Земята става малко по-малко всеки ден
Читателят на Krautreporter Мартин иска да знае: „Затворена система ли е земята, с изключение на увеличаването на енергията от слънцето?“ Помолих енергийния техник Адриен Шване да отговори на въпроса за нас.
Краткото обяснение:
Не, земята не е затворена, изолирана система. Тя дори отслабва всяка година; нашата планета обменя материята със средата си, поне до малка степен. И той става все по-топъл. Но ще стигнем до това по-късно.
Кой отговаря на него:
Адриен Шване е учил енергетика в RWTH Aachen University. След това работи една година в Института за енергийни и климатични изследвания в Forschungszentrum Jülich като научен сътрудник. След това става ръководител на проекти за частни клиенти в wegatech Greenergy в областта на сградното снабдяване с възобновяема енергия.
Подробният отговор:
Земята губи маса и печели нови
Земята обменя материя със заобикалящата я среда. Не само метеоритите, т.е. скалите от космоса, идват на земята, но понякога и няколко астронавти ни напускат, например да полетим до Луната (дори ако всички те са се върнали досега).
Метеоритите и астронавтите съставляват само малка част от общата маса на земята. Земята печели около 40 000 тона маса годишно от метеорити. Но той също губи маса, като най-голям ефект предизвикват летливите газове водород (95 000 тона годишно) и хелий (1600 тона годишно). По този начин земята губи 50 000 тона тегло годишно, което едва ли се забелязва с маса 5 972 000 000 000 000 000 000 тона (или накратко 5,9 х 10 ^ 21 тона).
По какво се различава земята от термос
Учените правят разлика между отворени, затворени и затворени системи. В отворена система и материята, и енергията могат да се обменят с границата на системата. В много случаи обаче масовият транспорт е незначителен. Тогава се говори за затворена система, в която само топлината се обменя с околната среда.
Обменът на материя и отчасти също обменът на енергия могат да бъдат пренебрегнати, ако е много малък в сравнение с други явления. Затворени или изолирани системи, като термос, не обменят нито енергия, нито материя с границата на системата. Строго погледнато, термосът би бил отворена система, точно както по принцип всички системи, които можем да си представим. Защото, ако в кана остане няколко дни вряща вода, тя в крайна сметка ще се охлади до стайна температура. Но това е по-малко важно за нашите изисквания. Защото дори да отворим термоса (или да го оставим да престои по-дълго) и някои молекули водна пара да напуснат каната, пак имаме достатъчно гореща вода за пиене. И обикновено не искаме да оставяме вода в термос седмици преди да я изпием. Така че можем да пренебрегнем това и да го разгледаме като затворена система.
Термодинамиката е клон на физиката и инженерството. Той се занимава предимно с топлина и енергия и тяхното техническо използване. С помощта на термодинамиката е възможно да се разбере защо само пет литра течност като бензин са достатъчни, за да се премести двутонна кола над 100 километра. Колата се разглежда като система като цяло, в която отиват пет литра гориво и енергията излиза под формата на 100 километра движение. Отделни детайли, като скоростта на двигателя или хода на буталото, не са толкова важни в термодинамиката. По този начин дори много сложни енергийни взаимоотношения могат да бъдат обобщени относително лесно.
Дори блок лед излъчва топлина
С каква система имаме работа в случая на Земята? Слънчевата радиация гарантира, че земята не е студен камък, а относително топла планета с множество форми на живот. Тъй като срещаме вакуум на границата с космоса, т.е. няма значителни количества материал, топлинното излъчване е единствената възможност за енергиен обмен на земята. Тъй като не се изисква материален носител, за разлика от топлопроводимостта (например с дърво или метал) и конвекцията, т.е. предаването чрез газови и течни потоци (със сешоар).
Енергията под формата на топлина може да се предава по три различни начина, а именно чрез проводимост, конвекция и топлинно излъчване. Колко бързо се провежда топлината зависи от материала. Металите и особено медта имат много висока топлопроводимост, докато дървото, например, предава само с ниска проводимост: само около една хилядна от метала. При конвекция топлината се предава чрез поток от газ или течност. Сушенето на косата със сешоар, например, се основава на този принцип. Колко топлина се предава зависи преди всичко от плътността на газа или течността и скоростта на потока. Сешоар на ниво 3 осигурява по-силен въздушен поток и изсушава косата по-бързо, отколкото на ниво 1.
Всички тела, които имат температура над абсолютната нула от минус 273,15 градуса по Целзий, излъчват топлина. Абсолютната нулева точка е възможно най-ниската граница на температурата, която не може да бъде подвишена. Тук от физическа гледна точка всички атоми стоят напълно неподвижни. Ние обаче не забелязваме топлинното излъчване на блок лед, защото ние самите излъчваме много повече топлина. Въпреки това, той може да бъде направен видим с техническо устройство, като например термовизионната камера.
Тъй като всички тела излъчват топлинна радиация (това е закон на природата, т.нар. Закон на Стефан-Болцман), не само слънцето излъчва енергия на земята, но и земната енергия в космоса. И двете количества енергия в крайна сметка трябва да се балансират помежду си, защото Земята като цяло остава почти постоянна в температурата си, повече за това по-късно. Излъчваната радиация на слънцето е 1367 вата на квадратен метър, само малка част от които достига до земята. А именно това, което пада от слънцето перпендикулярно на земята. Тази вертикална част на половината земно кълбо, обърната към слънцето, отговаря на кръг с радиус на земята, както е показано на чертежа.
Колко енергия се отделя, зависи много от температурата на тялото. Това означава, че когато температурата се удвои, 16 пъти количеството енергия се отделя чрез топлинно излъчване. Трябва обаче да се има предвид, че температурата се измерва от абсолютна нула при минус 273,15 градуса по Целзий. Удвояване на комфортната температура от 20 градуса по Целзий би станало при около 310 градуса по Целзий. Става ясно обаче, че радиационната енергия може да приеме много високи стойности. Въз основа на това също е лесно да се определи колко енергия ни дава слънцето и колко енергия излъчва земята.
Земната енергия отива в атмосферата - но част от нея остава тук, като в оранжерия
Температурата на земята води до опростена форма от разликата между енергията от слънчевата радиация и топлинната радиация от земята. Ако някой иска да определи точно радиационната енергия на земята, трябва да изготви енергиен баланс около земята. След това от този енергиен баланс се получава средната температура на земята. (Можете да намерите изчислението в бележката.) Така че теоретично е 5 градуса по Целзий. Всъщност обаче е 15 градуса по Целзий.
Въз основа на описанието на системата, тази температура може да бъде получена чрез изчислителен метод. След това определянето на температурата се опростява до следното изчисление.
И резултатът е температура, еквивалентна на 5 градуса по Целзий като средна температура. Sigma е естествена константа, константа на Стефан-Болцман, със стойността:
Тази разлика се дължи основно на парниковия ефект. Не само въглеродният диоксид играе роля, но и водната пара, която е отговорна за естествения парников ефект.
И работи по следния начин: Земята излъчва топлина според температурата си. Това поразява молекулите в атмосферата, включително водни пари и въглероден диоксид. Молекулите поглъщат радиацията и я освобождават във всички посоки, включително обратно на земята. Земята отново поглъща енергията и се затопля, подобно на оранжерия.
Поради естествения парников ефект е установено равновесие между входящото и изходящото количество енергия в продължение на хиляди години, което води до средна температура от 15 градуса по Целзий. За разлика от водните пари, които винаги са били двигател на естествения парников ефект, количеството въглероден диоксид в атмосферата досега е било ниско. Това равновесие се нарушава от дела на въглеродния диоксид, който рязко се повишава за изключително кратък период от време. Остава повече енергия под формата на топлина на земята, отколкото се излъчва в космоса, което води до повишаване на температурата на земята, което причинява изменението на климата и свързаните с него проблеми.
Това опростено описание не отчита всички ефекти, като пряко отражение на слънчевата светлина, например от сняг или върху атмосферата.
Заключение
В обобщение може да се каже: Земята всъщност е отворена система. Тъй като загубата на материя е толкова малка, за простота се говори за затворена система, която извършва само енергиен обмен със заобикалящата я среда. В резултат на парниковия ефект обаче земята става все по-енергична.
Естер Гьобел помогна за развитието на текста; Вера Фролих има корекция; Мартин Гомел избра главната картина, източник: НАСА
В тази история има нещо повече от това!
Но беше написано за членовете на Krautreporter. Станете пробен член, за да прочетете цялата история.