Wpływ działalności człowieka na atmosferę Ziemi

Wprowadzanie do atmosfery substancji pochodzenia antropogenicznego niesie konsekwencje, które obserwujemy w różnych skalach przestrzennych i czasowych. Niektóre z nich, tak jak freony, wprowadzone do produkcji w latach trzydziestych XX wieku, początkowo traktowane były jako zupełnie niegroźne, a ich negatywny wpływ na stan atmosfery zaobserwowany został dopiero po kilkudziesięciu latach.

Freony

Pomogli ocalić Ziemię przed potencjalną katastrofą środowiskową” – te słowa usłyszeli w 1995 r. chemicy Paul J. Crutzen, Mario J. Molina i F. Sherwood Rowland, którym przyznano Nagrodę Nobla. To za ich sprawą zbadane zostały konsekwencje wprowadzania do ziemskiej atmosfery freonów (chlorofluorowęglowodorów, CFC) – związków stosowanych w lodówkach i kosmetykach w aerozolu. Substancje te w ziemskiej troposferze były zupełnie niegroźne, jednak po przedostaniu się do stratosfery ulegały rozpadowi na skutek intensywnego promieniowania UV. W ten sposób następowało rozerwanie ich struktury i uwolnienie chloru, który jest katalizatorem rozpadu ozonu w stratosferze – gazu, będącego trójatomową postacią tlenu, absorbującym szkodliwe dla organizmów żywych promieniowanie UV-B. To z kolei stało się przyczyną powstania tzw. dziury ozonowej, której rozrost zahamowany został pośrednio za sprawą noblistów – w 1989 r. zakazano używania freonu, a ilość jego związków w atmosferze zaczęła spadać.

Dobry i zły ozon

Poza ozonem w stratosferze (nazywanym „dobrym”) jest jeszcze jeden, którego dla uproszczenia nazwiemy „złym ozonem”, zalegający w niższej warstwie – troposferze. Ozon troposferyczny stanowi zaledwie ok. 10% całkowitej zawartości ozonu w atmosferze. Jest zanieczyszczeniem wtórnym, co oznacza, że nie jest emitowany do atmosfery bezpośrednio przez człowieka, ale pojawia się na skutek przemian chemicznych innych związków. Do powstawania ozonu w najniższej warstwie atmosfery przyczyniają się substancje chemiczne pochodzące głównie z sektorów energetyki, transportu, przemysłu (w tym także wydobywczego), rolnictwa, a także substancje naturalne pochodzące z roślinności, głównie lasów (których emisja rośne wraz ze wzrostem temperatury). Udowodniono szkodliwy wpływ ozonu troposferycznego na roślinność (np. szersze i dłuższe otwieranie aparatów szparkowych, co ułatwia wnikanie do wnętrza kwaśnych opadów i uszkodzenia tkanek roślin), człowieka (kaszel, podrażnienie oczu, zmniejszenie wydajności płuc), a również na materiały (wpływ na korozję i degradację materiałów). Ozon pochłania też promieniowanie długofalowe ziemi, stąd zaliczany jest go tzw. gazów cieplarnianych.

Aerozole atmosferyczne

Jak już wiesz, aby mogły powstać chmury, muszą zaistnieć specyficzne warunki – stan nasycenia powietrza parą wodną (który zachodzi w trakcie ochładzania się powietrza aż do temperatury punktu rosy) oraz obecność tzw. jąder kondensacji. Wpływ człowieka na zawartość tych ostatnich w atmosferze skutkuje formowaniem się chmur. Jądra kondensacji pełnią niezwykle istotną funkcję rolę w procesie ich powstawania – to do nich mogą przyklejać się produkty kondensacji pary wodnej, czyli kropelki wody mikroskopijnych rozmiarów. Tego typu zarodnikami mogą być aerozole pochodzenia morskiego, pył pustynny, pyłki roślin czy też pyły i dymy pochodzenia antropogenicznego – jako efekt procesu spalania. Loty samolotowe, których wysokość przelotowa dochodzi do 12 km, dostarczają do atmosfery ziemskiej ogromne ilości jąder kondensacji jako produktów spalania paliwa w silnikach samolotu. Efektem jest powstawanie chmur, tzw. smug kondensacyjnych. Nie tworzą się one jednak w niskich warstwach atmosfery (np. przy starcie samolotu lub przy jego lądowaniu), chociaż powietrze może zwierać tam więcej pary wodnej, to jednak jest zbyt ciepłe, aby doszło do kondensacji. Smugi mogą być widoczne na niebie przez bardzo krótki czas lub przeciwnie – jest to zależne od warunków, jakie panują w atmosferze. Dla przykładu przy wysokiej wilgotności smuga zbudowana z kryształków lodu będzie bardzo wolno sublimowała, przez co czas jej życia może być liczony nawet w godzinach.

Podobne zjawisko formowania się chmur zauważono nad trasami statków przy pomocy zdjęć satelitarnych. Zanieczyszczenia dostarczane do atmosfery z kominów statków wpływają na powstawanie chmur, które przebiegają zgodnie z trasami ich płynięcia.

Smugi kondensacyjne to chmury piętra wysokiego, a powstające nad trasami statków piętra niskiego. W związku z tym ich wpływ na nasilenie efektu cieplarnianego będzie potęgujący lub osłabiający.

Efekt aerozolowy

Wprowadzane przez człowieka do atmosfery jądra kondensacji mają wpływ na częstotliwość powstawania chmur, ale także na ich właściwości. Duża zawartość aerozoli spowoduje powstawanie chmur o kroplach bardzo niewielkich rozmiarów. Te, podobnie jak gęsta mgła zalegająca tuż nad powierzchnią ziemi, będą intensywnie rozpraszały docierające promieniowania krótkotrwałe Słońca (a zatem będą miały ochładzający wpływ na atmosferę). Rozmiar kropel chmurowych ma także decydujący wpływ na tempo (i możliwość) powstania opadu, zatem na czas życia chmury. Wszystkie zmiany albedo, które są konsekwencją różnic w zawartości aerozoli w powietrzu to tzw. bezpośredni efekt aerozolowy. Przykładem niech będzie wzrost aerozoli typu miejskiego pochodzących np. ze spalin samochodowych. Z kolei pośredni efekt aerozolowy dotyczy wpływu aerozoli na albedo chmury oraz czas jej życia.

Para wodna i dodatne sprzężenie zwrotne

Globalne ocieplenie, które wiąże się bezpośrednio z początkiem ery przemysłowej, jest wynikiem wzrostu zawartości gazów cieplarnianych w ziemskiej atmosferze. Osoby negujące fakt globalnego ocieplenia jako konsekwencji działalności antropogenicznej podkreślają, że to para wodna w głównej mierze odpowiada za zmiany temperatury w atmosferze. Miałoby to sugerować, że to naturalne działanie przyrody, a nie człowieka, powoduje wzrost średniej temperatury na naszej planecie. Rzeczywiście, na każde 100 cząsteczek gazów cieplarnianych 90 stanowi para wodna. Pomijając istnienie pary wodnej w atmosferze, warto zwrócić uwagę, że 99,96% gazów (azot, tlen, argon) nie jest gazami cieplarnianymi. Zawartość CO2 to zaledwie 0,04%, natomiast inne gazy cieplarniane występują w ilościach śladowych.

Każdy z gazów absorbuje promieniowanie o innej długości fali, co przedstawia poniższa tabela.

Ciekawostka

Okazuje się, że zmiany ilości pary wodnej w atmosferze nie są przyczyną, ale skutkiem zmian temperatury na Ziemi. Co to oznacza? Gdy zawartość innych gazów cieplarnianych rośne, zmienia się temperatura, a para wodna dostosowuje się do nowych warunków – wzrostowi temperatury towarzyszy wzrost jej zawartości. Ponieważ jest gazem cieplarnianym, jej zwiększona ilość powoduje dalszy wzrost temperatury, a ten dalszy wzrost zawartości pary wodnej w powietrzu. Mamy zatem do czynienia z tzw. sprzężeniem zwrotnym dodatnim, które potęguje zmiany temperatury atmosfery.

Słownik

albedo

wielkość charakteryzująca zdolność odbijania promieniowania przez daną powierzchnię

bezpośredni efekt aerozolowy

zmiany albedo planetarnego, które wynikają ze zmian zawartości aerozolu rozpraszającego promieniowanie słoneczne

ozon

gaz, alotropowa forma tlenu o cząsteczce trójatomowej (90% zawartości O3 koncentruje się w stratosferze, 10% w troposferze)

pośredni efekt aerozolowy

zmiany albedo planetarnego powodowane zwiększoną ilością chmur zbudowanych z małych kropel wody (im więcej aerozolu, tym więcej chmur o małych kroplach, a w konsekwencji większe albedo)

sprzężenie zwrotne

współoddziaływania między elementami systemu klimatycznego, które wynikają ze zwiększania się średniej temperatury atmosfery (sprzężenia ujemne/osłabiające – stabilizują system klimatyczny, sprzężenia dodatnie/potęgujące – wzmacniają początkowe zaburzenie)

Czytaj także:

Temperatura w atmosferze – efekt cieplarniany
Temperatura w atmosferze – bilans cieplny i albedo
Skład i budowa atmosfery