Blog > Komentarze do wpisu

Czy można zmienić Ziemię w Wenus?

Prawo Betteridge'a mówi, że nie, ale co mówią o tym prawa fizyki?

Pierwszy raz Ziemię w Wenus zmienił w roku 1927 George Clarke Simpson, słynny angielski meteorolog i ówczesny dyrektor brytyjskiego Met Office. Był to okres rozwoju meteorologii jako pełnoprawnej dziedziny fizyki, możliwy dzięki rozwojowi techniki i nauki początków XX wieku, a Simpson był jednym z wielu naukowców próbujących rozwikłać zagadkę przepływu ciepła w atmosferze, przestrzennego rozkładu temperatur powietrza i jego sezonowych wahań. W owym czasie sieć obserwacji meteorologicznych objęła już wszystkie kontynenty (ostatnim z nich była Antarktyda, na której Simpson, uczestnik tragicznej ekspedycji Scotta, osobiście budował stacje pomiarowe), przy pomocy balonów meteorologicznych badano górne warstwy atmosfery, a cała rzesza zdolnych naukowców udoskonalała matematyczne narzędzia opisujące atmosfery gwiazd i planet.

George Simpson na Antarktydzie, ca. 1912. Źródło: Met Office.

Innym  z tych wczesnych pionierów meteorologii był Ratje Mügge, który próbował wyjaśnić dlaczego średnia temperatura stratosfery -- a zatem i ilość emitowanego promieniowania długofalowego -- na średnich szerokościach geograficznych jest wyższa niż na równiku, mimo że dociera tam mniej energii słonecznej.1 Wyjaśnienie, które znalazł (adwekcja ciepła z tropików do biegunów), choć w zgrubnym zarysie prawidłowe, nie było satysfakcjonujące pod względem ilościowym, a sam model bilansu radiacyjnego planety był bardzo prymitywny -- Ziemia traktowana była jako ciało doskonale szare emitujące promieniowanie w kosmos wyłacznie ze stratosfery. Simpsona rachunki Mügge nie przekonały, więc postanowił wykonać własne.

Temperatura troposfery i dolnej stratosfery, według stanu wiedzy z 1927 roku. Nr 21 to pomiary wykonane w Dżakarcie (6°S), reszta pomiędzy 40 a 55 równoleżnikiem północnym.

Artykuł Simpsona "Some Studies in Terrestrial Radiation" jest bardzo przystępnie napisany (i ładnie zilustrowany!),2 więc gorąco polecam jego lekturę każdemu, choćby żeby się przekonać jak 90 lat temu wyglądała nauka, jak wiele już wtedy wiedziano o efekcie cieplarnianym, i zarazem jak wiele się od tego czasu nauczyliśmy. W modelu Simpsona atmosfera została podzielona na kilka pasów równoleżnikowych, od równika po bieguny, i w ramach każdego pasa możliwe było wyliczenie emisji i absorpcji promieniowania długofalowego przez kilkanaście warstw troposfery o zadanej temperaturze i wilgotności.

Uzyskane przez Simpsona wyniki były na pierwszy rzut oka zgodne z jego pierwotną intuicją (oraz naszą obecną wiedzą): naczej niż u Mügge, obszary polarne nie emitują więcej promieniowania długofalowego niż tropiki. Okazało się też, że większość promieniowania emitowanego na niskich szerokościach geograficznych jest zatrzymywana przez parę wodną, więc emisja ze szczytu atmosfery w kosmos jest znacznie mniejsza niż emisja z powierzchni do atmosfery. Co więcej, dla większości powierzchni planety ilość promieniowania uciekającego w kosmos nie zależała od temperatury powierzchni, i była taka sama zarówno na równiku, jak i na wyższych szerokościach geograficznych.

Strumienie promieniowania długofalowego (OLR) wyliczone przez Simpsona, dla różnych wartości współczynnika pochłaniania H2O. Pole pod krzywą wyznacza sumę promieniowania emitowanego przez szczyt atmosfery planety.

Był tylko jeden problem: Simpson nie potrafił zbilansować energii wpływającej i wychodzącej z planety. Wyliczona emisja promieniowania długofalowego wynosiła globalnie 300 W/m2; absorbowanego promieniowania krótkofalowego (słonecznego) tylko 194 W/m2, a wartości te musiały się ze sobą zgadzać jeśli Ziemia miała być w równowadze radiacyjnej.

Simpson bezskutecznie próbował znaleźć takie wartości współczynników, które umożliwiłyby zbilansowanie modelu. Skoro emisja promieniowania długofalowego jest zbyt duża, może przyjęty współczynnik pochłaniania dla pary wodnej jest za niski? I choć faktycznie jego zwiększenie spowodowało że ilość promieniowania uciekającego z powierzchni zmalała, wciaż była znacząco wyższa od ilości promieniowania słonecznego.3 Również zmiany rozkładu wilgotności w atmosferze, ani pionowego gradientu temperatury, w obrębie rozsądnych wartości, nie prowadziły do przywrócenia równowagi.

Dla Simpsona było oczywiste, że ta niezgodność jest konsekwencją prostoty modelu -- uwzględnienia tylko pary wodnej jako aktywnego radiacyjnie składnika atmosfery; braku chmur; założenia że atmosfera jest szara, a absorpcja i emisja promieniowania nie zależy od długości fali; i tak dalej -- i że z zasady można, odpowiednio dobierając wartości współczynników, zbilansować strumienie promieniowania krótkofalowego i długofalowego. Problematyczne było co innego: skoro wielkość emisji promieniowania które opuszczało planetę praktycznie nie zależała od temperatury powierzchni, nawet odpowiednio skalibrowany model był niestabilny. Przykładowo, gdyby aktywność słoneczna wzrosła, Ziemia nie mogłaby odzyskać równowagi radiacyjnej tak jak robi to obecnie, w reakcji na wzrost stężenia gazów cieplarnianych -- poprzez ocieplenie. Cieplejsza atmosfera zawierałaby więcej pary wodnej, więc wzmocniony efekt cieplarniany zniwelowałby wzrost emisji promieniowania wynikający z prawa Stefana-Boltzmanna. I choć powierzchnia planety byłaby coraz cieplejsza, różnica pomiędzy emisją powierzchnia-atmosfera a atmosfera-kosmos zwiększałaby się, zamiast się zmniejszać.

W ten sposób Simpson niechcący odkrył fenomen "katastrofy cieplarnianej" (runaway greenhouse), i choć była to w jego mniemaniu tylko osobliwość modelu, nie miał pomysłu, jak się jej pozbyć.

while admitting that the numerical values may need adjustment as more data become available, there can be no doubt that the general conclusion that the outgoing radiation is almost independent of the surface temperature, and is practically the same in all latitudes, will continue to be true.

To odkrycie zostało wkrótce zapomniane jako ślepy zaułek meteorologii, i dopiero 40 lat później odkryto je ponownie, w kontekście własności atmosfery Wenus. Ale o tym już następnym razem.


1) Wobec braku obserwacji z rejonów polarnych, Mügge ekstrapolował dostępne dane aż do biegunów, z czym trafił w połowie -- stratosfera nad Antarktydą jest, ze względu na specyficzną cyrkulację powietrza, znacznie zimniejsza od arktycznej.

2) 10.1002/qj.49705522908

3) Jak pewnie zauważyliście strumień promieniowania krótkofalowego przyjęty przez Simpsona był sporo niższy od rzeczywistego. Okazuje się, że choć Simpson przypadkowo "odgadł" obecnie akceptowaną wartość stałej słonecznej, tj. 1361 W/m2, to użyta wartość albedo była zdecydowanie za wysoka (0,43). Dokładniejsze zmierzenie albedo Ziemi stało się możliwe wiele lat później, w erze lotów kosmicznych. Simpson brał pod uwagę możliwość że albedo może być niższe, ale nie na tyle niskie by można je było pogodzić z wynikami jego obliczeń i obserwacjami temperatury stratosfery.

czwartek, 01 sierpnia 2013, perfectgreybody

Polecane wpisy

  • Dlaczego F ~ ln(CO2)?

    Krótka odpowiedź: bo w troposferze temperatura jest proporcjonalna do logarytmu grubości optycznej. Odpowiedź nieco dłuższą czytelnicy mogą znaleźć w artykule ,

  • A więc efekt cieplarniany istnieje!

    Wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze ma wiele konsekwencji, z których część można zaobserwować przy pomocy względnie prymitywnych przyrządów, takich

  • Koniec Wielkiego Maksimum

    Czyli jak heliofizycy dołączyli do spisku globalnego ocieplenia. Jeśli zajrzycie do starych podręczników albo artykułów przeglądowych dotyczących zmian klimatu,

  • LPU #1 Supra Bleeker

    Słaba fota, ale relacja zdjęciowa będzie na Insta. Co w moim LPU? Supra z modelem Bleeker, w kolorze Andorra. Buty kupiłem w miarę tanio. W przeliczeniu na złot

  • Słońce a ocieplenie klimatu

    Wszyscy zdajemy sobie sprawę, że ocieplenie klimatu może być w pewnym stopniu generowane przez człowieka bo teoria o zatrzymywaniu energii przez atmosferę, któr

TrackBack
TrackBack w tym blogu jest moderowany. TrackBack URL do wpisu:
Komentarze
2013/08/01 14:16:48
Świetna notka. Warto lepiej poznać historię rozwoju fizyki atmosfery.

Mam tylko jedną uwagę: ten artykuł Simpsona nie jest niestety dostępny za darmo dla zwykłych śmiertelników. Ale to jest chyba ten sam artykuł w wersji darmowej: www.aos.princeton.edu/WWWPUBLIC/gkv/history/Simpson-studies27.pdf
-
2013/08/04 00:29:24
Ciężka sprawa. Polscy żeglarze mają problem z opłynięciem Arktyki. Lód topi baaardzo powoli.

arcticicesea.blogspot.com/ Arktyczny Lód
-
2013/08/04 11:03:57
Za szybko wypłynęli? Minimum lodu to dopiero wrzesień.

-
2013/08/06 16:13:10
Z tym Ljungqvistem to trochę Spencerowi nie wyszło:
pic.twitter.com/NBZUTSR7G1
-
2013/08/08 08:35:59
Ukazał się State of the Climate 2012, jak co roku wydawany przez BAMS:
www.ncdc.noaa.gov/bams-state-of-the-climate/2012.php

Można go sobie ściągnąć w całej 258-stronicowej glorii. Albo, dla mniej ambitnych, tylko przeczytać Highlights z powyższej strony. Albo wersję dla lekko osłabionych umysłowo ze stron TVN: tvnmeteo.tvn24.pl/informacje-pogoda/ciekawostki,49/najcieplej-najszybciej-najwiecej-rekordy-klimatyczne-2012-roku,94986,1,0.html

Stan nauki o klimacie w Polsce ilustruje to, że wśród 380 autorów nie ma nikogo z naszego kraju. A przecież tu nasi klimatolodzy opisowi mogliby zabłysnąć.

Ale i tak ciekawe jest poszukać słowa Poland w pełnym raporcie. Można sobie przypomnieć co ciekawsze zdarzenia pogodowe z zeszłego roku, zarówno bardzo nietypową zimę (ciepłą w styczniu i bardzo zimną w lutym) jak i falę upałów latem.
-
2013/08/08 10:34:14
A cykl słoneczny osiąga maksimum, Dokładniej właśnie zmienia się znak pola magnetycznego Słońca jak zawsze w szczycie 11-letniego cyklu aktywności naszej gwiazdy:
esciencenews.com/articles/2013/08/06/the.suns.magnetic.field.about.flip
-
Gość: zenek, *.multi.internet.cyfrowypolsat.pl
2013/08/08 21:47:33
-
2013/08/10 10:41:25
Pośmiać się można do woli ale losu tych zwierząt, których tryb życia nierozerwalnie związany jest z lodem morskim to nie poprawi. Niedźwiedzie foki w wodzie nie upolują bo są tam od nich wolniejsze a na lodzie maja ta przewagę, że foka musi czasem wystawić łeb z przerębla aby nabrać oddechu. A lodu ubywa. Dlatego niedźwiedzie polarne może nie wymrą do końca (w tej kwestii zdania są podzielone) ale ich liczebność na pewno bardzo zmaleje. Wiemy to bo już maleje.

Polecam artykuł w tej kwestii, którego konkluzja jest taka, że bez ograniczenia emisji gazów cieplarnianych będziemy mogli w przyszłości być co najwyżej historykami niedźwiedzi polarnych:
www.peregrinefund.org/subsites/conference-gyr/proceedings/100-Amstrup.pdf
-
Gość: zenek, *.multi.internet.cyfrowypolsat.pl
2013/08/10 14:53:16
to poczytajmy jak bardzo się wszystkim pali do ograniczanie amisji CO2
o pakiecie klimatycznym głośno
o złożach w arktyce ciszej
ale zastanówmy się co jest "zabawą w piaskownicy" a co prawdziwą grą
www.obserwatorfinansowy.pl/forma/analizy/arktyczne-eldorado/

moim zdaniem realne działania dotyczące ograniczania emisji CO2 to wiecie kiedy nadejdą?
jak zacznie majaczyć na horyzoncie groźba problemów z oddychaniem spowodowanych rosnącym stężeniem CO2 :)
-
Gość: Adi, *.tvkslupsk.pl
2013/08/15 22:37:07
Zaryzykuję odpowiedź, że nie można zmienić Ziemi w Wenus, bo gdyby takie prawdopodobieństwo było, to już by się to stało w dotychczasowej historii Ziemi.
PS. Notka rzeczywiście świetna
-
2013/08/16 09:33:22
Nie da ssie bez znacznego zwiększenia jasności Słońca. Ale słońce nad tym pracuje i prędzej czy później to nastąpi. Ten niedawny artykuł daje nam tylko 1,5 miliarda lat:
www.nature.com/ngeo/journal/v6/n8/full/ngeo1892.html
-
Gość: Adi, *.p1.interarena.pl
2013/08/16 14:11:36
Artykuł potwierdza znane fakty ale miejsce gdzie go znalazłem jest zaskakujące:

www.pb.pl/3280215,48030,ziemia-traci-rekordowa-ilosc-lodu
-
2013/08/16 23:35:22
@Adi
Zaryzykuję odpowiedź, że nie można zmienić Ziemi w Wenus, bo gdyby takie prawdopodobieństwo było, to już by się to stało w dotychczasowej historii Ziemi.

Stwierdzenie to nie jest pozbawione sensu, jednak zawiera jedno poważne założenie: przestrzeń parametrów, jaka jest nam dzisiaj dostępna zawiera kombinacje, które już wcześniej występowały.

Przynajmniej jeden parametr (o którym pisze Arctic_haze) nie przyjmował wartości, jakie przyjmuje dzisiaj, bądź przyjmie w przyszłości.
Creative Commons License