„Pomogli ocalić Ziemię przed potencjalną katastrofą środowiskową” – te słowa usłyszeli w 1995 r. chemicy Paul J. Crutzen, Mario J. Molina i F. Sherwood Rowland, którym przyznano Nagrodę Nobla. To za ich sprawą zbadane zostały konsekwencje wprowadzania do ziemskiej atmosfery freonów (chlorofluorowęglowodorów, CFC) – związków stosowanych w lodówkach i kosmetykach w aerozolu. Substancje te w ziemskiej troposferze były zupełnie niegroźne, jednak po przedostaniu się do stratosfery ulegały rozpadowi na skutek intensywnego promieniowania UV. W ten sposób następowało rozerwanie ich struktury i uwolnienie chloru, który jest katalizatorem rozpadu ozonuozonozonu w stratosferze – gazu, będącego trójatomową postacią tlenu, absorbującym szkodliwe dla organizmów żywych promieniowanie UV‑B. To z kolei stało się przyczyną powstania tzw. dziury ozonowej, której rozrost zahamowany został pośrednio za sprawą noblistów - w 1989 r. zakazano używania freonu, a ilość jego związków w atmosferze zaczęła spadać.

Poza ozonem w stratosferze (nazywanym „dobrym”) jest jeszcze jeden, którego dla uproszczenia nazwiemy „złym ozonem”, zalegający w niższej warstwie – troposferze. Ozon troposferyczny stanowi zaledwie ok. 10% całkowitej zawartości ozonu w atmosferze. Jest zanieczyszczeniem wtórnym, co oznacza, że nie jest emitowany do atmosfery bezpośrednio przez człowieka, ale pojawia się na skutek przemian chemicznych innych związków. Do powstawania ozonu w najniższej warstwie atmosfery przyczyniają się substancje chemiczne pochodzące głównie z sektorów energetyki, transportu, przemysłu (w tym także wydobywczego), rolnictwa, a także substancje naturalne pochodzące z roślinności, głównie lasów (których emisja rośne wraz ze wzrostem temperatury). Udowodniono szkodliwy wpływ ozonu troposferycznego na roślinność (np. szersze i dłuższe otwieranie aparatów szparkowych, co ułatwia wnikanie do wnętrza kwaśnych opadów i uszkodzenia tkanek roślin), człowieka (kaszel, podrażnienie oczu, zmniejszenie wydajności płuc), a również na materiały (wpływ na korozję i degradację materiałów). Ozon pochłania też promieniowanie długofalowe ziemi, stąd zaliczany jest go tzw. gazów cieplarnianych.

Jak już wiesz, aby mogły powstać chmury, muszą zaistnieć specyficzne warunki – stan nasycenia powietrza parą wodną (który zachodzi w trakcie ochładzania się powietrza aż do temperatury punktu rosy) oraz obecność tzw. jąder kondensacji. Wpływ człowieka na zawartość tych ostatnich w atmosferze skutkuje formowaniem się chmur. Jądra kondensacji pełnią niezwykle istotną funkcję rolę w procesie ich powstawania - to do nich mogą przyklejać się produkty kondensacji pary wodnej, czyli kropelki wody mikroskopijnych rozmiarów. Tego typu zarodnikami mogą być aerozole pochodzenia morskiego, pył pustynny, pyłki roślin czy też pyły i dymy pochodzenia antropogenicznego - jako efekt procesu spalania. Loty samolotowe, których wysokość przelotowa dochodzi do 12 km, dostarczają do atmosfery ziemskiej ogromne ilości jąder kondensacji jako produktów spalania paliwa w silnikach samolotu. Efektem jest powstawanie chmur, tzw. smug kondensacyjnych. Nie tworzą się one jednak w niskich warstwach atmosfery (np. przy starcie samolotu lub przy jego lądowaniu), chociaż powietrze może zwierać tam więcej pary wodnej, to jednak jest zbyt ciepłe, aby doszło do kondensacji. Smugi mogą być widoczne na niebie przez bardzo krótki czas lub przeciwnie – jest to zależne od warunków, jakie panują w atmosferze. Dla przykładu przy wysokiej wilgotności smuga zbudowana z kryształków lodu będzie bardzo wolno sublimowała, przez co czas jej życia może być liczony nawet w godzinach.

RDWmcRxR38Ghh

Zdjęcie przedstawia niebieskie niebo z chmurami. Są to pojedyncze chmury kłębiaste oraz chmury w postaci długich linii.

Podobne zjawisko formowania się chmur zauważono nad trasami statków przy pomocy zdjęć satelitarnych. Zanieczyszczenia dostarczane do atmosfery z kominów statków wpływają na powstawanie chmur, które przebiegają zgodnie z trasami ich płynięcia.

ReVUgW3HXjfbf

Zdjęcie satelitarne przedstawia dużą ilość nierównych, białych linii - smug przecinających się pod różnym kątem. Obok zdjęcia pokazano ilość promieniowania docierającą do powierzchni Ziemi. W miejscu dużego zagęszczenia smug promieniowanie wynosi około 2 mikrometrów. Tam, gdzie smug jest mniej, około 16 mikrometrów.

Smugi kondensacyjne to chmury piętra wysokiego, a powstające nad trasami statków piętra niskiego. W związku z tym ich wpływ na nasilenie efektu cieplarnianego będzie potęgujący lub osłabiający.

Polecenie 1

Które chmury (smugi kondensacyjne czy te nad trasami statków) powodują większe zatrzymanie promieniowania długofalowego Ziemi i w konsekwencji wzrost temperatury atmosfery przy jej powierzchni?

Na podstawie opisu ilustracji zastanów się i podaj, które chmury (smugi kondensacyjne czy te nad trasami statków) powodują większe zatrzymanie promieniowania długofalowego Ziemi i w konsekwencji wzrost temperatury atmosfery przy jej powierzchni?

R1U5Wh1PIl185

Ilustracja przedstawia dwie chmury obok siebie na tle nieba. Chmura po lewej stronie znajduje się wyżej, chmura po prawej stronie jest zawieszona niżej nad powierzchnią Ziemi. Przy chmurach są strzałki proste i falujące. Strzałki proste: jedna strzałka przechodzi przez chmury i dotyka powierzchni ziemi. Druga prosta strzałka jest na górnej powierzchni chmury skierowana ku górze. Strzałki czerwone, falujące: przy chmurze położonej wyżej długa strzałka biegnie od powierzchni ziemi do chmury, druga strzałka, krótka, jest na górnej powierzchni chmury i jest skierowana w górę, kolejna jest naprzeciwko krótkiej strzałki, ale jest skierowana w stronę powierzchni ziemi. Jest bardzo krótka. W przypadku chmury położonej nisko strzałki są podobne, z tym że strzałka skierowana w górę jest krótsza od strzałki skierowanej w dół. Ta zatrzymuje się w niewielkiej odległości od powierzchni Ziemi.

RuseHwZaIeM0c

(Uzupełnij).

Wprowadzane przez człowieka do atmosfery jądra kondensacji mają wpływ na częstotliwość powstawania chmur, ale także na ich właściwości. Duża zawartość aerozoli spowoduje powstawanie chmur o kroplach bardzo niewielkich rozmiarów. Te, podobnie jak gęsta mgła zalegająca tuż nad powierzchnią ziemi, będą intensywnie rozpraszały docierające promieniowania krótkotrwałe Słońca (a zatem będą miały ochładzający wpływ na atmosferę). Rozmiar kropel chmurowych ma także decydujący wpływ na tempo (i możliwość) powstania opadu, zatem na czas życia chmury. Wszystkie zmiany albedoalbedoalbedo, które są konsekwencją różnic w zawartości aerozoli w powietrzu to tzw. bezpośredni efekt aerozolowybezpośredni efekt aerozolowybezpośredni efekt aerozolowy. Przykładem niech będzie wzrost aerozoli typu miejskiego pochodzących np. ze spalin samochodowych. Z kolei pośredni efekt aerozolowypośredni efekt aerozolowy pośredni efekt aerozolowy dotyczy wpływu aerozoli na albedo chmury oraz czas jej życia.

Polecenie 2

Przeanalizuj rycinę i odpowiedz, która z chmur (po lewej czy po prawej stronie) powstała prawdopodobnie w warunkach zwiększonej koncentracji aerozoli atmosferycznych?

Po zapoznaniu się z opisem ryciny odpowiedz, która z chmur powstała prawdopodobnie w warunkach zwiększonej koncentracji aerozoli atmosferycznych?

Ra1re7xnkoIFq

Ilustracja przedstawia dwie chmury obok siebie. Na pierwszej chmurze (lewa strona ilustracji) są niewielkie krople deszczu po jej lewej stronie. Na drugiej chmurze (prawa strona ilustracji) są duże krople deszczu na chmurze i pod chmurą. Na każdej z chmur na górnej powierzchni są strzałki. Strzałki załamują się, docierając do górnej powierzchni chmur. Linie strzałki docierającej do chmury zaznaczono linią przerywaną, część strzałki odbijającej się od chmury nie jest przerywana. Groty strzałek są skierowane w górę, ku niebu. W przypadku chmury leżącej po lewej stronie ilustracji linie (przerywane) docierające do powierzchni chmury są krótsze od odbijanych od powierzchni chmury. W przypadku chmury po prawej stronie jest odwrotnie.

RYgANlBnsMOB5

(Uzupełnij).

Polecenie 3

Na podstawie zdjęcia ustal, jaki będzie wpływ zmiany albedo śniegu (na skutek pokrycia sadzą) na temperaturę przypowierzchniowych warstw atmosfery.

Na podstawie opisu zdjęcia ustal, jaki będzie wpływ zmiany albedo śniegu (na skutek pokrycia sadzą) na temperaturę przypowierzchniowych warstw atmosfery.

R1ayKUrqlrheM

Zdjęcie przedstawia zabrudzoną powierzchnię śniegu. Śnieg ma miejscami barwę brązowo-czarną. Leżą na nim czarne kropki.

R1PygVti5QHCH

(Uzupełnij).

Globalne ocieplenie, które wiąże się bezpośrednio z początkiem ery przemysłowej, jest wynikiem wzrostu zawartości gazów cieplarnianych w ziemskiej atmosferze. Osoby negujące fakt globalnego ocieplenia jako konsekwencji działalności antropogenicznej podkreślają, że to para wodna w głównej mierze odpowiada za zmiany temperatury w atmosferze. Miałoby to sugerować, że to naturalne działanie przyrody, a nie człowieka, powoduje wzrost średniej temperatury na naszej planecie. Rzeczywiście, na każde 100 cząsteczek gazów cieplarnianych 90 stanowi para wodna. Pomijając istnienie pary wodnej w atmosferze, warto zwrócić uwagę, że 99,96% gazów (azot, tlen, argon) nie jest gazami cieplarnianymi. Zawartość COIndeks dolny 2₂ to zaledwie 0,04%, natomiast inne gazy cieplarniane występują w ilościach śladowych.

Każdy z gazów absorbuje promieniowanie o innej długości fali, co przedstawia poniższa tabela.

Ciekawostka

Okazuje się, że zmiany ilości pary wodnej w atmosferze nie są przyczyną, ale skutkiem zmian temperatury na Ziemi. Co to oznacza? Gdy zawartość innych gazów cieplarnianych rośne, zmienia się temperatura, a para wodna dostosowuje się do nowych warunków – wzrostowi temperatury towarzyszy wzrost jej zawartości. Ponieważ jest gazem cieplarnianym, jej zwiększona ilość powoduje dalszy wzrost temperatury, a ten dalszy wzrost zawartości pary wodnej w powietrzu. Mamy zatem do czynienia z tzw. sprzężeniem zwrotnymsprzężenie zwrotnesprzężeniem zwrotnym dodatnim, które potęguje zmiany temperatury atmosfery (ryc. 6).

Źródło: Mit – para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym, naukaoklimacie.pl [dostęp online: 03.11.2020]

R1Bq5nmDXUdw9

Na ilustracji przedstawiono dodatnie sprzężenie zwrotne w atmosferze. Na obrazku są trzy kule ziemskie obok siebie. Na pierwszej kuli ziemskiej u góry w kółku jest ikona fabryki. Podpis pod kulą ziemską: wzrost zawartości gazów cieplarnianych spowodowany działalnością człowieka. Na drugiej kuli ziemskiej w kółku jest ikona termometru. Podpis pod kulą ziemską: wzrost temperatury powietrza. Na trzeciej kuli ziemskiej kółko zasłania para wodna. Podpis pod kulą ziemską: zwiększone parowanie. Od pierwszej kuli ziemskiej do drugiej biegnie strzałka, od drugiej do trzeciej kuli ziemskiej biegnie strzałka dołem, od trzeciej do drugiej kuli ziemskiej biegnie strzałka górą.

Słownik