Energijska bilanca zemlje

Če je površje Zemlje v ravnovesju lahko to predstavimo kot ravnovesje med sončnim sevanjem, ki pride na zemljo in sevanjem, ki ga Zemlja oddaja. Če bi bilo vzpostavljeno takšno ravnovesje bi bila temperatura na tem planetu veliko nižja kot dejansko je.

To nam pove, da tak opis ni popoln, saj učinek tople grede nekaj Zemljinega sevanja ustavi.

V zraku prevladujoča plina, dušik in kisik, ne preprečujeta vstop dolgovalovnega sevanja. Ostali plini v ozračju pa dolgovalovno sevanje absorbirajo, vendar jih je v ozračju precej malo, zato posledično nimajo velikega vpliva na to vrsto sevanja. Najpomembnejši spojini sta (H2O) in ogljikov dioksid (CO2). Prispevki ostalih spojin pa so iz metana (CH4), dušikovega oksida (tj., dušikov oksid, N2O), klorofluoro ogljikovodikov (snov ki vsebuje klor in fluor) in številnih drugih plinov. Vsi ti plini nekaj sevanja, ki ga oddaja Zemlja tudi absorbirajo.

Večino sevanja, ki ga oddaja površje zemlje se absorbira v atmosfero, saj atmosfera ni neprepustna za dolgovalovno sevanje. To povzroči segrevanje atmosfere, ki seva tako navzdol, kot tudi navzgor. Nekaj ​​toplotnega sevanja s tem iz ozračja pride tudi nazaj na tla. Kot rezultat, se zemlja segreje. Prav ta dvig temperature imenujemo učinek tople grede. In plini, ki so za to odgovorni so toplogredni plini.

Poleg tega pa k učinku tople grede prispevajo tudi oblaki, ki zaradi vsebnosti vodne pare prav tako absorbirajo sevanje.

Poglejmo si primer sevanja CO2 in vodne pare, ki nam opišeta bistvo učinka tople grede:

Če je podnevi jasno nebo, k celotnemu sevanju v atmosferi največ prispeva kratkovalovno sončno sevanje. Ponči pa se vsa energija prenaša z dolgovalovnim sevanjem. V jasni noči s suhim zrakom tla sevajo v IR delu spektra, ki potuje skozi atmosfero. Del tega sevanja se absorbira v CO2, hkrati pa tudi sam seva v IR spektru, in sicer polovico sevanja odda nazaj proti tlom druga polovica pa gre nazaj v vesolje. Sevanje, ki pride nazaj do površja, odda Zemlji dodatno energijo, kar prispeva k zmanjšanju ohlajanja ozračja, vendar se gledano v celoti površje vseeno ohlaja, saj ni prisotnega sončnega sevanja, ki bi segrevalo površje. V oblačnih nočeh pa je v ozračju prisotna tudi vodna para, ki tako kot CO2 , tudi sama seva. Zato dobi površje več energije, zrak pri tleh pa se v tem primeru manj ohladi.

Tako vidimo da obstaja veliko načinov za opis učinek tople grede. Lahko rečemo, da "sevanje toplogrednih plinov greje tla." Lahko rečemo, da se toplota zaradi toplogrednih plinov "zaustavi" na poti od zemlje. Lahko pa rečemo, da je "učinkovitost sevanja, ki ga oddaja Zemeljsko površje zmanjšana, ker zemlja mora nekaj te toplote porabiti za dvig temperature."

Če upoštevamo vse zgoraj naštete dejavnike dobimo drugačno sliko energijske bilance Zemlje. Zdaj le majhen del sevanja zemeljskega površja pride neposredno ven iz ozračja v vesolje. Večina dolgovalovnega sevanja pride do toplogrednih plinov in oblakov v ozračju. Nekaj energije se preko sevanja od atmosfere izseva nazaj v vesolje, nekaj pa je pride tudi nazaj na površje. Lahko bi rekli, da je globalno segrevanje posledica toplotnega sevanja, ker toplogredni plini v ozračju nekaj toplote zadržijo in zato le ta ostaja v ozračju. Tako bi se energija, brez učinka tople grede hitro izgubila ven v vesolje, in tako bi na zemlji ostalo zelo malo energije.

Razlike med sevanjem, ki vstopi na vrhu atmosfere in sevanjem, ki iz atmosfere izstopi, dejansko ni. Energijski tok, ki ga zemlja odda mora vedno biti ravno enak energijskemu toku sonca, ki pride v ozračje. In to je to. Razlika med obravnavo, kjer ni upoštevan učinek tople grede, obravnavo kjer je, je ta, da velik del energije, ki jo izseva sonce pride med atmosfero in tla.

Prikaz ravnovesja klimatskega sistema

Spodnja slika prikazuje vse vertikalne pretoke energije v ozračju. Na enak način, kot v prejšnjem poglavju kažejo odstotke, kako veliki so posamezni energijski tokovi. Energijo, ki pride do ozračja označimo z 100%.

Definirali smo kratkovalovno in dolgovalovno sevanje tal. Ne pride pa ves vertikalni transport energije v ozračje zaradi sevanja ampak lahko pride tudi na drugačne načine. Energija lahko namreč preide v ozračje pri prenosu toplote zaradi različne temperature dveh termodinamičnih sistemov ( v tem primeru ozračje in zemeljsko površje). Ta način oddajanje energije predstavlja 7% in jo neposredno občutimo. Zato tej energiji pravimo zaznavna toplota.

To je v bistvu zrak, ki se segreva zaradi segretega površja, kar posledično privede do dviganja tople zračne mase zaradi vzgona in tako se prenese energija iz tal v atmosfero.

Potem je tu še z veliko puščico označena energija, ki se imenuje latentna toplota. In kaj je to? To je prenos energije v obliki vodne pare. Da voda izhlapi iz morja ali iz zemljišč, je potrebna energija, saj voda preide iz tekočega v plinasto stanje in to energijo imenujemo latentna toplota. Ko se vodna para dviga, prenaša s seboj tudi energijo, ki jo je pridobila pri spremembi stanja. Prej ali slej pa pride do kondenzacije vodne pare nekje v atmosferi in nato se oblikujejo oblaki. S kondenzacijo tako postane shranjena latentna toplota spet prosta energija v ozračju. In tako se energija podnevi ves čas prenaša od tal v atmosfero.

Ponoči pa gre ravno za obraten proces, saj je temperatura ozračja nižja od temperature tal. Zato imata energiji (latentna in zaznavna) nasprotno smer in prehajata proti tlom. Da pa se energijska bilanca ohrani ima neto sevanje smer, ki kaže od tal proti ozračju, saj ponoči ni sevanja sonca, ki energijo prinaša na površje zemlje.

Slika 1: prikazuje smeri in velikosti energijskih tokov: Q*- Razpoložljiva toplota (gostota energijskega toka sevanja, ki ga absorbira Zemeljsko površje), LE- latentna toplota, H- zaznavna toplota, G- energijski tok v in iz površj

Tukaj obravnavamo sončno sevanje, ki je že prišlo skozi atmosfero in doseglo Zemeljsko površje. Nekaj tega sevanja se odbije nazaj v atmosfero. Koliko se ga odbije pa nam pove planetarni albedo, ki je definiran kot delež odbitega sevanja. Albedo je močno odvisen od narave površja, razporeditev vegetacije, snežne odeje…

Albedo vodne površine je dosti manjši od albeda kopnega. Na vodni površini albedo variira glede na zenitni kot sonca in sicer med 2% (ko je zenitni kot 0°) in 6% (ko je zenitni kot 60°). Medtem ko je je povprečni albedo za kopensko površino nekje 15%. Kljub temu pa je albedo, ki je ocenjen na vrhu atmosfere veliko večji, in sicer znaša 30%. K večjemu skupnemu albedo prispevajo predvsem oblaki in sipanje svetlobe v ozračju.

Albedo oblakov je odvisne predvsem od njihove oblike in tipa oblaka. Tako ima na primer tanki stratusni oblak (nizki in sivi oblak) albedo 30%, medtem ko ima debeli stratusni oblak albedo med 60% in 70%. Prav tako imajo tudi nimbostratusni oblak (nizki in srednje visoki oblaki, ki ne prepuščajo dosti sončnega sevanja, in prinašajo dež ali sneg) visok albedo, in sicer 70%.

PovršinadetajliAlbedo
Zemlja (prst)Temna in vlažna0.05
Svetla in suha0.4
Pesek 0.15 – 0.45
Kmetijski pridelki 0.18 – 0.25
Tundra 0.18 – 0.25
GozdListnati0.15 – 0.20
Iglasti0.05 – 0.15
VodaPri majhnem zenitnem kotu sonca0.03 – 0.10
Pri velikem zenitnem kotu sonca0.10 – 1.0
SnegStar0.4
Svež0.95
ledNa morju0.30 – 0.45
Ledeniki0.20 – 0.40
oblakiDebeli0.60 – 0.90
Tanki0.30 – 0.50

Vpliv človeka in naravni učinek na toplo gredo

Večina toplogrednih plinov in učinke tople grede je pravzaprav precej naraven. Učinek tople grede je celo zelo ključnega pomena. Brez učinka tople grede bi bila temperatura na Zemlji nekje -19 ° C, kar bi onemogočalo pogoje za življenje. Naravni učinek tople grede v ozračju prispeva k temu, da je povprečna temperatura danes okrog 14 ° C. Razlika med temperaturama je kar 33 ° C, to pa predvsem zaradi naravnih toplogrednih plinov vodne pare (H2O) in ogljikovega dioksida (CO2).

Kljub temu pa ljudje v ozračje še naprej spuščamo toplogredne pline, kar dodatno povečuje naraščanje temperature na zemeljskem površju. Kam nas bo to pripeljalo je težko napovedati, saj je Zemlja in njena atmosfera zelo kompleksen sistem, kjer je veliko postopkov med seboj povezanih.

Graf 1- Na tem grafu je lepo vidno, kako se vsebnost CO2 v ozračju linearno povečuje. Prikazuje pa nam tudi da se vsebnost CO2 skozi leto spreminja. Največ CO2 je v ozračju spomladi potem začne padati, saj je največ kopnega in s tem tudi rastlinja na severni polobli, ki poleti pri procesu fotosinteze zmanjšujejo koncentracijo CO2 v ozračju. Ko pa pozimi listje odpade in se hkrati poveča tudi količina skurjenih fosilnih goriv za kurjavo prostorov, koncentracija CO2 spet začne rasti. Kljub temu pa se skupna količina CO2 vsako leto povečuje.

povzeto po: http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_effect

Literatura