O ile oziębiłaby się Ziemia gdyby pozbawić ją atmosfery?

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.

Ziemia bez chmur
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).

Ziemia bez atmosfery
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).

16 thoughts on “O ile oziębiłaby się Ziemia gdyby pozbawić ją atmosfery?”

  1. Myślę że świetnym przykładem jak wygląda temperatura powierzchni globu bez atmosfery, w dodatku globu który dostaje tyle samo energii od Słońca co Ziemia i do tego ma średnie albedo mniej więcej takie jak powierzchnia gruntu jest Księżyc :).

  2. No nie do końca bo albedo zupełnie inne. Księżyc nie ma na powierzchni praktycznie wcale wody a Ziemia ma średnio ponad 2 km. I to średnio z kontynentami.

    Już lepszym modelem jest Europa, szósty księżyc Jowisza. Ma parę kilometrów lodu i 10-12 atmosfery ciśnienia na powierzchni. Z tym, że też nie do końca. Europa ma albedo 0,67 (a Księżyc tylko 0,136) bo ma smugi ciemnej materii na powierzchni.
    Europa

    Przyczyną jest wulkanizm spowodowany silnymi ruchami pływowymi. Europa jest księżycem największej masy w naszym układzie słonecznym (oprócz samego Słońca). Ziemia ma tylko “niewielki” Księżyc w okolicy więc nas siły pływowe nie grzeją prawie wcale (w porównaniu z księżycami Jowisza). Czyli Ziemia bez atmosfery powinna mieć nawet czystszy lód (wyższe albedo), niż Europa, która i tak odbija ponad 4 razy więcej niż powierzchnia “naszego” Księżyca.

  3. Pisalem o albedo gruntu, nie albedo planetarnym (średnim dla całej planety). Umówmy się że Księżycu jest dobrym odpowiednikiem Sahary na Ziemi bez atmosfery. Europa daleko, strumień energii słonecznej mały a taka Sahara bez atmosfery to wypisz/wymaluj Księżyc 🙂

  4. Pisalem o albedo gruntu, nie albedo planetarnym

    Czekaj, a czym się one według Ciebie różnią przy braku atmosfery?

    To znaczy wiem, że jedna jest lokalna a druga globalna, ale naprawdę zgadzam się z Weartem, że Ziemia bez atmosfery będzie wszędzie biała ze względu na sublimację i resublimację lodu. Gdzieniegdzie oczywiście lód będzie pobrudzony przez wulkanizm ale nie sądzę abyś gdziekolwiek na takiej Ziemi znalazł optyczny odpowiednik Sahary.

  5. I jeszcze jedno – rzeczywiście nie najlepiej dobrałem przykład, Sahara ma albedo ~30% podczas gdy Księżyc ~12%. A nasza dyskusja jest czysto akademicka bo problem “Ziemi bez atmosfery” jest źle zdefiniowany i chyba rozumiemy go inaczej – jak jako Ziemi bez jakiejkolwiek powłoki gazowej, Ty – bez powietrza suchego, ze sczątkową atmosferą z pary wodnej…

  6. Oczywiście, że to “Ziemia bez atmosfery” jest przykładem strasznie źle dobranym i o tym jest cały wpis.

    Ale pozwala snuć ciekawe rozważania 🙂

  7. Można powiedzieć, że Ziemia z żywą roślinnością, wodą w płynie i próżnią to nie “gdybanie”, tylko model idealny. Od razu brzmi lepiej.

    Fajny artykuł.

  8. Czyżby brytyjski MetOffice przerzucił się z prognozowanie zimy na podstawie letnich temperatur Atlantyku (na czym się sparzył) na prognozy na podstawie aktywności słońca?
    http://www.tvnmeteo.pl/informacje/ciekawostki,49/zima-w-normie-przyszle-lato-gorace-prognoza-na-podstawie-aktywnosci-slonca,14060,1,0.html

    To równie niebezpieczne źródło prognoz długoterminowych. Zima idzie i chyba niedługo będę musiał napisać obiecany rok temu wpis o tym co ma wpływ na zimowy indeks NAO, a zatem i na cyrkulację w naszych szerokościach geograficznych.

    PS. Już chyba rozumiem o czym to. Mianowicie o tym artykule z Nature Geoscience:
    http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/abs/ngeo1282.html

  9. I jeszcze jedno. Whiteskies pisał:

    “By the way, nie bardzo rozumiem skąd woda na Saharze znad której zabierzemy CAŁE powietrze….

    Jeśli cud zabrania powietrza będzie jednorazowy (tzn gazy nie będą cudownie usuwane przez cały czas) to na planecie pokrytej w 2/3 zamarznięta wodą w wyniku sublimacji wytworzy się natychmiast rzadka atmosfera z pary wodnej. W nocy ta para wodna resublimowała by wszędzie, także na Saharze. Tym właśnie taka Ziemia różniłaby się od Księżyca. I to właśnie miał na myśli Weart.

    PS. Zresztą to nie byłby tylko powolny proces sublimacji (“parowania lodu”). W pierwszych dniach po zabraniu atmosfery ocean pod próżnią by po prostu wrzał (jak przystało na ciekłą wodę w ciśnieniu 0 atmosfer). Ustabilizowało by się to dopiero gdy wytworzyłaby się wyżej wspomniana rzadka atmosfera z H2O i lód uzyskałby nową równowagę termodynamiczną z parą wodną.

    PPS. Ponieważ w pierwszych dniach “wrzącego oceanu” trwałby wyścig między rosnącym ciśnieniem pary wodnej a malejącą temperaturą oceanu trudno dokładnie powiedzieć ile oceanu wyparowałoby i jakie ciśnienie osiągnięto by przed dojściem do równowagi lód-para. Natomiast potem w wyniku postępującego zabielania kontynentów temperatura by malała i praktycznie cała ta nowa atmosfera z pary wodnej osiadłaby z powrotem na powierzchni w postaci szronu (resublimacja).

    Na wykresie fazowym wody wyglądałoby to mniej więcej tak (chodzi mi o “trajektorię” wzdłuż dwóch czerwonych strzałek).

  10. przecież to jasne, brak atmosfery to temperatura jaka w kosmosie powiekszona o wpływ temperatury jaką wytwarza sama ziemia na styku ziemi i kosmosu.
    Podejrzewam że około -200 st.C
    Nie jestem fizykiem, lecz laikiem i tak sądze.

  11. @Zenon

    Ja jestem fizykiem i uwierz mi, ale naprawdę jesteś laikiem.

    W “kosmosie” czyli jak rozumiem w próżni kosmicznej Układu Słonecznego ciała maja temperaturę zależną od odległości od Słońca i od koloru swojej powierzchni (dokładniej albedo, czyli części oświetlenia słonecznego odbitego z powrotem w kosmos bez zaabsorbowania).

    Tak samo byłoby i z Ziemią gdyby nie miała atmosfery. Problem tylko w tym jakie miałaby albedo. Jeśli byłaby pokryta lodem lub śniegiem to znacznie mniejszą temperaturę niż gdyby była sucha i skalista jak Księżyc. Nawiasem mówiąc Księżyc jest bardzo ciemny (albedo 14% w porównaniu z 30% dla Ziemi z atmosferą, chmurami i oceanami) i dlatego jest średnio niewiele zimniejszy od Ziemi mającej atmosferę z gazami cieplarnianymi. Jednak długa doba prawie równa miesiącowi ziemskiemu powoduje, że ta średnia prawie nigdzie nie występuje (z jednej strony jest gorąco a z drugiej lodowato).

    Istnienie atmosfery wszystko komplikuje bo z jednej strony chmury zwiększają albedo (czyli oziębiają) a z drugiej strony obecność w atmosferze gazów absorbujących w zakresie w jakim sama Ziemia wypromieniowuje ciepło (czyli w podczerwieni) zwiększą temperaturę. I efekt jest taki jaki obserwujemy: 33 stopnie cieplej niż przy takim samym albedo i braku atmosfery. Jednak mój wpis służył uświadomieniu, że Ziemia bez atmosfery prawdopodobnie byłaby biała, czyli znacznie zimniejsza niż te 33 stopnie mniej niż obecnie.

    Gdyby “biała Ziemia” bez atmosfery miała albedo 90% (brudnawy śnieg) to miałaby średnią temperaturę -116 C. Gdyby miała 95% (czyli mniej więcej czysty śnieg) to miałaby średnia temperaturę -141 C. Twoje -200 C wymagałyby nierealistycznego albedo grubo powyżej 99%. Czyli musiałaby być chyba z Teflonu.

  12. @arctic_haze
    Ziemia wyglądałaby dokładnie jak Enceladus, a ten ma albedo 99% więc nie jest to takie nierealistyczne.

  13. Myślę, że Ziemia byłaby brudniejsza przez emisja wulkaniczne. Dlatego proponowałem raczej Europę jako model. Na Enceladusie istnieją gejzery wody grzanej intensywnymi pływami spowodowanymi przyciąganiem Saturna i to jest źródło “odświeżania” bieli. U nas pływy spowodowane Księżycem raczej nie miałyby szansy stopić głębi zamarzniętych oceanów więc na podobny efekt bym nie liczył.

  14. No nie bardzo. Oczywiście ocean będzie wrzał ale zanim dużo się “wygotuje”, powstanie atmosfera z czystej pary wodnej, i wkrótce osiągnie ciśnienie nasycenia tejże pary i zacznie padać śnieg. Tak dokładnie to ciśnienie pary nasyconej w temperaturze 20 C wynosi około 23 hPa, czyli wyparowałaby warstwa 23 cm wody zanim atmosfera by się nasyciła (taka ilość pary wodnej w atmosferze zapewniłaby ciśnienie nasycenia na poziomie morza). Przypominam, że średnia głębokość oceanu to 3000 m. Czyli nie ma szans aby wyparował.

    Poza tym, powstaną z tej pary chmury, prawie wyłącznie lodowe, w wyniku czego albedo Ziemi wzrośnie, co jeszcze przyspieszy ochładzanie. A im zimniejsza planeta, tym mniej tej pary wodnej w atmosferze. Skończyłoby się to dokładnie tak jak opisałem w notce (byłem świadomy tego o czym dzis napisałem ale nie chciałem za długo się rozwodzić w szczegółach.

    EDIT. Poprawka. Ocean to “tylko” 70% powierzchni Ziemi. Czyli musiałaby wyparować warstwa 32 cm aby zapewnić nasycenie przy +20 C dla całej planety (także nad kontynentami). jednak w praktyce temperatura by opadała i pewnie nawet tyle by nie trzeba. Nawiasem mówiąc po przekroczeniu ciśnienia 6 hPa przekroczylibyśmy punkt krytyczny i przejściowo mogłyby nawet pojawić się chmury z ciekłej wody. Póki by nie zamarzła…

Leave a Reply

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