Introducere in Atmosfera

Aceasta sectiune realizeaza o scurta punere in tema a proprietatilor asociate atmosferei. Conceptele generale descoperite in aceasta sectiune sunt:

• Atmosfera terestra este a orizont foarte subtire prins in jurul unei planete foarte mari.
• Doua gaze formeaza bulbul atmosferei terestre: azotul (N₂), care cuprinde 78% din atmosfera si oxigenul (O₂), care reprezinta 21%. Restul este reprezentat de alte gaze.
• Bazandu-ne pe temperatura, atmosfera este divizata in cinci state: troposfera, stratosfera, mezosfera, ionosfera (termosfera) si exosfera.
• Energia este transferata de la suprafata Pamantului catre atmosfera prin procese de conductie, convectie si radiatie.
• Curentii oceanici joaca un rol semnificativ in transferul caldurii de la ecuator catre poli. Curentii majori, cum ar fi aripa cea mai nordica a Gulf Stream, transporta amestecuri incalzite termic de Soare si contribuie la dezvoltarea multor tipuri de fenomene meteorologice.

Imagine a atmosferei in sectiune.

1. Proprietatile Atmosferei

In anvelopa fina de aer care inconjoara planeta noastra este un amestec de gaze, fiecare cu proprietatile sale fizice. Acest amestec este departe de o eventuala separare de celelalte invelisuri terestre. Doua elemente, azotul si oxigen, formeaza mai mult de 99% din volumul de aer. Alte 1% compun restul ('trace') gazelor, cu ponderea cea mai mare dintre ele fiind elementul inert argonul (Ar). Restul de gaze, care impreuna reprezinta numai un procent, sunt foarte importante pentru viata de pe Terra. Doua in special, dioxidul de carbon (CO₂) si ozonul (O₃), pot avea un impact major in procesele atmosferice.

Alte gaze, vapori de apa, exista de asemenea in mici cantitati. Ele variaza in concentratie de la cantitati aproape inexistente deasupra regiunilor desertice pana la cca 4% deasupra oceanelor. Vaporii de apa sunt o componenta importanta a fenomenelor meteorologice, fiind prezente sub faze gazoasa, lichida si solida si au capacitatea de a absorbii energiile radiative ale Terrei.

Compozitia chimica a atmosferei

1.1 Structura Atmosferei

Structura verticala a atmosferei

Atmosfera este impartita pe verticala in patru straturi pe baza de temperatura: troposfera, stratosfera, mezosfera si termosfera. Conform teoriei ciclurilor, ne vom concentra in mod special asupra primului nivel, cel in care traim - Troposfera.

Troposfera

Termenul provine din tropein, insemnand intoarcere sau schimbare (turn or change). Toate fenomenele meteorologice de pe Terra se desfasoara in Troposfera.

Troposfera are urmatoarele caracteristici:

• Are o extindere de la suprafata terestra de cca 12 km (7 mile), 18 km la ecuator si 8 km in zona polilor.
• Presiunea are valori de la 1 000 la 200 millibari (29.92 in. to 5.92 in.).
• Temperatura scade in general odata cu altitudinea pana la tropopauza (nivelul superior al troposferei); este situata in jurul valorii de 200 millibari la 12 km (36,000 ft.).
• Temperatura medie este de 15C (59F) la contatul cu litosfera-hidrosfera si -57C (-71F) la nivelul tropopauzei.
• La limita superioara a acestui strat exista o zona unde temperatura nu mai variaza odata cu inaltimea. Acest spatiu, numit si tropopauza, marcheaza tranzitia catre stratosfera.
• Vanturile cresc in intestitate cu inaltimea pana la nivelul curentilor jet (jet stream), unde ating viteze de 250 - 300 km/h.
• Concentratia amestecului de gaze descreste cu inaltimea pana la tropopauza.
• Aerul este mult mai uscat (lipsit de vapori de apa) in tropopauza, si mai uscat in stratosfera.
• Caldura Soarelui care incalzeste suprafata Terrei este transmisa pe verticala prin convectie a gazelor si este amestecata de miscari de ridicare si coborare a aerului.
• Troposfera contine 78% N₂ si 21% O₂. Densitatea mica a moleculelor inalte nu dau sufficient O₂ pentru supravietuire.

Structura troposferei

2. Procesele Atmosferice

InteractiuneaAtmosfera - Ocean

Circuitul apei in atmosfera

In teoria sistemica (a ciclurilor), se mentioneaza ca apa este o parte esentiala a sistemului geografic terestru. Oceanele acopera aproape din suprafata planetei si joaca un important rol in schimburile si transportul caldurii precum si in amestecul ei in atmosfera.

• Cea mai mare parte a vaporilor de apa din atmosfera provin din oceane.
• Cea mai mare parte din precipitatiile care cad pe uscat se intorc pe diferite cai in oceane.
• Aproape 2/3 se intorc in atmosfera prin circuitul apei in natura.

Acum este argumentat de ce oceanele si atmosfera interactioneaza extensiv, pe suprafete foarte mari. Oceanele nu actioneaza doar ca o sursa abundenta de umiditate pentru atmosfera dar pot fi de asemenea o importanta sursa de caldura (si rezervor in acelasi timp).

Schimbarile de caldura si umiditate au efecte profunde asupra fenomenelor atmosferice in apropiarea si deasupra oceanelor. Curentii oceanici joaca un rol foarte important in transferul de caldura si energie solara. Curentii majori, cum ar fi ramura nord-estica a Curentului Golfului (Gulf Stream), transporta o cantitate enorma de caldura solara inmagazinata si contribuie la dezvoltarea mai multor tipuri de fenomene climatice. Acesta incalzeste si climatele regiunilor invecinate. In conpensatie, curentii reci sudici, cum ar fi curentul Californiei, racesc climatul regiunilor invecinate continentale.

2.1 Transferul Energiei Termice

Distributia energiei solare in atmosfera

Practic, toata energia care provoaca fenomenele atmosferice provine de la Soare. Interceptata initial de catre atmosfera, o mica parte este direct absorbita, in mod particular de anumite gaze cum ar fi ozonul si vaporii de apa. O alta parte este reflectata in spatiu de nori si de suprafata terestra.

Efecte radiative, convective si conductive

Energia este transferata intre suprafata terestra si atmosfera prin conductie, convectie si radiatie.

Conductia este procesul prin care energia termica este transmisa prin contact moleculelor invecinate.

Anumite solide, cum ar fi metalele, sunt foarte bune conducatoate a caldurii, dar altele, cum ar fi lemnul, sunt conductori foarte slabi. Aerul si apa sunt relative slabi conducatori ai caldurii.

Cu toate ca aerul este un slab conducator (uzual conductor in lit. rom.), cel mai important transfer de energie are loc exact la contactul cu suprafata terestra. Noaptea, terenurile reci si cu aer dens conduc caldura in afara prin aer adiacent (mase de aer calde si usoare din jur ce atrag aerul rece si dens). In timpul zilei, radiatia solara incalzeste suprafatele uscate, caldura care va fi transferata prin conductie si maselor de aer din apropiere.

Convectia transmite caldura prin transportul grupurilor de molecule din loc in loc prin intermediul unei substante. Convectia actioneaza in principal asupra fluidelor precum apa si gazele, care se misca libere (Legea miscarii adiabatice a dinamicii fluidelor).

In atmosfera, convectia include pe scara mare sau mica miscarile ascensionale sau de coborare brusca a aerului aflat in crestere sau scadere de volum intr-un volum dat (regine definita). Acesta circulatie verticala distribuie efectiv caldura si umiditatea in toata colana de aer atmosferic si contribuie la dezvoltarea norilor si a furtunilor (unde miscarea ascensionala a aerului este dominanta si la dispersia acestora (unde miscarea de coborare a maselor de aer este dominanta).

Pentru a intelege celulele de convectie care distribuie caldura in toata atmosfera, putem considera un model simplificat, un glob terestru mic, fara interactiuni de tip mare/uscat si cu o miscare de rotatie in jurul axei foarte inceata. In aceste conditii, ecuatorul va fi cea mai incalzita zona, cu mult mai mult decat polii. Caldura, in timpul zilei la ecuator are o miscare continuu ascendenta si la limita superioara a troposferei aerul rarefiat se imparte in doua directii, spre nord si spre sud; aerul rece si dens de la poli va suferii o miscare descendenta si se va imprastia de aici catre latitudinile medii si apon catre ecuator. Vor rezulta doua celule de convectie, una in emisfera nordica si alta in emisfera sudica.

Modelul convectiei atmosferice

Totodata, miscarea de rotatie catre est determina devierea maselor de aer catre dreapta in emisfera nordica si devierea catre stanga in emisfera sudica. Aceasta deviere a curentilor de aer (respective a vanturilor) este cunoscuta sub numele de efectul (forta) Coriolis.

Radiatia reprezinta transferul energiei calorice fara a implica prezenta fizica a unei substante in aceasta transmisie. Radiatia poate transmite caldura chiar si prin vidul cosmic.

Energia calatoreste de la Soare catre Pamant prin intermediul undelor electromagnetice. Cu cat lungimea de unda este mai scurta, cu atat energia transmisa este mai mare. Acesta este demonstrata de animatia urmatoare. Asa cum creste numarul de rotatii pe minut (RPMs) a unui burghiu, creste numarul de unde generate pe un fir, asa creste si rata de oscilatie a acestuia. Acelasi principiu se aplica si undelor electromagnetice ale Soarelui, unde radiatia de unda scurta va transporta mai multa energie decat radiatia cu unde lungi.

Cea mai mare parte a energiei radiata de Soare este concentrata in zona vizibila si aproape vizibila a spectrului luminos. Undele scurte invizibile acoperind un mic procentaj din total sunt extrem de importante deoarece acestea dispun de energie inalta. Acestea sunt cunoscute ca unde ultraviolete.

Concluzii

Structura fizica si chimica a a atmosferei, modurile prin care gazele interactioneaza cu energia solara, interactiunile chimice si fizice dintre atmosfera, litosfera si oceanul planetar combinate fac din atmosfera o parte integrala a biosferei. Pentru studenti important este sa inteleaga natura si importanta atmosferei, sa inteleaga si sa raspunda la urmatoarele intrebari:

1. Care este structura si compozitia atmosferei?
2. Cum influenteaza energia solara atmosfera?
3. Cum interactioneaza atmosfera cu litosfera si oceanul planetar?
4. Cum este transferata caldura in sistemul terestru?

Activitati practice

Urmatoarele activitati vor ajuta studentii sa inteleaga mai bine conceptele prezentate in aceasta sectiune.

Activitatea 1: Principiul Bulelor de aur de aer - Un Model al Gazelor Atmosferice

Activitatea 2: Cat de inalta este Atmosfera?

Activitatea 3: Fazele apei - Apa ca Solid, Lichid si Gaz

Activitatea 4: Circuitul Apei

Activitatea 5: Procese Atmosferice - Radiatia

Activitatea 6: Procese Atmosferice - Conductia

Activitatea 7: Procese Atmosferice - Convectia

3. Fenomene meteorologice

Fenomene meteo - fulgerul si tunetul

Fulgerul este rezultatul vizibil al unei descarcari de energie. Aceasta descarcare poate avea loc intre un nor si pamant, intre varful si baza unui nor sau intre doi nori. Fluxul de energie statica ce se creeaza intre aceste elemente incalzeste aerul atat de mult, incat devine stralucitor. Aerul fierbinte isi mareste volumul (se dilata) cu o viteza extrem de mare. Sunetul produs de acest fenomen de dilatare poarta denumirea de tunet. Sunetul provocat de descarcarea electrica a fulgerului calatoreste mai incet decat lumina fulgerului.

Fulgerul nu are aceeasi temperatura pe toata lungimea sa. Culoarea fulgerului ne poate indica temperatura lui. Ramurile mai reci ale fulgerului au o culoare rosiatica, in timp ce ramurile cele mai fierbinti au o nuanta alba sau albastra.

Temperatura aerului incalzit de fulger este mai mare decat cea de pe suprafata soarelui. Ceea ce vedem ca fulger este de fapt aer incins.

Fenomene meteo - tornadele I

Conform dictionarului, tornada este un vartej cu vanturi puternice, compus din ploaie si praf, care se rasuceste in spirala, fiind frecvent, de obicei, la sfarsitul primaverii si inceputul verii". Tornadele se formeaza in anumite zone ale globului, nu peste tot, cel mai frecvent sunt afectate zonele din Statele Unite ale Americii, sudul Americii de Sud, sudul Africii si estul Asiei. In Europa, asemenea fenomene iau nastere foarte rar si nu au forta pe care o manifesta in celelalte zone.

Tornada arata ca o coloana de aer incarcata cu praf si diferite alte materiale, de forma unei palnii intoarse, care se deplaseaza deasupra pamantului cu o viteza ce depaseste rar 10km/h si distanta nu depaseste in general 100 km. De regula, durata de viata a unei tornade nu este mai mare de o ora. Vartejul acesteia are o inaltime de pana la 500 de metri. In interiorul tornadei viteza aerului este foarte puternica, ajunge si la 100 km/h, uneori chiar si la 500 ( in anul 1958, tornada care a afectat Wichita Falls, Texas,a a vut o viteza de 540 Km.h, cea mai mare inregistrata vreodata), asa se explica puterea distructiva a tornadelor. Presiunea aerului in interiorul palniei este foarte scazuta, ceea ce face ca atunci cand intra in contact cu presiunea interna mai mare, a cladirilor, acestea risca sa explodeze. In functie de intensitatea acestor fenomene, de puterea lor de distrugere, ele pot fi clasificate, pe baza scarii Fujita, de la F0 la F5. Conform acestei scari, cu fiecare gradatie in plus, forta tornadelor creste de zece ori.

Procesul de formare al unei tornade este interesant si spectaculos in acelasi timp, pentru a se forma este nevoie ca razele solare sa incalzeasca suprafata terestra, dar aceasta incalzire trebuie sa se faca inegal (unele suprafete sa fie mai incalzite decat celelalte), astfel incat aerul supraancalzit de la suprafata solului sa se ridice in atmosfera si locul sau sa fie luat de aerul rece de la mare inaltime. Continuand sa se inalte, aerul cald acumuleaza energie, iar aerul rece este la randul lui incalzit si ridicat. In urma acestui proces, in atmosfera ia nastere un curent care se inalta continuu.

In Statele Unite ale Americii, pe campiile din sud-estul tarii, tornadele iau nastere in urmatoarele conditii: aerul cald si umed din Golful Mexic intalneste aerul uscat dinspre Mexic si masele de aer rece, polare. Cand toate aceste trei mase se intalnesc, ia nastere o miscare de rotire care formeaza norul ce produce tornada. Se pare ca aerul rece care cade cu viteza spre sol duce cu el tornada in jos si concentreaza intreaga forta a furtunii intr-un singur punct pe sol. Daca ar fi eliberata instantaneu, energia unei tornade de nivel F5 ar avea efectul a cinci bombe atomice.

Efectele tornadelor

Forta distrugatoare a aunui astfel de fenomen rezulta din marea viteza a vantului, cat si ca urmare a scaderii bruste a presiunii in vartejul spiralei, scadere care provoaca spargerea geamurilor caselor complet inchise. Tornada care atinge suprafara pamantului provoaca distrugeri considerabile in zonele intens populate. Sunt distruse cladiri, arborii sunt smulsi din radacini, iar diferite obiecte pot fi ridicate in aer si transportate la distanta de sute sau chiar mii de metri. Forta de distrugere a vantului este deosebit de mare, dar se exercita strict pe traseul urnat de tornada, astfel incat martorii oculari ai tornadelor au sustinut ca nu au simtit nimic atunci cand tornada a trecut la cateva zeci de metri de locul unde stateau. Acest lucru explica faptul ca tornada afecteaza numai suprafetele strabatute de spirala formata. Sunt cunoscute numeroase relatari despre obiecte care au fost ridicate si transportate in aer, dar care au revenit intacte pe pamant. Unii martori oculari afirma ca au fost cazuri in care fiinte vii au revenit nevatamate pe pamant dupa ce au facut o calatorie de sute de metri prin aer, ceea ce pare greu de crezut, avand in vedere forta unei tornade F4 sau F5. Spre exemplu, in urma tornadei care a afectat localitatea Saint Louis din Statele Unite ale Americii in anul 1986, in trunchiul unui arbore a fost gasita infipta o sapa la 15 cm adancime. Intre anii 1950-2000, in Statele Unite s-au inregistrat peste 6000 de tornade, din care aproape 1500 foarte puternice.. Numai in 1974 in aceasta tara au fost 150 de tornade care au produs atat pagube materiale cat si pierderi insemnate omenesti.

In 1972, orasul La Plata ( Argentina) a fost afectat de o tornada de forma unui imens nor cenusiu, din care coborau mai multe spirale ca niste brate, acestea aveau forta unui aspirator urias care lua tot ce intalnea in cale: masini, case, animale, oameni.

Tornada care a provoacat cele mai multe victime a fost inregistrata in Bangladesh, in 1989, cand au murit peste 1300 de oameni, iar pagubele materiale fiind si ele foarte mari.

In concluzie putem spune ca tornadele sunt fenomene naturale cu risc mare. De cele mai multe ori efectul lor nu poate fi evitat, dar, in prezent, ca urmare a atentionarii din timp, cam cu 10 minute inainte, pierderile de vieti omenesti pot fi evitate.

4. Introducere in Climatosfera

Aceasta sectiune va propune o trecere in revista a principalelor probleme ale climatelor Terrei. Conceptele generale ce pot fi regasite aici sunt urmatoarele:

• Distinctia generala dintre vreme si clima.
• Masuratorile zilnice meteorologice au valori mult mai variabile decat cu mediile pe termen lung ale datelor climatice ceea ce face dificil de a decela trendul pe termen lung a climatului bazandu-ne pe siruri scurte de date.
• Mediile climatice sunt rezultatul unor importante variatii anuale ale vremii. Incidentele intamplatoare (fenomenele extreme) fac detectarea schibarilor climatice mult mai dificila.
• Climatele de pe Terra s-au schimbat de-a lungul erelor geologice si continua sa se schimbe. Paleoclimatologii studiaza climatele Pamantului de milioane de ani in urma folosind diverse metode. Datele schimbarilor climatice trecute pot fi stranse din surse precum observatiile asupra apei (ghetii) pe perioade lungi de timp.
• Polenul plantelor prezinta modificari clare fizice si de marime si aspect pentru diferite specii de plante care pot supravietui pe perioade lungi de timp in depozite sedimentare, care inregistreaza succesiunea existentei speciilor de plante dintr-un teritoriu. Studiul polenului de plante incluse in depozite sedimentare si roci se numeste polinologie.
• Dendrocronologia studiaza climatele vechi in inelele arborilor si le da posibilitatea cercetatorilor sa observe impactul direct al climei asupra cresterii arborilor.

Introducere

Clima Terrei este definita in general ca media starii meteorologice (a vremii) pe o perioada lunga de timp. Locul climatic sau regiunile climatice sunt determinate in egala masura de factori naturali cat si antropici (creati de activitatea umana). Elementele naturale includ atmosfera, litosfera, hidrosfera si biosfera, in timp ce factorii antropici pot include terenurile si resursele utilizate. Schimbarile din oricare acesti factori pot cauza schimbari la nivel local, regional, sau chiar globale ale climei.

Cu ce difera clima de vreme (starea meteorologica)?

Vremea (starea meteorologica) reprezinta starea curenta a conditiilor atmosferei, incluzand aici temperatura, precipitatiile, vanturile si umiditatea intr-un loc dat. Daca va aflati in aer liber poteti observa daca ploua sau bate vantul, daca este insorit sau innoutat. Puteti spune cat este de cald citind tempetatura. Vremea este ceea ce se intampla chiar acum sau se va intampla in urmatoarele 48 de ore in atmosfera locului in care ne aflam.

Clima, pe de alta parte, reprezinta starea generala a conditiilor meteorologice pe o perioada lunga de timp. De exemplu, in oricare zi din ianuarie, ne asteptam sa cada precipitatii in Portland (sau in M-tii Apuseni), Oregon si sa fie insorit si temperat (fara vant) in Phoenix, Arizona. Si in Buffalo, New York, nu vom fi surprinsi sa vedem stiri despre temperaturi sub 0sC si averse de ninsoare puternice.

Uniii meteorologi spun ca 'clima este ceea ce te astepti sa se intample si vremea ceea ce ti se intampla.' In acelasi consens cu lecturile din liceu, 'clima ne spune ce haine trebuie sa ne cumparam, iar vremea ne spune pe care din ele sa le imbracam.'

Clima se refera in cele mai multe cazuri la "media" valorilor meteorologice (ale vremii) pe un areal dat. Agentia Nationala de Meteorologie (A.N.M.)[1] foloseste date de temperatura maxima si minima si valorile precipitatiilor pentru ultimii 30 de ani pentru a realiza valorile 'medii' meteorologice. Cu toate acestea, o parte din climatologi considera ca sunt necesare mai mult decat valorile medii meteorologice pentru a realiza cu acuratete un portret al caracteristicilor climatice ale arealului studiat oscilatii, repetitii, fenomene caracteristice, modele, precum si fenomenele extreme pot fi de asemenea incluse. Astfel, clima reprezinta suma tuturor datelor si informatiilor statistice meteorologice care ne ajuta sa descriem un loc sau o regiune. Termenul aplica de asemenea pe o scara larga modele meteorologice in timp sau spatiu cum ar fi "Galciatiunile" (Ice Age) climatice sau perioadele "tropicale" climatice.

Variatiile Climatice

Cu toate ca starea climatica a unui areal se afla intr-o continua schimbare, schimbarile nu sunt de obicei observabile pe o scara a timpului accesibila observatiilor imediate. In timp ce noi cunoastem schimbarile de vreme zi de zi, schimbarile subtile climatice nu sunt cu adevarat detectabile, perceptibile. Modelele si tipurile climatice iau in calcul elemente similare, dintre care cele mai importante sunt:

Temperatura aerului;

Umiditatea aerului;

Tipurile de nori si nebulozitatea;

Tipurile si cantitatea de precipitatii;

Presiunea aerului;

Directia si intensitatea vantului.

Cu toate ca datele meteorologice si clima sunt diferite, ele interelationeaza reciproc foarte mult. Modificarea unui parametru climatic produce modificari si asupra altor elemente, conducand la modificari ale climei regionale. De exemplu, daca temperatura medie a unei regiuni creste semnificativ, poate avea ca efect modificarea nebulozitatii, cum la fel de bine poate modifica suma precipitatiilor din regiune. Daca aceste modificari ocupa cea mai mare dintr-o perioada mai lunga de timp, valorile medii climatice pentru aceste elemente vor fi de asemenea afectate.

Paleoclimatele (Ancient Climates)

Datele meteorologice regulate se extind pe circa 130 de ani. In acest timp, temperatura medie globala a crescut cu aproximativ 0,5sC sau cca 1s Farenheit.

    Variatia temperaturii globale

Cercetatorii au studiat climatele trecute ale Terrei mergand pana la milioane de ani in urma. Pentru a examina aceasta lunga scara a timpului numita timp geologic, acestia au adunat elemente cheie (ce pot fi recunoscute in modele teoretice) din inregistrari geologice si plante fosile.

Informatiile din fosile evidentiaza climate net diferite in timpuri geologice fata de ceea ce inregistram azi. De asemenea, clima a avut fluctuatii substantiale in ultimele secole cele mai recente reflctate in fosile. Studiul climatelor trecute si al schimbarilor climatice ne ajuta sa intelegem mai bine clima curenta si ce se poate intampla in viitor.

Atmosfera Pamantului a evoluat in timp geologic (aproximativ 4,5 mld. ani), reflctat in semnificative schimbari globale, regionale si locale ale climei. Unele dintre probele fosile sugereaza schimbari care au loc ciclic, in care se inregistreaza perioade de incalzire globala urmate de perioade glaciare. Cele mai recente glaciatii s-au terminat acum cca 18 000 de ani cu perioade de incalzire graduala in pofida unor perioade intermediare de racire.

Unele dintre metodele utilizate in studiul climatelor geologice includ:

Examinarea fosilelor si polenului fosil

Extragerea carotelor glaciare din zonele polare Examinarea cercurilor de crestere a pomilor

Toate aceste metode demonstreaza modele de evolutie a temperaturilor, precipitatiilor sau curentilor de aer la fel, in concordanta cu chimbarile compozitiei chimice a atmosferei.

Studiul privind cum s-au produs modificarile din atmosfera de-a lungul istoriei Terrei ajuta cercetatorii sa inteleaga cum se poate schimba clima curenta daca activitatile umane vor continua sa emita in atmosfera gazele din prezent. De exemplu, cresterea cantitatii de CO₂ ar putea o capcana pentru caldura atmosferica (sa retina cantitati din ce in ce mai mari de caldura). Studiind concentratia de CO₂ atmosferic si coreland-o cu regimul climatelor trecute, ne putem forma o idee asupra caror tipuri de schimbari climatice ne putem astepta sa apara daca acesta concentratie va creste in continuare.

Corelatie CO₂ / temperatura globala

Concluzii

Clima Terrei a fost intr-o continua schimbare si va continua sa fie asa. Este foarte dificil de a arunca o privire pe schimbarile climatice pe termen scurt pentru a da un diagnostic al tendintei de schimbare regionala a climei si a propune valori viabile pentru schimbarile climatice pe termen lung. Pentru studenti este important sa inteleaga diferentele dintre vreme si clima, si sa dea o importanta mai mare metodelor prin care se realizeaza studiile privind climatele vechi pentru a intelege mai usor schimbarile viitoare. De asemenea, studentii trebuie sa fie capabili sa raspunda la urmatoarele intrebari:

1. Care este diferenta dintre vreme si clima?
2. De ce este clima variabila?
3. Ce metode folosesc cercetatorii in studiul climatelor vechi?
4. De ce este bine sa intelegem clima din trecut si prezent si cu ce ne ajuta la prevederea climei din viitor?

Activitati

Urmatoarele activitati vor ajuta studentii sa inteleaga mai bine conceptele acoperite in aceasta sectiune.

• Activitatea 8: Diferentele dintre Clima si Vreme
• Activitatea 9: Variatiile Climatice
• Activitatea 10: Paleoclimatele si Polenul
• Activitatea 11: Timpul si ciclurile: Dendrocronologia

4. Efectul de sera

Aceasta sectiune propune o privire de ansamblu asupra fenomenului atmosferic global "efectul de sera" (greenhouse effect) examinand pe scurt o dezbatere privind efectul de sera terestru. Conceptele generale din aceasta sectiune includ urmatoarele:

• "Efectul de sera" terestru ce face posibila viata asa cum o stim;
• Atmosfera terestra contine gaze rare, unele din acestea absorbind caldura. Aceste gaze (vapori de apa, dioxid de carbon, metan, ozon si nitrati oxidati) la care ne referim vorbind de "gaze de sera";
• Albedoul are o importanta influenta asupra temperaturii Pamantului;
• Gazele de sera au structura destinata sa mentina caldura.
• Abilitatea de captare a caldurii a gazelor de sera este influentata de o serie de factori incluzand transparenta paturii de gaze de sera, culoarea suprafetelor din interiorul gazelor de sera, si tipul de suprafata din interiorul acestor.

Introducere

Principiul Globului de Aur (Goldilocks) poate fi rezumat la marele fix ca "Venus este prea fierbinte, Marte este prea rece si Terra este acolo unde trebuie." De fapt Pamantul are o suprafata de vietuire medie intre punctul de fierbere si cel de inghet al apei, si astfel este favorabila calitatii vietii noastre, fapt ce nu poate fi explicat prin simpla sugestie ca orbita planetei se afla la cea mai convenabila distanta fata de Soare pentru a absorbii exact cantitatea de radiatie solara de care avem nevoie. Temperatura moderata este de asemenea rezultatul si al faptului ca dispunem de atmosfera de care avem nevoie pentru acesta. O atmosfera venusiana ar produce un infern, ar aduce conditiile venusiene pe planeta; o atmosfera martiana ne-ar face sa ne ingropam sub o calota glaciara de tip martian.

Modele atmosferice

In schimb, parti ale atmosferei noastre actioneaza ca un material reflectorizant - absorbant de o grosime si densitate ideala, captand suficienta energie solara pentru a mentine temperatura medie globala in limite de variatie placute. Scutul martian este prea subtire, iar cel venusian reprezinta o cale prea adanca. Scutul (blanket) reprezinta aici o serie de gaze atmosferice numite si "gaze de sera" (greenhouse gases) ce se bazeaza pe ideea ca gazele de asemenea capteaza (trap) caldura ca un perete de sticla al unei sere.

Aceste gaze, mai ales vaporii de apa (H₂O), dioxidul de carbon (CO₂), metanul (CO₄) si nitratii oxidati (N₂O), toate actioneaza ca un incubator global. Pentru a explica de ce, este important sa intelegem cateva din ele, precum si structura altmosferei.

Radiatia Solara

Radiatiile solare se disperseaza in caltitati enorme in spatiul interplanetar, sub forma unui spectru de unde electromagnetice.

Spectrul radiatiei solare

Cea mai are parte a energiei radiante de la Soare este concentrata in sectiunile vizibile si in vecinatatea acestora a spectrului de unde. Banda ingusta a spectrului vizibil, intre 400 si 700 nm[2], reprezinta 43% din total energiei radiante emise. Undele de lungime mai scurta decat cele vizibile acopera cca 7 - 8% din total, dar sunt extrem de importante datorita energiei lor ridicate per foton . Cu cat lungimea de unda este mai scurta, cu atat are energie mai are. Astfel, undele ultraviolete sunt puternic energetice (capabile sa rupa in bucati moleculele biologice stabile si produce arsuri solare si cancere de piele). Diferenta de 49 - 50% din energia radianta solara se imparte in unde mai lungi decat cele din spectrul vizibil. Acestea sunt situate in imediata apropiere a undelor infrarosii de la 700 la 1000 nm; undele infrarosii termice (ce produc incalzirea gazelor atmosferice), sunt situate intre 5 si 20 microni; si undele infrarosii de la capatul spectrului solar. Diferite componente ale atmosferei terestre absorb undele ultraviolete si infrarosii ale radiatiei solare inainte pe a penetra pana la suprafata terestra, dar atmosfera este cat se poate de transparenta pentru spectrul de lumina vizibil.

Bilantul radiatiei solare al Terrei

Absorbite de uscat si oceane, de vegetatia terestra, lumina vizibila este transformata in caldura re-radiatata in forme invizibile infrarosii. Daca acestea ar fi tot ce este de spus pe acest subiect, atunci pe toata durata zilei Pamintul se incalzeste, iar noaptea, toata energia acumulata va fi radiata inapoi in spatiu si temperatura de la suprafata planetei ar scadea foarte rapid sub 0sC. Explicatia pentru ce nu se intampla acest lucru rezida din continutul atmosferic de molecule care absorb energia re-radiata si o retransmit in jurul lor. Acest fenomen reduce energia ce ste radiata in afara atmosferei inapoi in spatiu. Elementele poarta numele de "gaze de sera" (greenhouse gases) deoarece servesc la cresterea caldurii interioare asemanator efectului din spatele geamurilor unei sere, aceste molecule fiind responsibile pentru efectul de sera ceea ce permite Terrei sa se bucure de temperaturi ce intretin activitatea complexa a biosferei.

Gazele de sera (Greenhouse Gases)

Dioxidul de carbon (CO₂) este unul din gazele de sera. Este format dintr-un atom de carbon ce are de fiecare parte a sa cate un atom de oxigen. Cand acessti atomi se afla foate aproape unii de altii, dioxidul de carbon poate absorbi radiatia infrarosie si molecule incep sa vibreze. In aceasta situatie, moleculele vibrante emit la randul lor energie care are sanse mari sa fie absorbita in continuare de molecule ale altor gaze de sera. Acest ciclu de absorbtie-emisie-absorbtie ajuta la a mentine caldura in apropiarea suprafetei, efectiv izoland-o termic de spatiul rece din jur.

Dioxidul de carbon

Dioxidul de carbon, vaporii de apa (H₂O), metanul (CH₄), nitratii oxidati (N₂O), si cateva late gaze sunt considerate gaze de sera. Acestea toate sunt formate din molecule cu mai mult de doi atomi, atasati liber suficient de aproape pentru a fi capabili sa vibreze odata cu absorbtia de caldura. Componentele majore ale atmosferei (N₂ si O₂) sunt molecule biatomice de asemenea situati liber foarte apropape si care vibreaza si cu toate astea acestia nu absorb caldura si/sau contribuie la efectul de sera.

Efectul de sera (Greenhouse Effect)

Climatologii au folosit pentru prima data termenul de "efect de sera" inca de la 1800. La acea vreme era folosit pentru a descrie functia naturala majora a gazelor atmosferice si nu avea conotatii negative. Nu acelasi lucru se intampla la mijlocul anilor '50 ai sec. XX cand termenul de efect de sera era asociat explicatiilor privind schimbarile climatice. In ultimele decenii, am auzit de asemenea despre efectul de sera in diverse alte situatii cu semnificatie negativa. Conotatiile negative se refereau la posibilele impacturi asupra imbunatatirii efectului de sera. Acestea sunt pe larg dezbatute in sectiunea Schimbari Climatice Globale. Este important de amintit ca fara efect de sera viata pe Terra, asa cum o cumoastem acum nu ar fi posibila.

Cu toate ca temperatura terestra este direct dependenta de efectul de sera - ca si fenomen atmosferic, incalzirea si racirea sunt puternic influentate de o serie de factori intocmai ca efectul de sera dar foarte variabili.

In cadrul efectului de sera atmosferic, tipul suprafetei majoritare care sufera impactul cu razele solare este cel mai important factor. Padurile, pasunile, suprafetele oceanice, calotele glaciare, deserturile si suprafetele urbanizate, absorb, reflecta si radiaza radiatia solara diferit. Lumina solara ce cade pe o suprafata acoperita de gheturi va fi foarte puternic reflectata inapoi in spatiu rezultand o minima incalzire a suprafetei si a atmosferei joase. Lumina ce cade pe o suprafata desertica intunecata (negricioasa, bruna) va fi foarte puternic absorbita, pe de o parte de sol (scoarta), si pe de alta parte va contribui la incalzirea semnificativa a supeafetei sia atmosferei joase. Nebulozitetea[4] afecteaza de asemenea incalzirea prin efect de sera atat prin reducerea cantitatii de radiatii solare receptionata de suprafata terestra cat si prin reducerea cantitatii de radiatii ce este emisa inapoi in spatiu.

Specialistii folosesc termenul de albedo pentru a definii procentul de energie solara ce este reflectata inapoi de o suprafata. Intelegerea efectelor albedo-ului la nivel local, regional si global este determinata in predictia schimbarilor climatice globale.

Concluzii

Capacitatea de a demonstra ca gazele rare din atmosfera sunt relativ transparente pentru radiatia luminoasa ce vine de la Soare si cu toate astea opace pentru energia radiata de la suprafata Terrei este unul din cele mai bine intelese procese de catre climatologi. Acest fenomen, efectul de sera, face ca Terra sa fie o planeta locuibila. Pentru studenti este cu adevart important sa inteleaga natura si importanta efectului de sera si sa inteleaga raspunsurile la urmatoarele intrebari:

1. Ce este efectul de sera si cum se manifesta?
2. Cum este atmosfera terestra asemanatoare cu o sera?
3. Ce factori influenteaza efectul de sera?
4. Ce este albedo-ul si cum este inteles acesta in schimbarile climatice globale?
5. Ce limitari sufera comparatia atmosferei terestre cu o sera?

Activitati

Urmatoarele activitati practice vor ajuta studentii sa inteleaga mai bine conceptele din acesta sectiune.

• Activitatea 12: Ce este efectul de sera?
• Activitatea 13: Ce factori au impact asupra efectului de sera?

Schimbari Climatice Globale

Acesta sectiune propune o privire de ansamblu asupra proceselor si proprietatilor asociate schimbarilor climatice globale. Conceptele generale sunt:

• Clima Terrei a fost mereu schimbatoare; rata schimbarii actuale este preocuparea majora a cercetatorilor de azi.
• Carbonul este un element critic al biosferei si este necesar ciclului continuu al suportului vietii pe Terra.
• Ciclul carbonului include agenti sursa (de intrare), de iesire si de declansare.
• Dioxidul de carbon este un impartant gaz de sera.
• Organismele vii dintr-un ecosistem pot avea efecte profunde asupra conditiilor atmosferice locale.
• Schimbarile in covorul vegetal pot avea efecte profunde asupra vitezei vantului.
• Cunoasterea gazelor cu efect de sera este necesara pentru a identifica trendul actual de schimbare a compozitiei chimice a atmosferei si schimbarile climatice.
• Activitatea antropica este legata de cresterea concentratiei de gaze cu efect de sera din atmosfera.

Climatele Trecute

Clima Terrei este instabila. Originile evolutiei noastre le aflam in caldura, intr-un climat relativ benign al Africii ecuatoriale, dar inaintasii nostri s-au luptat cu un climat rece, aspru, si de neinvins din ultima epoca glaciara in actiunea de a se raspandi pe suprafata planetei.

Evolutia climei de la originea omenirii

Oricum, acum 10 000 de ani, glaciatiunea s-a terminat. Am dezvoltat agricultura, civilizatia, industria si tehnologiile in general intr-un climat global care a fost cald, placut si usor previzibil. Clima regionala s-a schimbat uneori dramatic, dezastruos pentru unele civilizazii locale, dar privit in ansamblu, clima globala nu a fost ucigatoare in nici o perioada semnificativa pe termen lung in drumul dezvoltarii civilizatiei umane.

Una din cele mai semnificative impliniri ale speciei noastre a fost descoperirea combustibililor fosili si modalitatile de transformare a energiei obtinute din arderea lor in caldura, transporturi, element de baza in industrie si constructii.

Clima Actuala si Activitatea Umana

Revolutia industriala si descoperirile ce o insotesc au schimbat pentru totdeauna lumea pentru specia noastra. In general, combustibilii fosili ne-au fost lasati spre folosire de biosfera cu mult timp in urma. Pe o Terra calduroasa cu o mare concentratie de dioxid de carbon (CO₂) in atmosfera, organismele fotosintezatoare (alge si plante superioare) au absorbit CO₂ si folosit pentru a produce materie organica din abundenta. Cand aceste organisme au murit, ele s-au ingropat adanc in pamant si s-au transformat incet in carbuni si petrol.

Inca din anii 1800, am inceput sa ardem cantitati mari din acesti combustibili pentru a da putere dezvoltarii tehnologice si civilizatiei globale. Ca si rezultat, am eliberat CO₂ continut in combustibili in forme de energie - foarte multe molecule organice s-au intors in atmosfera, crescand concentratia acesteia in CO₂. In sine, aceasta nu este o ingrijorare. Dioxidul de carbon reprezinta o foarte mica parte din compozitia atmosferei si se prevad implicatii asupra proceselor respiratorii. Dar CO₂ are o alta proprietate insemnata. Asa cum am vazut in sectiunea Efectul de sera, dioxidul de carbon absoarbe caldura. Celelalte componente majore, oxigenul (O₂) si azotul (N₂), nu.

Dinamica CO₂ in ultimii 250 de ani

Din 1800, concentratia globala a CO₂ a crescut de la aprox. 280 ppm (sau 0,028%) la cca 365 ppm (0,0365%). Cresterea pare neinsemnata, dar ea inseamna in acelati timp ca alte 3 gigatone (3 mld m³) de CO₂ sunt adaugati atmosferei in fiecare an. Deoarece CO₂ este cel mai puternic gaz de sera, putem concluziona rezonabil ca temperatura Terrei va creste odata cu cresterea concentratiei CO₂. De fapt, climatologii au detectat o variatie in usoara crestere a temperaturii globale medii in ultimile decade, bazata pe inregistrarile meteorologice din toata lumea. Sase din ultimii zece ani au constituit recorduri de temperatura pozitiva.

Temperatura medie globala

Aruncand o privire asupra cauzelor incalzirii, vom intelege suficient despre schimbarile globale climatice care prevad o crestere a temperaturii, climatul global se incarca de energie din ce in ce mai mult si magnitudinea si directia in care va evolua de aici in viitor sunt incerte.

Climate Viitoare - O Mare Incertitudine

Vedem noi sfarsitul lungii perioade care a inceput inca de la ultima perioada glaciara? Se va schimba clima din cauza actiunilor noastre? De fapt, nici un raspuns nu este sigur. Cei mai multi cercetatori considera ca starea generala a climei globale este in incalzire partial din cauza cresterii cantitatii de CO₂ provenit din combustibilii fosili utilizati, dar ce va insemna asta pentru umanitate si ecosistemele naturale ramane o necunoscuta. Clima este foarte complex si puternic influentata de multi alti factori decat concentratia gazelor cu efect de sera (o parte din acesti analizati in sectiunea Introducere in Climatosfera). Acestia fac extrem de dificil de a lega orice eveniment climatic sau caracteristici de o singura cauza. Ca rezultat, exista controverse privind magnitudinea si pericolul incalzirii globale indusa de gazele cu efect de sera. Multi cercetatori i-au in considerare foarte serios si eforturile suportate de a incetinii sau chiar inversa sensul de crestere a CO₂ atmosferic avand ca rezultat persepectiva ca incazirea globala va fi mai lenta. Cu toate astea, altii considera ca CO₂ nu poate afecta clima si ca aceste schimbari sunt parte a unor cicluri naturale pe termeni foarte lungi. Acestia sugereaza ca eforturile de a reduce emisiile de CO₂ nu sunt necesare si chiar periculoase pentru cresterea economica si dezvoltare. Cat timp aceste controverse persista, cercetatorii din toata lumea vor continua sa adune date meteorologice, sa dezvolta si perfectioneze modele computerizate, in incercarea de a reduce incertitudinile in privinta intelegerii clima Terrei.

In acesta sectiune, ati explorat intrebarile critice privind shimbarile climatice, am axplorat surse si piedici (sau rezervoare) a CO₂, natura schimbarilor climatice si predictiiile schimbarilor viitoare, precum si elementele dezbaterilor stiintifice si politice care vor determina in ultima instanta cum vom raspunde la schimbarile climatice.

Concluzii

Acum stim: ca clima s-a schimbat de-a lungul timpului. In tot cuprinsul istoriei Terrei, am avut perioade glaciare urmate de incalziri in care gheata s-a retras pe cele mai mari inaltimi si latitudini. Astazi cercetarile sunt focalizate catre ceea ce se intampla in prezent si proiectia ratelor de schimbare a climei, in mare parte, datorita activitatilor antropice. Parcurgand aceasta sectiune, studentii vor fi capabili sa raspunda la urmatoarele intrebari:

1. Cum a fost clima Terrei de-a lungul timpului?
2. De ce este ciclul carbonului atat de important cand analizam schimbarile climatice?
3. Ce evenimente majore din istoria omenirii pot fi considerate factori in schimbarile climei?
4. Cum masoara cercetatorii concentratiile de gaze din atmosfera?
5. De ce schimbarile climatice si incalzirea globala sunt subiecte controverate de unii cercetatori individuali sau grupuri?