Dlaczego zimą jest ciepło? Niezbędnik z efektu cieplarnianego

Co powinniśmy wiedzieć o tzw. efekcie cieplarnianym? aby odpowiadać na trudne pytania.

Efekt cieplarniany, po angielsku green-house effect, czyli efekt szklarni Panorama wnętrza szklarni z Królewskich Ogrodów Botanicznych w Kew w Londynie http://pl.wikipedia.org/wiki/Szklarnia_(ogrodnictwo) W szklarni pomidory dojrzewają lepiej, bo jest tam cieplej: szklarnia zatrzymuje ciepło.

Szklarnia http://www.efektcieplarniany.glt.pl/ W szklarni, nawet nieogrzewanej, jest cieplej niż na zewnątrz: wpuszcza ona promienie słoneczne z zewnatrz, natomiast nie pozwala na ucieczkę ciepła ze szklarni.

Jak ciepło ucieka ze szklarni? Ciepło ucieka ze szklarni nie tylko przez podmuchy zimnego wiatru, ale głównie przez tzw. promieniowanie podczerwone. Jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fal pomiędzy światłem widzialnym a falami radiowymi. Jest to zakres od 780 nm do 1 mm. Zdjęcie lwa wykonane w średniej podczerwieni http://pl.wikipedia.org/wiki/Podczerwie%C5%84

Co to jest promieniowanie podczerwone? Stałeś kiedyś plecami do ogniska? Czułeś jak grzeje? A jak się stoi za kolegą, to tego grzania wcale nie czuć! Tak widzi swoją ofiarę wąż (miejsca jaśniejsze są cieplejsze) http://www.chemorganiczna.com/content/view/5/13/ Węże wyszukują ofiary, bo wyczuwają ciepło jakie od tych ofiar „bije”. Węże mają coś w rodzaju czujników podczerwieni.

Kamera w podczerwieni Na podobnej zasadzie jak czujniki węża działają wojskowe noktowizory: mierzą promieniowanie podczerwone. Obiekt widziany w noktowizorze aktywnym http://www.chemorganiczna.com/content/view/5/13/ Promieniowanie podczerwone wysyła też pilot twojego telewizora. Nasze oko tego promieniowania nie rejestruje, ale np. kamera wideo tak! Ale wróćmy do szklarni

Efekt cieplarniany – porównanie szklarni i Ziemi. (źródło: NOAA) Wynika więc z tego, że szkło przepuszcza jeden rodzaj promieniowania (światlo widzialne), a zatrzymuje (odbija jak lustro) promieniowanie podczerwone.

Atmosfera Zupelnie tak samo działa atmosfera: wpuszcza promienie Słońca, a nie wypuszcza promieniowania podczerwonego. Stąd temperatura Ziemi jest wyższa, niż być powinna. 1) I to aż o 33°C 2). 1) To „powinna”, oznacza, że przy danej odległości od Słońca, i braku atmosfery temperatura byłaby niższa o 33°C. 2) Czyli, średnia temperatura na Ziemi wynosiłaby minus 18°C a nie plus 15°C, czyli dość przyjemnie. Rys. Pionowy podział atmosfery z zaznaczeniem temperatur pl.wikipedia.org/wiki/Atmosfera

Rozdział II Dlaczego atmosfera działa jak szklana przykrywka? Atmosfera jest doskonale przezroczysta dla światła widzialnego. Może to atmosfera dostosowała się do naszego oka, może nasze oko do atmosfery ...

Skład (główny) atmosfery Atmosfera składa się głównie z azotu i tlenu, czyli drobin dwuatomowych, symetrycznych. Takie drobiny nie absorbują promieniowania podczerwonego (zaraz powiemy dlaczego?).

Skład (pomniejszy) atmosfery Ale oprócz azotu i tlenu (oraz 1% zupelnie niektywnego chemicznie gazu atomowego - argonu) atmosfera zawiera też parę wodną. Dużo? Rozkład pary wodnej w atmosferze - pl.wikipedia.org/wiki/Para_wodna_%28meteorologia%29 Zależy od temperatury. W temperaturze 100°C nawet tyle cząsteczek ile jest azotu i tlenu razem.

Cząsteczki wody Dlaczego para wodna pochłania promieniowanie podczerwone? W odróżnieniu od tlenu i azotu, cząsteczka wody nie jest symetyczna, lecz zgięta pod kątem 105°. Mówimy, że jest to cząsteczka „biegunowa”, czyli polarna: jeden jej koniec ma nieco więcej dodatniego ładunku elektrycznego, drugi nieco więcej ujemnego.1) Rys. pl.wikipedia.org/wiki/Woda 1) ta właściwość wody jest przyczyną, że bardzo wiele substancji, jak np. sól rozpuszcza się łatwo w wodzie: przyczepiają się one do dodatniego lub ujemnego końca.

Co to jest promieniowanie (elektromagnetyczne)? Promieniowanie elektromagnetyczne to zmienne pole elektryczne i magnetyczne. (to jest mądre, ale niewiele mówi) Promieniowanie elektromagnetyczne wytwarzane jest przez poruszające się (np. w góre i dół) ladunki elektryczne. Podobnie, kiedy jest wyłapywane, porusza ladunkami elektrycznymi w górę i dół.

Kuchenka mikrofalowa Na zasadzie poruszania ladunkami (np. w cząsteczkach wody) działa kuchenka mikrofalowa. W kuchence mikrofalowej, fala elekromagentyczna (nazywamy ją „mikro”, choć jest znacznie dłuższa niż fala promieniowania podczerwonego) oddziaływuje z cząsteczkami wody, powodując ich szybkie obroty. Te szybkie obroty powodują nagrzewanie się wody (i potraw, które wodę zawierają). Pamiętaj, nigdy nie wkładaj do mikrofali suchych potraw, bo je zniszczysz. Jeśli nie ma wody, która może absorbować energię fali, trafia ona z powrotem do nadajnika i go spali.

Rozdział III Wróćmy do pary wodnej. Absorbuje ona rownież promieniowanie podczerwone. Ten rysunek pokazuje, jak w „zwyklym”, suchym powietrzu para wodna wychwytuje promieniowanie podczerwone. Czyni to w swego rodzaju pasmach: każde z tych pasm odpowiada innego rodzaju obrotom (i wibracjom) drobiny wody.

Podczerwone zwierciadło Czyli to głównie para wodna absorbuje promieniowanie (podczerwone) uciekające z Ziemi i odsyła je z powrotem w kierunku Ziemii. (9) Chmury nie tylko odbijają promieniowanie słoneczne, one także pochłaniają je i potem ponownie wypromieniowują, także w kierunku Ziemi. Pochmurne niebo utrzymuje ciepło na Ziemi jak kołderka. Autor: Elmar Uherek. Opracowanie graficzne: Mateusz Kamiński.

Bilans ciepła I tak, dzięki zwierciadłu podczerwieni (w postaci pary wodnej rozpuszczonej w powietrzu) do Ziemii trafia więcej promieniowania niż powinno: na 100% promieniowania dochodzącego bezpośrednio ze Słońca, do naszej dyspozycji jest 109% - ta nadwyżka daje wspomniany efekt cieplarniany.

Pasmo dwutlenku węgla Spójrzmy jeszcze raz na absorpcję promieniowania podczerwonego w powietrzu: oprócz pasm pochodzących od pary wodnej, w środku między nim jest wąskie pasmo absorpcji pochodzącej od dwutlenku węgla.

Dwutlenek węgla Cząsteczka dwutlenku węgla jest symetryczna, więc nie ma przesuniętych ładunków jak cząsteczka wody. pl.wikipedia.org/wiki/Dwutlenek_w%C4%99gla Ale, gdy cząsteczka zaczyna drgać (np. się zgina) to staje się niesymetryczna i łatwo absorbuje promieniowanie (podczerwone). Dwutlenku węgla jest w powietrzu bardzo niewiele: gdy jego ilość wzrasta do 1% zaczyna boleć głowa i trzeba przewietrzyć klasę.

Podwójna pierzynka Pomimo, że dwutlenku węgla jest w atmosferze niewiele, jego wpływ na efekt cieplarniany jest spory – zamyka okno, niezamknięte przez wodę. Efekt pierzynki = para wodna + dwutlenek węgla

Dwutlenek węgla i dinozaury Okazuje się, że w historii Ziemii ilość dwutlenku węgla ulegała znacznym wahaniom.

Dwutlenek węgla i dinozaury Badania np. skorupiaków z dna mórz i arktycznego lodu wskazuje, że wzrost temperatury na Ziemii wiązał się ze wzrostem ilości dwutlenku węgla w atmosferze. W wielu okresach historii Ziemii, temperatura była wyższa, nawet o 5-10°C. Ale było to kilkaset tysięcy lat temu.

Na szczęście przez ostatnie 1000 lat ilość dwutlenku węgla w atmosferze pozostawała stała, okolo 280 części na milion (tzn. 0,028%). Pozostawała tak mniej więcej do polowy XIX wieku, aż człowiek zaczął spalać tony węgla do ogrzewania mieszkań i wytopu stali. Po czym zaczęła gwałtownie rosnąć. Dziś, wskutek działalności człowieka, w atmosferze jest o ¼ więcej dwutlenku węgla, niż go było 200 lat temu.

Czyli, temperatura powinna wzrosnąć? Tak, ale nie wszystkie dane to pokazują.

Zastanówmy się jeszcze raz Podwójna kolderka (więcej chmur i więcej dwutlenku węgla) nie pozwala uciekać cieplu z Ziemii, ale też organicza dopływ ciepła do Ziemii w postaci promieniowania słonecznego. Kiedy do Ziemii ciepło dochodzi, a kiedy ucieka? Dochodzi w dzień (i latem) a ucieka nocą (i zimą). Czyli: wskutek efektu cieplarnianego Zimą jest cieplej a latem zimniej

I to byłby już koniec

Ale niestety nie jest Efekt cieplarniany to nie tylko wzrost temperatury (zresztą nie taki wielki – od poczatku XX wieku coś około 0.5°C) Znacznie bardziej niebezpieczny jest zwiększony dopływ ciepła do atmosfery: zaczyna ona trząść się, jak „Fiat 126p” gdyby mu się wlało paliwa rakietowego.

Ilość tornad w USA w ciągu 50 lat prawie się potroiła.

Temperatura rośnie, ale nie wszędzie Są rejony świata, gdzie rośnie szybciej.

Są rejony świata dotknięte coraz częściej suszą, albo powodziami Nature, 28.03.2002, s. 390.

Lodowce się topią

Za to Wenecję zalewa woda

Czy tylko CO2 jest winny? Niestety nie! Promieniowanie podczerwone jest pochłaniane przez wszystkie cząsteczki nieco bardziej skomplikowane niż azot i tlen: i większe, tym bardziej niebezpieczne. Na przykład metan, ulatniający się z pól naftowych z topniejącej tajgi i produkowane przez pier... krowy.

Czyli, za 150 lat klimat wróci do normy Jak to długo może trwać? Na szczęście niedługo! Czas połowicznego zaniku CO2 z atmosfery wynosi 150 lat. Czyli, za 150 lat klimat wróci do normy