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

W szklarni pomidory dojrzewają lepiej,bo jest tam cieplej: szklarnia zatrzymuje ciepło.

Panorama wnętrza szklarni z Królewskich Ogrodów Botanicznych w Kew w Londynie

http://pl.wikipedia.org/wiki/Szklarnia_(ogrodnictwo)

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 zimnegowiatru, 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!

Węże wyszukują ofiary, bo wyczuwają ciepło jakie od tychofiar „bije”. Węże mają coś w rodzaju czujników podczerwieni.

Tak widzi swoją ofiarę wąż (miejsca jaśniejsze są cieplejsze)http://www.chemorganiczna.com/content/view/5/13/

Kamera w podczerwieni

Na podobnej zasadzie jak czujniki węża działająwojskowe noktowizory: mierzą promieniowaniepodczerwone.

Promieniowanie podczerwone wysyła też pilottwojego telewizora. Nasze oko tego promieniowanianie rejestruje, ale np. kamera wideo tak!

Ale wróćmy do szklarni

Obiekt widziany w noktowizorze aktywnym http://www.chemorganiczna.com/content/view/5/13/

Wynika więc z tego,że szkło przepuszcza jeden rodzaj

promieniowania (światlo widzialne), a zatrzymuje (odbija jak lustro) promieniowanie podczerwone.

Efekt cieplarniany – porównanie szklarni i Ziemi. (źródło: NOAA)

AtmosferaZupelnie tak samo działa atmosfera: wpuszcza promienie Słońca, a nie wypuszcza promieniowania podczerwonego.

Stąd temperatura Ziemi jest wyższa, niż byćpowinna. 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 światławidzialnego. Może to atmosfera dostosowała się do naszegooka, 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) atmosferyAle oprócz azotu i tlenu (oraz 1% zupelnie niektywnego chemicznie gazu atomowego - argonu) atmosfera zawiera też parę wodną.

Zależy od temperatury. W temperaturze 100°C nawet tyle cząsteczek ile jest azotu i tlenu razem.

Dużo? Rozkład pary wodnej w atmosferze - pl.wikipedia.org/wiki/Para_wodna_%28meteorologia%29

Cząsteczki wody

Dlaczego para wodna pochłania promieniowaniepodczerwone?

W odróżnieniu od tlenu i azotu, cząsteczka wodynie 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)

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.

Rys. pl.wikipedia.org/wiki/Woda

Co to jest promieniowanie (elektromagnetyczne)?

Promieniowanie elektromagnetyczne to zmienne poleelektryczne i magnetyczne. (to jest mądre, ale niewiele mówi)

Promieniowanie elektromagnetyczne wytwarzane jestprzez 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 niżfala promieniowania podczerwonego) oddziaływujez 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 absorbowaćenergię fali, trafia ona z powrotem do nadajnika i go spali.

Rozdział IIIWróćmy 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 węglaSpójrzmy jeszcze raz na absorpcję promieniowaniapodczerwonego w powietrzu:

oprócz pasm pochodzących od pary wodnej, w środku między nim jest wąskie pasmo absorpcji pochodzącej od dwutlenku węgla.

Dwutlenek węglaCząsteczka dwutlenku węgla jest symetryczna, więcnie ma przesuniętych ładunków jak cząsteczka wody.

Ale, gdy cząsteczka zaczyna drgać (np. się zgina) to staje się niesymetryczna i łatwo absorbujepromieniowanie (podczerwone).

Dwutlenku węgla jest w powietrzu bardzo niewiele:gdy jego ilość wzrasta do 1% zaczyna boleć głowai trzeba przewietrzyć klasę.

pl.wikipedia.org/wiki/Dwutlenek_w%C4%99gla

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 węglaulegała znacznym wahaniom.

Dwutlenek węgla i dinozaury

Badania np. skorupiaków z dna mórz i arktycznego loduwskazuje, 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 atmosferzepozostawała 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 jesto 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 dwutlenkuwęgla) nie pozwala uciekać cieplu z Ziemii, ale też organiczadopływ 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 zwiększonydopływ 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 pochłanianeprzez wszystkie cząsteczki nieco bardziej skomplikowaneniż azot i tlen: i większe, tym bardziej niebezpieczne.

Na przykład metan, ulatniający się z pól naftowychz topniejącej tajgi i produkowane przez pier... krowy.

Jak to długo może trwać?

Na szczęście niedługo!

Czas połowicznego zaniku CO2 z atmosferywynosi 150 lat.

Czyli, za 150 lat klimat wróci do normy