Czy efekt cieplarniany może się wysycić?

Poprzedni wpis skończyłem na stwierdzeniu, że efekt cieplarniany (w sensie wymuszenia radiacyjnego) rośnie liniowo z grubością optyczną atmosfery w zakresie długofalowym, ale grubość optyczna jest zależna logarytmicznie od ilości gazów cieplarnianych. To stwierdzenie oparłem na wyprowadzonym przeze mnie na nowo wzorze Eddingtona dla szarej atmosfery (tzn. absorbującej tak samo na każdej długości fali). Jednak fakt dobrego dopasowania wyników zastosowania tego wzoru do niezależnie wyliczonej średniej planckowskiej grubości optycznej oraz obserwowanej średniej temperatury ziemi pokazuje, że nie jest to takie bardzo złe założenie – przynajmniej w tym zastosowaniu.

Prawdziwa atmosfera jednak szara nie jest. Wystarczy spojrzeć na ten wykres jasności Księżyca w podczerwieni mierzonej przez naszą ziemską atmosferę.

I zapewniam Was, że te dzikie oscylacje to nie żaden efekt księżycowy. To widmo absorpcyjne cząsteczek (molekuł) trójatomowych, takich jak para wodna i dwutlenek węgla. Ponieważ połączone ze sobą trzy atomy mogą na wiele ciekawych sposobów drgać i się wiercić, nazywamy ich bardzo skomplikowane, a fascynujące, widma, oscylacyjno-rotacyjnymi. To znaczy, fascynujące dla specjalistów od spektroskopii molekularnej, która jest jedną z tych nielubianych sierot nauki: mnie i wielu znanym mi fizykom wydaje się ona za bardzo chemią, a chemikom za bardzo fizyką.

Na szczęście, istnieją jednak specjaliści także od tego. Jeśli kto ciekaw, może obejrzeć bardzo widma oscylacyjno-rotacyjne chociażby [na tej stronie]. Polecam rysunek skomplikowanego widma na ostatnim obrazku. Do tej pory robi mi się niedobrze, gdy sobie przypomnę, że ja takie widma musiałem umieć wyliczać. Dlatego przyjemnie mi obwieścić, że dokładnie takie widma istnieją  nie tylko w laboratoriach naukowców, ale też… w naszej atmosferze. Wystarczy popatrzeć na ten wykres emisji naszej atmosfery mierzonej satelitarnie w okolicach pasma 6 μm (samo pasmo pochodzi od H2O). Wykres pochodzi z podręcznika Wallace i Hobbsa “Atmospheric Science” (jeszcze zobaczymy parę obrazków z tej książki).

Pasmo to  nie ma wielkiego znaczenia dla bilansu radiacyjnego – leży akurat między zakresem krótkofalowym  (promieniowaniem Słońca), a długofalowym (promieniowaniem termicznym ziemi i atmosfery). Jednak jest na tyle ładne, że nie omieszkałem go pokazać.

No dobrze. Ale po co w ogóle męczę czytelników tą spektroskopią? Mam ku temu powód. Mianowicie widma oscylacyjno-rotacyjne mają ciekawą i sprzeczną z intuicją (przynajmniej moją) cechę. Mianowicie całe składają się z linii. A linie są poszerzone w wyniku zderzeń miedzy cząstkami (tzw. efekt Lorentza, tego samego  Hendrika Lorentza, który wsławił się w każdej chyba dziedzinie fizyki). A im większe ciśnienie, tym więcej zderzeń. Czyli tym szersze linie.

Nie byłoby w tym nic dziwnego, gdyby (znów wbrew intuicji, tym razem nie tylko mojej, ale także perfectgreybody‘ego – czemu daliśmy niedawno wyraz na jego blogu) nie wpływało to na wartość samej sumarycznej absorpcji. A wpływa. Oddam tu głos autorytetowi, a mianowicie podręcznikowi Goody & Yung “Atmospheric radiation. Theoretical basis“, wydanie drugie z 1989 roku, a dokładnie wzorowi (4.133). Otóż absorpcja A całej linii poszerzonej lorenzowsko – jeśli tylko tej substancji jest dość dużo – równa jest

Α = C + D ln(m) + E ln(p)

gdzie C, D i E to stałe, m to ilość substancji absorbującej a p to ciśnienie. Otóż moja i perfectgreybody’ego intuicja wysypała się na ostatnim członie. Absorpcja –  jak widać –  rośnie z ciśnieniem, czyli maleje z wysokością. To znaczy absorpcja dla tej samej, ustalonej ilości substancji. Wrócę do tego w następnym wpisie, w którym wystąpi pomijana dotąd (celowo) pionowa struktura atmosfery.

A dla rosnącej ilości substancji? To już właściwie zdradziłem. W zakresie obowiązywania powyższego wzoru – dla odpowiednio dużych ilości substancji, czyli dla odpowiednio dużych grubości optycznych – absorpcja jest proporcjonalna do ilości (czyli w atmosferze koncentracji) gazów absorbujących. To dlatego podajemy czułość klimatu ze względu na podwojenie koncentracji CO2, a nie na wzrost o stałą wartość (np. 100 p.p.m.). Funkcja logarytmiczna zawsze zmienia się o tę samą wartość przy podwojeniu argumentu, niezależnie od jego początkowej wartości.

Ale czy w atmosferze CO2 i H2O maja wystarczająco wysokie stężenia, aby znajdować się w tym “zakresie logarytmicznym”? Autorzy podręcznika sprawdzili to i stwierdzili, że dla obu gazów zakres logarytmiczny obowiązuje już przy miąższości poniżej 100 m w dolnej troposferze. Czyli nie ma problemu z używaniem tego wzoru.

Możemy już śmiało odpowiedzieć na tytułowe pytanie: “Czy efekt cieplarniany może się wysycić?‘. Sens tego pytania jest następujący.  “No dobrze, wyliczyliśmy na dwa sposoby, jaki efekt cieplarniany jest obecnie na naszej planecie. Ale skąd wiemy, czy się zwiększy, jeśli zwiększymy ilość gazów cieplarnianych?“. Nie jest to pytanie wydumane. Można znaleźć w internecie wiele jego wariantów.

Odpowiedź jest prosta. Skoro efekt cieplarniany jest proporcjonalny do grubości optycznej, a ta (poprzez wartość absorpcji) zwiększa się, jak suma logarytmów koncentracji CO2 i H2O, to nie ma możliwości wysycenia efektu cieplarnianego przez zwiększanie koncentracji gazów cieplarnianych. Logarytm jest funkcją stale (chociaż coraz wolniej) rosnącą.  Zresztą np. planeta Wenus jest orbitującym pomnikiem prawdziwości tego prawa. Ale o tym w następnym odcinku.

Na koniec, ponieważ zawsze odwoływałem się do uważnego czytelnika, nie mogę zawieść go i tym razem. Wspomniałem, że drugi dzisiejszy rysunek przedstawia “emisję naszej atmosfery”, a oś pionowa opisana jest “Brightness temperature” (temperatura jasnościowa). Czyżbym oszukał? Nie. To właśnie metoda jaką Spencer i Christy (i nie tylko) mierzą temperaturę różnych warstw atmosfery (więcej o tym w następnym wpisie).  Podobnie mierzy się temperaturę (a zatem i wysokość) szczytów chmur, a nawet chmury pyłu z wulkanu na Islandii. Jak to działa? Poniższy rysunek (także z Wallace & Hobbs) dobrze to tłumaczy:

Porównujemy po prostu intensywność emisji dla jakiejś długości fali z tą, jaka wynika z prawa Stefana-Boltzmanna (a dokładniej z rozkładu Plancka). Od razu wiemy, jaką temperaturę miało to coś, co emitowało na tej długości (czyli dana warstwa atmosfery). Ale skąd wiemy, która to warstwa? O tym już naprawdę w następnym odcinku.

Dopisek 16.04.2010: Moje tłumaczenie wydaje mi się logiczniejsze niż jakiekolwiek jakie widziałem dotychczas. Streszczę je jeszcze raz: widmo absorpcji molekuł trójelementowych składa się z mnóstwa wąskich linii, z których każda poszerza się lorenzowsko pod wpływem ciśnienia, a uzyskany kształt spektralny ma tę ciekawą właściwość, że przy odpowiednio dużej koncentracji gazu absorbującego absorpcja sumaryczna linii rośnie  logarytmicznie (a nie jakbyśmy się spodziewali liniowo) z koncentracją. Ale się nie wysyca. A ponieważ widmo jest sumą mnóstwa takich linii pochodzących od różnych gazów to cale widmo ma tę samą własność.

W innych tłumaczeniach (na przykład tym z blogu RealClimate) brakowało mi tego elementu dodawania linii, z których każda ma tę logarytmiczna własność. Dlatego nie przekonywały mnie takie  rysunki jak ten z wyżej zlinkowanej strony:

Po prostu nie potrzeba żadnych linii absorpcyjnych, aby wytłumaczyć, że większa grubość optyczna musi powodować większe wymuszenie radiacyjne (to zrobiłem w poprzednim wpisie).  A ten obrazek nie tłumaczy logarytmicznej zależności wymuszenia od koncentracji CO2. To znaczy, gdyby widmo nie składało się z tylu linii lorenzowskich, wzrost temperatury z koncentracją byłby nawet większy niż obserwowany (wymuszenie radiacyjne rosłoby liniowo z ilością gazów cieplarnianych). Problemem jest wytłumaczenie nie dlaczego ono rośnie, ale dlaczego tak wolno. A powyższy rysunek moim zdaniem tego wcale nie tłumaczy tego komuś, kto nie wie, że grubość tych zielonych i bordowych kresek spowodowana jest tym, że składają się one z mnóstwa cienkich linii absorpcyjnych oraz jakie niesie to skutki dla sumarycznej absorpcji.

Dopisek  2 (21.04.2010): O tym, że efekt cieplarniany jest proporcjonalny do logarytmu koncentracji atmosferycznej CO2, pisał już Arrhenius w 1896 roku. Byłem ciekaw skąd wiedział. Otóż opierał się o wyniki doświadczalne. I to bardzo sprytnie. Skorzystał z pomiarów jasności księżyca w podczerwieni, jakie wykonał Langley. A jak zmieniał koncentrację CO2? Otóż nie zmieniał; skorzystał z tego, że Langley mierzył, gdy księżyc był w różnej odległości od horyzontu. Gdy patrzymy przez atmosferę pod różnymi kątami, mamy krótszą lub dłuższą drogę optyczną do szczytu atmosfery, przez co mniejsza lub większa jest (przy tych samych koncentracjach) również grubość optyczna. Tak, tak. Grubość optyczna w zakresie długofalowym kłania się nam znowu. To naprawdę najbardziej fundamentalny parametr, od którego zależy wartość  efektu cieplarnianego. A ta grubość optyczna (którą łatwo wyznaczyć z wartości transmisji) zmieniała mu się logarytmicznie z ilością CO2 na drodze optycznej w kierunku księżyca, gdy był on bliżej lub dalej od horyzontu. I mimo, że nie mógł jeszcze wtedy wiedzieć o poszerzeniu ciśnieniowym linii absorpcyjnych i ich logarytmicznym wpływie na wartość absorpcji w funkcji ilości substancji absorbującej uzyskał poprawny wynik. Nie uwzględnił tylko efektu pionowych strumieni ciepła w atmosferze. To zrobili dopiero Manabe i Strickler w 1964 roku oraz Manabe i Wetherald w 1967. I o tym między innymi będzie w następnym odcinku.

Dopisek 3 (16.05.2010). Według artykułu Ramamanathana z 1997 o podstawach naukowych efektu cieplarnianego, 80% wymuszenia spowodowanego przez CO2 jest spowodowane “silnymi” pasmami o liniach w zakresie logarytmicznym (pozostałe są “słabymi” pasmami dla których zależność jest liniowa – czyli wymuszenie wprost proporcjonalne do koncentracji tego gazu) i dlatego efektywne wymuszenie CO2 jest “prawie logarytmiczne”.

34 thoughts on “Czy efekt cieplarniany może się wysycić?”

  1. A czy można by przedstawić odpowiedź na tytułowe pytanie w wersji dla humanistów? Słowo “logarytm”, dla osoby, która nie przepada za matematyką, nie niesie ze sobą żadnego znaczenia, a “suma logarytmów”, jest już kompletnie niezrozumiałe.

    Kwestia “Czy efekt cieplarniany może się wysycić?” jest bardzo ważna i jest podnoszona przez sceptyków, którzy twierdzą, że dodawanie CO2 do atmosfery nie zwiększy efektu cieplarnianego. Wyobraźmy sobie więc dyskusję w studiu telewizyjnym w niedzielne popołudnie, gdzie np. prof. Marks tłumaczy widzom, że nie ma się co przejmować emisjami CO2 z kominów elektrowni, bo większa ilość tego gazu, nie spowoduje wzmocnienia efektu cieplarnianego. Na to, zaproszony do studia klimatolog, odpowiada, że tak nie jest, bo “efekt cieplarniany jest proporcjonalny do grubości optycznej, a ta (poprzez wartość absorpcji) zwiększa się, jak suma logarytmów koncentracji CO2 i H2O”.

    Co z odpowiedzi klimatologa zrozumie przeciętny widz tego programu? Czy mógłbym prosić o przetłumaczenie tego dla 12-latków? 🙂

  2. @bukowylas

    Zgoda. To powyżej to oczywiście nie jest odpowiedź dla humanisty. Tekst napisałem dla osób przynajmniej interesujących się matematyka i fizyką (z tym, że mogą to być np. także licealiści). Ale to nie znaczy, że jest niepotrzebny bo “fizycy” już to i tak wiedzą a inni nie zrozumieją. Nie myśl, że przeciętny fizyk jest specjalistą od spektroskopii molekularnej. Moim zamierzeniem było zresztą pisać jak najprościej ale do osoby, o pewnym minimalnym przygotowaniu. Nie użyłem przecież takich terminów jak prawo Lamberta-Beera, chociaż same się napraszały. Czyli to jest rodzaj popularyzacji nauki… dla naukowców.

    Ale jak miałby wyglądać tekst o tym trudnym problemie dla humanisty? Jest w internecie trochę takich i są one w stylu “naukowcy ustalili, że tak jest i już”. Jeśli ktoś ma pomysł na bardziej sensowny tekst to mogę go tu zamieścić.

    Na odpowiedź denialiście to może wersja z poprzedniego akapitu wystarczy. I tak nie uwierzy, ale wytłumaczenie naukowego nie zrozumie. O innych zagadnieniach można pisać prościej (i będę to starał się robić) ale akurat efekt cieplarniany jest tak ważny i tak skomplikowany, że aby odkręcić niektóre z mitów narosłych wokół niego (a do tego zmierzam), trzeba najpierw dobrze wyłożyć jak on naprawdę działa. I to właśnie w tych kilku pierwszych wpisach próbuję robić.

    Ale proszę o opinie czy tego rodzaju wpisy, bardziej dla fizyków niż te z konkurencyjnych blogów, też nie są potrzebne.

  3. Tekst specjalistyczny dla fizyków jest oczywiście bardzo potrzebny i kolejny artykuł z serii o efekcie cieplarnianym też. Może tylko dodawać na dole taką malutką ramkę, z objaśnieniem dla humanistów? 😉

    Przedstawianie zagadnień naukowych osobom spoza branży może nie być łatwe, pamiętam, jak autor programu telewizyjnego “Laboratorium” zastanawiał się z naukowcami, jak przedstawić widzom kwestię zmiany właściwości ciał stałych pod wpływem zmiany temperatury. Długo na ten temat rozmawiali, aż w końcu jeden z nich mówi coś w stylu: “No, właściwie to jest taki eksperyment, którym można to zobrazować…”, “Jaki?”, “Można pokazać, że po obniżeniu temperatury da się wbić w deskę gumowego gwoździa za pomocą banana”. I to rozumiem, całe zagadnienie jest dla mnie jasne 🙂

    Z kolei argument “tak jest, bo tak ustalili naukowcy” jest, w mojej ocenie, niedopuszczalny. To stąd właśnie biorą się zarzuty, że kwestię zmian klimatu ludzie przyjmują na wiarę. Akurat fizykę można wytłumaczyć i zrozumieć, pytanie oczywiście, jak to zrobić. Nie wszystko przecież da się przedstawić za pomocą gumowego gwoździa i banana 😉

  4. @bukowylas
    “A czy można by przedstawić odpowiedź na tytułowe pytanie w wersji dla humanistów? Słowo “logarytm”, dla osoby, która nie przepada za matematyką, nie niesie ze sobą żadnego znaczenia, a “suma logarytmów”, jest już kompletnie niezrozumiałe”

    Rozumiem że humanista to osoba mająca trudności z matematyką na poziomie szkoły średniej? Dotychczas miałem inne wyobrażenie humanistów ale widocznie znaczenia słów ulegają zmianie.

    @Autor
    Moim zdaniem notka napisana jest wystarczająco przystępnie dla uważającego na lekcjach licealisty. Myślę że takich pojęć jak logarytm nie trzeba dodatkowo objaśniać. Co najwyżej można dodać w tekście linki do wikipedii czy innych źródeł przy niektórych pojęciach. Co prawda każdy może sobie sam wyszukać, ale link podany przez autora jest jakby gwarancją, że informacje tam podane są na dobrym poziomie.

  5. @whiteskies.

    “Nie najlepiej z fizycznego punktu widzenia”. No właśnie. Po prostu strasznie sztuczne są te warstwy dla, których transmisja i reflektancja (odbicie) są obie równe (T = R = 0,5) jak na slajdzie 11 z drugiego twojego linku. To niby ma wynikać z tego, że reemisja jest losowa (pół w górę i pół w dół) ale ignoruje fakt, że dla cienkich warstw część radiacji przechodzi przez warstwę bez absorpcji a dla grubych większość radiacji wypromieniowywana jest z powrotem po oświetlanej promieniowaniem długofalowym (dolnej) stronie. Jak wynika z wzoru na transmisję przez warstwę jaki zamieściłem w “pierwszym przybliżeniu” taka sytuacja jest możliwa ale tylko dla jednej grubości optycznej tau = 4/3, czyli niejako przypadkiem. A jak złożymy razem dwie takie warstwy (albo podzielimy na pół) to już nie będzie prawda (a chyba ten model zakłada, że to cecha każdej grubej optycznie warstwy niezależnie od miąższości).

    Dyskutowałem już o tym z perfectgreybody gdy on przywołał model,w którym dodawało się takie warstwy. Model chyba pochodzi z książki J. V. Iribarne i R.H. Cho “Fizyka atmosfery” (nie mam egzemplarza więc mogę się mylić) i był jedną z rzeczy, które chciałem prostować na tym blogu. Ale to już w tym wypadku zrobiłem i mogę odfajkować.

    Dopisek: Jeśli efektywna grubość optyczna naszej atmosfery jest rzeczywiście poniżej 1.9, jak podawałem, to nawet dwóch takich warstw o R=T=0,5 nie da się stworzyć z całej atmosfery. Co innego na tak ulubionej przez niektórych planecie Wenus 😉

  6. @ whiteskies

    Muszę przyznać, że choć znam ten model z dwiema szybami to nigdy nie trafiał mi do przekonania 🙂 Nie chodzi tu o to, że jest on jakoś bardzo skomplikowany, ale o to, że atmosfera tak nie wygląda w rzeczywistości, nie ma w niej żadnych dwóch warstw (ani nawet jednej szyby) i przykład z szybami wydaje mi się w ogóle dosyć mylący.

    @ Krzysztof Haman

    Panie Profesorze, tak się złożyło, że akurat materiały do pańskiego wykładu podlinkował whiteskies, mam zatem pytanie do strony nr 5 (pierwszy pdf): pisze Pan, że para wodna jest odpowiedzialna za ok. 97% efektu cieplarnianego w pobliżu powierzchni Ziemi. Akurat niedawno czytałem tekst Gavina Schmidta na temat pary wodnej, w którym próbował dociec skąd wzięła się liczba 98% podawana przez Lindzena. Czy mógłbym zapytać skąd Pan wziął te 97%?

    @ Marw

    Rzeczywiście, słowo “humanista” jest tu użyte w znaczeniu osoby, która wzdryga się na widok wszelkich wzorów, a nawet na sam dźwięk słowa “fizyka” 🙂 Wydaje mi się, że w moim liceum fizyka nie była uczona na poziomie, który pozwalałby bez szperania w sieci zrozumieć wszystko, co było w tym artykule. A mówiąc szczerze, to nawet gdyby była, to i tak bym już tego wszystkiego nie pamiętał tak, jak nie pamiętam postanowień II pokoju toruńskiego i przebiegu mitozy 🙂 Co nie znaczy jednak, że w ogóle nie uznaję fizyki za interesującą. Jest w niej wiele rzeczy fajnych, szczególnie tych, dotyczących życia codziennego. Nawet po studiach czytałem dla przyjemności “Sześć łatwych kawałków” Richarda Feynmana. A w dzieciństwie “Przygody z Machefim” 😉

  7. Bukowylas zaproponował wrzucenie tu gościnnie swojego tekstu o tym samym w wersji dla humanistów (jako nowy wpis). To dobry pomysł, chociaż nie gwarantuję, że ze wszystkim się zgodzę. I na pewno skomentuję 😉

    Zapraszam!

  8. Dodam jeszcze tylko, że celem tego krótkiego tekstu nie jest przerobić cały artykuł „Czy efekt cieplarniany może się wysycić?” na wersję dla humanistów, a już na pewno nie to, by poprawiać autora 🙂 Chodziło mi o to, by spróbować przybliżyć czytelnikom pojęcie “efekt nasycenia pasma”, które jest związane z powyższym tematem i zrobić to tak, by było to jak najłatwiejsze do zrozumienia.

  9. @arctic_haze

    Proszę o wytłumaczenie mi tego:

    widma oscylacyjno-rotacyjne mają ciekawą i sprzeczną z intuicją
    (przynajmniej moją) cechę. Mianowicie całe składają się z linii. A
    linie są poszerzone w wyniku zderzeń miedzy cząstkami (tzw. efekt
    Lorentza
    […]
    A im większe ciśnienie, tym więcej zderzeń. Czyli tym szersze
    linie.

    O jakie linie chodzi? O te pionowe, z których na oko składa się
    wykres? No, ale to przecież musi być niedokładność rysunku, bo wykres
    przedstawia funkcję, więc o żadnych naprawdę pionowych jego
    fragmentach nie może być mowy. A jeszcze zderzenia miałyby je
    poszerzać? Nie rozumiem.

    Jeszcze ten wzór:

    Α = C + D ln(m) + E ln(p)
    gdzie C, D i E to stałe, m to ilość substancji absorbującej
    a p to ciśnienie.

    skłania mnie do pytania o jednostkę absorpcji. Nie wiem, co rozumiesz
    przez ,,ilość substancji absorbującej”, ale jeśli jej masę, to
    środkowy składnik ma jakąś szaloną jednostkę d·ln(kg),
    więc Α powinno mieć tak samo
    (d == nieznana mi jednostka stałej D, zapewne coś/ln(kg)).

    W każdym razie czy nie prostszy byłby zapis

    Α = ln(C1 · m^D · p^E)

    z jednym logarytmem?

    – Stefan

  10. @Stefan

    Zmyliła Cię nazwa “linia” w sensie używanym w spektroskopii. Nie chodzi o linie w znaczeniu matematycznym ale o wąskie maksima absorpcji bo na naświetlonej kliszy ze spektrografu każda wygląda jak poprzeczna linia, jak na tym przykładowym widmie:
    http://www.oglethorpe.edu/faculty/~m_rulison/Astronomy/Chap%2004/Images/spec1.jpg

    Zaś na wykresie matematycznym w funkcji długości fali każda z nich powinna wyglądać tak:
    http://www.boost.org/doc/libs/1_35_0/libs/math/doc/sf_and_dist/graphs/cauchy2.png

    Wyobraź sobie zatem wykres składający się z gęsto obok siebie upakowanych takich linii spektralnych, czyli “pików” (jak to my fizycy mówimy), a otrzymasz wykres podobny do tego na dole wpisu, szczególnie jeśli te linie zaczną się na siebie nieco nakładać w wyniku poszerzenia ciśnieniowego.

    Co do wzoru to masz rację. Można go napisać tak jak proponujesz. Ale czy to coś zmienia? Wydaje mi się, że z formy jaką napisałem (żywcem za cytowanym podręcznikiem) wyraźniej widać jak się funkcja zachowuje w przypadkach p=const lub m=const. Ale ponieważ obie postacie są równoważne, jest to jedynie kwestia gustu.

  11. Zmyliła Cię nazwa “linia” w sensie używanym w spektroskopii. Nie
    chodzi o linie w znaczeniu matematycznym ale o wąskie maksima
    absorpcji (bo na naświetlonej kliszy ze spektrografu każda wygląda jak
    wąska linia).

    Aha, dzięki.

    Co do wzoru to masz rację. Można go napisać tak jak proponujesz. Ale
    czy to coś zmienia?

    Obliczeniowo oczywiście nic. Ale pojęciowo… Już słyszałem, że
    ,,absorpcja jest proporcjonalna do logarytmu z ilości gazów
    cieplarnianych w atmosferze”. Ten wzór może nadać sens takiemu
    niejasnemu frazesowi. Jak go w Twoim powyższym artykule zobaczyłem,
    to zaraz zacząłem się zastanawiać, co może wyrażać iloczyn masy przez
    ciśnienie. Ale szybko to rozważanie porzuciłem, bo przecież i tak nie
    znam wykładników potęg D i E, a nawet ich jednostek.

    No właśnie, czy mógłbyś wyjaśnić te jednostki?

    – Stefan

  12. @arctic
    Ja wiem, ze model z szybami jest modelem poglądowym (co należy zaznaczać przy omawianiu go). Pokazuje jednak dobitnie różnice miedzy własnościami optycznymi atmosfery w zakresie widzialnym i podczerwieni, na prosty wykład dla niespecjalistów jest “w sam raz”.

  13. @arctic_haze

    Zmyliła Cię nazwa “linia” w sensie używanym w spektroskopii. Nie
    chodzi o linie w znaczeniu matematycznym ale o wąskie maksima
    absorpcji (bo na naświetlonej kliszy ze spektrografu każda wygląda jak
    wąska linia).

    Czy mógłbyś mnie odesłac do jakiegoś obrazka pokazującego, jak wygląda
    taka naświetlowna klisza ze spektrografu? Żeby było widać te linie, i
    żeby było wiadomo, skąd się wzięły.

    Próbowałem wyszukać w Interśmieciu, ale bez skutku.

    – Stefan

  14. Dodałem już jakiś czas temu do mojego poprzedniego komentarza, ale pewnie czytałeś go przed ta zmianą. Powtórzę jeszcze raz:
    http://www.oglethorpe.edu/faculty/~m_rulison/Astronomy/Chap%2004/Images/spec1.jpg

    Oczywiście to jest zupełnie inne widmo – chodziło mi tylko o wytłumaczenie skąd się wzięła nazwa “linie”

    Wartości D oraz E dla widma CO2 i H2O nie znam. Jeśli będę miał czas to poszukam. Podejrzewam, że E jest dość małe – inaczej wpływ ciśnienia na wartość absorpcji (nie mylić z szerokością spektralną linii) byłby bardziej znany. Ale i tak ciekawe, że nie jest to zero.

  15. Pomyślałem, że jedną kwestię wyraziłem niezbyt precyzyjnie. Tendencja do popularyzacji i upraszczania mnie trochę poniosła.

    Mianowicie bukowylas ma rację, że absorpcja CO2 czy H2O odbywa się w pasmach absorpcyjnych tych związków. Jeśli na jakiejś długości fali np. CO2 nie absorbuje w ogóle to podwojenie jego koncentracji nie zwiększy tam absorpcji.

    Jednak pasma absorpcyjne są szerokie i to co “na oko” nazywamy oknami między pasmami to w istocie brzegi (“shoulders”) pasm. I to właśnie na tych brzegach następuje największa zmiana transmisji przez atmosferę gdy zwiększamy koncentracje absorbującej substancji (w środku pasma, tam gdzie jest duża absorpcja transmisja już nie może zmaleć a na samych brzegach pasma niewiele wzrośnie bo prawie zero nawet razy kilka to ciągle prawie zero).

    Czyli o to chodzi w rysunku jaki zamieściłem w “Dopisku”. I teraz zgadzam się: jest to prawda. Ale moje, zupełnie inne, spojrzenie na to samo (pasmo składa się z mnóstwa linii, każde reaguje na zmianę koncentracji gazów absorbujących logarytmicznie to w sumie też to musi być z dużym przybliżeniem logarytm) jest również prawidłowym podejściem. W dodatku ma tę zaletę że w przeciwieństwie do tego pierwszego podejścia, tłumaczy logarytmiczność czułości klimatu na zmianę koncentracji gazów cieplarnianych. A to ważna różnica – nigdy dotąd nie widziałem prostego i logicznego uzasadnienia tej ważnej zależności.

  16. Dodałem do wpisu “dodatek” o tym, że już Arrhenius wiedział że efekt cieplarniany zależy logarytmicznie of koncentracji gazów cieplarnianych i o sprytnym sposobie jak do tego doszedł.

  17. @bukowylas

    Przepraszam za dotychczasowy brak odpowiedzi na pytanie z 16 kwietnia ale przez dłuższy czas nie zaglądałem do tego blogu i dopiero dziś je odkryłem. Ponieważ 97% o które Pan pyta wziąłem z wysokościowych rozkładów efektu cieplarnianego różnych gazów, które dostarczył mi kolega bez odsyłaczy do źródła, muszę te dane dopiero odgrzebać (wykład jest 2007 r) i może trochę potrwać zanim będę mógł odpowiedzieć bardziej wyczerpująco.

  18. @arctic
    Na rys.1 zamiescil Pan wykres. Moze Pan wyjasnic wymiar tej jednostki ktora tam wystepuje i co sie tam stalo z nawiasami?
    @arctic, @Stefan
    Mysle, ze dziwnie wymyslacie Panowie z tymi logarytmami, a szczegolnie z wymiarami. Panowie, prawdopodobnie malo wiele w zyciu co mierzyli. Mysle, ze autorzy w tym rownaniu poslugiwali
    sie jednostkami wzglednymi: p i m, podobnie jak c=1 (predkosc swiatla).
    Wtedy mozna w prosty sposob wyznaczyc stale C, D, E. Zakladajac, ze tak jest to: dla: m<1 lub p<1 to poszczegolne skladowe sa ujemne. Ten wzor musi, chyba, miec ograniczenia w stosowaniu, bo mogla by sie okazac, ze calos jest mniejsza od zera, a to brzydko pachnie.

  19. Wykres jest w watach na metr w kwadracie i na steradian i jeszcze na centymetr do minus pierwszej.

    Czyli jest to widmo spektralne radiacji na jednostkę proporcjonalną do energii fotonu, czyli nie długość a częstość fali światła i to wyrażoną w historycznie uwielbianych w spektroskopii jednostkach nie należących do układu SI (czyli właśnie cm-1).

    A nawiasy są rzeczywiście skopane (ale nie przeze mnie).

    Natomiast ten wzór ma ograniczenia ale nie w zakresie koncentracji CO2 i H20 spotykanych w atmosferze (informacja z tego samego podręcznika co wzór – o czym już pisałem).

  20. @bukowylas

    Z ponad miesięcznym opóźnieniem uzupełniam odpowiedź na Pana pytanie, skąd się w moim wykładzie wziął 97 procentowy udział pary wodnej w efekcie cieplarnianym, ale miałem ostatnio inne sprawy na głowie, a rzecz okazała się bardziej złożona niż mi się początkowo wydawało. Jak wyjaśniałem uprzednio, skorzystałem z dostarczonych mi przez kolegę, specjalistę od promieniowania (sam się nigdy tą problematyką głębiej nie zajmowałem) pionowych rozkładów wymuszenia radiacyjnego (różnicy pomiędzy natężeniem promieniowania “w dół” i “do góry”) w dalekiej podczerwieni dla pary wodnej i CO2 w stosunku do atmosfery pozbawionej tych gazów. Jak się okazuje, były to jego własne obliczenia pewnym standardowym programem, przy założeniu jakiś typowych pionowych rozkładów tych gazów w atmosferze. Przeliczyłem to sobie pobieżnie na efekt temperaturowy, (jak teraz widzę, błędnie) a ponieważ był bliski wartości podawanej przez Lindzena (skądinąd mojego dobrego znajomego) uznałem go, niestety, za właściwy. Gdy jednak zacząłem z tym kolegą obecnie dyskutować, doszliśmy do wniosku, że na pytanie o procentowy udział takiego czy innego gazu w ogólnym efekcie cieplarnianym (rozumianym jako różnica pomiędzy temperaturą faktycznie obserwowaną przy powierzchni Ziem a temperaturą na powierzchni hipotetycznej Ziemi pozbawionej atmosfery) nie sposób jednoznacznie odpowiedzieć. Najprościej jest (podobnie ja to zrobił przywoływany przez Pana Schmidt) policzyć wymuszenie radiacyjne danego gazu przy założeniu że innego w atmosferze nie ma i porównać go z wymuszeniem w przypadku atmosfery o pełnym składzie, lub atmosferą danego gazu pozbawioną. Wynik będzie jednak zależał od przyjętego modelu, oraz sposobu uwzględniania oddziaływań pomiędzy różnymi gazami a także innymi czynnikami kształtującymi temperaturę Ziemi i jej atmosfery a wobec hipotetyczności takiej sytuacji można to robić w różny sposób. Np. w przypadku pary wodnej można pytać, czy i jak uwzględniać chmury (powstają dzięki obecności pary wodnej) lub czy uwzględniać pochłanianie przez parę wodną bliskiej podczerwieni w promieniowaniu słonecznym (dość istotny składnik w ogólnym bilansie energetycznym atmosfery). Dodatkowy problem powstaje przy przejściu do efektu temperaturowego, który w rzeczywistości zależy nie tylko od wymuszeń radiacyjnych. Ostatecznie więc wszelkie procentowe szacunki poszczególnych składników tego efektu mają charakter dość umowny i różni autorzy mogą operować różnymi wartościami. Najsensowniejsze wyniki można by zapewne uzyskać za pomocą porównawczych obliczeń najbardziej zaawansowanymi operacyjnymi modelami klimatu, ale nie wiem czy ktoś to zrobił.
    Trochę łatwiej mają autorzy tabelek takich jak znana tabelka z raportów ICCP, gdzie atmosferą odniesienia jest hipotetyczna atmosfera z epoki przedindustrialnej, gdyż wobec stosunkowo niewielkich przyrostów wymuszeń od różnych składników atmosfery, można w pierwszym przybliżeniu założyć ich addytywność.

  21. @ Krzysztof Haman

    Dziękuję bardzo za odpowiedź. Ta kwestia wydaje mi się istotna z tego względu, że wpływ pary wodnej jest jednym z ulubionych argumentów naszych lokalnych sceptyków, szczególnie jednego 😉 Prof. Jaworowski wskazuje często, że para wodna stanowi, według niego, aż 98% efektu cieplarnianego, w związku z czym wpływ CO2 jest tak minimalny, że ograniczanie jego emisji nie ma najmniejszego sensu. Jak wskazuje jednak Gavin Schmidt, nie wiadomo skąd się wzięło to 98%, a że źródło jest wątpliwe, to i liczba jest wątpliwa. Tymczasem pojawia się wiarygodne źródło, w którym podane jest, że para wodna stanowi 97% efektu cieplarnianego – Pana wykład. Prof. Jaworowski mógłby więc powoływać się na ten wykład i mówić: “Jak to skąd wziąłem te 97%? Z wykładu prof. Hamana! Jest zamieszczony w internecie, proszę sprawdzić samemu” 🙂

  22. @bukowylas

    Zgodnie z Pana sugestią poprawiłem tekst swego wykładu na stronie Instytutu Geofizyki UW, w szczególności usuwając to nieszczęsne 97%. Niestety, w tekście drukowanym w “Nauce” już tego zrobić nie mogę. Przy okazji podrążyłem ten problem dokładniej i chyba rozumiem skąd się u Lindzena wzięło to 98%. Prawdopodobnie zrobił podobny błąd jak ja poprzednio, tzn. przyjął, że procentowy udział poszczególnych gazów cieplarnianych w ogólnym efekcie temperaturowym jest proporcjonalny do czwartego pierwiastka z ich procentowego udziału w ogólnym wymuszeniu radiacyjnym (który sam, jak widać choćby z cytowanego przez Pana Schmidta, może być różnie szacowany). Jeżeli przyjąć go w górnej granicy, tzn. 90%, to dla przyrostu temperatury wychodzi 97.4%. Tymczasem sensowniej jest przyjąć prostą proporcjonalność.

  23. Bukowylas zwrócił mi uwagę (na blogu Doskonale Szare) na wpis na ten sam temat na Skeptical Science:
    http://www.skepticalscience.com/The-first-global-warming-skeptic.html

    Tłumaczenie dlaczego nie można wysycić efektu cieplarnianego tam zawarte jest prostsze niż moje. Tam celowo pomijają kształt pasm składających się z multum cienkich linii. Jednak przez to ich tłumaczenie jest moim zdaniem mniej zadowalające. Z samego rozszerzenia pasma nie wynika logarytmiczność zależności absorpcji od koncentracji CO2. To cecha samych linii skladowych. I o to właśnie mi w tym wpisie chodziło.

  24. Chyba nie da się z Panem sensownie dyskutować na tym blogu, (rozumiem, to blog a nie lista dyskusyjna).
    Nie wiem czy Pan sam blokuje wysyłanie replik czy to jakaś opcja w ustawieniach bloga ale fakt jest faktem.

    Mimo to spróbuje napisać parę słów o “wysyceniu” efektu cieplarnianego.

    Po pierwsze, z właściwym sobie wdziękiem wypisuje Pan wzory i nie pisze dokładnie co w nich jest czym i niech się czytelnik sam napracuje skoro odważy się w coś zwątpić (zwrócił(a) na to uwagę już mora.. przyjrzyjmy się owemu groźnemu
    Α = C + D ln(m) + E ln(p)
    wygląda na to, że wbrew dotychczasowym zwyczajom absorpcja nie jest tu w jednostkach względnych lecz bezwzględnych.
    Co się stanie gdy zamiast ilości P wstawimy 2p ?
    załóżmy iż ta dodatkowa ilość jest zbyt mała by zmienić rozkład ciśnienia a więc pierwszy i trzeci człon pozostanie niezmieniony i mamy nowa wartość
    A2=A +D*ln(2)
    Co to zmieni ? Jeśli się okażę iż D*ln2 <0,001A to nie zmieni praktycznie nic.

  25. Już Panu raz pisałem, że ja z Panem nie dyskutuję. Ja Pana próbuję uczyć.

    A co do moderacji to owszem, dla Pana jest ustawiona dla każdego Pana komentarza. To po tym Pana (skasowanym) komentarzu, który nie zawierał nic oprócz prób obrażenia mnie. Teraz też Pan od tego zaczyna ale przynajmniej dalej jest coś w temacie blogu.

    Zatem do roboty:

    Co to znaczy “wbrew dotychczasowym zwyczajom absorpcja nie jest tu w jednostkach względnych lecz bezwzględnych”. Absorpcja – w przeciwieństwie do absorbancji- zawsze jest w jednostkach bezwzględnych (odwrotność jednostki długości). A niby gdzie nie była?

    Dalej, co to znaczy “wypisuje Pan wzory i nie pisze dokładnie co w nich jest czym”. Przecież wszystko jest pod wzorem opisane. Każda użyta w nim litera. Teraz ja Pana zapytam: Jak Pan to robi, że nie jest Pan w stanie przeczytać zdania do końca?

    Jedźmy dalej. Pyta Pan “Co się stanie gdy zamiast ilości P wstawimy 2p ?”. To proste, nic się nie stanie, to alternatywna postać tego samego wzoru co łatwo udowodnić. Zacznijmy od wzoru szkolnego:

    ln(2p) = ln(2) + ln(p), czyli w Pana wersji będziemy mieli
    Α = C’ + D’ ln(m) + E’ ln(p) + E’ ln(2), gdzie znaki “prim” oznaczają, że stałe te niekoniecznie muszą się równać poprzednim.
    Niech pan zwróci uwagę, że jeśli zdefiniujemy C = C’ + E’ ln(2), D=D’ oraz E=E’ to uzyskamy wzór identyczny z wyjściowym. Dokładnie identyczny bo jedyne co pan zrobił to dodał do równania mającego czynnik swobodny jeszcze jeden czynnik swobodny.

    Tylko co Pan właściwie chciał udowodnić? Oprócz tego, że niestety ma Pan kłopoty z matematyką na poziomie licealnym.

    A wzór, którego się Pan uczepił jest z podręcznika spektroskopii i dotyczy gazów atmosferycznych (w przypadku CO2 dla dróg optycznych powyżej kilkuset metrów co napisano gdzie indziej w tym samym podręczniku).

    Spektroskopia to już druga po optyce atmosfery dziedzina, której od wczoraj postanowił Pan zaprzeczyć? Nieźle nawet jak na doświadczonego denialistę!

  26. 1. Po wysłaniu paru replik niestety następnej wysłać się nie da,
    2. Nie mam nic przeciw temu że moderuje Pan wręcz przeciwnie, byłby śmietnik gdyby Pan tego nie robił.
    3.Przepraszam, pomyliłem literki,napisałem że chodzi mi o podwojoną ilość ale pomyliłem literki ( napisałem nawet że zakładam iż ta dodatkowa ilość ta dodatkowa ilość nie zmieni ciśnienia)
    A przy okazji w czym to m jest wyrażone ?

    Więc dla wyjściowej ilości m mamy:

    Α = C + D ln(m) + E ln(p)

    Dla podwojonej ilości mamy
    Α = C + D ln(2*m) + E ln(p’)

    Nie bardzo wiem dlaczego miały by się od tego zmienić stałe wiec pozwalam sobie opuścić “primy”
    założyłem iż ta dodatkowa ilość jest wystarczająco mała by rozkład ciśnienia się nie zmienił więc:

    A’=A + D*ln(2) rachunków nie przytaczam bo Pan tak ładnie to porachował że raz wystarczy.

    Więc absorpcja wzrośnie o stały składnik (ciekawe jak mały), co zmieni ja o jakiś procent (ciekawe czy większy niż 10^-5), o jakiś mały procent wzrośnie grubość optyczna. Tylko CO Z TEGO ?
    “Odpowiedź jest prosta. Skoro efekt cieplarniany jest proporcjonalny do grubości optycznej, a ta (poprzez wartość absorpcji) zwiększa się, jak suma logarytmów koncentracji CO2 i H2O, to nie ma możliwości wysycenia efektu cieplarnianego przez zwiększanie koncentracji gazów cieplarnianych.”
    A skąd to Panu przyszło do głowy że efekt Cieplarniany jest proporcjonalny do grubości optycznej ?

  27. Ad. 1) Nie da się jeśli się jest Panem. Pracował Pan ciężko na to wyróżnienie.

    A co to jest m? Jak pisałem we wpisie miara ilości gazu absorbującego wzdłuż drogi optycznej. I tu będzie ciekawy moment: może mieć różną jednostkę zależna od jednostki używanego współczynnika absorpcji. Ważne jest aby współczynnik absorpcji (nie mylić w wynikową wartością A, także niestety zwaną absorpcją) przemnożona przez m była bezwymiarowa bo ten iloraz musi się równać grubości optycznej. Współczynnik absorpcji dawnej podawano np. na mol substancji zatem m była masą gazu liczoną w molach (stąd tradycyjne oznaczenie). Ale ogólnie chodzi o to przez jaka ilość gazu przechodzi promień światła.

    Co tam jeszcze mamy? Acha. Jeśli zmienia pan zmienną m -> m’=2m to i stała musi się zmienić. Stąd primy. No chyba, że Pan chce samo prawo fizyczne zmienić. Ale wtedy już się nie będzie ono zgadzało z wynikami eksperymentalnym. Jak to piszą w podręczniku z którego wziąłem ten wzór “A large body of laboratory data for atmospheric gases has been fitted to the empirical expressions”, a użyte współczynniki (B, C i D) “are all empirical, fitting parameters”. No właśnie. Można sobie napisać inne prawo wedle swojego widzimisię, z tym że nie będzie ono zgodne z obserwacjami. Czyli będzie bezużyteczne. I Pan rzeczywiście proponuje zmienić prawo fizyczne ze zgodnego z obserwacjami na inne bo tak Panu wygodniej?

    I na koniec: “A skąd to Panu przyszło do głowy że efekt Cieplarniany jest proporcjonalny do grubości optycznej ?”. Proszę Pana, znikąd. Bo ja czegoś takiego nie napisałem. Określenie “proporcjonalna” użyte bez żadnych przymiotników oznacza wprost proporcjonalna czyli zależność liniową. A ona ma bardziej skomplikowaną postać. Gdyby zrozumiał Pan cokolwiek z wpisu, który wczoraj pan studiował to zauważyłby Pan, że w przyjętym przeze mnie prostym przybliżeniu radiacyjnym Ziemia musi wyemitować (1 + 0,75 τ) energii krótkofalowej jaką otrzymuje od Słońca, przy czym τ jest planckowską grubością optyczną długofalową. A stosując prawo Stefana Boltzmana łatwo wyliczyć, że temperatura powierzchni będzie się wtedy równała temperaturze efektywnej (czyli takiej bez efektu cieplarnianego) razy czwarty pierwiastek z (1 + 0,75 τ). A to absolutnie nie jest zależność liniowa.

    Ma Pan jeszcze jakieś pytania?

  28. Mam choć nie wiem czy Pańskie ograniczenia na ilość moich replik choćby te przepuszczą.

    1. dlaczego nazywa Pan “stałe” wielkości we wzorze gdy one wg Pana zmieniają się w zależności od parametrów.
    przecież to Pan napisał:
    “Α = C + D ln(m) + E ln(p)

    gdzie C, D i E to stałe,”

    Ta nie pytam o to co się stanie jak zmienimy jednostki, tylko jak obliczyć wg tego wzoru przyrost wielkości A(m) spowodowany podwojeniem ilości gazu. Parametr m pierwotnie równy m1 po podwojeniu koncentracji gazu jest równy 2*m1, ilość CO2 w atmosferze jest tak niewielka że dodanie drugie tyle do atmosfery chyba nie zmieni znacząco ciśnienia. więc p pozostawiam bez zmian.
    wstawiam do Pańskiego wzoru i wychodzi
    A(2*m) = A(m) + B*ln(2)
    Gdzie wg Pana jest błąd w rozumowaniu ?

    2 ” Skoro efekt cieplarniany jest proporcjonalny do grubości optycznej” to cytat z Pańskiego artykułu.

    Niestety moich wyjaśnień Pańskie wspaniałe “ograniczenia na które sobie zapracowałem” nie puściły i dlatego zdziwiło mnie pańskie stwierdzenie o liniowej zależności efektu cieplarnianego od grubości optycznej,

    Choć Pański wzór wyprowadzony jest przy założeniu iż atmosfera jest szara (a nie jest) to nie protestuję bo moje wyprowadzenie jak pisałem tego założenia nie wymaga.

    wiec jeszcze takie małe pytanko : (znów Pana zacytuję):” τ jest planckowską grubością optyczną długofalową”,
    jak zmieni się owa optyczna grubość długofalowa w wyniku podwojenia ilości gazu który blokuje emisję w pewnym nie znów tak szerokim pasmie ?

  29. Jeśli Pan nie rozumie czym różnią się stałe od zmiennych w pół-empirycznym wzorze fizycznym, to o czym my tu mamy rozmawiać? Posiadane przez naukowców dane pomiarowe służą do najlepszego dopasowania stałych. A Pan sądził, że stałe dyktują nam anioły? Zmienne to wartości, w funkcji których zmienia się wielkość jaką wyliczamy. Tak, to stałe, nie zmienne pochodzą z doświadczenia. Zmienne mogą mieć dowolne wartości (w zakresie stosowalności wzoru).

    A teraz konkretnie, w przypadku CO2, mamy w praktyce C=0. Zmiany związane z ciśnieniem (człon przy stałej E) są niezerowe ale gdy podwoimy CO2 to ciśnienie prawie się nie zmieni, więc możemy je zaniedbać. Tak więc absorpcja jaką otrzymamy proporcjonalna jest do logarytmu z koncentracji CO2 (i od kąta pomiaru ale tym się nie zajmujmy dla uproszczenia – załóżmy, że mierzymy pod stałym katem od horyzontu).

    Czyli A = D ln(m), gdzie m jest w tym wypadku koncentracja CO2, na przykład mierzoną w ppm. Z tym, że D silnie zależy od długości fali (tak, tak – to stała tylko dla danej długości fali). Jednak dla każdej długości na jakiej będziemy mierzyć absorpcja wzrośnie o ln(2)= 0,69 = 69% przy podwojeniu koncentracji CO2.

    Może Pana to zdziwi ale tą logarytmiczną zależność zauważył już Arrhenius pod koniec XIX wieku. Nie mógł zmienić ilości CO2 w atmosferze ale miał dane nad jasnością Księżyca w podczerwieni dla różnych jego katów nad horyzontem. A ilość CO2 na drodze optycznej zależny też od kąta zenitalnego (jak wspominałem), nie przypadkiem optycy atmosfery i astronomowie nazywają tą wielkość (w istocie prostą funkcję kąta zenitalnego “masą optyczna atmosfery” (tak znowu masa!).

    “Gdzie wg Pana jest błąd w rozumowaniu ?” Błąd jest jak zwykle w Pana rozumowaniu. Niech Pan spróbuje zrozumieć co napisałem w poprzednich akapitach a zrozumie Pan dlaczego.

    A co do zależności liniowej to nie ma u mnie błędu. Napisałem “efekt cieplarniany (w sensie wymuszenia radiacyjnego) rośnie liniowo z grubością optyczną atmosfery”. Proszę zwrócić uwagę na “w sensie wymuszenia radiacyjnego” A to liczymy w watach na metr kwadrat, nie w stopniach Celsjusza. I dokładnie taki wzór miałem w poprzednim wpisie. Natomiast w gdybym nie dodał tego “sensu” to czytelnik miałby prawo sadzić, że chodzi o temperaturę i wtedy zależność rzeczywiście jest proporcjonalna do pierwiastka czwartego stopnia, jak pisałem w poprzednim komentarzu. To prosta konsekwencja prawa Stefana-Boltzmanna.

    Na ostatnie Pana pytanie mam odpowiedź prostą. Jeśli gaz występuje w atmosferze w koncentracji wystarczającej aby być w reżimie logarytmicznym (jak para wodna i CO2 na naszej planecie) to absorpcja będzie zależała logarytmiczne od koncentracji (właściwie z definicji). Szerokość pasm nie ma tu znaczenia. W rejonach spektralnych gdzie nie ma absorpcji mamy D=0, a zero powiększone o 69% to tez zero. Czyli zależność logarytmiczna występuje niezależnie od tego jaki zakres spektralny wybierzemy. Jak już wspomniałem, to się da zmierzyć i wielokrotnie to mierzono, choćby metodą Arrheniusa.

  30. Żeby gaz (np. dwutlenek węgla) mógł pochłaniać promieniowanie i zatrzymywać energię, jego temperatura musi być niższa od temperatury ciała, które to promieniowanie emituje. Czy zna Pan pionowy rozkład stężenia CO2 w troposferze. Wydaje się, że jako gaz cięższy od powietrza, powinien zalegać dolne warstwy troposfery a tym samym mieć temperaturę zbliżoną do temperatury litosfery. W związku z tym energia promienista nie powinna być przez CO2 zatrzymywana.

  31. Panie Janie,

    Aby gaz mógł netto przyjmować energię poprzez procesy radiacyjne, jego temperatura musiała by być niższa niż tego promieniowania (i czegokolwiek z czym jest ono w równowadze). Tu się zgadzamy.

    Z tym, że kto powiedział, że atmosfera zatrzymuje netto energię cieplną? Tzn. zatrzymuje w dzień i oddaje w nocy. Ale już w skali roku takie twierdzenie byłoby trochę śmieszne biorąc pod uwagę, że atmosfera ma za mała pojemność cieplną aby pamiętać co było tydzień temu. Tak więc w procesie globalnego ocieplenia to głównie oceany absorbują ciepło. Ale nawet gdyby ich nie było, powierzchnia Ziemi (a zatem i atmosfera) musiała by się ocieplić po zwiększeniu stężenia gazów cieplarnianych. Ba, ociepliła by się jeszcze szybciej.

    Bo to nie jest kwestia nierównowagi strumieni energetycznych (z wyjątkiem właśnie oceanu), lecz właśnie równowagi. Atmosfera musi wyemitować tyle energii ile zabsorbowała. Podobnie powierzchnia Ziemi. To równowaga dynamiczna. Czemu się zatem ociepli., jeśli zwiększymy ilośc gazów cieplarnianych? Ociepli się dlatego, że atmosfera więcej absorbuje (i o tyle samo więcej emituje). A promieniowanie termiczne (długofalowe) wypromieniowanie przez atmosferę nie jest kierunkowe. Zatem więcej pada i na powierzchnię ziemi. A jeśli ta powierzchnia (a tak że sama atmosfera) emituje więcej to… musi mieć w tym celu wyższą temperaturę To prosta konsekwencja prawa Stefana-Boltzmanna.

    Atmosfera jest w dużej swojej większości zimniejsza niż powierzchnia ale to już skutek istnienia nad nim kosmosu mającego temperaturę 2,7 K. Atmosfera nie jest w równowadze termicznej ani z powierzchnią Ziemi skutecznie ogrzewana promieniowaniem słonecznym (bezpośrednio krótkofalowym i pośrednio długofalowym “zwrotnym” z atmosfery), ani z (zimnym) kosmosem (promieniowania krótkofalowego ze Słońca prawie nie absorbuje dlatego z powierzchni widzimy Słońce i gwiazdy). Atmosfera ma temperaturę pośrednią, w każdym jej miejscu wynikającą z dynamicznej równowago strumieni radiacyjnych i strumieni ciepła [1].

    Streściłem Panu wpis pod którym pan komentował. Zatem zgaduję, ze nawet Pan do niego nie zajrzał. Zgadza się?

    [1] Na poziomie jakościowym (czyli pustego gadania) to może Pana nie przekonać. Jednak jest to ściśle policzalne jako zestaw równań różniczkowych (chociaż w praktyce rozwiązuje się to numerycznie). Pierwszy to rozwiązał Syukuro Manabe z współpracownikami w latach 1960-ch i do dziś te rozwiązania (np. wynikające z nich pionowe gradienty temperatury) stosowane są w praktyce. Tu są dwa najważniejsze artykuły w których to wyłożono:
    http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0469(1964)021%3C0361:TEOTAW%3E2.0.CO;2
    http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0469(1967)024%3C0241:TEOTAW%3E2.0.CO;2
    Z tych obliczeń np.wiemy, że zwiększenie stężenia CO2 musi spowodować ogrzanie troposfery i oziębienie stratosfery. Jedno i drugi jest obserwowane.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *