Niektórzy definiują efekt cieplarniany właśnie w ten sposób: „Gdyby nie było atmosfery Ziemia byłaby zimniejsza o 33 stopnie”. Słyszałem nawet fizyka atmosfery wykładającego w ten sposób. Właśnie o tym jak bardzo błędny to pogląd będzie dzisiejszy wpis.

A pretekstem będzie dyskusja jaką spowodowało ukazanie się w EOS w zeszłym roku tekstu Xubin Zeng „What Is the Atmosphere’s Effect on Earth’s Surface Temperature?” [1]. Na tym blogu zwrócił mi na niego uwagę jeszcze w czerwcu 2010 użytkownik kala.fior [2]. Wyraziłem wtedy swój pogląd na ten temat (o czym niżej) i zapamiętałem, że kala.fior prosił mnie, abym podał link jeśli zauważę gdzieś dyskusje na ten temat. Dziś właśnie (z dużym opóźnieniem) znalazłem tę dyskusję [2] i niniejszy wpis jest w gruncie rzeczy spełnieniem prośby czytelnika.

A sprawa jest ciekawa. Zeng mianowicie bierze zbyt dosłownie wspomnianą na początku (błędną) definicję efektu cieplarnianego i zauważa, że gdyby usunąć atmosferę to zniknąłby nie tylko efekt absorpcji promieniowania długofalowego (podczerwonego), którego istnienie właśnie powoduje, że Ziemia musi być 33 stopnie cieplejsza niż wynika z prawa Stefana-Boltzmanna, aby wyemitować ciepło jakie dostaje od Słońca. Zniknęłyby także chmury, które oziębiają Ziemię, odbijając w kosmos promieniowanie słoneczne (krótkofalowe). Jeśli uwzględnić, że albedo planetarne Ziemi zmieniłoby się z obecnej wartości 0,30 do wartości średniego albedo powierzchni ziemi (pod atmosferą), czyli 0,14, to łatwo wyliczyć, że Ziemia oziębiłaby się nie o 33 a o 20 stopni Celsjusza. W związku z tym Zeng proponuje poprawienie wszystkich podręczników szkolnych.

Tak w przybliżeniu Zeng wyobraża sobie Ziemię bez atmosfery.

W komentarzach na blogu napisałem na ten temat, że to bzdura, bo gdyby pozbawić Ziemię atmosfery to nie miałaby albedo 0,14, bo tak niska wartość to wpływ głownie istnienia oceanów, które natychmiast bez atmosfery zamarzłyby, powodując, że albedo planetarne zrobiłoby się nawet wyższe niż 0,30 czyli temperatura spadłaby nawet więcej niż 33 stopnie spowodowane samym efektem cieplarnianym. Zamarznięcie oceanów byłoby prostym skutkiem zmiany ciśnienia nad wodą z 1 do 0 atmosfer. W próżni woda po prostu nie występuje w stanie ciekłym.

Okazuje się, że na stronach EOS tekst Zenga miał dwie repliki (plus odpowiedź autora jak jest w zwyczaju czasopism naukowych). Opublikowano je jeszcze w zeszłym roku, ale znalazłem je dopiero teraz.

Pierwszą replikę przysłał Gerald Stanhill z Institute of Soil, Water and Environmental Sciences w Izraelu. Ciekawa rzecz, ale w ogóle nie na temat tekstu Zenga, ale jak przystało na agronoma na temat szklarni (czyli cieplarni). Powtórzył znany argument, że „greenhouse effect” jest nazwany nieprawidłowo, bo w szklarni jest cieplej z innego powodu niż pod atmosferą ziemska. Szkło absorbuje podczerwień, ale tylko daleką i główna przyczyna dlaczego w szklarni jest cieplej jest jej odizolowanie od wymiany powietrza z otoczeniem. Dodał jednak mniej znany szczegół, że w Izraelu testowano to w praktyce. Sześć miesięcy obserwacji temperatury w szklarni pokrytej szkłem (absorbującym nieco podczerwień) i polietylenem (przezroczystym dla podczerwieni) dało średnio tak małą różnicę temperatury miedzy nimi, że niepewność statystyczna była kilka razy większa (czyli efekt statystycznie nieistotny). Wszystko to ciekawe, ale nic nam nie mówi o efekcie cieplarnianym (oprócz tego, ze jest źle nazwany, ale tego już nie zmienimy – jest na to stanowczo za późno).

Drugą replikę przysłał Spencer R. Weart (nie mylić z Royem Spencerem), ciekawa postać – emerytowany fizyk i historyk fizyki. Napisał mniej więcej to samo co ja na niniejszym blogu: „At that temperature the oceans would freeze over (or in the absence of any atmosphere, they would boil off and fall as snow), severely raising the planetary albedo and lowering the planet’s temperature—to say nothing of albedo change due to biosphere impacts„. Z tym, że oprócz zamarznięcia oceanów przy braku atmosfery Weart przewiduje jeszcze możliwość ich wrzenia i opadu śniegu na lądach (ja bym to nazwał sublimacja i resublimacją ale efekt pobielenia lądów wydaje się całkiem możliwy) oraz zmian albedo spowodowanych zmianami biologicznymi (las bez atmosfery nie byłby długo ciemnozielony). Weart nie próbował jednak szacować o ile by to zwiększyło te rzekome oziębienie o 33 stopnie (efekt li tylko braku efektu cieplarnianego).

W rzeczywistości Ziemia pozbawiona atmosfery wyglądałaby mniej więcej tak (z tym, że jeszcze bardziej biała).

Odpowiedź Zenga była dość krótka i nieśmiała. Zgodził się z oboma oponentami i dodał, że jego wniosek należy zmienić na „Ziemia jest 20°C cieplejsza niż byłaby, gdyby usunąć atmosferę nie zmieniając powierzchni ziemi” („The Earth’s surface temperature is 20°C warmer than it would be if the atmosphere were removed but the surface did not change”). Co jest totalnym gdybaniem, bo jak wspomniał Weart ciekła woda i zielona roślinność nijak nie pasują do próżni.

Uważny czytelnik zapyta, co to wszystko ma wspólnego z globalnym ociepleniem? Otóż w istocie nic, chociaż ażby się prosiło, aby „piarowsko” przedstawić wynik gdybania Zenga jako „efekt cieplarniany jest o 13 stopni mniejszy niż sądzili naukowcy”. Zeng zresztą wyraźnie do tego zachęcał zamącając definicję efektu cieplarnianego i wzywając do zmiany wszystkich podręczników.

Reasumując: efekt cieplarniany to różnica temperatury między znanym nam światem a hipotetycznym światem bez absorpcji promieniowania długofalowego w atmosferze przy założeniu, że albedo planety (łączy efekt chmur i albedo powierzchni), by się nie zmieniło. To założenie nie jest także realistyczne, bo w świecie bez gazów cieplarnianych lodu i śniegu byłoby więcej, czyli prawdziwa różnica byłaby większa niż 33 stopnie. Jednak nierealistyczność tego przypadku nie umywa się do nierealistyczności ziemi bez atmosfery ale z niezmieniona powierzchnią.

Ale zaraz zaraz,  czy ja odpowiedziałem na tytułowe pytanie? W zasadzie tak. Byłoby zimniej o więcej niż 33 stopnie. O ile więcej? Jeśli przyjąć (dość konserwatywnie) albedo „pobielonej” Ziemi bez atmosfery na 0,85 to jej średnia temperatura wynikająca z prawa Stefana-Boltzmanna wynosiłaby 173 K (czyli -100°C). Co oznaczyłoby oziębienie Ziemi po pozbawieniu jej atmosfery o… 115 stopni Celsjusza.

Przypisy:

[1] Xubin Zeng (2010). What Is the Atmosphere’s Effect on Earth’s Surface Temperature? EOS Transactions AGU : doi:10.1029/2010EO150002

[2] Naszą dyskusję, o której wspominam można znaleźć pod tym wpisem: Efekt cieplarniany: zerowe przybliżenie

[3] Oba komentarze i odpowiedź Zenga można znaleźć w jednym pliku PDF, niestety jednak, aby go otworzyć trzeba być członkiem AGU (jeśli ktoś nie wie co to AGU, to najprawdopodobniej nie jest).