Dlaczego ciepło samo się unosi?

Troposfera, cienki na kilkanaście km płaszcz powietrza na tyle gęstego, że mogą się w nim unosić samoloty to nasz umowny świat. Człowiek tam funkcjonuje od niedawna, ale życie tam trwa. Miliardy mikroorganizmów wynoszone są tam przez wiatry. Pająki potrafią przenosić się o setki km korzystając z pola elektrycznego Ziemi, naelektryzowana w czasie burzy pajęczyna rozciąga się a nie plącze a wiatr unosi taki żagiel i zabiera pasażera do innego świata. Podczas tej podróży stawonogi muszą przetrwać bardzo duży mróz. Wykres pokazuje, że na przelotowej wysokości samolotów pasażerskich mamy stałą temperaturę ok. minus 50 st. C a ujemne temperatury latem mamy już od ok. 1500-2000 m. n.p.m.

Fakt, że na poziomie gruntu jest ciepło na tyle, że da się żyć wynika z ciśnienia atmosferycznego. 100 kilometrowy słup powietrza całej atmosfery ma swoją wagę, grawitacja go przyciąga jak każdą inną masę. Na dole sprężone powietrze jest ciepłe, bo zyskuje energię tego nacisku.

Druga grafika to schemat rozkładu cząstek gazów w powietrzu. Zajmijmy się dwoma podstawowymi procesami wymiany energii. Pierwszy to nagrzewanie cząstek niewidzialnym promieniowaniem cieplnym od podłoża. Foton podczerwieni wyzwolony z podgrzanej Słońcem czarnej asfaltowej drogi leci w losowym kierunku, może lecieć też w dół, wtedy trafi na kawałek materii ciut głębiej i droga będzie coraz cieplejsza, też w głębi. Ale zajmijmy się fotonami lecącymi w górę. Niektóre z nich ominą wszystkie cząstki gazów i ulecą w Kosmos. To jest ciepło, jakie planeta traci bez podgrzania atmosfery, ale jest tego bardzo mało. Atmosfera jest zasadniczo dla podczerwieni nieprzeźroczysta i gdy foton trafia w cząstkę gazu podnosi jej energię, czyli temperaturę. Cząstka ta w zderzeniach z innymi cząstkami ma większą energię i po takim zderzeniu prędkość cząstki odbitej jest większa niż cząstek zimniejszych.

Dochodzimy do meritum fenomenu unoszenia się ciepła do góry. Gaz nad każdym takim zderzeniem jest rzadszy niż gaz pod. Oznacza to, że tak rozpędzona cząstka dalej zaleci lecąc w górę niż lecąc w dół zanim uderzy w inną przypadkową cząstkę. W ten sposób szybkie, czyli nagrzane, cząstki dolatują dalej przed kolejnym zderzeniem niż te które poleciały w dół. I tak to ciepło ulatuje w górę, czyli de facto w kierunku przeciwnym do grawitacji z powodu zmiany gęstości gazu wraz z wysokością.

Wróćmy do podczerwieni, fali elektromagnetycznej, bo omówiliśmy tylko mechaniczny sposób przekazywania ciepła. Każda cząstka cieplejsza niż zero absolutne, czyli minus 273,15 st. C, emituje fotony podczerwieni stygnąc przy tym jak kaflowy piec, do którego przestaliśmy dokładać paliwa. Z drugiej strony każda cząstka w atmosferze jest atakowana fotonami wysłanymi przez sąsiada i tak to sobie trwa, a energia przepływa od gruntu w kierunku otchłani Kosmosu. Fotony te są przechwytywane przez inne cząstki, niektóre wracają do Ziemi ogrzewając ciała stałe, np. przedmioty ukryte w cieniu. Jednak ostatecznie cała energia umknie w Kosmos. W tym czasie za dnia do Ziemi trafia ze Słońca fala elektromagnetyczna w postaci światła widzialnego, które nie nagrzewa atmosfery, bo ta jest dla tego zakresy fali przeźroczysta. Podczerwień emitowana przez Słońce przechwytywana jest przez górne warstwy atmosfery, stąd jej tam wysoka temperatura.

Woda w postaci gazowej, zarówno niewidoczna, jak i w postaci chmur jest głównym czynnikiem spowalniającym ucieczkę ciepła z Ziemi w Kosmos. W ostatnich dniach obserwujemy bardzo czyste niebo, to skutek wysokiego ciśnienia. Po zachodzie Słońca szybko spada temperatura, a po jego wschodzie szybko rośnie. Jak widać na wykresie, w Warszawie dobowa amplituda sięgała w lutym 15 st. C.

Mimo, że procesy atmosferyczne mają ważny profil pionowy, my z racji naszej natury patrzymy zwykle na mapy i rozpatrujemy poziomy obieg cyrkulacji. Ilustruje go ostatnia mapa, gdzie widać aktualną drogę zimnego powietrza z północy nad ciepły ocean i jego powrót do nas. Właśnie nadciąga wilgotny front znad Atlantyku, więc warto wykorzystać piękne Słońce, bo jutro już zasłonią je gęste chmury, które dadzą też dodatnie temperatury w nocy.

Paweł Klimczewski