P R E S E K List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje ISSN 0351-6652 Letnik 28 (2000/2001) Številka 6 Strani 332-340, XXII Tomaž Vrhovec: UCINEK TOPLE GREDE IN VROCE POLETJE Ključne besede: fizika. Elektronska verzija: http://www.presek.si/28/1458-Vrhovec.pdf © 2001 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije © 2010 DMFA - založništvo Vsakodnevno pridobivanje loplogrednih plinov na Celovški cesti v Ljubljani, Svoj delež toplogrednih plinov prispeva v ozračje tudi živinoreja. UČINEK TOPLE GREDE IN VROČE POLETJE Vroči dnevi poletja I9981 so bili pogosto vzrok za razmišljanje o tem, zakaj je bilo tedaj tako vroče. Modno je bilo trditi, da je poletje vroče zaradi t.i. učinka tople grede. Pole L i 1998 je bilo v Ljubljani namerjeno rekordno veliko število vročili dni. Kar 33 dni (en dan več kot v, do tedaj, rekordnem letu 1994) seje najvišja dnevna temperatura dvignila nad 30 stopinj Celzija. Kako pride do učinka tople grede in kakšne so njegove posledice? Rastlinjaki in tople grede so namenjeni gojenju vrtnin in rož, ki so občutljive na mraz. Zakaj je v toplih gredah topleje kot na polju? Podnevi se zrak pri tleh segreva zaradi sončnega sevanja. Sončni žarki prodrejo skozi atmosfero in segrejejo tla, od tal se segreje tudi zrak pri tleh. Če nad poljem zapiha veter, odnese topli zrak stran od tal in temperatura spet pade. Kako pa je v topli gredi? Sončno sevanje prodre tudi v rastlinjak in v njem segreje tla ter zrak na.d njimi. Ker topli zrak ne more iz rastlinjaka, je temperatura zraka v njem višja kot nad odprtim poljem. (Podobno močno se segreje tudi zrak v avtomobilu, ki stoji na soncu.) Tople grede in rastlinjake vrtnarji najpogosteje uporabljajo spomladi in jeseni. Tedaj so noči lahko hladne in na polju bi rastline pozeble. Poleti tople grede zračijo, da se rastline ne pregrejejo in ne ovenejo. Ponoči se tla ohlajajo zaradi infrardečega sevanja, ob hladnih tleh se ohlaja tudi zrak, V rastlinjaku ponoči seva steklena streha, na njeni spodnji strani se ohlaja tudi v rastlinjaku zaprti zrak {steklena streha se tedaj pogosto orosi). Če je rastlinjak narejen iz stekla, potem pride do izraza tudi zmanjšanje energijskih izgub zaradi sevanja.. Steklo namreč slabo prepušča, infrardeče sevanje, samo pa seva, vendar pri nižji temperaturi kot tla. Hladni zrak se v rastlinjaku spušča in polagoma se ohladi ves zrak v njem. Temperatura zraka v rastlinjaku pa ponoči ne pade tako nizko kot nad poljem, saj je izhodiščna večerna temperatura v rastlinjaku višja, v njem ne piha veter, pa tudi ohlajanje zaradi sevanja skozi streho je manj učinkovito kot ohlajanje polja v jasni noči. V toplih gredah, ki so pokrite s polietilenskimi folijami, je topleje le zaradi zadrževanja toplega zraka, saj te folije prepuščajo infrardeče sevanje. Kakšen pa je učinek tople grede v ozračju? Ker imajo tla, ozračje in oblaki temperaturo blizu ledišča, oddajajo po Flanckovem zakonu toploto pretežno kot infrardečo svetlobo. Obenem so površje trdne Zemlje, vodne površine, zasnežene in ledene površine v 1 Prispevek smo od avtorja prejeli pred dvema letoma. infrardečem delu spektra skoraj povsem črna telesa (to pomeni, da skoraj vso vpadlo infrardečo svetlobo absorbirajo). Za dele ozračja so lastnosti, ki vplivajo na prenos energije z infrardečim sevanjem, bistveno odvisne od koncentracije vode (H2O), ozona (O3) in ogljikovega dioksida (CO2). Količina triatomnega plina CO2 je v ozračju precej stalna in ta plin je v /raku dobro pomešan z dvoatomnima kisikom in dušikom, ki prepuščata infrardeče sevanje. Bistveno bolj spremenljiva je količina vodne pare: zelo vlažni deli ozračja, še posebej ohlaki, v katerih je vodna para nasičena, so v infrardečem delu spektra skoraj črni, jasno 111 suho ozračje pa del infrardečega sevanja prepušča. Vodna para je v infrardečem delu spektra najpomebnejši sevalec, saj prispeva kar 70% vsega infrardečega sevanja, ki pride iz ozračja. Poleg vodne pare je pomemben sevalec v infrardečem delu spektra tudi CO2. Poglejmo si vpliv sevanja vodne pare in ogljikovega dioksida najprej v jasni noči s suhim zrakom. Tla tedaj sevajo v infrardečem delu spektra in sevanje potuje skozi atmosfero. Del tega sevanja se absorbira v CO2, hkrati pa tudi CO2 sam infrardeče seva. Polovica tega sevanja gre naprej v vesolje, poloviea se ga vrne nazaj proti tlem. Tla infrardeče sevanje CO2 prestrežejo in se zaradi tega dotoka energije manj ohlajajo, kot bi se v primeru, če v atmosferi ne bi bilo sevajočega CC>2. Kako je v oblačnih nočeh? Če je v atmosferi tudi vodna para (in te je v oblakih obilo, oblaki pa so sestavljeni iz drobnih kapljic), potem sevajo v atmosferi ogljikov dioksid, vodna para in oblačne kapljice. Količina sevanja, ki jo izseva atmosfera in katere del prejmejo tla, je zato bistveno večja kot v jasni noči, saj smo povedali, da vodna para prispeva kar dvakrat več infrardečega sevanja kot GOi. V oblačni noči se zato zrak pri tleh dosti manj ohladi. Sevanje triatonmih plinov iz atmosfere pa seveda tla prejemajo tudi podnevi, le da je tedaj sončno sevanje daleč najmočnejše. Podnevi skozi atmosfero prodira tudi sončno sevanje. Triatomni plini ne vplivajo na prehod vidnega dela tega sevanja, pač pa absorbirajo dele infrardečega sončnega sevanja. Ta absorpcija je razlog za direktno segrevanje posameznih plasti ozračja. Poleg ogljikovega dioksida in vode so v ozračju občasno v različnih koncentracijah prisotni tudi drugi tri- in večatomni plini, npr. O^, CH4, NO2, NH3, ki večinoma, nastajajo zaradi človekove dejavnosti. Tudi ti plini prispevajo k sevalni bilanci. Sevanje oblakov, vodne pare. ogljikovega dioksida in drugih triatonmih plinov v atmosferi zmanjšuje ohlajanje površja, tal. Zaradi tega je atmosfera pri tleh toplejša, kot bi bila, če teh plinov ne bi bilo. Vidna svetloba pride do tal in tla podnevi segreva, infrardeče sevanje tal pa se absorbira in emitira v atmosferi. Infrardeče sevanje se vrne iz atmosfere k tlom in tako je ohlajanje t.al nekoliko manj izrazito. Količina ponovno izsevane infrardeče svetlobe je odvisna od koncentracije triatomnih plinov. Večje so koncentracije, manjše je ohlajanje, temperatura tal in atmosfere se zato dvigne. Učinku triatomnih plinov na ravnovesje tokov infrardečega sevanja popularno rečemo "učinek tople grede", plinom, ki povzročajo ta učinek, pa "plini tople grede". Vidimo, da je razlog za segrevanje zraka v rastlinjaku različen od razloga za zmanjševanje ohlajanja Zemlje zaradi sevanja triatomnih plinov. Izraz "učinek tople grede" pa se je v vsakodnevnem pisanju kar dobro prijel in nesmiselno bi ga bilo odpravljati. Zaradi človeških aktivnosti se koncentracije COv, NHa, CH4 in še nekaterih drugih plinov v Zemljini atmosferi povečujejo. Od predindustrijskega časa do konca 20. stolet ja se je povprečna koncentracija CO2 v vsej Zemljini atmosferi povečala z 280 ppm na 360 ppra (za 28%). (1 ppm je en masni del primesi, npr. CO^, na milijon masnih delov zraka.) Večja koncentracija CO2 vpliva na emisivnost atmosfere in tako 11a gostoto energijskega toka v atmosferi izsevanega, infrardečega sevanja. Ob povečanju koncentracije ogljikovega dioksida prejmejo tla več atmosferskega infrardečega sevanja. Z rnodelskimi izračuni so ugotovili, da bi se pri podvojitvi koncentracije CO2 s 300ppm na 600 ppm morala povprečna temperatura na Zemlji dvigniti za 2 do 4 K. Ti izračuni so seveda precej nenatančni, saj na energijsko bilanco Zemlje ne vplivajo samo sevalne razmere. Povejmo še, da so se v klimatski zgodovini Zemlje koncentracije plinov tople grede precej spreminjale, spreminjala se je tudi njena povprečna temperatura. 350 345 340 - 335 320 311 310 Slika 1, Koncentracije CO^ v ozračju v zadnjih desetletjih, kot so jih namerili v observat.oriju na Mauna toa (Havaji) (Bulietin WMO). LETO Povprečno temperaturo Zemlje lahko preprosto izračunamo. Energijsko bilanco Zemlje kot planeta, najprej zapišemo tako, da vzamemo trdno zemljo, oceane in atmosfero kot. eno samo telo. V tem primeru sta pomembna predvsem dva energijska tokova: • Sončevo obsevanje jo (Sonce obseva polovico zemeljske oble, pri čemer je razporeditev absorbirane moči po površini osvetljene polovice odvisna od albeda2 a in od kota med normalo na površje in smerjo sončnih žarkov.) • Sevanje Zemlje, ki izhaja iz vse zemeljske površine. (Zemlja seva skoraj kot črno telo, v infrardečem delu spektra je emisivnost3 e sal.) Iz Zemljine notranjosti sicer teče proti površini nekaj toplotnega toka, ker je notranjost. Zemlje vroča, vendar je ta toplotni tok mnogo manjši od sevalnih tokov, tako da ga lahko zanemarimo. Tla in morja tudi shranjujejo in oddajajo toploto v dnevnem in letnem ciklu. Če vzamemo dovolj dolg časovni interval, lahko stanje obravnavamo kot stacionarno, da torej za Zemljo kot celoto velja, da se energija sevanja, ki jo prejme Zemlja od Sonca, izenači z energijo, ki jo Zemlja izseva v vesolje: (1 - a ) jo • ttR2 = ctT4 ■ 4ttR2 . (/i je polmer Zemlje.) Od tod izračunamo povprečno temperaturo Zemlje 4(7 J Če vzamemo, da je povprečni albedo Zemlje a = 0.35 in jo = = 1367W/m2. dobimo za povprečno temperaturo Zemlje 250 K (—23°C), kar ustreza temperaturi v zgornji tretjini troposfere. Dejanska temperatura površja Zemlje je višja zaradi učinkov plinov tople grede. Takšno temperaturo, kot smo jo izračunali zgoraj, bi imela Zemlja v primeru, če ne bi imela sevajočega ozračja. Da bi ilustrirali učinek atmosferske tople grede na temperaturo na Zemlji, naredimo še drugo, manj poenostavljeno oceno. Dobimo jo, Če 2 Albedo (odbojnost) je lastnost površine telesa, ki nam pove, kolikšen del svetlobnega toka se na površini odbije. 3 Tudi emisivnost je lastnost površine telesa m nam pove, kolikšno je pri posamezni valovni dolžini razmerje med sevanjem sivega in črnega telesa enakih površin. Večina teles je sivih, kar pomeni, da telo del sevanja odbije. poleg trdne Zemlje in vesolja upoštevamo še ozračje. V približku predpostavimo, da ozračje povsem prepušča součno sevanje, tako da se sončno sevanje absorbira le na tleh. Atmosfera pa naj delno absorbira in emitira dolgovalovno infrardeče sevanje, ki izhaja iz tal. Slika 2. Triplastni model: vesolje, ozračje, tla. Prikazani so sevalni tokovi, afesorptiv-nosti in emisivnosti. Ce označimo sevanje atmosfere z j(„,T in sevanje tal z Jtai, opišemo ravnotežje gostot energijskih tokov na meji med ozračjem in vesoljem (slika 2) z enačbo ¿o(l - o) = 4((1 - e)iozr + ¿tal) ■ Faktor 4 na desni strani enačbe dobimo, ker Zemljo obseva Sonce le po eni strani, sama pa seva z vse površine. V vesolje seva ozračje, deloma pa pride v vesolje tudi sevanje s tal. Ozračje sprejme del dolgovalovnega sevanja t.a! in ga v enakih delih izseva navzgor in navzdol: tJta] = 2Jozr , na meji med ozračjem in tlemi pa velja energijsko ravnotežje (1 - a)jQ + 4jozr = 4jtal. Tla absorbirajo tlel sončnega sevanja, prejmejo pol sevanja atmosfere in sama sevajo. Z upoštevanjem Štefanovega zakona za sivo telo (ozračje) dobimo iz prve zveze eciT^ = fc