Efekt cieplarniany Lekcja 7. 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 Zapytajmy uczniów, dlaczego widmo słoneczne docierające do górnej warstwy atmosfery nie jest gładkie, ale jest poszarpane. Będzie to przypomnienie absorpcyjnych linii Fraunhofera i tego jak powstają. Zapytajmy uczniów, co sprawia, że promieniowanie docierające do powierzchni Ziemi jest jeszcze bardziej „powycinane” i generalnie mniejsze. Na pewno będą wiedzieli, że to „sprawka” atmosfery. Warto zwrócić uwagę, gdzie na wykresie mamy obszary nadfioletu i podczerwieni. Uczniowie mogą zapytać, dlaczego mimo, że maksimum promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi przypada dla barwy zielonej, Słońce widzimy jako żółtawe. (Maksimum czułości czopków na siatkówce oka mamy dla barwy żółto-zielonej, ale odbieramy wrażenie sumaryczne z całego widma.) 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 Uwaga: światło grzeje! Powierzchnia Ziemi pochłania padające na nią promieniowanie słoneczne (głównie światło!) i dzięki temu zwiększa się jej energia wewnętrzna, a więc i temperatura. Uwaga: światło grzeje!

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 Należy koniecznie wyjaśnić uczniom, że grubość strzałki przedstawiającej strumień promieniowania jest wprost proporcjonalna do energii niesionej przez to promieniowanie. Uwaga: żeby uruchomić animację strzałek należy kliknąć po tekście: „mniejsza niż energia pochłaniania”. np. 10 K (-263 °C) Załóżmy, że średnia temperatura powierzchni Ziemi jest równa 10 K. Wtedy wartość energii promieniowanej przez Ziemię jest niewielka - mniejsza niż energia przez nią pochłaniana. W sumie: Ziemia będzie zyskiwała energię, czyli ogrzewała się.

Temperatura Ziemi wzrosła np. do 50 K (-223 °C) Temperatura Ziemi wzrosła np. do 50 K (-223 °C). Zwiększyła się zatem emisja promieniowania Ziemi. Uwaga slajd jest całkowicie animowany. Klikamy tylko raz, żeby go otworzyć. Dalej jednak wartość energii docierającej ze Słońca jest większa. Temperatura Ziemi wobec tego rośnie.

Temperatura Ziemi wzrosła np. do 150 K (-123 °C) Temperatura Ziemi wzrosła np. do 150 K (-123 °C). Zwiększyła się zatem emisja promieniowania Ziemi. Uwaga slajd jest całkowicie animowany. Klikamy tylko raz, żeby go otworzyć. Dalej jednak wartość energii docierającej ze Słońca jest większa. Temperatura Ziemi wobec tego rośnie.

...zostaje osiągnięta równowaga I tak dalej... Aż w końcu... Uwaga slajd jest całkowicie animowany. Klikamy tylko raz, żeby go otworzyć. ...zostaje osiągnięta równowaga

250 K (-23 °C) Tak byłoby bez atmosfery: Uwaga slajd jest całkowicie animowany. Klikamy tylko raz, żeby go otworzyć. Warto zapytać uczniów, dlaczego temperatura jest taka jak na Księżycu. [Księżyc jest średnio w takiej samej odległości od Słońca co Ziemia (tyle samo energii słonecznej dociera do niego co do Ziemi) i nie ma atmosfery.] 250 K (-23 °C) Średnia temperatura powierzchni Ziemi już się nie zmienia (jest taka jak na Księżycu).

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 Prosimy uczniów o wymienienie gazów cieplarnianych. Powinni wymienić przynajmniej CO2. Dalej będzie o tym mowa.

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 Wykresy wymagają dokładnego omówienia. Należy zwrócić uwagę na znormalizowanie widm (słonecznego i Ziemi) – na osi y podano względne natężenie. Wykres poniżej wykresu widm jest wykresem absorpcji promieniowania w atmosferze. Widać w nim wyraźnie pasma absorpcyjne dla różnych długości fal. Należy zauważyć, że promieniowanie słoneczne jest pochłaniane w niewielkim stopniu, zwłaszcza w okolicach maksimum promieniowania (światła). Tlen i ozon absorbują bardzo dobrze groźny dla organizmów żywych, wysokoenergetyczny nadfiolet C (UVC, 100 nm – 280 nm). Z kolei promieniowanie ziemskie jest dla swojego maksimum i fal dłuższych pochłaniane przez atmosferę prawie w całości. Głównie odpowiedzialne są tu para wodna (w około 90%) i CO2. Przycisk „i” jest odnośnikiem do nieco dokładniejszego wykresu i można go pokazać w bardziej zaawansowanych klasach.

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

250 K (-23 °C) Jeszcze raz: tak byłoby bez atmosfery Uwaga slajd jest całkowicie animowany. Klikamy tylko raz, żeby go otworzyć. 250 K (-23 °C) Średnia temperatura powierzchni Ziemi (temperatura równowagi) byłaby taka jak na Księżycu.

Pojawienie się atmosfery... Uwaga slajd jest całkowicie animowany. Klikamy tylko raz, żeby go otworzyć. ...zakłóciło równowagę.

i dlatego temperatura powierzchni Ziemi rośnie Teraz poza atmosferę od strony Ziemi wychodzi mniej energii niż przychodzi od Słońca Uwaga slajd jest całkowicie animowany. Klikamy tylko raz, żeby go otworzyć. Przycisk „i” jest linkiem do slajdu przedstawiającego dokładniej, w jaki sposób promieniowanie jest „zawracane” w stronę Ziemi. i dlatego temperatura powierzchni Ziemi rośnie

Średnia temperatura Ziemi wzrosła do 287 K (+14 °C) Uwaga slajd jest całkowicie animowany. Klikamy tylko raz, żeby go otworzyć. 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 Dobrze byłoby taki pokaz przeprowadzić, nie tylko o nim opowiedzieć, ale nie wszyscy nauczyciele dysponują komputerowym laboratorium. Objaśniając pokazany układ pomiarowy należy zapytać uczniów, dlaczego pojemniki są zaczernione, dlaczego są metalowe i dlaczego czujniki temperatury są umocowane w nich w wypełniającej pojemniki folii aluminiowej. Koniecznie trzeba zapytać uczniów o analogie, czyli co pełni rolę Słońca, Ziemi z atmosferą, Księżyca. Dwa identyczne metalowe pojemniki okopcone sadzą, wypełnione wewnątrz folią aluminiową czujnik temperatury nr. 2 Rzutnik – źródło światła

Temperatura czarnego pojemnika w szklanej otoczce Wyniki pomiaru Temperatura czarnego pojemnika w szklanej otoczce

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 Cykl słoneczny trwa 11 lat. Bezpośredni wpływ zmian natężenia promieniowania słonecznego docierającego do atmosfery jest niewielki (stała słoneczna zmienia się o ok. 0,1 % swojej średniej wartości), ale jest prawdopodobne, że fluktuacje aktywności słonecznej wpływają na inne efekty atmosferyczne. Jedną z hipotez jest, że aktywność Słońca wpływa na magnetosferę Słońca, która osłania Ziemię przed promieniowaniem kosmicznym. Istnieje hipoteza, że to promieniowanie wpływa na tworzenie się chmur. W sierpniu 2011 grupa naukowców pracujących w CERN w projekcie CLOUD opublikowała wyniki, które przemawiają za tym, że kluczową rolę w procesie tworzenia się chmur odgrywa promieniowanie kosmiczne, które przyspiesza ich formowanie się wokół aerozoli w atmosferze. Warto zajrzeć pod: http://cloud.web.cern.ch/cloud/ . 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 z promieniowaniem wysyłanym przez Ziemię... reemitowane poza atmosferę 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.