Atmosfera și cum funcționează efectul de seră în ea

Dacă data trecută am dezbătut cantitatea de dioxid de carbon din atmosferă, astăzi vorbim despre efectul de seră. Este foarte important să înțelegem detaliile acestui efect de seră pentru ca, mai târziu, să vedem cât este contribuția dioxidului de carbon la încălzirea globală. Este interesant și să înțelegem cum atmosfera ține de cald Pământului şi cât de important este rolul dioxidului de carbon.

Pentru claritate, ne vom referi la efectul de seră ca fiind efectul prin care atmosfera ține cald Pământului de miliarde de ani şi la încălzirea globală ca fiind creşterea adițională a temperaturii Pământului datorită arderilor de combustibili fosili şi a eliberării în atmosferă a gazelor din epoca industrială.

Pământul fără atmosferă

În spațiu este frig! Dacă pui un obiect în spațiul îndepărtat, va fi înconjurat de radiația de fond, acea lumină apărută după explozia Big Bangului şi ajunsă azi în domeniul microundelor. Ca într-un cuptor cu microunde, radiația de fond îl va încălzi până la temperatura sa, care este de doar 2,73 grade Kelvin deasupra lui zero absolut (-270 grade Celsius).

Pământul însă, mai are două surse de căldură: Soarele şi nucleul său (al Pământului) încălzit la mii de grade Celsius. De la Soare, Pământul primește în medie o putere de 173.000 de terawaţi (adică 173 de milioane de miliarde de wați). Reamintim: 1 watt este un joule pe secundă. De la nucleul Pământului, suprafaţa Pământului primește în medie 47 terawaţi, adică de câteva mii de ori mai puţin; Pământul primește de la Soare  în medie o putere de 173.000 de terawaţi;

Energia aceasta termică a nucleului se dovedește în final a fi de aproximativ 20 de ori mai mică decât cea indusă de încălzirea globală, de aceea o vom neglija.

Cât este energia medie pe care suprafața Pământului o primește de la Soare? Cum Soarele luminează doar jumatate din Pământ, împărțim cei 173.000 de terawati de energie la jumătate din suprafața totală a Pământului.

Obținem că, în medie, în timpul zilei, Pământul primește aproximativ  680W pe fiecare metru pătrat (în zonele ecuatoriale mai mult, înspre poli mult mai puțin). Dacă luăm în calcul o zi întreagă (deci și noaptea), energia medie primită este jumătate din această valoare, adica 340W/m2.

O parte din lumina Soarelui, aproximativ 30% se reflectă înapoi în spațiu, ceea ce înseamnă că densitatea efectivă de energie primită de Pământ este 0.7*340, adică aproximativ 240W/m2.

Interesant este că, pe baza acestei valori, putem estima temperatura Pământului în lipsa atmosferei. Astfel, în echilibru termic şi fără atmosferă, suprafaţa Pământului trebuie să radieze aceeaşi energie înapoi, adică 240W/m2.

Aceasta este însă o radiație termică, emisă de un corp încălzit, aşa cum emite şi corpul uman, care şi el este încălzit. Iar această radiație termică, pentru temperaturile de care vorbim noi, este emisă în special în infraroșu, de aceea camerele de filmat noaptea folosesc senzori cu infraroșu.

Cu cât temperatura corpului este mai mare, cu atât se emite mai multă radiaţie în infraroşu. Relația aceasta poartă numele de formula lui Stefan-Boltzmann.

Formula este folosită în termometrele cu infraroşu, care măsoară temperatura unei suprafețe de la distanță. Acestea focalizează pe un senzor radiaţia infraroşie emisă de o arie mică de pe piele  (raza de laser pe care o au unele aparate nu are loc de măsură, ea este doar pentru a identifica aria de pe piele de unde se ia temperatura).

Știind suprafaţa zonei de pe piele şi măsurând puterea radiaţiei cu senzorul, se calculează temperatura suprafeței care o emite, folosind formula lui Stefan-Boltzmann. Simplu, nu?

Hai să facem şi noi un exercițiu similar: să estimăm temperatura suprafeței Pământului în lipsa atmosferei. Ştim care este aria Pământului şi ştim densitatea de energie pe care ar emite-o în echilibru: 240W de fiecare m2 de suprafaţă. Avem ecuația lui Stefan-Boltzmann şi trebuie să aflăm temperatura.

Acum înlocuim în formulă şi aflăm temperatura. Ne iese că, în lipsa atmosferei, suprafaţa Pământului ar fi trebuit să aibă -18 grade Celsius! Succes! Şi, evident, pe Pământ este mai cald de atât.

Efectul de seră sau „plapuma” Pământului?

Din fericire, pe Pământ sunt, în medie, mai mult decât -18 grade Celsius. Iar asta se datorează atmosferei, care funcţionează ca o plapumă, dacă e să îl citez pe fizicianul Lawrence Krauss, sau ca un efect de seră, dacă este să folosim o denumire mai des întâlnită.

Aţi văzut cum plapuma este caldă pe partea interioară şi rece pe cea exterioară? La fel şi atmosfera, ea este caldă pe partea interioară, cea dinspre Pământ, unde locuim noi şi rece înspre cea exterioară.

Aici este o schiță de model. Am desenat atmosfera Pământului, simplificat, ca un singur strat (ea are mai multe straturi).  Vedem cum lumina ce vine de la Soare, fiind în spectrul vizibil, trece prin atmosferă şi ajunge la Pământ, încălzindu-l. Pământul, încălzit, emite radiaţie termică, în domeniul infraroşu.

Această radiaţie este absorbită de atmosfera Pământului, care o reemite apoi în două direcții:  către spațiul cosmic şi către suprafaţa Pământului. Primind înapoi o parte din radiaţia emisă,  suprafaţa Pământului se încălzește adițional! Iată de ce este cald pe suprafaţa Pământului!

Efectul de mai sus se mai numeşte şi „efect de seră”, deoarece se aseamănă cu felul în care aerul devine cald într-o seră.  Aici lumina Soarelui trece prin geamul de deasupra serei şi încălzește aerul dinăuntru. Căldura din seră nu poate ieși, pentru că geamurile sunt închise. În felul acesta, temperatura în seră creşte, numai bine pentru plante.

Între cele două modele, efectul de seră şi plapumă, probabil că mai potrivit este cel de-al doilea. În fond însă, este doar o denumire. Întrebarea care se pune este dacă fenomenul descris mai sus este cel corect şi dacă temperatura Pământului creşte datorită atmosferei.

Pentru asta ar trebui să măsurăm temperatura planetei Pământ, aşa cum am văzut că se măsoară temperatura corpului, folosind un termometru în infraroşu.

Măsurăm Pământul cu un “termometru”

Un astfel de termometru există, iar el a măsurat nu numai temperatura, ci întregul spectru în infraroşu al atmosferei.

Înainte să vă arăt rezultatul, mă simt obligat să vă prezint un spectru optic, emis de un corp încălzit la temperaturi din ce în ce mai mari, ca să înțelegem despre ce vorbim.

Iată-l! Pe axa orizontală este lungimea de undă a luminii emise, iar pe axa verticală intensitatea. Aşa arată spectrul unui corp încălzit. Pentru o singură temperatură, vedem o curbă ce are un maxim în domeniul infraroşu (câțiva micrometri) şi la capete intensitatea scade.

Curba descrie radiaţia corpului negru, ceea ce înseamnă că,  dacă un corp este negru, el emite lumină când este încălzit (de aceea jarul încins este luminos, chiar dacă e negru când este stins).

Mai vedem pe curbă cum, cu cât temperatura este mai mare, cu atât intensitatea totală creşte, ceea ce înseamnă că radiaţia infraroşie emisă de corp este mai multă (asta este relația Stefan-Boltzmann, deja folosită mai sus). Fiecare curbă se modelează cu o formulă datorată fizicianului Max Planck, care ne spune cât este temperatura.

Iată acum şi spectrul promis, adică radiaţia emisă de partea superioară a atmosferei. În cazul de față, radiaţia a fost măsurată  de un avion aflat la 20 de kilometri deasupra Pământului, în dreptul Polului Sud (deasupra Antarcticii).

Pe axa orizontală este lungimea de undă a radiaţiei (în partea de sus, exprimată în micrometri).Aceeaşi axă orizontală este exprimată şi în numere de undă (partea de jos, în cm^-1), care este o altă expresie a lungimii de undă. Pe axa verticală avem intensitatea radiaţiei. Pentru claritate, cercetătorii au modelat deja curba cu formula cunoscută a lui Planck, aşa că noi putem citi direct ce temperatura reprezintă.

Dacă dăm un zoom, vedem că, în cea mai mare parte, curba descrie un corp încălzit la temperatura de aproximativ 268 grade Kelvin, adică doar câteva grade Celsius sub zero.  Aceasta este radiaţia care scapă în spațiu direct de pe suprafaţa  Antarcticii, acolo unde temperatura este într-adevăr cu puţin sub zero. Această radiaţie nu a fost absorbită de atmosferă, de aceea ajunge în spațiu.

Partea interesantă se vede în domeniul infraroşu, acolo unde numărul de undă al radiaţiei este între 600 şi 700 cm^-1. Vedem aici o scădere bruscă, ce descrie un corp încălzit la 225 grade Kelvin, adică aproximativ -45 grade Celsius. Ce poate fi?

Răspunsul este următorul: partea aceasta din spectru reprezintă radiaţia în infraroşu emisă de atmosferă, în partea ei superioară. Aici (în stratosferă) temperatura straturilor sale superioare este de aproximativ -40 grade Celsius.

Vedem cum, față de restul graficului, care descria radiaţia emisă de Pământ ce scapă în spațiu, aici intensitatea este scăzută. Asta înseamnă că, în intervalul 600-700cm-1, radiaţia emisă de suprafaţa Pământului încălzit a fost absorbită aproape în totalitate de atmosferă (nu se vede decât radiaţia termică a stratosferei de la 20 km).

Să ne convingem de interpretare, hai să mai privim un spectru al radiaţiei emise de atmosferă, dar de data aceasta nu din spațiu, ci măsurat de un spectrometru aflat la sol, privind în sus către atmosferă.

Vedem aici cum, între 600 şi 700 cm-1 intensitatea este într-adevăr maximă, iar în rest destul de mică. Adică atmosfera a absorbit într-adevăr radiaţie în acest interval (600 şi 700 cm-1), iar acum o reemite parțial către suprafaţa Pământului.  Asta este ceea ce ne încălzește pe noi!

Să ne convingem citind temperatura asociată acestei radiații: ea este de aproximativ 270 grade Kelvin, adică câteva grade sub zero, atât cât este temperatura în partea de jos a atmosferei, la suprafaţa  Antarcticii, acolo unde a avut loc măsurătoarea (în alte părţi din lume, unde e mai cald, temperatura aceasta va fi mai mare).

Dacă suprapunem cele două grafice unul peste celălalt, înțelegem esența mecanismului de încălzire a planetei. La suprafaţa exterioară, temperatura sa (dată de radiaţia termică între 600 şi 700 cm-1) este de aproximativ -45 grade Celsius.

În partea de jos temperatura este mai mare, egală cu cea de la suprafaţa planetei. Aceasta este “plapuma” de care vorbeam: rece înspre spațiu şi caldă în interior.

Mai observăm că de acest efect este responsabilă doar o parte a radiaţie, cea din infraroşu, mai specific între 600 şi 700 cm -1.  În acest domeniu are loc absorbția radiaţiei termice a Pământului de către atmosferă, radiaţie care este apoi emisă în spațiu (mai puţin) şi către suprafaţa  Pământului (mai mult). Dar ce se absoarbe în atmosferă  radiaţia emisă de Pământ? Ce molecule fac acest lucru?

Moleculele atmosferei

Moleculele absorb lumină, de aceea mâna, făcută şi ea din molecule, ni se încălzește la foc! Întrebarea este: ce molecule din atmosferă absorb radiaţia infraroşie emisă de suprafaţa încălzită a Pământului?  Pentru a răspunde, trebuie să înțelegem, pe scurt, cum are loc absorbția luminii de către molecule.

Moleculele, formate din câțiva atomi, vibrează.  Atunci când frecvența luminii ce ajunge la moleculă este egală cu frecvența unui mod de vibrație, are loc o rezonanță şi lumina este absorbită de moleculă.

Moleculele cu doi atomi vibrează pe direcția celor doi atomi. Când cei doi atomi sunt identici, vibrația aceasta este rapidă, de aceea doar lumina care are o frecvență foarte ridicată (chiar în domeniul ultraviolet) va fi absorbită.

Moleculele cu doi atomi diferiți, sau mai mulți atomi au şi alte moduri de vibrație.Dacă sunt trei atomi, molecula se poate îndoi şi în direcție perpendiculară pe axa ei. Frecvența de vibrație este mai scăzută, ajungând în domeniul infraroşu.

Din ce este compusă atmosfera? 77-78% azot, are doi atomi identici, nu absoarbe infraroşu. Oxigen 20-21% are doi atomi identici, iese de pe listă. Argon 1%, are un atom, nu absoarbe infraroşu. Au mai rămas sub 1 procent de molecule care pot absorbi în infraroşu!

Primul pe listă, apa(vaporii de apă), cu o medie de 0.4% (şi variații mari) are trei atomi diferiți(hidrogen și oxigen), deci poate absorbi radiaţie în infraroşu. Urmează dioxidul de carbon, concentrație de 0.04%, are trei atomi diferiți(carbon și oxigen),  îl trecem şi pe el pe listă.Neon, helium, nu, metanul da!

Chiar dacă are o concentrație extrem de scăzută, 0,00015 procente, coeficientul de absorbție al metanului este mare. Şi, cam acestea au fost.

Facem o pauză pentru a realiza importanța momentului: avem trei molecule pe listă: apă, dioxid de carbon şi metan, a căror concentrație în atmosferă este mai mică de un procent. Cu toate acestea, ele sunt gazele care ne păstrează căldura pe Pământ. Fără ele, pe Pământ ar fi fost -18 grade Celsius! Puține, dar importante! Ele se numesc gaze cu efect de seră.

Din cauza lipsei de spațiu şi timp, lăsăm momentan deoparte metanul şi discutăm despre apă şi dioxid de carbon.  Putem verifica dacă ele chiar contribuie la încălzirea Pământului, urmărind şi spectrul lor de absorbție în banda 600-700cm-1.

Iată aici spectrul. Pe axa orizontală este numărul de undă (jos) iar pe axa verticală intensitatea. Ce observăm? Că ambele molecule absorb radiaţie în domeniul 600-700cm-1 (radiaţie emisă de Pământul încălzit, să ne aducem aminte), deci ambele fac „plapuma” atmosferei să funcționeze!

Dacă privim curba roşie, corespunzătoare dioxidului de carbon, citim în dreapta curbei  şi coeficientul de absorbție: aproximativ 10^-2, 10^-3 m^-1 pentru intervalul nostru de interes. Inversul acestui număr este distanța medie pe care radiaţia se deplasează înainte de a fi absorbită în totalitate. Obţinem astfel 100-1000 de  metri. Asta înseamnă că radiaţia infraroşie din zona care ne interesează (600-700cm-1) merge prin aer aproximativ câțiva kilometri, iar apoi este absorbită.

Cum partea cea mai densă a atmosferei are câteva zeci de kilometri înălțime,  concluzionăm că întreaga radiaţie din domeniul de interes (600-700cm-1), emisă de suprafaţa Pământului, este absorbită de atmosferă.

Mai observăm cum spectrul apei este format din multe linii separate de absorbție. Aceasta este o primă problemă majoră pentru cercetători: spectrul este greu de modelat prin formule analitice. În plus, concentraţia de vapori de apă depinde mult de locație şi de temperatură (de la 0,01% în zonele arctice la peste 2% în unele zonele calde).

În plus, ciclul natural al apei face ca o moleculă de apă să stea în medie 10 zile în atmosferă. De aceea, comportamentul apei este una dintre cele mai mari surse de nesiguranță în modelările climatice.

Circuitul apei in natură

Astăzi, este greu de estimat precis cât de mult datorăm apei că atmosfera ne  ține de cald şi cât dioxidului de carbon. În general (depinzând de condițiile meteorologice) contribuția apei este estimată a fi între 40 şi 60 de procente, cea a dioxidului de carbon între 20 şi 30 de procente iar cea a metanului sub 10%. La aceasta se mai adaugă contribuția ozonului şi cea variabilă a norilor.

Am identificat cine ne-a ajutat să nu facem frigul pe această planetă: atmosfera.

Am identificat trei dintre moleculele din atmosferă care absorb radiaţia emisă de Pământul încălzit: apa, dioxidul de carbon şi metanul.  Reemiţând către Pământ o parte din această radiaţie, Pământul este mai cald la suprafaţa lui!

Părerea personală? Faptul că pe Pământ nu este nici frig (ca pe Marte), nici foarte cald (ca pe Venus) se datorează unei potriviri a compoziției atmosferei.  Nu este evident că planetele din Univers au parte de şansa pe care a avut-o Pământul.

Mituri

„Dioxidul de carbon este doar 0.04% din atmosferă. Este foarte puţin, el nu are cum să afecteze atmosfera şi să determine încălzirea globală.” — FALS

Deși aici am vorbit doar despre efectul de seră, nu despre încălzirea globală, trebuia să abordez acest mit, pentru că i se poate da un răspuns chiar acum. M-a revoltat de când l-am auzit rostogolit în mass-media. În primul rând este filozofic fals: dacă un lucru este mic, nu înseamnă că nu este important!

La fel cu dioxidul de carbon. În primul rând, chiar având o concentrație atât de scăzută, el contribuie cu un sfert la efectul de încălzire normală a Pământului! Fără el şi fără vaporii de apă (care şi ei, sunt sub un procent), Pământul ar fi avut -18 grade în medie. Chiar şi cu aceste concentrații scăzute, le datorăm celor două gaze faptul că nu facem frigul!

*****

Notă: Acesta este al doilea articol dintr-o serie de trei, despre procesele încălzirii globale (Pe primul îl găsești aici). Rămâi aproape pentru ultimul material – despre cum crește temperatura medie a Pământuluio datorită creșterii bruște de dioxid de carbon. Urmărește și varianta video pe canalul de YouTube al lui Cristi.