Землі стає щодня трохи менше
Читач Krautreporter Мартін хотів би знати: «Чи є Земля закритою системою, за винятком збільшення енергії від Сонця?» Я попросив енергетичного техніка Едріена Шване відповісти на запитання для нас.
Коротке пояснення:
Ні, земля не є замкнутою, ізольованою системою. Вона навіть щороку худне; наша планета обмінюється речовиною із навколишнім середовищем, принаймні незначною мірою. І йому стає тепліше. Але до цього ми дійдемо пізніше.
Хто відповідає на це:
Адріен Шван навчався енергетиці в RWTH Аахен. Потім він рік працював в Інституті енергетичних та кліматичних досліджень у Форшунгсцентрі Юліху на посаді наукового співробітника. Потім він став менеджером проектів для приватних споживачів у wegatech Greenergy у галузі будівництва з відновлюваною енергією.
Детальна відповідь:
Земля втрачає масу і здобуває нові
Земля обмінюється речовиною з оточенням. Не тільки метеорити, тобто скелі з космосу, приходять на землю, але іноді кілька астронавтів також залишають нас, наприклад, щоб полетіти на Місяць (навіть якщо всі вони повернулись до цього часу).
Метеорити та космонавти складають лише незначну частку від загальної маси Землі. Земля отримує близько 40 000 тонн маси щороку від метеоритів. Але він також втрачає масу, найбільший ефект викликають леткі гази водень (95000 тонн на рік) та гелій (1600 тонн на рік). Таким чином, земля втрачає вагу 50 000 тонн на рік, що навряд чи помітно при масі 5 972 000 000 000 000 000 000 тонн (або коротше 5,9 х 10 ^ 21 тонна).
Чим земля відрізняється від термоса
Вчені розрізняють відкриту, закриту та закриту системи. У відкритій системі як речовиною, так і енергією можна обмінюватися з кордоном системи. Однак у багатьох випадках транспортуванням речовин можна знехтувати. Тоді говорять про замкнуту систему, в якій лише тепло обмінюється з навколишнім середовищем.
Обміном речовини і частково обміном енергії можна знехтувати, якщо він дуже малий порівняно з іншими явищами. Замкнуті або ізольовані системи, наприклад термоси, не обмінюються ні енергією, ні речовиною з межею системи. Строго кажучи, термос був би відкритою системою, як в принципі всі системи, які ми можемо собі уявити. Бо якщо кип’ятити воду в глечику на кілька днів, вона з часом охолоне до кімнатної температури. Але це менш важливо для наших вимог. Тому що навіть якщо ми відкриваємо термос (або залишаємо його стояти довше) і деякі молекули водяної пари залишають глечик, у нас все одно вистачає гарячої води для пиття. І зазвичай ми не хочемо залишати воду в термосі тижнями, перш ніж пити її. Тож ми можемо нехтувати цим і розглядати його як закриту систему.
Термодинаміка - це розділ фізики та техніки. Це стосується насамперед тепла та енергії та їх технічного використання. За допомогою термодинаміки можна зрозуміти, чому для пересування двотонної машини на 100 кілометрів досить лише п’яти літрів рідини, наприклад бензину. Автомобіль розглядається як система в цілому, в яку йде п’ять літрів пального, а енергія виходить у вигляді 100 кілометрів руху. Окремі деталі, такі як частота обертання двигуна або хід поршня, не так важливі в термодинаміці. Таким чином, навіть дуже складні енергетичні стосунки можна порівняти порівняно легко.
Навіть брила льоду випромінює тепло
З якою системою ми маємо справу у випадку Землі? Сонячне випромінювання гарантує, що земля є не холодною скелею, а відносно теплою планетою з численними формами життя. Оскільки ми стикаємось з вакуумом на межі з простором, тобто відсутністю значної кількості матеріалу, теплове випромінювання є єдиною можливістю для обміну енергією на землі. Оскільки для цього не потрібен матеріальний носій, на відміну від теплопровідності (наприклад, з деревом або металом) та конвекції, тобто передачі через потік газу та рідини (за допомогою фена).
Енергія у вигляді тепла може передаватися трьома різними способами, а саме за допомогою кондукції, конвекції та теплового випромінювання. Наскільки швидко проводиться тепло, залежить від матеріалу. Метали і особливо мідь мають дуже високу теплопровідність, тоді як деревина, наприклад, передає лише з низькою провідністю: лише близько однієї тисячної частини металу. При конвекції тепло передається потоком газу або рідини. Наприклад, сушка волосся феном заснована на цьому принципі. Скільки теплоти передається, залежить насамперед від щільності газу або рідини та швидкості потоку. Наприклад, фен на рівні 3 забезпечує сильніший потік повітря і сушить волосся швидше, ніж на рівні 1.
Всі тіла, у яких температура вище абсолютного нуля мінус 273,15 градусів Цельсія, випромінюють тепло. Абсолютна нульова точка - це найнижча границя температури, яку не можна опустити нижче. Тут, з фізичної точки зору, всі атоми стоять повністю на місці. Однак ми не помічаємо теплового випромінювання брили льоду, оскільки самі випромінюємо набагато більше тепла. Однак його можна зробити видимим за допомогою технічного пристрою, такого як тепловізор.
Оскільки всі тіла випромінюють теплове випромінювання (це закон природи, так званий закон Стефана-Больцмана), сонце не тільки випромінює енергію на землю, а й земну енергію в космос. Зрештою обидві кількості енергії повинні збалансувати одна одну, оскільки земля в цілому залишається майже незмінною за своєю температурою, про це пізніше. Випромінювання сонця становить 1367 Вт на квадратний метр, лише частка з яких досягає землі. А саме той, який падає від сонця перпендикулярно землі. Ця вертикальна частина половини земної кулі, звернена до сонця, відповідає колу з радіусом землі, як показано на кресленні.
Скільки енергії виділяється, дуже залежить від температури тіла. Це означає, що при подвоєнні температури в результаті теплового випромінювання виділяється 16 разів енергії. Однак слід враховувати, що температура вимірюється від абсолютного нуля при мінус 273,15 градусів Цельсія. Подвоєння комфортної температури в 20 градусів за Цельсієм могло б відбутися приблизно при 310 градусах Цельсія. Однак стає зрозумілим, що енергія випромінювання може приймати дуже високі значення. На цій підставі також легко визначити, скільки енергії нам дає сонце і скільки енергії випромінює земля.
Земна енергія надходить в атмосферу - але частина її залишається тут, як у теплиці
Спрощеними словами, температура землі є результатом різниці між енергією сонячної радіації та тепловою радіацією землі. Якщо хтось хоче точно визначити енергію випромінювання Землі, він повинен скласти енергетичний баланс навколо Землі. Потім із цього енергетичного балансу отримують середню температуру землі. (Ви можете знайти розрахунок у примітці.) Отже, це теоретично 5 градусів Цельсія. Насправді ж це 15 градусів Цельсія.
На основі опису системи цю температуру можна отримати за допомогою методу розрахунку. Потім визначення температури спрощується до наступного розрахунку.
І результат - температура, еквівалентна 5 градусам Цельсія, як середня температура. Сигма - це природна константа, константа Стефана-Больцмана, зі значенням:
Ця різниця по суті обумовлена парниковим ефектом. Роль відіграє не тільки вуглекислий газ, але й водяна пара, яка відповідає за природний парниковий ефект.
І це працює так: Земля випромінює тепло відповідно до своєї температури. Це потрапляє на молекули атмосфери, включаючи водяну пару та вуглекислий газ. Молекули поглинають випромінювання і виділяють його у всіх напрямках, включаючи назад на землю. Земля знову поглинає енергію і нагрівається, подібно до теплиці.
Завдяки природному парниковому ефекту встановлено баланс між вхідною та вихідною кількістю енергії протягом тисяч років, в результаті чого середня температура становить 15 градусів Цельсія. На відміну від водяної пари, яка завжди була рушієм природного парникового ефекту, кількість вуглекислого газу в атмосфері до цього часу була низькою. Цю рівновагу порушує частка вуглекислого газу, яка в геологічному відношенні швидко зростає за надзвичайно короткий час. На землі залишається більше енергії у вигляді тепла, ніж випромінюється в космос, що призводить до підвищення температури землі, що спричинює зміну клімату та проблеми, які з цим виникають.
Цей спрощений опис жодним чином не враховує всіх ефектів, таких як пряме відбиття сонячного світла, наприклад, снігом або на атмосферу.
Висновок
Підсумовуючи, можна сказати: Земля насправді є відкритою системою. Оскільки втрати речовини настільки незначні, для простоти можна говорити про замкнуту систему, яка здійснює лише обмін енергією зі своїм оточенням. Однак в результаті парникового ефекту земля стає все більш енергійною.
Естер Гебель допомогла розвинути текст; Віра Фреліх має коректуру; Мартін Гоммель обрав головну картину, джерело: NASA
Ця історія має не лише це!
Але це було написано для членів Krautreporter. Станьте учасником пробного періоду, щоб прочитати повну історію.