Promieniowanie słoneczne jako główne źródło ciepła dla Ziemi

Głównym źródłem energii na Ziemi – w tym ciepła – jest promieniowaniepromieniowaniepromieniowanie słoneczne. Ilość energii docierająca ze Słońca nazywana jest stałą słoneczną, a jej średnia wartość wynosi 1 367 W/m². Niewielkie ilości ciepła docierają także z wnętrza Ziemi. Geotermiczny strumień ciepła dostarcza jednak zaledwie 0,07 W/m², więc jest zazwyczaj pomijany w bilansie ciepła. Promieniowanie słoneczne w 99% składa się z promieniowania krótkofalowegopromieniowanie krótkofalowepromieniowania krótkofalowego (długość fal 0,1 do 4,0 μmum). Jednak tylko jego część dociera do powierzchni lądów i mórz. Do powierzchni Ziemi trafia ono jako promieniowanie bezpośrednie podczas bezchmurnego nieba lub jako promieniowanie rozproszone. Sumą tych dwóch rodzajów promieniowania jest promieniowanie całkowite. Jest ono pochłaniane przez powierzchnię Ziemi, powodując jej ogrzanie.

R1RjLC4O0r0QI

Schemat przedstawia rodzaje promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi. Słońce wyobrażone jest za pomocą żółtego koła z promieniami, powierzchnię Ziemi zaznaczono kolorem zielonym. Ustawiony pod kątem ostrym w stosunku do niej znajduje się drugi, brązowy odcinek, pod którym widnieje półkolista strzałka z napisem kąt nachylenia powierzchni terenu. Od Słońca do Ziemi wędrują proste, ciągłe strzałki podpisane jako promieniowanie bezpośrednie. Od punktu, gdzie stykają się z ziemią biegną strzałki oznaczone linią przerywaną aż do odcinka symbolizującego powierzchnię terenu. Podpisane są jako promieniowanie odbite. Do powierzchni terenu wędrują również promieniście ułożone strzałki oznaczone linią przerywaną. Są podpisane jako promieniowanie rozproszone.

Do czynników decydujących o wielkości promieniowania całkowitego docierającego do powierzchni lądów i mórz należą m.in.:

• wysokość Słońca nad horyzontem zależna od szerokości geograficznej – różnice w dopływie promieniowania na różnych szerokościach geograficznych skutkują powstaniem stref oświetlenia Ziemi,

• czas oświetlenia (insolacja), będący skutkiem ruchu obrotowego Ziemi i zmieniający się w zależności od szerokości geograficznej,

• wysokość nad poziomem morza,

• ukształtowanie terenu,

• pokrycie terenu wpływające na albedoalbedoalbedo.

W zależności od szerokości geograficznej ta sama wiązka promieniowania przekazuje swoją energię na różną powierzchnię – mniejszą w strefie międzyzwrotnikowej i większą w strefie okołobiegunowej. W związku z tym obszary położone między zwrotnikami otrzymują wielokrotnie więcej energii cieplnej na jednostkę powierzchni niż obszary okołobiegunowe. Występuje tam też dodatni bilans cieplny, ponieważ pochłanianie ciepła przeważa nad jego utratą wskutek odbicia i wypromieniowywania. Z tego względu wartości średniej rocznej temperatury są tam najwyższe na Ziemi. Natomiast w strefie okołobiegunowej sytuacja jest odwrotna – dopływ energii promieniowania słonecznego jest stosunkowo niewielki, a bilans cieplny ujemny, ponieważ straty ciepła są większe niż jego zatrzymywanie. Utrata ciepła z tych obszarów jest rekompensowana w pasie małych szerokości geograficznych. Dzięki temu bilans globalny jest ciągle równoważony.

Energia słoneczna dociera do powierzchni Ziemi tylko w ciągu dnia. Jej ilość zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się wysokości Słońca nad horyzontem. Nocą, gdy dopływ promieniowania słonecznego ustaje, nagrzana powierzchnia emituje promieniowanie długofalowepromieniowanie długofalowepromieniowanie długofalowe (cieplne) o długości fal 4‑100 μmum. W dolnej warstwie atmosfery promieniowanie długofalowe jest zatrzymywane. Zjawisko to nosi nazwę efektu cieplarnianego i chroni Ziemię przed nadmierną utratą ciepła.

Wymiana energii drogą promieniowania między Słońcem, powierzchnią Ziemi i atmosferą w decydującym stopniu kształtuje klimat Ziemi. Cykl przemian energii od promieniowania krótkofalowego Słońca do długofalowego promieniowania Ziemi warunkuje występowanie licznych procesów atmosferycznych, których przejawami są zróżnicowane zjawiska pogodowe. Pomiędzy podłożem a atmosferą odbywa się bowiem stała wymiana ciepła. Ich przyczyną są przemiany fazowe wody (parowanie i skraplanie), a także turbulencja i konwekcja.

Bilans cieplny Ziemi i jego składowe

Bilans cieplny Ziemi jest powiązany z bilansem promieniowania. Przyjmuje się, że w skali globalnej w długim okresie (tzw. wieloleciu) jest on zrównoważony, ponieważ nasza planeta emituje taką ilość promieniowania, jaką otrzymuje.

R1KpAGU01TkfO

Schemat przedstawia bilans cieplny Ziemi. Ziemia przedstawiona jest jako brązowa powierzchnia, nad nią znajduje się błękitne niebo oraz chmury. Do powierzchni Ziemi biegnie bardzo gruba, żółta strzałka podpisana jako promienie słoneczne krótkofalowe. Na szczycie strzałki widnieje napis 100%, a przy samej powierzchni Ziemi - 53%. Biegnie od niej w prawo cienka, żółta strzałka podpisana: odbite od atmosfery, a od niej w górę strzałka napisem: ucieczka w przestrzeń kosmiczną – 6%. Poniżej znajduje się kolejna wąska strzałka z napisem: pochłonięte przez chmury – 3%. W lewą stronę z kolei biegnie strzałka z napisem: pochłonięte przez atmosferę – 14%. Niżej w stronę chmur odchodzi żółta strzałka, a od chmur strzałka z napisem: odbite od chmur – 20%. Obok od ziemi biegnie w górę żółta strzałka z napisem: odbite od powierzchni Ziemi – 4%. Od Ziemi z kolei biegnie w górę czerwona strzałka z napisem: wypromieniowanie długofalowe z powierzchni ziemi - 23%; od niej w bok biegnie strzałka z adnotacją: pochłonięte przez atmosferę - 17%. Na samym szczycie strzałki widnieje napis: ucieczka w przestrzeń kosmiczną – 6%. Obok znajduje się mniejsza strzałka skierowana w górę w kolorze czerwono - niebieskim z napisem: utajone ciepło parowania i kondensacji - 23%. Od chmury znajdującej się na niebie biegnie w górę niebieska strzałka z napisem: wypromieniowanie długofalowe z chmur - 26%. Kolejna czerwono - niebieska strzałka w kształcie fali biegnie od Ziemi w górę. Jest podpisana jako: wymiana ciepła na drodze konwekcji i turbulencji - 7%. Od nieba w górę prowadzi strzałka z napisem: wypromieniowanie długofalowe z atmosfery - 38%.

Głównymi składnikami bilansu cieplnego Ziemi są:

• krótkofalowe promieniowanie całkowite będące sumą promieniowania bezpośredniego, które poprzez atmosferę dociera do powierzchni Ziemi w postaci wiązki promieni równoległych oraz promieniowania rozproszonego, w przypadku którego następuje zmiana kierunku promieni słonecznych wskutek załamania w niejednorodnym optycznie środowisku, jakim jest atmosfera; energia dostarczana tą drogą do górnych warstw atmosfery wynosi 342 W/m²;

• promieniowanie odbite od powierzchni Ziemi (30 W/m²) i chmur (77 W/m²), zmniejszające ładunek energii docierający do powierzchni Ziemi; ta część promieniowania słonecznego, która podlega odbiciu i nie uczestniczy w żadnych procesach atmosferycznych, jest nazywana albedo Ziemi i wynosi średnio 30% - najwięcej promieniowania odbijają chmury i polarne czapy lodowe;

• promieniowanie pochłonięte przez atmosferę (67 W/m²) i powierzchnię Ziemi (168 W/m²) będące różnicą pomiędzy promieniowaniem całkowitym a odbitym; pochłanianie powoduje zmianę jakościową w obiegu energii słonecznej polegającą na jej przekształceniu w energię cieplną;

• długofalowe promieniowanie powierzchni Ziemi (wypromieniowywanie) powodujące oddawanie otoczeniu części energii uzyskanej od Słońca w postaci energii cieplnej; całkowita wielkość ładunku energii wypromieniowywanej z powierzchni Ziemi wynosi 390 W/m², z czego 324 W/m² wraca do powierzchni Ziemi jako promieniowanie zwrotne atmosfery, a tylko 40 W/m² jest emitowane bezpośrednio jako promieniowanie długofalowe z powierzchni Ziemi do przestrzeni kosmicznej;

• wymiana ciepła między podłożem a atmosferą odbywająca się wskutek przemian fazowych wody (ewapotranspiracja – 78 W/m²) oraz konwekcji (24 W/m²).

R1PbkMcp7VH6a

Schemat przedstawia bilans wewnętrznych i zewnętrznych strumieni energii dla przestrzeni kosmicznej powyżej górnej granicy atmosfery, atmosfery ziemskiej i powierzchni Ziemi (promieniowanie krótkofalowe jest oznaczone kolorem żółtym, a promieniowanie długofalowe kolorem czerwonym). Pierwsza kolumna przedstawia promieniowanie zewnętrzne. Górny wiersz jest szary, znajduje się w nim napis: Kosmos 342 W łamane przez m indeks górny 2. W dół skierowana jest żółta strzałka z napisem promieniowanie całkowite 342. Środkowy wiersz jest niebieski, znajduje się w nim napis: Atmosfera 519 W łamane przez m indeks górny 2. Widnieje w nim czerwona, skierowana w górę strzałka z napisem: wypromieniowywanie 195 oraz czerwona, skierowana w dół strzałka z napisem promieniowanie zwrotne 324. Ostatni, brązowy wiersz zawiera napis: Powierzchnia Ziemi: 492 W łamane przez m indeks górny 2. Znajduje się w nim czerwona, skierowana w górę strzałka z napisem: wypromieniowywanie 390 oraz dwie skierowane w górę, białe strzałki z napisem konwekcja 24 i ewapotranspiracja 78. Druga kolumna przedstawia promieniowanie wewnętrzne. Górny wiersz jest szary, znajduje się w nim napis: Kosmos 342 W łamane przez m indeks górny 2. W górę skierowana jest żółta strzałka z napisem promieniowanie odbite 107 oraz czerwona, skierowana w górę strzałka z napisem wypromieniowywaie 235. Środkowy wiersz jest niebieski, znajduje się w nim napis: Atmosfera 519 W łamane przez m indeks górny 2. Widnieją tu dwie skierowane w górę, białe strzałki z napisem konwekcja 24 i ewapotranspiracja 78 oraz czerwona, skierowana w górę strzałka z napisem wypromieniowywanie 350, a nad nią żółta strzałka skierowana w dół z napisem promieniowanie pochłonięte 67. Ostatni, brązowy wiersz zawiera napis: Powierzchnia Ziemi: 492 W łamane przez m indeks górny 2. Znajduje się w nim czerwona, skierowana w dół strzałka z napisem: promieniowanie zwrotne 324 oraz żółta, skierowana w dół strzałka z napisem: promieniowanie pochłonięte 168.

Wydaje się, że przedstawiony na rysunku bilans jest nieprawidłowy, gdyż wynika z niego, że do powierzchni Ziemi dociera więcej energii (492 W/m²) niż do górnej granicy atmosfery ze Słońca (342 W/m²). Należy uwzględnić jednak fakt występowania promieniowania zwrotnego (324 W/m²) spowodowanego obecnością gazów cieplarnianych. W tym przypadku pewna część promieniowania musi być uwzględniona podwójnie, najpierw jako promieniowanie całkowite, a później jako promieniowanie zwrotne atmosfery.

W rzeczywistości bilans cieplny Ziemi nie zawsze jest zrównoważony. Pochłanianie energii przez atmosferę, oceany i lądy jest bowiem zróżnicowane ze względu na różną pojemność cieplną. Z tego względu przez pewien czas Ziemia może się znajdować w energetycznej nierównowadze i emitować więcej energii, niż do niej dociera. Tę różnicę częściowo pokrywa ciepło pochodzące z wnętrza Ziemi. Bilans promieniowania może ulec zmianie także ze względu na czynniki wpływające na ilość ciepła traconego i zatrzymywanego. Należą do nich m.in. zmiany w ziemskim albedo (np. zmiany wielkości powierzchni pokrytej lodem, wodą, pustyniami czy lasami), czynniki naturalne (np. erupcje wulkanów), zachmurzenie lub nachylenie i ekspozycja dużych obszarów lądowych. Nikt też chyba nie wątpi, że czynnikiem wywołującym zmiany w bilansie cieplnym Ziemi jest działalność człowieka, która prowadzi do zmiany koncentracji gazów szklarniowych i pogłębienia efektu cieplarnianego.

RiirXT48re8K7

Schemat przedstawia wpływ ekspozycji i nachylenia stoku na wielkość dopływu bezpośredniego promieniowania słonecznego. Są na nim cztery wzniesienia: A – stok stromy eksponowany na bezpośrednie promieniowanie słoneczne – duży kąt padania promieni słonecznych opisany jako alfa. Promienie słoneczne zobrazowane jako trzy strzałki padają na powierzchnię stoku pod kątem prostym; duży dopływ energii promieniowania słonecznego, intensywne ogrzewanie powierzchni; B – stok stromy, zacieniony – brak dopływu bezpośredniego promieniowania słonecznego na jego powierzchnię; C – stok eksponowany na bezpośrednie promieniowanie słoneczne o mniejszym nachyleniu powierzchni niż w A – mniejszy kąt padania promieni słonecznych opisany jako beta. Promienie słoneczne zobrazowane jako trzy strzałki padają na powierzchnię stoku pod kątem ostrym; mniejszy dopływ energii promieniowania słonecznego, mniej intensywne ogrzewanie powierzchni niż w A; D – płaska powierzchnia terenu – najmniejszy kąt padania promieni słonecznych opisany jako gamma; Promienie słoneczne zobrazowanej jako trzy strzałki padają na powierzchnię stoku pod kątem bardzo ostrym; mniejszy dopływ energii promieniowania słonecznego i mniej intensywne ogrzewanie powierzchni niż w A i C.

Efekt cieplarniany

Promieniowanie zwrotne jest podstawową przyczyną występowania efektu cieplarnianego. Zjawisko to, zwane także efektem szklarniowym, jest spowodowane występowaniem atmosfery ziemskiej, przez którą przenika do powierzchni Ziemi znaczna część krótkofalowego promieniowania słonecznego. Jednocześnie atmosfera zatrzymuje pewną część promieniowania długofalowego (cieplnego), wypromieniowywanego przez powierzchnię Ziemi. Dlatego średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi około 15°C, a przy braku atmosfery byłaby niższa o około 44°C. Efekt cieplarniany jest procesem naturalnym i dotyczy nie tylko Ziemi, lecz może występować na wszystkich planetach posiadających atmosferę i oświetlanych przez promieniowanie gwiazdy. Gospodarcza działalność człowieka wpływa na pogłębienie efektu cieplarnianego, wywołując systematyczny wzrost temperatury powierzchni Ziemi i powietrza. Szczególne zagrożenie związane jest z emisją i zwiększeniem stężenia w atmosferze substancji absorbujących długofalowe promieniowanie ziemskie (tzw. gazów cieplarnianych), głównie dwutlenku węgla, metanu, tlenków azotu oraz freonów. Wyniki badań satelitarnych wskazują, że Ziemia emituje coraz mniej promieniowania długofalowego. Powoduje to kumulację energii w ziemskim systemie klimatycznym, a w konsekwencji występowanie globalnego ocieplenia i zmianę klimatu na kuli ziemskiej. Więcej na ten temat dowiesz się z e‑materiału „Wpływ efektu cieplarnianego na klimat Ziemi”.

Słownik