Twierdzenie, że niewielki udział gazów cieplarnianych w atmosferze (0,03-0,04% w wypadku CO2) jest przyczyną efektu cieplarnianego na pierwszy rzut oka budzi wątpliwości, które próbuje się rozwiewać za pomocą dość skomplikowanej argumentacji. Pozwoliłem sobie więc na „drugi rzut oka”.
Zacznijmy od początku, czyli co to jest efekt cieplarniany.
Ziemia nagrzewa się od energii słonecznej. Część tej energii dociera bezpośrednio jako ciepło (promieniowanie podczerwone), a inna część jako światło widzialne. Ta ostatnia przechodzi w dość swobodnie przez atmosferę (bo ta jest przezroczysta) i trafiając na powierzchnię Ziemi ulega częściowo odbiciu, a częściowo pochłonięciu. Pochłonięta energia to nic innego, jak ciepło, które podnosi temperaturę ziemskiej powierzchni. Nie jest ona natychmiast wypromieniowana, jak to się dzieje na przykład na Księżycu, bo atmosfera przepuszcza ciepło znacznie gorzej niż światło. Pozostaje na Ziemi, której powierzchnia ma dzięki temu temperaturę ok. 300K, czyli, jak się szacuje, o trzydzieści parę stopni więcej, niż gdyby atmosfery na Ziemi nie było. Czyli w skrócie – efekt cieplarniany wynika z zamiany światła dobrze przepuszczalnego przez atmosferę w ciepło przepuszczalne znacznie gorzej.
Istnienie efektu cieplarnianego przypisuje się obecności w atmosferze niewielkiej domieszki gazów cieplarnianych, czyli takich, które absorbują promieniowanie podczerwone, ze szczególnym uwzględnieniem CO2.
Temu ostatniemu twierdzeniu zacząłem się przyglądać.
Porównajmy więc efekt cieplarniany na Ziemi i sąsiednich planetach.
Najpierw Wenus – sztandarowy przykład na działanie dwutlenku węgla. Czytamy, że tam jest go dużo, a na Ziemi mało, więc na Wenus jest znacznie goręcej.
A w liczbach wygląda to tak: w atmosferze ziemskiej jest 0,04 procenta CO2, w wenusjańskiej ponad 95 procent. Atmosfera Wenus jest 93 razy większa od ziemskiej. Czyli na Wenus mamy procentowo około 1900 razy więcej dwutlenku węgla w atmosferze, a ilościowo ponad 175000 razy więcej niż „u nas”. Efekt cieplarniany na Wenus szacowany jest na ponad 500K, czyli „zaledwie” kilkanaście razy więcej niż na Ziemi – stąd tytuł notki.
Popatrzmy teraz na Marsa.
Atmosfera wielkości około 1 procenta ziemskiej, zawartość dwutlenku węgla tylko nieco mniej niż na Wenus, grubo ponad 90 procent. Czyli w porównaniu z Ziemią – procentowo też około 1900 razy więcej CO2, ilościowo około 20 razy więcej. Efekt cieplarniany na Marsie szacowany jest na 5K, czyli 6 razy mniej niż na Ziemi.
Czy więc CO2 działa inaczej na innych planetach niż na Ziemi? Oczywiście nie.
Wygląda na to, że efekt cieplarniany bardziej zależy od wielkości atmosfery niż od jej składu.
Przeglądając dyskusje o efekcie cieplarnianym i gazach cieplarnianych nie zauważyłem jakoś odniesień do badań naukowych z dziedziny, jak mi się wydaje, kluczowej dla tego tematu, czyli zjawiska rozchodzenia się ciepła w gazach i ich właściwości termoizolacyjnych. A przecież rozpatrujemy tu rolę atmosfery jako izolatora ciepła.
Do opisania przechodzenia ciepła przez różne materiały, w tym gazy, w fizyce i technice stosuje się pojęcie „przewodnictwo cieplne”, po angielsku „thermal conductivity”. Właściwości poszczególnych substancji w tym zakresie określa się za pomocą współczynnika przewodzenia ciepła, w literaturze polskiej grecka lambda, w anglojęzycznej po prostu „k”. Wyraża się on w jednostkach W/m K (wat na metr kelwin), w praktyce często używa się mW (miliwat).
Popatrzmy jak ten współczynnik wygląda dla wybranych gazów (dane do sprawdzenia przez zapytanie Google'a o „thermal conductivity of gases table”, po polsku trudniej znaleźć). Wartości przy 300K i normalnym ciśnieniu atmosferycznym.
Powietrze 26,2
Tlen 26,3
Azot 26.0
Argon 17,9
CO2 16,8
Metan 34,1
Oczywiście im mniejszy współczynnik, tym lepsza izolacyjność.
Ucząc się fizyki na poziomie niekoniecznie akademickim możemy się dowiedzieć, że gazy są dobrymi izolatorami. Przykładowo woda (w stanie ciekłym) przewodzi ciepło 20 razy lepiej niż powietrze. Dotyczy to wszystkich gazów, nie tylko tych absorbujących IR. To, że tlen lub azot nie absorbują promieniowania podczerwonego nie oznacza, że pozwalają na jego swobodny przepływ. Fala elektromagnetyczna (jaką jest promieniowanie IR) może być przez środowisko nie tylko absorbowana, ale również rozpraszana. W tym ostatnim wypadku część energii jest zawracana w kierunku źródła. Nie ogrzewa się sam gaz, ale izolowane ciało stygnie wolniej.
Jak pokazują przykładowe wartości współczynnika „k” właściwość absorbowania IR nie gwarantuje awansu na liście skutecznych izolatorów. „Cieplarniany” metan przewodzi ciepło gorzej niż „niecieplarniany” tlen, już nie mówiąc o równie „niecieplarnianym” argonie.
Porównując współczynniki „k” powietrza, tlenu i azotu oraz odnosząc to do procentowego składu powietrza – dla przypomnienia: Azot 78,1, Tlen 20,8, Argon 0,9, CO2 0,03-0,04 – możemy zauważyć, że ten pierwszy wygląda na wypadkową współczynników dla N i O2 w proporcji do ich zawartości w mieszaninie, wpływ mniejszych domieszek jest tu niezauważalny. Jasne, że nie będzie to ścisła proporcja, ale podstawowa rola głównych składników na przewodnictwo cieplne powietrza atmosferycznego jako całości jest oczywista.
Izolacyjne właściwości gazów wykorzystywane w technice, a więc są obiektem licznych badań. Współczynniki przewodnictwa cieplnego gazów i ich mieszanin są wyznaczane doświadczalnie. Znalazłem nawet linka do pracy z roku 1961, której autorzy badali współczynnik „k” mieszanin powietrza i CO2 od czystego powietrza do czystego dwutlenku węgla. Oczywiście zmieniali skład badanej mieszaniny w procentach, a nie w dziesiątych częściach promila, bo nie skończyliby do dzisiaj, a różnice pomiarów byłyby niezauważalne.
W technice też nie stosuje się minimalnych domieszek gazów cieplarnianych w celu zwiększenia izolacyjności na przykład szyb zespolonych, tu używa się czasem argonu. Czemu nie CO2, nieco lepszego izolatora? Pewnie spowodowałby ogrzanie samego okna, co spowodowałoby niekorzystne zmiany w cyrkulacji powietrza w pomieszczeniu przy niewielkim zwiększeniu efektu izolacyjnego.
Powyższe informacje potrafię zinterpretować tylko w jeden sposób: wielkość efektu cieplarnianego w atmosferze ziemskiej określają jej główne składniki, tlen i azot. Żeby wpływ CO2 stał się zauważalny, musiałby mieć on kilkuprocentowy udział w składzie powietrza atmosferycznego, zmiany tego udziału na poziomie ułamków promila nie mają znaczenia dla efektu cieplarnianego.
Jestem otwarty na inne interpretacje.
Jeżeli mojego toku rozumowania nie da się zakwestionować, to wnioski są przerażające.
W obawie przed wzrostem temperatury na Ziemi państwa i społeczeństwa, szczególnie europejskie, przeznaczają ogromne i coraz większe siły i środki na walkę z emisją gazów cieplarnianych, która na tę temperaturę nie ma mierzalnego wpływu.
Jeszcze pół biedy, jeśli rację mają „klimatyczni negacjoniści” i wzrost ziemskiej temperatury w ogóle nie ma miejsca, albo jest powodowany przez czynniki od człowieka zupełnie niezależne. Wtedy po prostu wyrzucimy bez sensu masę pieniędzy, ale nie spowodujemy większych szkód.
Jeśli jednak ocieplenie globalne istnieje i ma źródła antropogenne (przykładowo zmiany na dużych obszarach powierzchni Ziemi, które mogą odbić się na jej albedo), to uganiając się bez sensu za CO2 możemy zaniedbać analizę i być może dostępne możliwości ograniczenia wpływu tych źródeł, albo nawet podjąć działania powodujące skutki odwrotne do zamierzonych (przykładowo transfer przemysłu z Europy do krajów mniej restrykcyjnie podchodzących do problemów wpływu na środowisko naturalne).
=====================================
Jak napisałem w komentarzu, pisząc tę notkę źle zinterpretowałem współczynnik przewodnictwa cieplnego, zakładając, że obejmuje on również przenoszenie ciepła poprzez promieniowanie.
Nie będę już zmieniał tej notki, jej wymowa niewiele by się zmieniła po skorygowaniu powyższego błędu.
Zapraszam do przeczytania nowej notki w tym temacie.
https://www.salon24.pl/u/rysieq24/1016610,gazy-cieplarniane-2-czyli-dlaczego-na-ziemi-jest-tak-cieplo
