Efekt cieplarniany, co to jest? Oraz dlaczego nie można zagotować wiadra wody na świecy?

Efekt cieplarniany nie ma nic wspólnego z analogią cieplarni, ale tak jest sprzedawany, bo zakłada się, że większość ludzi nic nie rozumie z fizyki. Ostatnio jest to prawda, bo szkoły nie uczą niczego istotnego tylko epatują propagandą.

W szklarni jest ciepło, bo dzięki szklanym ścianom zapobiegamy ucieczce ciepłego powietrza, czy to do góry, czy z wiatrem. Efekt zatrzymywania ciepła w atmosferze to zupełnie inna historia.

Zacznijmy od prostego modelu skały krążącej wokół Słońca po orbicie ziemskiej. W tej odległości energia słoneczna ma moc ok. 1361 W/m^2 (watów na metr kwadratowy). Niech nasza skała to będzie taki sześcian metr na metr na metr dla łatwości obliczeń. Pisałem już o prawie Stefana Boltzmanna, które ratuje świat przed przegrzaniem i wszystkich klimatystów zsyła do otchłani skrajnej ignorancji. Prawo to mówi rzecz kluczową dla rozwoju Kosmosu, a mianowicie że: z każdego ciała moc wypromieniowywanej energii w postaci podczerwieni jest zależna aż do czwartej potęgi od bezwzględnej temperatury tego ciała. W fizyce mało jest wzorów z czwartą potęgą, kwadrat lub potęga trzecia to standard, ale nie potęga czwarta. Konsekwencje tego są bardzo ważne. Uświadommy sobie czym jest czwarta potęga. Jeśli temperatura ciała wzrośnie dwukrotnie np. ze 100 K (Kelvinów) na 200 K to ucieczka energii z tego ciała wzrośnie aż 16 krotnie! Jeśli wzrośnie o 10% to ucieczka energii wrośnie o 46,4 %. Przypominam, że zero Kelvinów to −273,15 °C (minus).

Zerknijmy na drugi wykres i załóżmy, że nasz kamienny sześcian bardzo zimny wpadł na ziemską orbitę gdzieś z Kosmosu i zaczyna być oświetlany słonecznym światłem o stałej mocy 1361 W/m^2. Wykres jest przesunięty o ok. 33. st. C w stosunku do opisu z Kosmosu, bo pokazuje jak najbardziej można rozgrzać skałę na pustyni. Idea jest identyczna: są granice, których przekroczyć się nie da.

Przyjmując dla ułatwienia, że jest "doskonale czarny" całe światło jest pochłaniane przez skałę i podnosi energię, czyli szybkość ruchu atomów. Po ludzku mówimy, że się nagrzewa. Nagrzewa i co dalej?  Na wykresie żółta linia to stała moc z jaką ogrzewany jest sześcian, natomiast niebieska linia to moc z jaką skała oddaje energię w Kosmos. I tu wkracza Stefan z Boltzmannem (to dwóch panów) i mówią, że niebieska linia emisji energii nie jest prosta, ale jest parabolą 4 stopnia. Na osi poziomej mamy temperaturę. W pewnym momencie, tam gdzie linie się przecinają skała osiągnie najwyższą temperaturę, przy której pozostanie, bo ilość energii emitowanej będzie identyczna z ilością energii, jaką otrzymuje od Słońca.

Dokładnie z tego powodu nie uda nam się nigdy zagotować wiadra wody na świeczce, bo woda dojdzie do 80-90 st. C, ale wtedy już radiacja ciepła z wiadra będzie równa mocy płomienia świecy i tak pozostaniemy z ciepłą wodą, aż świeczka zgaśnie. Nasza skała na orbicie dojdzie do -18 st. C analogicznie jak Ziemia pozbawiona gazów cieplarnianych, w tym głównie pary wodnej. Załóżmy, że mamy Ziemię z atmosferą bez gazów cieplarnianych. Tylko azot i tlen i całkiem suchą bez pary wodnej. Światło słoneczne dociera swobodnie do Ziemi, bo atmosfera jest dla światła przezroczysta. Ziemia się nagrzewa, rozgrzane skały emitują podczerwień, dla której atmosfera też jest przezroczysta  i cała energia cieplna wylatuje bezkarnie w Kosmos. Każdy foton podczerwieni wylatujący ponad poziom nagrzanej do -18 st. C Ziemi ma przed sobą pustą, prostą drogę do granic wszechświata. Dlatego wiemy, że bez gazów cieplarnianych byłoby na Ziemi -18 st. C.

Cóż zatem się dzieje, że mamy średnio plus 15 st. C? Otóż gazy cieplarniane nie są dla podczerwieni przezroczyste, wynika to z budowy cząstek tych gazów, innej niż tlenu i azotu. Podczerwień emitowana z nagrzanej Ziemi trafiając np. na tlen nie zauważa go wcale, jak Brytyjczyk Polaka w hotelu. Natomiast, gdy trafia w cząstkę pary wodnej dochodzi do absorpcji energii fotonu (fali elektromagnetycznej) w wewnętrzną energię cząstki pary wodnej, czyli jej temperaturę. Ciepła cząstka po pierwsze rusza się szybciej, więc zderzając się mocniej z cząstkami tlenu i azotu rozgrzewa je. Po drugie emituje więcej fotonów podczerwieni. Przy czym ich emisja odbywa się we wszystkich, możliwych kierunkach, połowa w górę, połowa w dół. W ten sposób ogrzewana jest wtórnie Ziemia oraz inne cząstki gazów cieplarnianych. Ciepło, aby wydostać się z atmosfery w kosmos musi przebyć długą drogę trylionów zderzeń rozgrzewając przy tym przezroczyste dla podczerwieni tlen i azot. Para wodna ma ponad 90 % udziału w tym zjawisku, CO2 zaledwie około 1 % lub kilka procent w obszarach suchych, np. na Antarktydzie, gdzie jest zawsze minus 30 do minus 80 st. C., więc Antarktyda nie spłonie. W ten oto sposób poprzez odbicie i spowolnienie emisji para wodna przytrzymuje ciepło tuż przy Ziemi, gdzie żyjemy. Każdej nocy, gdy jest sucho i bezchmurnie czujemy wieczorem jak szybko robi się zimno, to dlatego, że podczerwień z gruntu skierowana jest głównie do nieba i nie jest odbijana często na dół przez chmury i wilgoć w powietrzu.

Pary w atmosferze jest kilkadziesiąt razy więcej niż CO2,  dlatego nie możemy liczyć, że 0,04% tego gazu nam zapewni ciepło lub choćby małe podgrzanie. Przy tej proporcji dodajmy jeszcze, że CO2 ma 20-30 razy mniejszą zdolność absorpcji na cząsteczkę niż H2O.

Paweł Klimczewski