Bugetele de energie planetară Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Înţelegerea sistemului climateric al Terrei ne ajută să înţelegem şi alte planete.

Schimbările climatice și modelarea climaterică se află continuu printre știri. O modalitate de a testa cât de bine înțelegem sistemul climateric al Terrei constă în a vedea cât de bine putem aplica cunoştinţele noastre la alte planete, cu climate foarte diferite. Filme precum Marțianul din acest an descriu alte planete din sistemul nostru solar ca fiind neospitaliere. Totuși, cum sunt ele de fapt, și cum sunt afectate de compozițiile lor atmosferice?

sea ice
Gheaţa din oceane joacă un rol central în climatul nostru şi în circulaţia curenţilor oceanici
Pentru imagine mulţumim ESA

Din punctul de vedere al individului ce stă în picioare pe scoarța terestră, aerul Terrei, gheaţa, apa şi solul pot părea entități independente. Cu toate acestea, diferitele elemente ale sistemului climateric – atmosfera, criosfera, oceanele și uscatul – nu sunt izolate; ele schimbă cantități uriașe de energie și îşi influențează reciproc comportamentulw1. Echilibrul acesta fragil – bugetul de energie al Terrei – se calculează ca suma tuturor intrărilor de energie în sistemul climatic minus toate pierderile de energie. Dacă pe ansamblu intrările și ieșirile sunt egale, temperatura globală se menține constantă, dar dacă se întâmplă ceva care înclină balanţa – cum ar fi o creștere a cantității de gaze cu efect de seră în atmosferă – atunci temperatura se modifică (vezi Shallcross & Harrison, 2008).

Energia Terrei

Radiațiile electromagnetice ale Soarelui au nevoie de opt minute pentru a ajunge pe Pământ, constituind principala sursă de energie de pe Pământ – şi cam la fel este pentru toate planetele din Sistemul Solar. Așa cum urmărim energia Soarelui în atmosfera Pământului, tot aşa putem vedea cum ea alimentează sistemul climateric al oricărei planete, cu fluxuri de energie complicate și cu bucle de reacţie. Astfel de informații sunt captate în acele diagrame cunoscute astăzi ca diagrame Trenberth (figurile 1, 2 și 3 de la pagina 14; Trenberth et al, 2009).

Pe măsură ce radiațiile Soarelui trec prin atmosfera Pământului, o mare parte din radiațiile ultraviolete este absorbită de ozon în stratosferă, la aproximativ 10-15 km deasupra scoarţei terestre. Apoi o parte din radiația solară este reflectată și dispersată de nori şi de particulele mici din atmosferă (particule cunoscute sub numele de aerosoli). Dacă se acumulează praf în atmosferă ca urmare a activității vulcanice intense, atunci şi mai mult din radiația Soarelui se pierde până să ajungă la suprafața Pământului. Aşa s-a întâmplat în 1816, anul fără vară, când erupția Muntelui Tambora din Indiile olandeze de răsărit (zonă cunoscută astăzi sub numele de Indonezia) a provocat o iarnă vulcanică și o penurie severă de alimente în emisfera nordică.

O parte şi mai mare din radiația Soarelui este reflectată de suprafața Pământului, efect numit și albedo şi care se calculează ca raportul dintre radiația reflectată şi radiația incidentă. Suprafețele de culoare deschisă, cum ar fi de zăpada, au un albedo mai mare decât cele mai întunecate. Puteți demonstra cum functioneaza albedo-ul utilizând două recipiente cu îngheţată şi pictând unul dintre ele în negru, punând un termometru în fiecare recipient și apoi acoperindu-le cu o folie de plastic transparentă. Lăsate în soare, sau sub o lampă, recipientul întunecat va absorbi radiații și se va încălzi, iar celălalt va rămâne rece.

Energia care ajunge la suprafaţa Pământului încălzeşte scoarţa și este astfel re-radiată (pentru o explicație privind radiația corpului negru, vedeţi Ribeiro, 2015). O parte din energie revine în atmosferă prin conducție și prin convecție, precum și prin evaporarea apei – iar o parte din vaporii de apă se va conseda în atmosferă formând picături de nor şi eliberând astfel căldura latentă (prin modificarea stării de agregare).

Şi gazele cu efect de seră absorb unele lungimi de undă ale radiației infraroșii emise de la suprafața Pământului. O parte din aceasta ajunge sus și se pierde în spațiu, însă cea mai mare parte se întoarce înapoi spre scoarţa terestră. Alte lungimi de undă ale spectrului de radiație infraroșie nu sunt absorbite de nici un gaz atmosferic și scapă liber în spațiul cosmic.

Figura 1: Bugetul de energie al Terrei, în medie pe suprafața Pământului și pe parcursul anului. Fluxurile solare radiative sunt reprezentate în albastru și cele infraroșii în roz; fluxurile de convecţie sunt prezentate cu portocaliu.
A: Radiațiile solare de intrare;
B: Radiaţia difuzată de nori și de atmosferă;
C: Totalul radiațiilor de unde scurte reflectate în spațiu;
D: Radiaţie reflectată de suprafaţă;
E: Radiații de unde scurte care ajung la suprafață;
F: Radiații de unde scurte absorbite de suprafață;
G: Radiații de unde scurte absorbite de atmosferă;
H: Totalul radiației în infraroșu (unde lungi) de ieșire;
I: Radiații de unde lungi emise de suprafață;
J: Radiații de unde lungi absorbite de suprafață;
K: Radiații de unde lungi emise de atmosferă în spațiu;
L: Radiații de unde lungi emise de atmosferă către suprafață;
O: Radiaţie calorică;
P: Evapo-transpiraţie;
Î: Flux de unde lungi de la suprafață înspre spațiu.

Pentru imagine mulţumim Sylviei Knight

Balanţa

Bugetul de energie al Terrei ne arată felul în care temperatura globală se poate modifica într-o direcție sau în alta. De reţinut că totalul radiației solare ce atinge Pământul nu este constant, din cauza schimbărilor din activitatea Soarelui (care urmează un ciclu de aproximativ 11 ani, și care se poate schimba şi pe perioade mai lungi de timp). De asemenea, modificări ale orbitei Terrei în jurul Soarelui pot determina o repartiţie inegală a energiei pe suprafața terestră – fapt ce are consecințe pentru climatul global.

După echilibrarea acestor factori (prin medierea radiațiilor intrate și ieșite pe durata unui an, și pentru întreaga planetă), vom obține cantitatea de energie pe care Pământul o primește sau pe care o pierde în spațiu. Folosind diagrama Trenberth (figura 1), putem cere elevilor să adauge sau să scadă aceste valori. Răspunsurile lor ar trebui să arate că există un mic plus de energie de intrare (de aproximativ 0,6 W/m2) faţă de cea care iese, astfel încât sistemul climatic se află în uşoară încălzirew2.

Energia planetei Marte

Ceva mai departe de Soare se află unul dintre cei mai apropiați vecini noștri din Sistemul Solar. La patru minute după ce atinge scoarţa Terrei, și respectiv la 12 minute după ce a plecat de la Soare, energia solară ajunge la Marte. Planeta roșie are jumătate din dimensiunea Terrei, dar cele două planete se aseamănă prin perioada de rotație și prin înclinarea axei, astfel încât ele au şi variații sezoniere similare în climă și în circulația atmosferică. Vremea de pe Marte este dominată de furtuni de praf, iar ciclurile de carbon și de apă, precum și mareele termice, sunt determinate de radiația Soarelui.

Figura 2: Bugetul energetic al planetei Marte în condiții de praf puţin. Când nu se manifestă furtuna de praf, atmosfera lui Marte are un impact foarte redus asupra fluxului de energie circulând înspre și dinspre planetă.
A: Radiații solare de intrare;
B: Radiaţie difuzată de nori și de atmosferă;
C: Radiații cu unde scurte reflectate în spațiu;
D: Radiaţii reflectate de suprafaţă;
E: Radiații de unde scurte care ajung la suprafață;
F: Radiații de unde scurte absorbite de suprafață;
G: Radiații de unde scurte absorbite de atmosferă;
H: Radiația infraroșie (unde lungi) de ieșire;
I: Radiații de unde lungi emise de suprafață;
J: Radiații de unde lungi absorbite de suprafață;
K: Radiații de unde lungi emise de atmosferă în spațiu;
L: Radiații de unde lungi emise de atmosferă către scoarța marţiană;
M: Radiații de unde lungi emise de suprafață;
N: Radiație de unde lungi reflectată de suprafață.

Pentru imagine mulţumim Sylviei Knight

Totuşi, atmosfera subțire de pe Marte are un efect redus asupra radiațiilor care trece prin ea. Acesta înseamnă că aproape toate radiațiile de intrare ajung la suprafaţa planetei, dar şi că apoi aproape toate radiațiile reflectate de sol se pierd în spațiu. Acest lucru se datorează faptului că atmosfera marțiană are mai mult bioxid de carbon decât atmosfera terestră (inclusiv considerând gazele cu efect de seră). În timp ce banda relativ îngustă de radiaţii emise în jurul lungimii de undă de 15 μm este aproape în întregime absorbită de bioxidul de carbon din atmosferă, restul radiaţiei emise de Marte (ca efect de corp negru) se pierde, iar efectul de seră de pe Marte încălzeşte suprafaţa planetei cu numai 5 grade Kelvin pe an.

În timpul iernii marţiene, temperaturile pot fi suficient de scăzute (140 K) pentru ca bioxidul de carbon să se condenseze, formând zăpadă în jurul ambilor poli, şi contribuind astfel la creșterea în continuare a albedo-ului planetei.

Lucrurile se schimbă dramatic în atmosfera marțiană la fiecare 3-5 ani, când o furtună violentă de praf părăsește cerul roșu-brun și când norii de praf ajung să reflecte sau să absoarbă până la 78% din radiația Soarelui. Radiația absorbită este eliberată sub formă de căldură în atmosferă, producând un efect anti-seră, în timp ce mai multă radiație infraroșie se pierde în partea de sus a atmosferei decât se emite de către suprafață. Atmosfera se încălzeste pe măsură ce suprafața se răcește, iar vânturile de suprafață scad, ceea ce face convecţia joasă să se întrerupă, eliminând sursa de praf și declanșând slăbirea furtunii.

Figura 3: Bugetul de energie al planetei Marte în timpul furtunilor de praf majore. Praful absoarbe o mare parte din lumina solară incidentă şi creează astfel un efect de anti-seră, cu mai multă căldură ieşind din partea superioară a atmosferei decât căldura ce părăsește suprafața.
A: Radiațiile solare de intrare;
B: Radiaţia difuzată de nori și atmosfera;
C: Radiații cu unde scurte reflectate în spațiu;
D: Radiaţii reflectate de suprafaţă;
E: Radiații de unde scurte care ajung la suprafață;
F: Radiații de unde scurte absorbite de suprafață;
G: Radiații de unde scurte absorbite de atmosferă;
H: Radiația totală în infraroșu (unde lungi) de ieşire;
I: Radiații de unde lungi emise de suprafață;
J: Radiații de unde lungi absorbite de suprafață;
K: Radiații de unde lungi emise de atmosferă în spațiul cosmic;
L: Radiații de unde lungi emise de atmosferă către suprafață;
M: Radiații de unde lungi emise de suprafață;
N: Radiații de unde lungi reflectate de suprafață;

Pentru imagine mulţumim Sylviei Knight

Importanţa propriei atmosfere

Fluxurile de energie circulând prin atmosferele planetare din sistemul nostru solar sunt la fel de diferite precum sunt şi planetele respective (descrieri ale climei de pe Venus, Titan și Jupiter pot fi descărcate din secţiunea de materiale suplimentare). Planete precum Pământul și Venus au gaze ce produc efect de seră, ceea ce are o influență semnificativă asupra climatului lor; alte planete, cum ar fi Marte (în perioadele cu praf) și Jupiter, prezintă un efect anti-seră. Împreună cu apa lichidă și cu un ecosistem viu, noi, oamenii, complicăm și mai mult sistemul climatic al Pământului. Cu toate acestea, deși alterăm încet echilibrul energetic pe Pământului, noi nu am putea supraviețui fără atmosfera ce captează energia solară și care încălzeşte mica noastră planetă albastră. Cu cât înțelegem mai bine cum funcționează aceste sisteme complicate, cu atât ne apropiem mai mult de înțelegerea propriului impact asupra Pământului.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • Web-site-ul MetLink conţine multe resurse educaţionale şi idei de teme pentru profesori. Lecţiile ‘Why is the sky blue’ (De ce este albastru cerul?), ‘Scatter UV light’ (Dispersia luminii ultra-violet) şi ‘Reflective surfaces’ (Suprafeţe reflectante) pot fi folosite pentru a complementa acest articol, şi se găsesc la adresa http://www.metlink.org/experimentsdemonstrations

Author(s)

Dr. Sylvia Knight este de profesie meteorolog şi are un interes special pentru modelarea climei. Ea este conducătoarea serviciilor educaţionale din cadrul Societăţii Regale de Meteorologie din Marea Britanie.


Review

‘Încălzirea globală’, ‘epuizarea stratului de ozon’, ‘schimbările climatice’ – suntem continuu bombardaţi cu astfel de ştiri prin web, prin programe TV, de la ecologiști și de la oameni de știință. Cu toate acestea, motivele științifice pentru care planeta noastră nu realizează echilibrul bugetului de intrări și ieșiri de energie rămân uneori nespuse. Acest articol constituie o resursă excelentă pentru a înţelege motivele din spatele faptului că planeta noastră reține mai multă energie decât se cedează – crescându-şi astfel temperatura. Articolul oferă şi o perspectivă asupra motivului pentru care efectul acesta nu se întâmplă şi pe planetele din vecinătate.

Pe lângă faptul că poate fi folosit ca exercițiu de înțelegere pentru elevii, articolul poate ajuta şi la sensibilizarea privind rolul nostru în această problematică. Întrebări potenţiale pentru discuții:

  • Cum afectează straturile atmosferei terestre razele de lumină ce vin de la Soare?
  • Ce anume afectează echilibrul dintre energia intrată şi energia ieşită pe Pământ?
  • Cum diferă climele planetelor învecinate de cea a Terrei?
  • Ar putea fi adaptate climatele acestor planete pentru supravieţuirea oamenilor?
  • Care este nivelul influenţei omului asupra climei planetei?
  • Cum s-a modificat această influenţă de-alungul anilor?
  • Care este responsabilitatea noastră privind generaţiile actuale şi cele viitoare?
  • Ce putem face pentru a lăsa planeta într-o stare mai bună decât cea moştenită?

Catherine Cutajar, St Martin’s College Sixth Form, Malta




License

CC-BY-NC-ND