Efekt cieplarniany
advertisement
Transformacja wiedzy przyrodniczej na poziom kształcenia szkolnego – projekt realizowany w ramach Funduszu Innowacji Dydaktycznych Uniwersytetu Warszawskiego. PROF. DR HAB. JAN MOSTOWSKI INSTYTUT FIZYKI PAN Lekcja 7. Efekt cieplarniany Promieniowanie słoneczne Do ziemskiej atmosfery dociera od strony Słońca promieniowanie, przypominające promieniowanie ciała doskonale czarnego o temperaturze 5800 K (temperatura powierzchni Słońca). W ciągu jednej sekundy do ziemskiej atmosfery dociera energia 1367 J na każdy m2 powierzchni prostopadłej do kierunku promieniowania. Wielkość tę nazywamy stałą słoneczną. Widmo promieniowania Słońca Promieniowanie docierające do górnej warstwy atmosfery Promieniowanie docierające do powierzchni Ziemi Promieniowanie słoneczne składa się w głównej mierze ze światła (maksimum przypada dla barwy zielonej), ale jest też w nim obecny nadfiolet i podczerwień. http://www.rfcafe.com/references/electrical/ASTM%20G173-03%20Reference%20Spectra.htm Promieniowanie Ziemi Powierzchnia Ziemi pochłania padające na nią promieniowanie słoneczne (głównie światło!) i dzięki temu zwiększa się jej energia wewnętrzna, a więc i temperatura. Promieniowanie Ziemi cd. Sama powierzchnia Ziemi również promieniuje termicznie, w sposób głównie uzależniony od jej temperatury. Im wyższa jest temperatura, tym więcej energii Ziemia emituje. Energia ~ T4 Ostatecznie, temperatura powierzchni Ziemi jest temperaturą równowagi termodynamicznej. To znaczy: jest taka, że strumień energii docierającej do Ziemi jest równy strumieniowi energii wyemitowanej przez nią. Bardziej precyzyjnie: chodzi o układ Ziemia + atmosfera. Ale na razie zapomnijmy o atmosferze. Tak byłoby bez atmosfery, gdyby Słońce dopiero co zaczynało ogrzewać Ziemię Załóżmy, że średnia temperatura powierzchni Ziemi jest równa 10 K. np. 10 K Wtedy wartość energii promieniowanej przez Ziemię jest niewielka mniejsza niż energia przez nią pochłaniana. (-263 °C) W sumie: Ziemia będzie zyskiwała energię, czyli ogrzewała się. Temperatura Ziemi wzrosła np. do 50 K (-223 °C). Zwiększyła się zatem emisja promieniowania Ziemi. Dalej jednak wartość energii docierającej ze Słońca jest większa. Temperatura Ziemi wobec tego rośnie. Temperatura Ziemi wzrosła np. do 150 K (-123 °C). Zwiększyła się zatem emisja promieniowania Ziemi. Dalej jednak wartość energii docierającej ze Słońca jest większa. Temperatura Ziemi wobec tego rośnie. I tak dalej... Aż w końcu... ...zostaje osiągnięta równowaga Tak byłoby bez atmosfery: Średnia temperatura powierzchni Ziemi już się nie zmienia (jest taka jak na Księżycu). 250 K (-23 °C) Dlaczego na Ziemi nie panuje (średnio) tak niska temperatura? MAMY ATMOSFERĘ ! Co to jest efekt cieplarniany? – zjawisko podwyższenia temperatury planety powodowane obecnością gazów cieplarnianych w atmosferze http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_cieplarniany Co jest fizyczną przyczyną efektu cieplarnianego? - różnice w pochłanianiu promieniowania słonecznego i ziemskiego przez atmosferę ziemską (tzw. widmo absorpcyjne atmosfery) Różnice w pochłanianiu przez atmosferę promieniowania ziemskiego i słonecznego spowodowane obecnością w atmosferze różnych gazów, przede wszystkim pary wodnej. I/Imax Podsumujmy: • Promieniowanie słoneczne, w zasadniczym swoim składzie (światło) jest dobrze (w 70% - 75%) przepuszczane przez atmosferę. • Promieniowanie ziemskie jest w dużej mierze pochłaniane przez atmosferę. Przepuszczane jest jedynie 15% – 30%. • Aby poza atmosferę Ziemia promieniowała tyle samo energii, co otrzymuje od Słońca, to jej temperatura równowagi musi być wyższa, niż gdyby pozbawiona była atmosfery. Graficzny obraz efektu cieplarnianego Jeszcze raz: tak byłoby bez atmosfery Średnia temperatura powierzchni Ziemi (temperatura równowagi) byłaby taka jak na Księżycu. 250 K (-23 °C) Pojawienie się atmosfery... ...zakłóciło równowagę. Teraz poza atmosferę od strony Ziemi wychodzi mniej energii niż przychodzi od Słońca i dlatego temperatura powierzchni Ziemi rośnie Średnia temperatura Ziemi wzrosła do 287 K (+14 °C) i równowaga termodynamiczna układu Ziemia + atmosfera została osiągnięta. W rzeczywistości jest to wszystko trochę bardziej skomplikowane, bo istnieje jeszcze zjawisko odbicia promieniowania i pochłanianie promieniowania słonecznego w atmosferze. Dlaczego efekt wyższej temperatury planety, otoczonej atmosferą, nazywa się efektem cieplarnianym? Co w cieplarni (szklarni) sprawia, że jest tam gorąco nawet w chłodny, ale słoneczny dzień? Można przeprowadzić eksperyment, w którym będzie można przekonać się o efekcie cieplarnianym. Można stworzyć układ analogiczny do omawianego układu Słońce i Ziemia z atmosferą i bez atmosfery (Księżyc). Model doświadczalny efektu cieplarnianego - fotografia układu konsola pomiarowa czujnik temperatury nr. 1 Rzutnik – źródło światła Dwa identyczne metalowe pojemniki okopcone sadzą, wypełnione wewnątrz folią aluminiową czujnik temperatury nr. 2 Temperatura czarnego pojemnika w szklanej otoczce Wyniki pomiaru temperatura, st. C 28 27 26 25 24 23 22 0 2 4 6 8 10 12 czas, min. Od czego zależy temperatura Ziemi? Z pewnością należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: • ilość energii, która dociera do atmosfery Ziemi ze Słońca, co jest zależne od aktywności samego Słońca • zawartość w atmosferze – gazów cieplarnianych – chmur i aerozoli oceanicznych – pyłów (np. wulkanicznych, z pustyni, z działalności ludzkiej) Globalne ocieplenie Kwestie związane ze zmianami klimatycznymi są bardzo często osią konfliktów ideologicznych i politycznych. W zależności od światopoglądu i aktualnych potrzeb, jako przyczynę zmian klimatu wskazuje się, upraszczając, działania ludzi lub czynniki od nich niezależne. Dziękuję za uwagę Promieniowanie ziemskie padające na atmosferę jest... przepuszczone bezpośrednio przez atmosferę Co tak naprawdę dzieje się w atmosferze reemitowane poza z promieniowaniem wysyłanym przez atmosferę Ziemię... pochłonięte przez atmosferę reemitowane w stronę Ziemi Promieniowanie przechodzące przez atmosferę oraz czynniki odpowiedzialne za jego pochłanianie. rozpraszania Rysunk wykonany przez Roberta A. Rohde’go dla projektu Global Warming Art Transformacja wiedzy przyrodniczej na poziom kształcenia szkolnego – projekt realizowany w ramach Funduszu Innowacji Dydaktycznych Uniwersytetu Warszawskiego.
