej więcej (średnia ilość energii słonecznej, czyli stała słoneczna, to 1366,1 W/m²). Nie wystarcza to jednak do tego, aby wyjaśnić obserwowany obecnie wzrost średniej temperatury na Ziemi, albowiem zmiany aktywności Słońca, w tym cyklu, powodują zmiany temperatury o ok. 0,1-0,2°C .

Dodatkowym efektem związanym ze wzrostem jasności Słońca jest także to, że większa ilość promieniowania ultrafioletowego, jaka dociera wówczas do atmosfery Ziemi sprawia, że więcej cząsteczek tlenu jest rozbijanych przez promieniowanie UV i powstaje więcej ozonu, który jest gazem cieplarnianym (tlen natomiast nie jest gazem cieplarnianym). Wzmacnia to wpływ Słońca o ok. 1/3, do 0,3 wata łącznie.

Ilość energii słonecznej, która dociera do górnej części atmosfery jest mierzona od 1978 roku za pomocą satelity (wykres czerwony). Wykres niebieski pokazuje średnią temperaturę Ziemi w tym samym okresie. Źródło: NOAA/NCDC; Frölich and Lean; Willson and Mordvinov; Dewitte et al.

Zobacz więcej:

9. Czy zmiana kształtu orbity, po której Ziemia porusza się wokół Słońca, ma wpływ na zmiany klimatu?

Tak, i jest to istotny wpływ. Orbita Ziemi jest w jednym okresie zbliżona kształtem do okręgu, a w innym przypomina elipsę. Cykl zmiany kształtu orbity Ziemi policzył serbski matematyk, Milutin Milanković, a trwa on ok. 100 tysięcy lat. Ekscentryczność określa jak bardzo orbita różni się kształtem od okręgu i gdy ekscentryczność jest mała (0,005), to jest to prawie okrąg, a gdy jest duża (0.058) to wygląda jak elipsa. Gdyby Ziemia była jedyną planetą krążącą wokół Słońca, to jej orbita by się nie zmieniała. Jednak wpływ, przede wszystkim przyciągania Jowisza i Saturna, sprawia, że jej kształt cyklicznie zmienia się.

Cykle Milankovicia. Po lewej zmiana kształtu orbity Ziemi (ekscentryczność).

Kiedy orbita przypomina kształtem elipsę, to przez część roku Ziemia znajduje się dalej od Słońca, przez co dociera do niej mniej ciepła. Ta zmiana w ilości ciepła jest na tyle duża, że w przeszłości dawała ona początek epokom lodowcowym, co potwierdzają wyniki badań rdzeni lodowych. Obecnie znajdujemy się w okresie ciepłym, gdy orbita Ziemi jest bliska okręgu i, zgodnie z cyklem Milankovicia, powinniśmy, na przestrzeni kolejnych wielu tysięcy lat, powoli zmierzać w stronę kolejnej epoki lodowcowej. Te zmiany kształtu orbity zachodzą jednak na tyle wolno, że nie da się nimi wyjaśnić zmian klimatu Ziemi, które mają miejsce w ciągu 100 lub 200 lat.

Średnia temperatura na Ziemi na przestrzeni ostatnich 600 tysięcy lat. Okresy zlodowaceń i ociepleń pokrywają się ze zmianami kształtu orbity Ziemi.

Zobacz więcej:

10. Czy w średniowieczu na Grenlandii rosły cytryny?

Tasiilaq, wchodnia Grenlandia. Zdjęcie: chrissy575/Flickr

Nie. Gdy wiking Eryk Rudy dotarł na Grenlandię pod koniec X wieku, rosły tam karłowate wierzby i olchy, jednak nie było na tyle ciepło, aby mogły się tam utrzymać tropikalne rośliny. Większość lądu była pokryta lodem, a arktyczna roślinność porastała wybrzeże w południowej części. Nazwa Grenlandia, czyli „zielona ziemia”, została wymyślona przez Eryka Rudego, który liczył na to, że przyciągnie ona nowych osadników do założonej przez niego kolonii. To się zresztą udało i wkrótce potem na Grenlandię dotarło 14 statków z osadnikami. Wikingowie mieszkali na Grenlandii aż do ok. 1350 roku, gdy zrobiło się tam zimniej.

Zobacz więcej:

11. Czy w średniowiecznej Anglii uprawiano winogrona?

Zdjęcie: StrudelMonkey/Flickr.

Tak, winnice istniały w południowej i w środkowej części Anglii, aż do wysokości miasta Hereford i granic Walii. W pewnym okresie było nawet tak dużo angielskiego wina, że Francuzi chcieli za pomocą umów handlowych ograniczyć jego sprowadzanie na kontynent. Uprawa winogron została jednak porzucona w 1469 roku, gdyż zrobiło się na to zbyt zimno, a powróciła dopiero ostatnio, w XX wieku. W Anglii i Walii jest obecnie ok. 400 winnic.

Zobacz więcej:

12. Czy niegdyś jeżdżono saniami przez Bałtyk i budowano na lodzie karczmy?

Z przekazów historycznych wynika, że w przeciągu ostatnich kilkuset lat zdarzały się na tyle mroźne zimy, że zamarzały zatoki Bałtyku (m.in. Botnicka i Fińska) oraz jego wybrzeże, dzięki czemu można było wybrać się w podróż saniami po lodzie wzdłuż wybrzeża, na przykład z Lubeki do Gdańska. Czy oznacza to więc, że można było przejechać saniami z Gdańska do Sztokholmu? Być może, choć nie udało mi się znaleźć źródeł historycznych, które by to potwierdzały (ale jeżeli ktoś takie znalazł, to proszę o kontakt). Wbrew opinii jednego z publicystów, nie pisał o tym w swoich pamiętnikach Jan Chryzostom Pasek, co można sprawdzić tutaj. O wędrówkach po lodzie wspominał natomiast niemiecki historyk Albertus Krantzius (1448-1517), mieszkający w Lubece, pisał on, że Bałtyk zamarzał tak bardzo, że można było przejść po lodzie na piechotę do Danii lub Prus oraz że gdzieniegdzie wznoszono dla podróżnych na lodzie małe chaty i karczmy. O karczmach na lodzie pisał również szwedzki duchowny i kartograf Olaus Magnus (1490-1557), mieszkający zresztą przez pewien czas w Gdańsku, w „Historia de Gentibus Septentrionalibus” (w rozdziale o karczmach powołuje się on jednak m.in. na Krantziusa).

Karczmy na lodzie - drzeworyt z księgi Olausa Magnusa.

Zobacz więcej:


5 komentarzy

  1. Grzegorz
    11/06/2010

    Fakt zmian kształtu orbity jest potwierdzony w pracach źródłowych i publikacjach popularyzujących ten temat jak ten artykuł. Zastanawia mnie w tym sposób graficznej prezentacji zagadnienia. Elipsę o zmienionym mimośrodzie w konfrontacji z orbitą kołową tu przedstawia się jako skutek wydłużenia półosi małej. To rzeczywiście wydłuża rok gwiazdowy w którym Ziemia dokonuje 1 obiegu na tle gwiazd. Wtedy faktycznie przez część roku Ziemia jest dalej od Słońca niż w pozostałej części. Jednakowoż to sprzeciwia się II Prawu Keplera, twierdzącemu ze 2 potęga czasu okrążania proporcjonalną jest do sześcianu długości wielkiej pół-osi elipsy. Ponieważ na rysunku wielka pół-oś jest zwiększona, rok musi być dłuższy! To również zaprzecza stabilności układu, zapewniającego przez rezonansowe stany orbity Ziemi z orbitami innych planet. Opracowania Wikipedii na temat cykli Milankowica uwzględniają to: w nich o wiele w większej skali są zmiany pół-osi małej, przy zachowaniu długości pół-osi wielkiej. Rok gwiazdowy stały wtedy w którym mimo wszystko zmienia się liczbowy stosunek części roku w którym Ziemia jest dalej od Słońca, do części roku w którym jest bliżej, i tyle! W tej interpretacji: także jest ze zimy mogą być surowsze w porównaniu z letnimi sezonami cieplejszymi. WW innych zaś okresach, kiedy jest przeciwnie: zimy i lata są łagodniejsze. To zależy nie tylko od mimośrodu ale także od ustawienia punktu peryhelium gdy przypada zima lub lato. Na półkuli północnej jeżeli zimy i lata są łagodne, to w przeciwnej proporcji: na półkuli północnej, za to zimy i lata są w temperaturach bardziej skrajne. Tak jest teraz dla Ziemi i nie tylko dlatego ze ekscentryczność orbity jest małą! Nie twierdzę ze wielka pół-oś wcale się nie zmienia. Oscyluje owszem w granicach zapewniających stabilność, jednak jest to o wiele mniej w porównaniu z zmianami pół-osi małej! Na rysunku zmiany kształtu orbity zatem należałoby przedstawić inaczej.

  2. Grzegorz
    11/06/2010

    Poprawka do poprzedniego komentarza: w rysunku jest konfrontacja orbit: prawie kołowej i elipsy w wydłużeniu pół-osi wielkiej a nie małej! Od której zależy rok gwiazdowy.

  3. 11/06/2010

    Grzegorz, celem tej ilustracji jest wyraźne pokazanie różnicy w kształcie orbity. Zgadzam się, że jest to przerysowane :)

  4. jasiumusztarda
    05/02/2011

    Zaraz, skoro kiedyś było tak ciepło, że Anglicy uprawiali winogrona; potem zimno tak, że budowali karczmy na Bałtyku i tak cały czas na zmianę… To dlaczego obecne ocieplenie jest zwalane na działalność człowieka? Przecież w średniowieczu nie było samochodów itp…?

    Aaa.. no tak: palili czarownice na stosach i od tego wydzielało się więcej CO2, potem przestali, to zrobiło się zimno.
    Sorry, nie zajarzyłem od razu.

  5. 05/02/2011

    Hm, o czarownicach to nie pomyślałem ;) A o tym, czy działalność człowieka ma wpływ na obecne zmiany klimatu, więcej jest tutaj:
    http://www.sopockainicjatywa.org/2010/05/23/czy-czlowiek-moze-zmienic-klimat-ziemi/

Komentarz