Zem je každým dňom o niečo menej
Čitateľ Krautreporter Martin by chcel vedieť: „Je Zem uzavretý systém, s výnimkou nárastu energie zo slnka?“ Požiadal som energetického technika Adriena Schwana, aby nám odpovedal na otázku.
Krátke vysvetlenie:
Nie, Zem nie je uzavretý, izolovaný systém. Každý rok dokonca chudne; naša planéta si aspoň v malej miere vymieňa hmotu so svojím prostredím. A otepľuje sa. Ale k tomu sa ešte dostaneme.
Kto na ňu odpovedá:
Adrien Schwane vyštudoval energetiku na RWTH Aachen. Potom rok pracoval na Inštitúte pre výskum energie a podnebia vo Forschungszentrum Jülich ako vedecký asistent. Potom sa stal projektovým manažérom pre súkromných zákazníkov spoločnosti wegatech Greenergy v oblasti dodávok obnoviteľnej energie do budov.
Podrobná odpoveď:
Zem stráca hmotu a získava nové
Zem si vymieňa hmotu so svojím okolím. Na Zem prichádzajú nielen meteority, t. J. Skaly z vesmíru, ale niekedy nás opustí aj niekoľko astronautov, napríklad aby sme leteli na Mesiac (aj keď sa všetci doteraz vrátili).
Meteority a astronauti tvoria iba malú časť z celkovej hmotnosti Zeme. Zem získava z meteoritov asi 40 000 ton hmotnosti ročne. Ale tiež stráca hmotnosť, najväčší efekt spôsobujú prchavé plyny vodík (95 000 ton za rok) a hélium (1 600 ton za rok). Zem stratí 50 000 ton hmotnosti ročne, čo je pri hmotnosti 5 972 000 000 000 000 000 000 ton (alebo skrátene 5,9 x 10 ^ 21 ton) ťažko viditeľné.
Ako sa Zem líši od termosky
Vedci rozlišujú medzi otvoreným, uzavretým a uzavretým systémom. V otvorenom systéme možno hmotu aj energiu vymieňať s hranicami systému. V mnohých prípadoch je však hromadná doprava zanedbateľná. Jeden potom hovorí o uzavretom systéme, v ktorom sa vymieňa iba teplo s okolitým prostredím.
Výmenu hmoty a čiastočne výmenu energie možno zanedbať, ak je v porovnaní s inými javmi veľmi malá. Uzavreté alebo izolované systémy, ako sú termosky, si s hranicami systému nevymieňajú ani energiu, ani hmotu. Prísne vzaté, termoska by bola otvoreným systémom, rovnako ako v zásade všetky systémy, ktoré si dokážeme predstaviť. Pretože ak v džbáne necháte vriacu vodu niekoľko dní, nakoniec sa ochladí na izbovú teplotu. To je však pre naše požiadavky menej dôležité. Pretože aj keď otvoríme termosku (alebo ju necháme dlhšie stáť) a niektoré molekuly vodnej pary opustia džbán, stále máme dostatok horúcej vody na pitie. A zvyčajne nechceme nechať vodu v termoske týždne, kým ju vypijeme. Takže to môžeme zanedbať a považovať to za uzavretý systém.
Termodynamika je odvetvie fyziky a inžinierstva. Primárne sa zaoberá teplom a energiou a ich technickým využitím. Pomocou termodynamiky je možné pochopiť, prečo na presun dvojtonového automobilu na viac ako 100 kilometrov stačí len päť litrov kvapaliny, ako je benzín. Automobil je vnímaný ako systém ako celok, do ktorého smeruje päť litrov paliva a z ktorého vychádza energia v podobe 100 kilometrov pohybu. Jednotlivé detaily, ako napríklad otáčky motora alebo zdvih piestu, nie sú v termodynamike také dôležité. Takto sa dajú pomerne ľahko zhrnúť aj veľmi zložité energetické vzťahy.
Aj blok ľadu vyžaruje teplo
Aký systém riešime v prípade Zeme? Slnečné žiarenie zaisťuje, že zem nie je studená skala, ale relatívne teplá planéta s početnými formami života. Pretože na hranici s vesmírom narazíme na vákuum, teda žiadne významné množstvo materiálu, je tepelné žiarenie jedinou možnosťou výmeny energie na Zemi. Pretože nevyžaduje nosič materiálu, na rozdiel od vedenia tepla (napríklad z dreva alebo kovu) a konvekcie, t. J. Prenosu cez prúd plynu a kvapaliny (so sušičom vlasov).
Energia vo forme tepla sa môže prenášať tromi rôznymi spôsobmi, a to vedením, konvekciou a tepelným žiarením. To, ako rýchlo sa vedie teplo, závisí od materiálu. Kovy a najmä meď majú veľmi vysokú tepelnú vodivosť, zatiaľ čo napríklad drevo prepúšťa iba s nízkou vodivosťou: iba okolo jednej tisíciny kovu. Pri prúdení sa teplo prenáša prúdom plynu alebo kvapaliny. Na tomto princípe je založené napríklad sušenie vlasov sušičom vlasov. To, koľko tepla sa odovzdá, závisí predovšetkým od hustoty plynu alebo kvapaliny a rýchlosti prúdenia. Sušič vlasov na úrovni 3 zaisťuje silnejšie prúdenie vzduchu a vlasy vysuší rýchlejšie ako na úrovni 1.
Všetky telesá, ktoré majú teplotu nad absolútnou nulou mínus 273,15 stupňov Celzia, vyžarujú teplo. Absolútny nulový bod je najnižší možný teplotný limit, ktorý nemožno klesnúť. Tu z fyzikálneho hľadiska všetky atómy úplne stoja. Nevšimneme si však tepelné žiarenie bloku ľadu, pretože sami oveľa viac tepla vyžarujeme. Môže sa však zviditeľniť technickým zariadením, ako je termovízna kamera.
Pretože všetky telesá vyžarujú tepelné žiarenie (jedná sa o zákon prírody, tzv. Zákon Stefana-Boltzmanna), nielen že vyžaruje slnko energiu na zem, ale aj zemskú energiu do vesmíru. Nakoniec sa musia obe zložky energie vyrovnať, pretože Zem ako celok zostáva svojou teplotou takmer konštantná, o tom neskôr. Výkon žiarenia slnka je 1 367 wattov na meter štvorcový, iba zlomok z nich sa dostane na zem. A to ten, ktorý padá zo slnka kolmo na zem. Táto zvislá časť polovice zemegule otočenej k slnku zodpovedá kruhu s polomerom Zeme, ako je znázornené na obrázku.
To, koľko energie sa emituje, veľmi závisí od teploty tela. To znamená, že pri zdvojnásobení teploty sa tepelným žiarením uvoľní 16-násobné množstvo energie. Je však potrebné vziať do úvahy, že teplota sa meria od absolútnej nuly pri mínus 273,15 stupňov Celzia. Zdvojnásobenie komfortnej teploty 20 stupňov Celzia by sa uskutočnilo pri asi 310 stupňoch Celzia. Je však zrejmé, že energia žiarenia môže nadobúdať veľmi vysoké hodnoty. Na tomto základe je tiež ľahké určiť, koľko energie nám dáva slnko a koľko energie vyžaruje Zem.
Zemská energia ide do atmosféry - ale časť tu zostáva, ako v skleníku
Zjednodušene povedané, teplota Zeme je výsledkom rozdielu medzi energiou zo slnečného žiarenia a tepelným žiarením zo Zeme. Ak chce človek presne určiť radiačnú energiu Zeme, musí zostaviť energetickú rovnováhu okolo Zeme. Z tejto energetickej bilancie sa potom získa priemerná teplota Zeme. (Výpočet nájdete v poznámke.) Takže teoreticky je to 5 stupňov Celzia. V skutočnosti je však 15 stupňov Celzia.
Na základe popisu systému možno túto teplotu odvodiť pomocou výpočtovej metódy. Stanovenie teploty sa potom zjednoduší na nasledujúci výpočet.
A výsledkom je teplota ekvivalentná 5 stupňom Celzia ako priemerná teplota. Sigma je prirodzená konštanta, Stefan-Boltzmannova konštanta, s hodnotou:
Tento rozdiel je v zásade spôsobený skleníkovým efektom. Úlohu zohráva nielen oxid uhličitý, ale aj vodná para, ktorá je zodpovedná za prirodzený skleníkový efekt.
A funguje to takto: Zem vyžaruje teplo podľa svojej teploty. To zasahuje molekuly v atmosfére vrátane vodných pár a oxidu uhličitého. Molekuly absorbujú žiarenie a uvoľňujú ho do všetkých smerov vrátane späť na Zem. Zem znovu absorbuje energiu a zahrieva sa, podobne ako skleník.
Kvôli prírodnému skleníkovému efektu bola po tisíce rokov nastolená rovnováha medzi prichádzajúcim a odchádzajúcim množstvom energie, čo malo za následok priemernú teplotu 15 stupňov Celzia. Na rozdiel od vodnej pary, ktorá vždy poháňala prirodzený skleníkový efekt, bolo množstvo oxidu uhličitého v atmosfére doteraz nízke. Táto rovnováha je narušená podielom oxidu uhličitého, ktorý prudko stúpa za extrémne krátku dobu. Na zemi zostáva viac energie vo forme tepla, ako je vyžarované do vesmíru, čo spôsobuje zvyšovanie teploty Zeme, čo spôsobuje zmenu podnebia a problémy, ktoré s tým súvisia.
Tento zjednodušený popis nezohľadňuje všetky vplyvy, ako napríklad priamy odraz slnečného žiarenia, napríklad snehu alebo na atmosféru.
Záver
V súhrne možno povedať: Zem je v skutočnosti otvorený systém. Pretože strata hmoty je taká malá, hovorí sa kvôli jednoduchosti o uzavretom systéme, ktorý iba uskutočňuje výmenu energie so svojím prostredím. V dôsledku skleníkového efektu sa však Zem stáva čoraz energickejšou.
Esther Göbel pomohla s vypracovaním textu; Vera Fröhlich má korektúry; Martin Gommel vybral hlavný obrázok, zdroj: NASA
Tento príbeh má viac než to!
Ale bol napísaný pre členov Krautreporter. Staňte sa členom skúšobnej verzie a prečítajte si celý príbeh.