Pământul devine puțin mai puțin în fiecare zi
Cititorul Krautreporter Martin ar dori să știe: „Pământul este un sistem închis, cu excepția creșterii energiei din soare?” L-am rugat pe tehnicianul energetic Adrien Schwane să răspundă la întrebarea noastră.
Scurta explicație:
Nu, pământul nu este un sistem închis, izolat. Ea pierde în greutate chiar în fiecare an; planeta noastră schimbă importanța cu mediul său, cel puțin într-o mică măsură. Și se încălzește. Dar vom ajunge la asta mai târziu.
Cine răspunde:
Adrien Schwane a studiat ingineria energetică la RWTH Aachen. Apoi a lucrat timp de un an la Institutul pentru Cercetări Energetice și Climatice de la Forschungszentrum Jülich ca asistent de cercetare. Apoi a devenit manager de proiect pentru clienții privați de la wegatech Greenergy în domeniul aprovizionării cu clădiri cu energie regenerabilă.
Răspunsul detaliat:
Pământul pierde masă și câștigă altele noi
Pământul schimbă materia cu împrejurimile sale. Nu numai meteoritii, adică stâncile din spațiu, vin pe pământ, dar uneori și câțiva astronauți ne părăsesc, de exemplu pentru a zbura pe Lună (chiar dacă toți s-au întors până acum).
Meteoriții și astronauții reprezintă doar o mică parte din masa totală a pământului. Pământul câștigă în jur de 40.000 de tone de masă anual din meteoriți. Dar pierde și masă, cel mai mare efect fiind cauzat de gazele volatile hidrogen (95.000 tone pe an) și heliu (1.600 tone pe an). Pământul pierde 50.000 de tone de greutate pe an, ceea ce este greu de observat cu o masă de 5.972.000.000.000.000.000.000 de tone (sau pe scurt 5,9 x 10 ^ 21 tone).
Cum diferă pământul de un termos
Oamenii de știință diferențiază între sistemele deschise, închise și închise. Într-un sistem deschis, atât materia, cât și energia pot fi schimbate cu granița sistemului. În multe cazuri, totuși, transportul substanțelor poate fi neglijat. Se vorbește apoi despre un sistem închis în care se schimbă numai căldura cu mediul.
Un schimb de materie și parțial și un schimb de energie pot fi neglijate dacă este foarte mic în comparație cu alte fenomene. Sistemele închise sau izolate, cum ar fi baloanele termice, nu schimbă nici energie, nici materie cu granița sistemului. Strict vorbind, termosul ar fi un sistem deschis, la fel ca în principiu toate sistemele pe care ni le putem imagina. Deoarece dacă apa clocotită este lăsată în ulcior câteva zile, în cele din urmă se va răci la temperatura camerei. Cu toate acestea, acest lucru este mai puțin important pentru cerințele noastre. Pentru că, chiar dacă deschidem balonul termos (sau îl lăsăm în picioare mai mult timp) și unele molecule de vapori de apă părăsesc ulciorul, mai avem suficientă apă caldă de băut. Și, de obicei, nu vrem să lăsăm apă într-un termos săptămâni înainte să o bem. Deci, putem neglija acest lucru și îl putem vedea ca un sistem închis.
Termodinamica este o ramură a fizicii și ingineriei. Se preocupă în primul rând de căldură și energie și de utilizarea lor tehnică. Cu ajutorul termodinamicii, este posibil să înțelegem de ce doar cinci litri de lichid, cum ar fi benzina, sunt suficienți pentru a muta o mașină de două tone pe o distanță de 100 de kilometri. Mașina este văzută ca un sistem, în ansamblu, în care intră cinci litri de combustibil și energie iese sub forma a 100 de kilometri de mișcare. Detaliile individuale, cum ar fi turația motorului sau cursa pistonului, nu sunt atât de importante în termodinamică. În acest fel, chiar și relațiile energetice foarte complexe pot fi rezumate relativ ușor.
Chiar și un bloc de gheață radiază căldură
Cu ce sistem avem de-a face în cazul Pământului? Radiația solară asigură faptul că pământul nu este o piatră rece, ci o planetă relativ caldă, cu numeroase forme de viață. Deoarece întâlnim un vid la limita cu spațiul, adică nu există cantități semnificative de material, radiația termică este singura posibilitate pentru un schimb de energie pe pământ. Deoarece nu necesită un purtător de material, spre deosebire de conducerea căldurii (de exemplu cu lemn sau metal) și convecție, adică transmiterea prin flux de gaz și lichid (cu un uscător de păr).
Energia sub formă de căldură poate fi transferată în trei moduri diferite, și anume prin conducție, convecție și radiație termică. Cât de repede este condusă căldura depinde de material. Metalele și mai ales cuprul au o conductivitate termică foarte ridicată, în timp ce lemnul, de exemplu, transmite doar cu o conductivitate scăzută: doar în jur de o miime din metal. La convecție, căldura este transferată printr-un flux de gaz sau lichid. Uscarea părului cu un uscător de păr, de exemplu, se bazează pe acest principiu. Cât de multă căldură este transferată depinde în primul rând de densitatea gazului sau lichidului și de viteza de curgere. De exemplu, un uscător de păr de la nivelul 3 asigură un flux de aer mai puternic și usucă părul mai repede decât la nivelul 1.
Toate corpurile care au o temperatură peste zero absolut de minus 273,15 grade Celsius radiază căldură. Punctul zero absolut este cea mai mică limită posibilă de temperatură care nu poate fi scăzută sub. Aici, din punct de vedere fizic, toți atomii stau complet nemișcați. Cu toate acestea, nu observăm radiația de căldură a unui bloc de gheață, deoarece noi radiați mult mai multă căldură. Cu toate acestea, poate fi vizibil cu un dispozitiv tehnic, cum ar fi camera termică.
Deoarece toate corpurile emit radiații de căldură (aceasta este o lege a naturii, așa-numita lege Stefan-Boltzmann), soarele nu numai că radiază energie către pământ, ci și energia pământului către spațiu. Ambele cantități de energie trebuie să se echilibreze reciproc în cele din urmă, deoarece pământul în ansamblu rămâne aproape constant în temperatura sa, mai mult despre asta mai târziu. Producția de radiație a soarelui este de 1.367 de wați pe metru pătrat, din care doar o fracțiune ajunge pe pământ. Și anume ceea ce cade de la soare perpendicular pe pământ. Această parte verticală a jumătății globului orientată spre soare corespunde unui cerc cu raza pământului, așa cum se arată în desen.
Câtă energie este emisă depinde foarte mult de temperatura corpului. Aceasta înseamnă că, atunci când temperatura este dublată, cantitatea de energie de 16 ori este eliberată prin radiații termice. Cu toate acestea, trebuie luat în considerare faptul că temperatura este măsurată de la zero absolut la minus 273,15 grade Celsius. O dublare a temperaturii confortabile de 20 grade Celsius ar fi avut loc la aproximativ 310 grade Celsius. Cu toate acestea, devine clar că energia radiației poate asuma valori foarte mari. Pe această bază, este, de asemenea, ușor să se determine câtă energie ne dă soarele și câtă energie radiază pământul.
Energia pământului intră în atmosferă - dar o parte din ea rămâne aici, ca într-o seră
În termeni simplificați, temperatura pământului este rezultatul diferenței dintre energia din radiația solară și radiația de căldură din pământ. Dacă doriți să determinați cu exactitate energia radiației pământului, trebuie să stabiliți un echilibru energetic în jurul pământului. Temperatura medie a pământului este apoi obținută din acest bilanț energetic. (Puteți găsi calculul în notă.) Deci este teoretic 5 grade Celsius. De fapt, însă, este de 15 grade Celsius.
Pe baza descrierii sistemului, această temperatură poate fi derivată folosind o metodă de calcul. Determinarea temperaturii este apoi simplificată la următorul calcul.
Iar rezultatul este o temperatură echivalentă cu 5 grade Celsius ca temperatura medie. Sigma este o constantă naturală, constanta Stefan-Boltzmann, cu valoarea:
Această diferență se datorează în principal efectului de seră. Nu numai că dioxidul de carbon joacă un rol, ci și vaporii de apă, în special, care sunt responsabili de efectul de seră natural.
Și funcționează astfel: Pământul radiază căldură în funcție de temperatura sa. Acest lucru lovește moleculele din atmosferă, inclusiv vapori de apă și dioxid de carbon. Moleculele absorb radiația și o eliberează în toate direcțiile, inclusiv înapoi pe pământ. Pământul absoarbe din nou energia și se încălzește, similar cu o seră.
Datorită efectului de seră natural, s-a stabilit un echilibru între cantitatea de intrare și ieșire de energie de-a lungul a mii de ani, rezultând o temperatură medie de 15 grade Celsius. Spre deosebire de vaporii de apă, care au condus întotdeauna efectul de seră natural, cantitatea de dioxid de carbon din atmosferă a fost până acum scăzută. Acest echilibru este perturbat de ponderea dioxidului de carbon, care, în termeni geologici, crește rapid într-un timp extrem de scurt. Mai rămâne mai multă energie sub formă de căldură pe pământ decât este radiată în spațiu, ceea ce determină creșterea temperaturii pământului, care provoacă schimbări climatice și problemele care vin cu aceasta.
Această descriere simplificată nu ia în considerare toate efectele, precum reflectarea directă a soarelui, de exemplu de zăpadă sau asupra atmosferei.
Concluzie
În rezumat, se poate spune: Pământul este de fapt un sistem deschis. Deoarece pierderea de materie este atât de mică, din simplitate se vorbește despre un sistem închis, care schimbă doar energia cu mediul său. Cu toate acestea, ca urmare a efectului de seră, pământul devine din ce în ce mai energic.
Esther Göbel a ajutat la dezvoltarea textului; Vera Fröhlich a corectat; Martin Gommel a selectat imaginea principală, sursă: NASA
Această poveste are mai mult decât atât!
Dar a fost scris pentru membrii Krautreporter. Deveniți membru al procesului pentru a citi povestea completă.