Efekt nasycenia pasma dla humanistów [wpis gościnny]

(Wpis gościnny, autor: bukowylas)

Co się stanie, jeżeli w atmosferze znajdzie się więcej CO2 niż obecnie? Czy będzie miało to wpływ na efekt cieplarniany? Czy wzmocni się jeszcze bardziej czy może już nie? Aby łatwiej było to wyjaśnić, zacznijmy od tego, że ciepło (1), które wypromieniowuje Ziemia, to inaczej promieniowanie podczerwone, niewidzialne dla ludzkiego oka. Każdy przedmiot wystawiony na światło Słońca, będzie się ogrzewał, a jednocześnie będzie oddawał ciepło. Wystawiona na Słońce piłka do koszykówki nagrzeje się, a ciepło, które będzie wydzielać (jeżeli to będzie naprawdę gorący dzień) poczujemy nie tylko, gdy jej dotkniemy, lecz także wówczas, gdy zbliżymy dłoń do jej powierzchni. Choć dla naszych oczu światło Słońca jest po prostu białe, to składa się ono z całej palety różnych kolorów, co widać świetnie, gdy przepuści się światło Słońca przez pryzmat, na przykład taki, jak na okładce płyty zespołu Pink Floyd.

Ciepło, które oddaje powierzchnia Ziemi, obejmuje różne częstotliwości promieniowania podczerwonego, czyli różne kolory. Tych kolorów w podczerwieni jest w ogóle całkiem sporo, nawet więcej niż w zakresie światła widzialnego. Spójrzmy na ilustrację poniżej, na której przedstawiony jest zarówno zakres światła widzialnego, jak i promieniowania podczerwonego czy ultrafioletowego (które na wiązce światła przepuszczonej przez pryzmat znajdują się tuż poza widzialną czerwienią i fioletem).

Kliknij na obrazek, aby zobaczyć powiększenie.

Dlaczego ważne jest, by rozumieć, że promieniowanie podczerwone obejmuje różne częstotliwości? Dlatego, że dwutlenek węgla reaguje tylko na konkretny, „ulubiony” przez siebie kolor (czyli częstotliwość), a inne kolory przepuszcza. Czyli, jeżeli poświecimy odpowiednim kolorem światła na cząsteczkę dwutlenku węgla to zareaguje ona – zostanie wprawiona w wibrację i wyemituje światło w tym samym kolorze. Tym samym zatrzyma ona to światło. Animację, która to ilustruje, można zobaczyć tutaj. Jeżeli będzie to inna barwa promieniowania podczerwonego, to nic się nie stanie i promień światła poleci dalej. Swój ulubiony kolor, a właściwie zakres kolorów, które wprawiają je w wibrację, mają także metan, para wodna czy podtlenek azotu, które również są gazami cieplarnianymi.

Część promieniowania podczerwonego, które oddaje Ziemia, jest zatrzymywana przez różne gazy, powodując efekt cieplarniany, są jednak takie odcienie tego promieniowania, na które nie reaguje żaden z gazów znajdujących się w atmosferze i na skutek czego część ciepła uchodzi prosto w kosmos. Zakres częstotliwości, w których ciepło przelatuje przez atmosferę, jest nazywany atmosferycznym oknem.

„No, dobrze, ale czy w ogóle coś się stanie, jeżeli dodamy do atmosfery więcej ton CO2?” – pytają sceptycy, – „Przecież cząsteczek dwutlenku węgla, które już są w atmosferze, jest już tak dużo, że wyłapują one prawie całe promieniowanie o częstotliwości, na które reaguje CO2”. Ilość promieniowania o danej częstotliwości jest przecież ograniczona. Jeżeli dana częstotliwość już została przechwycona przez gazy obecne w atmosferze, czyli innymi słowy, gdy dane pasmo jest już nasycone, to może dodawanie kolejnych cząsteczek gazu nic tu już nie zmieni, bo przecież częstotliwość, na którą dany gaz reaguje już została „skonsumowana”. Czy tak? Może zatem, podsuwają sceptycy, „ulubione” pasmo dwutlenku węgla jest już teraz prawie całkowicie nasycone, w związku z czym nie potrzeba się martwić, że gdy więcej CO2 trafi do atmosfery z komina elektrowni, to będzie jeszcze cieplej.

Okazuje się jednak, że to tak nie działa. Gdy stężenie CO2 rośnie, to zaczyna ono reagować także na inny odcień promieniowania czerwonego, nie tylko więc na ten, który na początku był jego „ulubionym”. Oznacza to, że efekt cieplarniany będzie się wzmacniał nawet wtedy, gdy preferowane na początku przez CO2 pasmo już będzie skonsumowane. Efekt cieplarniany będzie się wówczas wzmacniał wolniej niż na początku, a dodawanie kolejnych ton CO2 nie będzie miało tak silnego wpływu na ilość zatrzymywanego ciepła, jak wtedy, gdy stężenie dwutlenku węgla w atmosferze było jeszcze małe. Jeżeli wzrośnie ono ze 100 ppm na 200 ppm, to kolejny wzrost z 200 ppm na 300 ppm, nie będzie miał takiego samego skutku dla zatrzymywania ciepła oddawanego przez Ziemię, jak pierwszy wzrost ze 100 ppm na 200 ppm, lecz mniejszy. Nie oznacza to jednak, że nie będzie go wcale.

Zmiany klimatu obejmują wiele skomplikowanych tematów, jednak ich proste i przystępne przedstawienie jest kluczowe do tego, by zwykli ludzie mogli sami zrozumieć, czy jest to sprawa, którą warto się przejmować. Gdyby więc w słoneczne, niedzielne popołudnie, zaproszony do studia telewizyjnego sceptyk wyciągnął znienacka tajemniczy wykres i wymachując nim zaczął grzmieć, że to nie ma znaczenia, czy spalimy całe zasoby węgla w Polsce czy nie, bo pasmo CO2 jest już prawie nasycone, co wówczas mógłby odpowiedzieć na to siedzący obok klimatolog? Z niezmąconym spokojem mógłby odpowiedzieć, że gdy wzrośnie zawartość CO2 w atmosferze, to będzie ono zatrzymywało także inne częstotliwości promieniowania podczerwonego, przez co efekt cieplarniany się wzmocni, a wskazują na to badania eksperymentalne, jak również prawa fizyki, z którymi można się zapoznać na blogu „Anomalia klimatyczna”.

Przypisy:

(1) Arctic_haze zwrócił mi uwagę, że w języku fizyków ciepło to sposób przenoszenia energii przez kontakt ciał o różnej temperaturze. OK. Jednak w języku potocznym ciepło, to to coś co bije od ogniska. Rozumiem, że dla fizyków użycie słowa ciepło w taki sposób, jak w niniejszym artykule, to może być herezja, że powinienem był raczej użyć fachowego pojęcia promieniowanie długofalowe lub cieplne. W tekście naukowym – zgoda. Rzecz jednak w tym, że w codziennym życiu tak się nie mówi (o, jakie promieniowanie cieplne bije z tego piekarnika!), a celem popularyzowania nauki jest sprawić, aby była ona zrozumiała dla wszystkich. Wydaje mi się więc, że używane w potocznym języku określenie ciepło jest zbieżne z tym, co fizycy określają jako promieniowanie cieplne, dlatego też zdecydowałem się je pozostawić.

Zobacz więcej:

6 thoughts on “Efekt nasycenia pasma dla humanistów [wpis gościnny]”

  1. Mam nadzieję, że powyższy artykuł bukowegolasa pomoże humanistom zrozumieć o czym tu mówimy.

    Od siebie jednak dodam, że skupianie się na silnie absorbujących pasmach, tak częste w popularyzacji tego zjawiska mija się lekko z celem. One się wysycają w tym sensie, że przy olbrzymiej wartości współczynnika absorpcji w tych wąskich spektralnie obszarach nawet zwiększenie go o 10 razy praktycznie nie zmieni transmisji na tej długości fali (bo już jest praktycznie zerowa). Jeśli jednak zauważymy, że te pasma “wysycone” to mały fragment całego widma planckowskiego to zaczniemy się zastanawiać czy są takie ważne. A gdy się jeszcze dowiemy, że planckowską grubość optyczną liczy się całkując spektralnie nie absorpcję a transmisję (by z niej wyliczyć grubość optyczna jako tau = – ln(T)) to widać, że to nie pasma a obszary między nimi decydują o wartości wymuszenia efektu cieplarnianego.

    Wpadają w tę pułapkę nawet tacy wybitni naukowcy-popularyzatorzy jak Archer. Dlatego warto zajrzeć czasem do podręczników pisanych przez specjalistów od przenoszenia radiacji i spektroskopii, jak zrobiłem ja aby zrozumieć co tu się naprawdę dzieje. A mimo tak zwanego “wysycenia” pasm absorbujących o ile wiem nawet w nich absorpcja jest proporcjonalna do logarytmu ilości substancji absorbującej. Czyli istnienie pasm absorpcyjnych w ogóle nie zmienia mojej argumentacji z poprzednich dwóch wpisów. I to także chciałem pokazać. Bukowylas mi to przypomniał swoim gościnnym wpisem 🙂

  2. @ arctic

    Hm, wiesz co, ale nie mogę się z Tobą zgodzić 🙂 Pasma, które “wycinają” poszczególne gazy cieplarniane z całego spektrum promieniowania podczerwonego są bardzo ważne. Wycięcie większego pasma, na przykład z powodu wzrostu stężenia na przykład CO2, oznacza że “energy intensity”, żeby już użyć fachowego terminu, zmniejsza się. To nie jest tak, że gdy poszerzy się pasmo, to nic się nie stanie, bo więcej promieniowania podczerwonego będzie uciekało atmosferycznym oknem. Wówczas efekt cieplarniany by się nie zwiększał. A chodzi właśnie o to, że większa ilość gazów cieplarnianych “zapycha” atmosferę tak, jak większa ilość resztek jedzenia zapycha dziurę w zlewie podczas zmywania (zdarza mi się to dosyć często, więc mówię z własnego doświadczenia ;). Pobawiłem się także modelem Davida Archera zalinkowanym powyżej i wychodzi tu na to samo. Większa ilość CO2 przekłada się na mniejszą ilość promieniowania, które wydostaje się w kosmos, przez co rośnie temperatura na Ziemi.

  3. @bukowylas

    I racji nie masz…

    Większa ilość CO2 to większe długofalowe strumienie radiacyjne w górę i w dół przy powierzchni Ziemi. Natomiast opuścić atmosferę musi tyle energii ile do niej weszło (jeśli nie liczyć tego 0.6 W/m2 o którym napisze jutro). Inaczej nie domkniesz energetycznego budżetu ziemi i złamiesz zasadę zachowania energii.

    Podejrzewam, że ten model Archera liczy ile promieniowania długofalowego opuści atmosferę przy stałej ilości wypromieniowanej przez powierzchnie Ziemi. Dowcip w tym, że ona nie jest stała. Inaczej nie byłoby w ogóle efektu cieplarnianego w sensie podgrzania powierzchni. Pamiętaj o prawie Stefana-Boltzmanna: cieplejsza powierzchnia to większa emisja – i nie da się tego nijak ominąć.

    Fizyki naprawdę często niełatwo zrozumieć…

  4. Fajnie byłoby jakoś zilustrować efekt większej ilości CO2 w atmosferze i jego wpływ na GW bez zbytniego upraszczania. Wyobrażam to sobie jako serie trzech trójwymiarowych wykresów w “perspektywie”.
    Na osi “x”, długość fali (nm), na osi “y” (w perspektywie) wysokość atmosfery (km, od dołu troposfery do prawie szczytu stratosfery), a pionowej oś “z”; procent nasycenia absorpcji, do 100%.
    Wykres pokazywałby “bieg z przeszkodami” biednych fotonów wyemitowanych przez Ziemie, np. środkowe, “nasycone” spektrum pochłaniające calkowicie promieniowanie na wysokościach z odpowiednia gęstością CO2 przedstawione by było jako długi prostopadłościan, zmieniający się w klin od wysokości na której maleje gęstość CO2 i stopień nasycenia, spadający do zero na wysokości z której fotony są już emitowane w przestrzeń.

    Pierwszy diagram odpowiadałby koncentracji CO2 w czasach przed industrialnych, drugi, w naszych czasach.
    Prostopadłościany byłyby na nim dłuższe, bo kolumna CO2 jest wyższa i szersze.

    A trzeci wykres byłby różnicą drugiego i pierwszego, czyli w całej okazałości zwiększony efekt CO2. Pokazałoby że “pierzyna” jest grubsza (dłuższa kolumna CO2) i z lepszego “pierza”, większe spektrum jest izolowane.

    Mając faktyczne spektra promieniowanie Ziemi z różnych wysokości, można by w podobny sposób zilustrować różnice promieniowania na poziome od dolnej troposfery do szczytu stratosfery, i tym samym pokazać bezpośrednio efekt cieplarniany; wracający strumień energii.
    Bardzo możliwe ze są już gdzieś takie wykresy; dzięki z link.

  5. @ arctic

    Przeprowadziłem w umywalce eksperyment, aby ostatecznie rozstrzygnąć jak się sprawy mają 🙂 Sprawa przedstawia się następująco: jeżeli przymkniemy odpływ, pozostawiając jedynie trochę miejsca dla wody, a jednocześnie puścimy silny strumień z kranu, poziom wody w umywalce zacznie się podnosić. To jest oczywiste i to wiedzą wszyscy. Jednak nie będzie się on podnosić w nieskończoność, a jedynie do pewnego poziomu. Gdy w umywalce zbierze się dostatecznie dużo wody, to ciśnienie powodowane przez jej większą masę będzie silniej napierać na szczelinę pozostawioną w odpływie i wypychać wodę z umywalki tak szybko, jak napływa ona z kranu. Sytuacja będzie więc w równowadze, dzięki odpowiednio wysokiemu poziomowi wody, który będzie stały.

    Jak to się ma do efektu cieplarnianego? W związku z tym, że przez szczelinę pozostawioną w odpływie woda będzie przepływać szybciej, silniejszym strumieniem, przyznaję Ci rację, że przez atmosferyczne okno energia będzie uchodziła silniejszym strumieniem. Kiedy pisałem poprzedni komentarz, nie było dla mnie jasne, dlaczego tak miało by się dziać. Musiałem więc doczytać, że im większą temperaturę ma dany przedmiot, to tym szybciej oddaje ciepło, a gdy jego temperatura jest niższa, to ciepło oddaje on wolniej (czyli wspomniane przez Ciebie prawo Stefana-Boltzmanna). Wzrost temperatury na Ziemi odpowiada więc wzrostowi ciśnienia wody w umywalce. Dla fizyków są to, jak się domyślam, oczywiste sprawy, ale dla humanistów to Wielkie Odkrycia 🙂

    Niemniej jednak, nie zmienia to tego, co napisałem powyżej, że zablokowanie większej części pasma ma znaczenie, bo powoduje wzrost temperatury na Ziemi, czyli podniesienie się poziomu wody w umywalce. Na skutek tego, że wzrosła się średnia temperatura na Ziemi, będzie ona szybciej oddawała promieniowanie podczerwone. OK. Ale w tej całej sprawie, dla klimatu Ziemi kluczowe jest to, że gdy wzrośnie stężenie CO2 w atmosferze, czyli gdy przytkamy nieco odpływ wody w umywalce, to w poziom wody się podniesie, czyli na Ziemi zrobi się cieplej 😉

  6. Dzięki za wpis bukowegolasu i za nowego bloga arctic_haze’a. Czytam z zainteresowaniem i przyjemnością, i liczę na więcej! 🙂

Leave a Reply

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