Wskaźnik, który pokazuje jak bardzo nagrzewa się Ziemia

Ten materiał prezentujemy w ramach współpracy z Patronite.pl. Jacek Baraniak jest założycielem grupy Antropogeniczne Zmiany Klimatu i środowiska naturalnego, oraz twórcą blog klimatziemi.pl, popularyzator wiedzę o zmianach klimatu. Możesz wspierać autora bezpośrednio na jego profilu na Patronite.

Im jaśniejsza jest powierzchnia Ziemi, jak w przypadku pokryw lodowych, tym większy jest stosunek odbicia promieni słonecznych względem jego padania na powierzchnię planety. To znaczy, że pochłania ona mniej energii słonecznej. A więc, wówczas ma to wpływ chłodzący naszą Ziemię.

Z kolei im ciemniejsza jest powierzchnia, jak w przypadku oceanów i mórz, tym mniejszy jest stosunek odbicia tychże promieni słonecznych względem jego padania na powierzchnię planety. A więc, tu oznacza to, że pochłania ona więcej energii słonecznej. I ma to znowuż wpływ ogrzewający naszą Ziemię.

Albedo również dotyczy powierzchni chmur, a także aerozoli, zarówno naturalnego, jak i antropogenicznego pochodzenia.

Na kontynentach (poza pokrywami lodowymi) albedo jest większe na obszarach nieleśnych, jak naturalne pustynie czy stepy i antropogeniczne pola uprawne, a także na obszarach wylesionych, a najmniejsze jest na obszarach leśnych. W szczególności lasy iglaste są z reguły ciemniejsze od lasów liściastych i w skali planetarnej dają efekt mniejszego albedo. Ale również jeszcze mniejsze albedo śródlądowe występuje na zbiornikach i ciekach wodnych, podobnie jak na oceanach i morzach.

Graeme Leslie Stephens, z Laboratorium napędów odrzutowych w Kalifornijskim Instytucie Technologii w Pasadenie, wraz ze swoim zespołem naukowców, udowodnił, że promienie słoneczne gdy padają w kierunku powierzchni Ziemi, na półkuli północnej (NH – Northern Hemisphere) i gdy docierają do powierzchni chmur na półkuli południowej (SH – Southern Hemisphere), mniej więcej równoważą różnice w dopływie ciepła słonecznego pomiędzy półkulą północną a południową. Jak wiemy, na pierwszej jest więcej lądów, z wyższym albedo, niż oceanów, z niższym albedo. A na drugiej jest na odwrót.

Autorzy niniejszej pracy napisali:

Wspólne analizy danych dotyczących powierzchniowego strumienia słonecznego, które stanowią skomplikowaną mieszankę pomiarów i obliczeń modelowych z pomiarami strumienia z wierzchołka atmosfery (TOA – Top of Atmosphere) z obecnych satelitów na orbicie, dają szereg zaskakujących wyników, włącznie na półkuli północnej i południowej (NH – Northern Hemisphere, SH – Southern Hemisphere), które odbijają tę samą ilość światła słonecznego w granicach około 0,2 W/m2. Symetrię tę uzyskuje się dzięki zwiększonemu odbiciu od chmur na półkuli południowej (SH), dokładnie równoważąc większe odbicie od lądów na półkuli północnej (NH).

Zgodnie z danymi satelitarnymi NASA oraz systemu promieniującej energii Ziemi i chmur – budżetu energii dostosowanych strumieni (CERES EBAF – Clouds and Earth’s Radiant Energy System – Energy Budget Adjusted Fluxes), globalny, roczny średni strumień odbity z całkowitego nieba (od bezchmurnego do zachmurzonego) wynosi 99,7 W/m2 (jest to równowartość globalnego albedo (α), która wynosi 0,293 W/m2), a strumień odbity tylko z bezchmurnego nieba wynosi 52,4 W/m2 (albedo (α) – 0,149). Różnica między tymi strumieniami wynosi 47,3 W/m2 (albedo (α) – 0,144) i jest zwykle przyjmowana jako miara wpływu chmur na strumień promieniowania.

Różnicę składową atmosfery można wyjaśnić głównie różnicami hemisferycznymi (półkulowymi) gęstości optycznej aerozolu (AOD – Aerosol Optical Density). Średnia dziesięcioletnia AOD stosowana do wytworzenia danych strumienia powierzchniowego, za pomocą satelity CERES, wynosi odpowiednio 0,14 dla półkuli północnej (NH) i 0,07 dla półkuli południowej (SH).

Jeśli założymy globalną wydajność radiacyjną aerozolu oceanicznego na poziomie 30–40 W/m2 (wymuszanie radiacyjne na jednostkę AOD) (Norman G. Loeb i Natividad Manalo-Smith, 2005), to udział w strumieniu bezchmurnego nieba na półkuli północnej (NH) przez aerozol wynosi około 4–6 W/m2, a na południowej (SH) 2–3 W/m2. Czyli wymuszenie radiacyjne aerozolu jest większe na północnej niż na południowej półkuli.

Rozpraszanie atmosferyczne, które ma tak duży wpływ na obserwowane odbite strumienie na niższych szerokościach geograficznych, odzwierciedla ich wysokie zachmurzenie. Ma to związek z wysoką zawartością pary wodnej (głęboka konwekcja równikowa).

Maskowanie chmur występuje głównie na obszarach lądowych NH, a także na obszarach polarnych obu półkul. Efekt maskowania może być lokalnie duży na najjaśniejszych powierzchniach, zwłaszcza na wyższych szerokościach geograficznych, gdzie chmury skutecznie zmniejszają udział powierzchni o około 50%.

P. R. Goode, ze Słonecznego Obserwatorium Big Bear w Institucie Technologii w New Jersey, w Kalifornii, wraz ze swoim zespołem naukowym, odkrył, że w ciągu 20 lat albedo na powierzchni Ziemi zmniejszyło się, i przez to pochłania ona o 0,5 W/m2 więcej energii słonecznej 2.

W latach 1998-2017 naukowcy przeprowadzili pomiary blasku Ziemi w solarnym obserwatorium Big Bear (BBSO – Big Bear Solar Observatory), z użyciem nowoczesnych technik fotometrycznych, w celu precyzyjnego określenia dziennych, miesięcznych, sezonowych, rocznych i dziesięcioletnich zmian albedo ziemskiego od blasku Ziemi.

W swoich wynikach badań nie znaleźli korelacji pomiędzy pomiarami aktywności słonecznej a zmianami albedo w badanym okresie czasu. Blask planety jest też zgodny z pomiarami z satelity CERES, rozpoczętymi od 2001 roku. Obserwacje albedo przez satelity CERES i pomiary Earthshine (Blask Ziemi) są porównywalne.

Ogólnie mówiąc, ta metoda badawcza – blask Ziemi, prowadzona za pomocą teleskopu refraktancyjnego, polega na tym, że światło odbite od powierzchni naszej planety w dzień trafia w tarczę ciemnej powierzchni naszego satelity Księżyca, którego odbicie trafia do oczu obserwatora.

Historycznie Blask Ziemi został po raz pierwszy wyjaśniony przez Leonardo Da Vinci około 1510 roku. Sam projekt BBSO rozpoczął działalność w połowie lat 90-tych aby zmierzyć albedo Ziemi za pomocą obserwacji Księżyca, którego pionierem w 1928 roku był francuski astronom André-Louis Danjon (1890-1967). Czyli prawie sto lat temu.

Podczas tego eksperymentu naukowcy zauważyli, że niedawny spadek albedo Ziemi ma możliwy związek ze zmianą fazy ujemnej na dodatnią w pacyficznej oscylacji dekadowej (PDO – Pacific Decadal Oscillation). To zjawisko fizyczne ma miejsce, gdy na półkuli północnej Pacyfik we wschodniej części, czyli u zachodnich wybrzeży Ameryki Północnej zaczyna się nagrzewać. Uczeni nie wykluczają też w tym przypadku związku z globalnym ociepleniem.

Wcześniej globalnie zintegrowane albedo Ziemi w zakresie widzialnym zostało zmierzone za pomocą Earthshine (Blasku Ziemi) przez zespół naukowy Goode’go w 2001 roku (P. R. Goode i inni, 2001).

Referencje:

Stephens G. L. et al., 2015 ; The Albedo of Earth ; Reviews of Geophysics ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2014RG000449

Goode P. R. et al., 2021 ; Earth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL094888

Ten materiał prezentujemy w ramach współpracy z Patronite.pl. Jacek Baraniak jest założycielem grupy Antropogeniczne Zmiany Klimatu i środowiska naturalnego, oraz twórcą blog klimatziemi.pl, popularyzator wiedzę o zmianach klimatu. Możesz wspierać autora bezpośrednio na jego profilu na Patronite.