thumb|Ryc. 1. Uproszczony bilans energetyczny Ziemi na podstawie pracy Kiehl i Trenberth (1997) Efekt cieplarniany, efekt szklarniowy – zjawisko podwyższenia temperatury planety przez obecne w jej atmosferze gazy cieplarniane (w porównaniu z sytuacją, w której gazów cieplarnianych by nie było). Zmiany powodujące wzrost nasilenia efektu cieplarnianego są główną przyczyną obserwowanego na Ziemi globalnego ocieplenia.
Ciało niebieskie pozbawione atmosfery (np. Księżyc) pochłania i emituje promieniowanie bezpośrednio ze swojej powierzchni. Atmosfera zaburza ten proces wymiany ciepła, głównie poprzez ograniczenie ilości ciepła wypromieniowanego z powierzchni planety i dolnych warstw jej atmosfery bezpośrednio w przestrzeń kosmiczną. Efekt ten jest wywołany przez gazy cieplarniane, a w mniejszym stopniu przez pyły i aerozole zawieszone w atmosferze. W opisie bilansu energetycznego planety oprócz efektu cieplarnianego uwzględnia się też wszystkie inne procesy zachodzące w atmosferze, jak i na powierzchni planety, odpowiedzialne za przepływ energii z gwiazdy macierzystej, a także przenoszące energię z planety w przestrzeń kosmiczną. W Układzie Słonecznym występowanie efektu cieplarnianego stwierdzono na Ziemi, Marsie, Wenus oraz na księżycu Saturna – Tytanie.
Choć efekt cieplarniany może zachodzić na wszystkich planetach posiadających atmosferę, dalsza część artykułu dotyczy tego zjawiska przede wszystkim w odniesieniu do Ziemi.
Możliwość kumulacji ciepła pochodzącego z promieniowania słonecznego na Ziemi jako pierwszy rozpatrywał Jean Baptiste Joseph Fourier w 1824, niewiele później zagadnienie analizowali też m.in. Eunice Newton Foote (szczególnie odnośnie znaczenia dwutlenku węgla, w 1856) i John Tyndall (scharakteryzował różne gazy, w 1860). Później zjawisko badane było również między innymi przez Svante Arrheniusa, autora pierwszych obliczeń dotyczących reakcji klimatu na podwojenie koncentracji dwutlenku węgla (czułości klimatu). Termin „efekt cieplarniany” wywodzi się z podobieństwa do przemian cieplnych zachodzących w szklarni (niekiedy używa się określenia – „efekt szklarniowy”).
Efekt cieplarniany (naturalny), jest zjawiskiem korzystnym dla kształtowania warunków życia na Ziemi. Szacuje się, że podnosi on temperaturę powierzchni do 20–34 °C. Średnia temperatura naszej planety wynosi 14–15 °C. Gdyby efekt cieplarniany nie występował, przeciętna temperatura Ziemi wynosiłaby ok. –19 °C. W dyskusjach na temat zmiany klimatu na Ziemi można spotkać się z mylnym utożsamianiem pojęcia efektu cieplarnianego z globalnym ociepleniem. W rzeczywistości za obserwowany w ostatnich stuleciach wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi odpowiada spowodowane wzrostem koncentracji gazów cieplarnianych nasilenie efektu cieplarnianego, a nie sam fakt jego istnienia.
Mechanizm działania efektu cieplarnianego Bilans cieplny Ziemia wraz z atmosferą, jak każda inna planeta, otoczona jest prawie próżnią i dlatego wymiana energii cieplnej z otoczeniem odbywa się prawie wyłącznie poprzez promieniowanie elektromagnetyczne. Najistotniejsza dla bilansu energetycznego Ziemi jest docierająca do niej ilość promieniowania słonecznego. Inne rodzaje energii, które zmieniają się w energię cieplną i ogrzewają powierzchnię Ziemi (np. energia geotermalna, energia pływów, energia rozpadów promieniotwórczych, energia spalania paliw kopalnych), są mniej istotne od energii promieniowania słonecznego.
Ziemia nie tylko otrzymuje, ale też oddaje energię cieplną w postaci promieniowania cieplnego, którego ilość zależy od temperatury planety.
Gdy średnia ilość energii docierającej do planety nie zmienia się w czasie, ustala się jej średnia temperatura, a energia pobierana jest równa energii oddawanej. W takim przypadku średnia temperatura planety praktycznie nie zmienia się (panuje stan równowagi termicznej). Na tych założeniach oparte są proste, równowagowe modele klimatu planety. Takie modele jako jeden z pierwszych opracował w 1962 roku Michaił Budyko. Zwracał on uwagę na pozytywny efekt cieplarniany oraz na możliwość globalnego ochłodzenia po zmniejszeniu emisji CO2. Opierając się na powyższych założeniach oraz na prawach promieniowania cieplnego oszacowano, że bez atmosfery Ziemia miałaby średnią temperaturę od około −18 °C do około –27 °C. Różnice wynikają ze zróżnicowanych uproszczeń i założeń czynionych (np. zmian współczynnika odbicia światła przy zmianie pokrycia powierzchni śniegiem) przy obliczaniu bilansu energetycznego. Szczegółową analizę energetyczną procesów zachodzących w atmosferze Ziemi opracowali J.T. Kiehl i Kevin E. Trenberth w pracy Earth’s Annual Global Mean Energy Budget, poniższy opis bilansu cieplnego opiera się na tej pracy.
Powyższe proste modele zakładają, że Ziemia znajduje się w stanie równowagi termicznej, jednak obserwowany wzrost temperatury powierzchni Ziemi, topnienie lodowców oraz wzrost temperatury oceanów wskazywać może, że Ziemia otrzymuje więcej energii, niż wypromieniowuje. Na podstawie szybkości wzrostu temperatury szacuje się, że różnica ta jest równa 0,85 W/m². By uzyskać stan równowagi w obecnie panujących warunkach, temperatura Ziemi musiałaby wzrosnąć o około 1 °C.
Bilans energetyczny na szczycie atmosfery thumb|Ryc. 2. Rozkład widmowy promieniowania słonecznego thumb|Ryc. 3. Promieniowanie przechodzące przez atmosferę oraz czynniki odpowiedzialne za jego pochłanianie Z przestrzeni kosmicznej do układu Ziemia-atmosfera, dochodzi olbrzymia ilość energii w postaci promieniowania słonecznego. Strumień promieniowania dochodzącego do górnych warstw atmosfery wynosi około 1366 W/metr kwadratowy powierzchni prostopadłej do promieniowania (jest to tzw. stała słoneczna). Po uwzględnieniu kulistego kształtu Ziemi odpowiada to około 342 W/m² powierzchni Ziemi i mocy 1,74•1017 wata dostarczanej średnio całej planecie.
Widmo promieniowania słonecznego jest zbliżone do promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze 5250 °C, a większość energii promieniowania słonecznego przypada na światło widzialne i bliską podczerwień. W tym zakresie czysta atmosfera Ziemi jest niemal przezroczysta (Ryc. 2).
Promieniowanie słoneczne jest częściowo odbijane. Albedo Ziemi obserwowane z kosmosu (na szczycie atmosfery) wynosi około 31% (107 W/m²), w tym atmosfera (chmury, pyły i gazy) odbija 22% (77 W/m²), a 9% (30 W/m²) powierzchnia Ziemi.
Pozostałe 69% promieniowania (235 W/m²) jest absorbowane w atmosferze i na powierzchni Ziemi, w tym: 16% przez atmosferę (większość promieniowania ultrafioletowego), 3% przez chmury (łącznie 67 W/m²), 50% (168 W/m²) przez powierzchnię Ziemi. Pochłonięte promieniowanie (około 1,2·1017W) ogrzewa atmosferę, oceany i lądy, a jego niewielka część poprzez fotosyntezę dostarcza energii dla życia. Podane liczby są uśrednione dla całej Ziemi w bilansie rocznym. Zachodzą duże zmiany w dobowych, sezonowych i regionalnych wartościach, zarówno odbicia, jak i pochłaniania.
Podsumowując, na szczycie atmosfery bilans energetyczny to 342 W/m² dochodzącego promieniowania słonecznego i taka sama ilość promieniowania wysyłanego w przestrzeń kosmiczną, na które przypada 107 W/m² promieniowania słonecznego odbitego oraz przez 235 W/m² promieniowania podczerwonego wyemitowanego przez układ atmosfera – Ziemia (Ryc. 1).
Bilans energetyczny na powierzchni Ziemi Ziemia, tak jak każde ciało, emituje promieniowanie cieplne. Promieniowanie to ma rozkład zbliżony do promieniowania ciała doskonale czarnego dla temperatury 287 K. Ponieważ powierzchnia Ziemi jest znacznie chłodniejsza niż powierzchnia Słońca (287 K vs 5780 K), dlatego wypromieniowuje energię cieplną falami o większej długości, niż długości fal docierających do Ziemi (i ogrzewających ją). Natężenie promieniowania słonecznego ma zgodnie z prawem Wiena maksimum w promieniowaniu widzialnym (około 0,5 μm), a promieniowanie cieplne Ziemi w dalekiej podczerwieni (około 10 μm).
Dla promieniowania emitowanego przez powierzchnię Ziemi atmosfera ziemska jest nieprzezroczysta i pochłania jego większą część, w wyniku czego ulega ogrzaniu. Pochłonięta energia jest wypromieniowana zarówno w stronę Ziemi, jak i w stronę kosmosu (Ryc. 1). Energia wysyłana w kierunku Ziemi jest znaczna (324 W/m²), przewyższa niemal dwukrotnie energię dostarczaną przez Słońce (168 W/m²). W wyniku promieniowania atmosfery w kierunku Ziemi wzrasta temperatura jej powierzchni, zwiększając jej emisję promieniowania cieplnego, co prowadzi do wzrostu temperatury atmosfery. Procesy pochłaniania i emisji energii znajdują się w równowadze, która określa średnią temperaturę powierzchni Ziemi i atmosfery.
Atmosfera jest chłodniejsza od powierzchni Ziemi. Temperatura atmosfery zmniejsza się o około 6,5 °C na każdy 1 km wysokości (zobacz: atmosfera wzorcowa, gradient adiabatyczny). Dlatego energia wypromieniowana przez atmosferę w kierunku Ziemi jest mniejsza od promieniowania wysłanego przez Ziemię.
Wymiana radiacyjna w atmosferze opisywana jest równaniem transportu promieniowania. Wymiana ta zależy od optycznej grubości atmosfery dla danej długości fali elektromagnetycznej, na co wpływ ma przede wszystkim temperatura atmosfery, pokrywa chmur oraz ilość pyłów zawieszonych w atmosferze. Aby nastąpiło przeniesienie energii z powierzchni Ziemi w przestrzeń kosmiczną, proces pochłaniania i emisji promieniowania podczerwonego zachodzi wielokrotnie, zanim promieniowanie „przebije się” przez atmosferę.
Oprócz promieniowania cieplnego przenoszenie energii w górę atmosfery odbywa się także przez konwekcję. Ogrzana powierzchnia Ziemi ogrzewa najniższe warstwy powietrza, które, jako lżejsze od położonego wyżej, jest przenoszone w górę, chłodniejsze zaś w dół. Konwekcja zachodzi zarówno w wyniku mieszania turbulentnego, w którym obszary unoszenia i opadania są niewielkie, jak i transporcie wielkoskalowym, wywołanym pionowymi ruchami powietrza o skali kilku kilometrów. Występuje także wymiana powietrza na skalę globalną, zwana cyrkulacją powietrza. Transport energii wywołany konwekcją powietrza jest szacowany na 24 W/m². Procesowi przenoszenia powietrza towarzyszy przenoszenie pary wodnej z powierzchni Ziemi w górę oraz proces parowania wody z powierzchni Ziemi i skraplania oraz resublimacji w atmosferze. Szacuje się, że w procesie parowania/kondensacji wody przenoszone jest średniorocznie około 78 W/m² (patrz stosunek Bowena).
Podsumowując bilans energetyczny na powierzchni Ziemi, do powierzchni dociera 168 W/m² promieniowania słonecznego dochodzącego oraz 324 W/m² promieniowania atmosfery, natomiast tracone jest 390 W/m² przez emisję promieniowania, 24 W/m² przenoszone do góry przez konwekcję oraz 78 W/m² przez parowanie (Ryc. 1).
Bilans energetyczny atmosfery Przepływ energii od powierzchni Ziemi w górę zachodzący w atmosferze wywołany jest kilkoma zjawiskami, takimi jak: bezpośredni przepływ promieniowania w oknie atmosferycznym, pochłanianie oraz emisja promieniowania cieplnego, konwekcja oraz parowanie i kondensacja wody. Proces przenoszenia energii jest opisywany przez równanie transportu promieniowania. W uproszczonych modelach oraz by zobrazować rolę poszczególnych zjawisk, rozpatruje się bilans energii dla atmosfery jako całości.
Górne warstwy atmosfery emitują energię cieplną w przestrzeń kosmiczną (ok. 195 W/m²), a dolne w stronę Ziemi (ok. 324 W/m²). Tak duża emisja powodowałaby obniżenie temperatury atmosfery o około 1,6 °C na dzień. Proces ten jest jednak bilansowany (Ryc. 1) w wyniku pochłaniania promieniowania słonecznego (67 W/m²), dopływ energii z niższych warstw atmosfery przez promieniowanie (350 W/m²), konwekcję (24 W/m²) i kondensację pary wodnej (78 W/m²).
Transport energii z Ziemi w przestrzeń kosmiczną