Земјата секој ден станува малку помалку
Читателот на Krautreporter, Мартин, сака да знае: „Дали е Земјата затворен систем, со исклучок на зголемувањето на енергијата од сонцето?” Го замолив техничарот за енергија, Адриен Шване, да одговори на прашањето за нас.
Краткото објаснување:
Не, земјата не е затворен, изолиран систем. Таа дури и губи тежина секоја година; нашата планета ја разменува материјата со својата околина, барем во мала мера. И тој станува сè потопол. Но, ќе дојдеме до тоа подоцна.
Кој одговара на тоа:
Адриен Шване студирал енергетски инженеринг во RWTH Ахен. Потоа работел една година во Институтот за енергија и климатски истражувања во Форшунгсцентрум Јулих како асистент за истражување. Потоа, тој стана проект-менаџер за приватни клиенти во wegatech Greenergy во областа на градење снабдување со обновлива енергија.
Деталниот одговор:
Земјата губи маса и добива нови
Земјата ја разменува материјата со својата околина. Не само што метеоритите, т.е карпите од вселената, доаѓаат на земјата, туку понекогаш и неколку астронаути нè напуштаат, на пример, да летаат на Месечината (дури и ако сите се вратиле досега).
Метеоритите и астронаутите сочинуваат само мал дел од вкупната маса на земјата. Земјата годишно добива околу 40 000 тони маса од метеоритите. Но, исто така, губи маса, а најголемиот ефект е предизвикан од испарливите гасови водород (95.000 тони годишно) и хелиум (1.600 тони годишно). Земјата губи 50 000 тони тежина годишно, што е тешко забележливо со маса од 5,972,000,000,000,000,000,000,000 тони (или накратко 5,9 x 10 ^ 21 тони).
Како се разликува земјата од термос
Научниците прават разлика помеѓу отворен, затворен и затворен систем. Во отворен систем, и материјата и енергијата можат да се разменуваат со границата на системот. Во многу случаи, масовниот транспорт е занемарлив. Едниот тогаш зборува за затворен систем во кој се разменува само топлина со околината.
Размената на материјата и делумно размената на енергија може да се занемарат ако е многу мала во споредба со другите појави. Затворените или изолирани системи, на пример, термос колби, не разменуваат ниту енергија ниту материја со границата на системот. Строго кажано, термосот би бил отворен систем, исто како во принцип сите системи што можеме да ги замислиме. Бидејќи ако врелата вода остане во бокалот неколку дена, на крајот ќе се олади на собна температура. Но, ова е помалку важно за нашите барања. Бидејќи дури и ако ја отвориме термос колбата (или оставиме да стои подолго) и некои молекули на водена пареа го напуштаат бокалот, сепак имаме доволно топла вода за пиење. И обично не сакаме да оставаме вода во термос со недели пред да ја пиеме. Значи, можеме да го занемариме тоа и да го гледаме како затворен систем.
Термодинамиката е гранка на физиката и инженерството. Се занимава првенствено со топлина и енергија и нивната техничка употреба. Со помош на термодинамика е можно да се разбере зошто само пет литри течност како бензин се доволни за движење на автомобил од два тона на повеќе од 100 километри. Автомобилот се гледа како систем, како целина, во кој одат пет литри гориво и излегува енергија во форма на 100 километри движење. Индивидуалните детали, како што се брзината на моторот или ударот на клипот, не се толку важни во термодинамиката. На овој начин, дури и многу сложените енергетски врски можат да се сумираат релативно лесно.
Дури и блок мраз зрачи со топлина
Со кој систем имаме работа во случајот на Земјата? Зрачењето на сонцето гарантира дека земјата не е ладна карпа, туку релативно топла планета со бројни форми на живот. Бидејќи наидуваме на вакуум на границата со вселената, т.е. нема значителни количини на материјал, термичкото зрачење е единствената можност за размена на енергија на земјата. Бидејќи не е потребен носач на материјал, за разлика од спроводливоста на топлина (на пример со дрво или метал) и конвекција, т.е. пренос преку проток на гас и течност (со фен за коса).
Енергијата во форма на топлина може да се пренесе на три различни начини, имено со спроводливост, конвекција и топлинско зрачење. Колку брзо се спроведува топлината зависи од материјалот. Металите и особено бакарот имаат многу висока топлинска спроводливост, додека дрвото, на пример, се пренесува само со мала спроводливост: само околу една илјадити дел од металот. Со конвекција, топлината се пренесува со проток на гас или течност. Сушењето на косата со фен, на пример, се заснова на овој принцип. Колку топлина се пренесува, зависи првенствено од густината на гасот или течноста и брзината на протокот. На пример, фен за коса на ниво 3 обезбедува посилен проток на воздух и ја суши косата побрзо отколку на ниво 1.
Сите тела кои имаат температура над апсолутната нула од минус 273,15 степени Целзиусови зрачат со топлина. Апсолутната нулта точка е најниската можна граница на температурата што не може да се падне под. Овде, од физичка гледна точка, сите атоми стојат целосно мирни. Сепак, не забележуваме топлинско зрачење на блок мраз, бидејќи и самите зрачиме со многу поголема топлина. Сепак, може да се направи видлив со технички уред како што е фотоапаратот за термичка слика.
Бидејќи сите тела испуштаат топлинско зрачење (ова е закон на природата, т.н. Стефан-Болцман закон), не само што сонцето зрачи со енергија на земјата, туку и со енергија на земјата во вселената. Двете количини на енергија треба да се балансираат едни на други на крајот, бидејќи земјата како целина останува скоро постојана во својата температура, повеќе за тоа подоцна. Излегувањето на зрачење на сонцето е 1.367 вати на метар квадратен, од кои само мал дел достигнува до Земјата. Имено, оној што паѓа од сонцето нормално на земјата. Овој вертикален дел од половина од земјината топка свртен кон сонцето одговара на круг со радиус на земјата, како што е прикажано на цртежот.
Колку енергија се испушта, многу зависи од температурата на телото. Ова значи дека кога температурата е двојно зголемена, се ослободува 16 пати поголема количина на енергија преку топлинско зрачење. Сепак, мора да се земе предвид дека температурата се мери од апсолутна нула на минус 273,15 степени Целзиусови. Двојно зголемување на удобната температура од 20 Целзиусови степени ќе се случеше на околу 310 Целзиусови степени. Станува јасно, сепак, дека енергијата на зрачење може да добие многу високи вредности. Врз основа на ова, исто така е лесно да се утврди колку енергија ни дава сонцето и колку енергија зрачи земјата.
Енергијата на Земјата оди во атмосферата - но дел останува тука, како во стаклена градина
Во поедноставена смисла, температурата на земјата е резултат на разликата помеѓу енергијата од сончевото зрачење и топлинското зрачење од земјата. Ако некој сака прецизно да ја одреди енергијата на зрачење на земјата, треба да изготви енергетски биланс околу земјата. Просечната температура на земјата потоа се добива од овој енергетски биланс. (Можете да ја најдете пресметката во белешката.) Значи, теоретски е 5 степени Целзиусови. Всушност, сепак, тоа е 15 степени Целзиусови.
Врз основа на описот на системот, оваа температура може да се добие со метод на пресметка. Потоа, определувањето на температурата е поедноставено на следната пресметка.
И резултатот е температура од еднаква на 5 степени Целзиусови како просечна температура. Сигма е природна константа, постојаната Стефан-Болцман, со вредност:
Оваа разлика во суштина се должи на ефектот на стаклена градина. Јаглерод диоксидот не само што игра улога, туку и водената пареа, која е одговорна за природниот ефект на стаклена градина.
И работи вака: Земјата зрачи со топлина во согласност со нејзината температура. Ова ги погодува молекулите во атмосферата, вклучувајќи водена пареа и јаглерод диоксид. Молекулите го апсорбираат зрачењето и го ослободуваат во сите правци, вклучително и назад кон земјата. Земјата повторно ја апсорбира енергијата и се загрева, слично на стаклена градина.
Поради природниот ефект на стаклена градина, воспоставена е рамнотежа помеѓу влезната и излезната количина на енергија во текот на илјадници години, што резултира со просечна температура од 15 степени Целзиусови. За разлика од водената пареа, која отсекогаш предизвикувала природен ефект на стаклена градина, количината на јаглерод диоксид во атмосферата досега била мала. Оваа рамнотежа е нарушена од учеството на јаглерод диоксид, кој, во геолошка смисла, рапидно се зголемува за екстремно кратко време. Останува повеќе енергија во форма на топлина на земјата отколку што се зрачи во вселената, што предизвикува зголемување на температурата на земјата, што предизвикува климатски промени и проблеми што доаѓаат со неа.
Овој поедноставен опис во никој случај не ги зема предвид сите ефекти, како што е директното рефлектирање на сончевата светлина, на пример од снег или врз атмосферата.
Заклучок
Сумирајќи, може да се каже: Земјата е всушност отворен систем. Бидејќи загубата на материјата е толку мала, заради едноставност, се зборува за затворен систем, кој само врши размена на енергија со својата околина. Сепак, како резултат на ефектот на стаклена градина, земјата станува сè по енергична.
Естер Гебел помогна да се развие текстот; Вера Фролих има лектор; Мартин Гомел ја одбра главната слика, извор: НАСА
Во оваа приказна има повеќе од тоа!
Но, тоа беше напишано за членовите на Краутрепортер. Станете суден член за да ја прочитате целата приказна.