A föld minden nap valamivel kevesebb

Martin, a Krautreporter olvasója szeretné tudni: „A föld zárt rendszer-e, kivéve a napból származó energia növekedését?” Megkértem Adrien Schwane energiatechnikust, hogy válaszoljon a nekünk feltett kérdésre.

hogy mennyi

A rövid magyarázat:

Nem, a föld nem zárt, elszigetelt rendszer. Valójában minden évben lefogy; bolygónk legalább kis mértékben kicseréli az anyagot a környezetével. És egyre melegebb. De erre később térünk ki.

Ki válaszol rá:

Adrien Schwane az RWTH Aachenben tanult energetikát. Ezután egy évig a Forschungszentrum Jülich Energetikai és Klímatudományi Kutató Intézetében dolgozott kutatási asszisztensként. Ezután a wegatech Greenergy magánvevőinek projektmenedzsere lett a megújuló energiával történő épületellátás területén.

A részletes válasz:

A föld tömegeket veszít és újakat nyer

A föld anyagot cserél a környezetével. Nemcsak a meteoritok, vagyis az űrből érkező sziklák érkeznek a földre, de néha néhány űrhajós is elhagy minket, például repülni a Holdra (még akkor is, ha mindannyian visszatértek eddig).

A meteoritok és az űrhajósok a föld teljes tömegének csak kis részét teszik ki. A föld évente mintegy 40 000 tonna tömeget nyer a meteoritokból. De tömegét is veszíti, a legnagyobb hatást az illékony gázok, a hidrogén (95 000 tonna évente) és a hélium (1600 tonna évente) okozzák. Így a föld évente 50 000 tonna súlyt veszít, ami 5 972 000 000 000 000 000 000 tonna (vagy röviden 5,9 x 10 ^ 21 tonna) tömeggel alig észrevehető.

Miben különbözik a föld a termosztól

A tudósok különbséget tesznek nyitott, zárt és zárt rendszerek között. Nyitott rendszerben az anyag és az energia is cserélhető a rendszer határával. Sok esetben azonban az anyagok szállítása elhanyagolható. Ezután egy zárt rendszerről beszélünk, amelyben csak hőcserét végeznek a környezettel.

Az anyagcserét és részben az energiacserét el lehet hanyagolni, ha az más jelenségekhez képest nagyon kicsi. A zárt vagy elszigetelt rendszerek, például a termosz lombikok, sem energiát, sem anyagot nem cserélnek a rendszer határával. Szigorúan véve a termosz nyitott rendszer lenne, csakúgy, mint elvileg minden olyan rendszer, amelyet el tudunk képzelni. Mert ha több napig forró vizet hagyunk a kancsóban, az végül szobahőmérsékletre hűl. De ez kevésbé fontos követelményeink szempontjából. Mert még akkor is, ha kinyitjuk a termosz lombikot (vagy hosszabb ideig állva hagyjuk), és néhány vízgőz molekula elhagyja a kancsót, akkor is elegendő forró vízünk van. És általában nem akarjuk hetekig hagyni a vizet egy termoszban, mielőtt megittauk. Tehát ezt elhanyagolhatjuk, és zárt rendszernek tekinthetjük.

A termodinamika a fizika és a mérnöki ág. Elsősorban a hővel és az energiával, valamint azok műszaki felhasználásával foglalkozik. A termodinamika segítségével meg lehet érteni, hogy miért elegendő csak öt liter folyadék, például benzin egy kéttonnás autó 100 kilométeres mozgatásához. Az autót egész rendszerként tekintik, amelybe öt liter üzemanyag jut, és az energia 100 kilométeres mozgás formájában jön ki. Az egyes részletek, például a motor fordulatszáma vagy a dugattyú lökete, nem annyira fontosak a termodinamikában. Ily módon még a nagyon összetett energetikai kapcsolatok is viszonylag könnyen összefoglalhatók.

Még egy jégtömb is sugároz meleget

Milyen rendszerrel van dolgunk a Föld esetében? A napsugárzás biztosítja, hogy a föld ne egy hideg kőzet legyen, hanem egy viszonylag meleg bolygó, számos életformával. Mivel a tér határán vákuummal találkozunk, vagyis nem találkozunk jelentős mennyiségű anyaggal, a földi energiacserére a hősugárzás az egyetlen lehetőség. Mivel nem igényel anyaghordozót, ellentétben a hővezetéssel (például fával vagy fémmel) és a konvekcióval, vagyis a gáz- és folyadékáramlás útján történő átvitelével (hajszárítóval).

A hő formájában lévő energiát három különböző módon lehet átvezetni, nevezetesen vezetéssel, konvekcióval és hősugárzással. Az, hogy a hő milyen gyorsan vezet, az anyagtól függ. A fémek és különösen a réz hővezető képessége nagyon magas, míg a fa például csak alacsony vezetőképességű: csak a fém ezred része. Konvekcióval a hőt gáz vagy folyadék áramláson keresztül továbbítják. Ezen az elven alapszik például a haj hajszárítóval történő szárítása. Az, hogy mennyi hő kerül átadásra, elsősorban a gáz vagy folyadék sűrűségétől és az áramlási sebességtől függ. Például a 3. szintű hajszárító erősebb légáramlást biztosít, és gyorsabban szárítja a hajat, mint az 1. szinten.

Minden test, amelynek hőmérséklete abszolút nulla felett mínusz 273,15 Celsius fok, sugároz hőt. Az abszolút nulla pont a lehető legalacsonyabb hőmérsékleti határ, amely alá nem lehet esni. Itt fizikai szempontból az összes atom teljesen mozdulatlanul áll. Egy jégtömb hősugárzását azonban nem vesszük észre, mivel sokkal több hőt sugárzunk ki magunk is. Ez azonban láthatóvá tehető egy olyan technikai eszközzel, mint a hőkamera.

Mivel minden test hősugárzást bocsát ki (ez a természet törvénye, az úgynevezett Stefan-Boltzmann-törvény), nemcsak a nap sugároz energiát a földre, hanem a föld energiája is az űrbe. Mindkét energiamennyiségnek végül egyensúlyban kell lennie, mert a föld egésze szinte állandó hőmérsékleten marad, erről később. A nap sugárzási teljesítménye 1367 watt négyzetméterenként, amelynek csak a töredéke éri el a földet. Mégpedig azt, amelyik a napra merőleges a földre esik. A földgömbnek a nap felé eső felének ez a függőleges része a föld sugarú körnek felel meg, amint azt a rajz mutatja.

Az, hogy mennyi energiát bocsát ki, nagyon függ a test hőmérsékletétől. Ez azt jelenti, hogy ha a hőmérséklet megduplázódik, a hősugárzás révén az energiamennyiség 16-szorosa szabadul fel. Figyelembe kell azonban venni, hogy a hőmérsékletet mínusz 273,15 Celsius fokon mért abszolút nulláról mérik. A kényelmes hőmérséklet 20 Celsius-fok megduplázódása körülbelül 310 Celsius-fokon történt volna. Egyértelművé válik azonban, hogy a sugárzási energia nagyon magas értékeket vehet fel. Ennek alapján könnyű meghatározni azt is, hogy a nap mennyi energiát ad nekünk, és mennyi energiát sugároz a föld.

A föld energiája a légkörbe kerül - de egy része itt marad, mint egy üvegházban

Leegyszerűsítve: a föld hőmérséklete a napsugárzásból származó energia és a földi hősugárzás közötti különbség eredménye. Ha valaki pontosan meg akarja határozni a föld sugárzási energiáját, akkor fel kell vonnia egy energiamérleget a föld körül. A föld átlaghőmérsékletét ekkor kapjuk meg ebből az energiamérlegből. (A számítást megtalálja a jegyzetben.) Tehát elméletileg 5 Celsius fok. Valójában azonban 15 Celsius fok.

A rendszer leírása alapján ezt a hőmérsékletet számítási módszerrel lehet levezetni. A hőmérséklet-meghatározást ezután egyszerűsítik a következő számítással.

Az eredmény pedig 5 Celsius foknak megfelelő hőmérséklet, mint az átlagos hőmérséklet. A Sigma egy természetes állandó, a Stefan-Boltzmann-állandó, amelynek értéke:

Ez a különbség alapvetően az üvegházhatásnak tudható be. Nemcsak a szén-dioxid játszik szerepet, hanem a vízgőz is, amely felelős a természetes üvegházhatásért.

És ez így működik: A föld hőmérséklete szerint sugároz hőt. Ez eléri a légkörben lévő molekulákat, beleértve a vízgőzt és a szén-dioxidot is. A molekulák elnyelik a sugárzást, és minden irányba elengedik, ideértve a földet is. A föld újból elnyeli az energiát és felmelegszik, hasonlóan az üvegházhoz.

A természetes üvegházhatás miatt egyensúly alakult ki a bejövő és a kimenő energia mennyisége között évezredek alatt, ami átlagosan 15 Celsius-fokos hőmérsékletet eredményez. A vízgőzzel ellentétben, amely mindig is a természetes üvegházhatást váltotta ki, a szén-dioxid mennyisége a légkörben eddig alacsony volt. Ezt az egyensúlyt zavarja a szén-dioxid aránya, amely geológiai értelemben rendkívül rövid idő alatt gyorsan növekszik. Több energia marad a földön hő formájában, mint amennyit az űrbe sugároznak, ami a föld hőmérsékletének emelkedését okozza, ami éghajlatváltozást és az ezzel járó problémákat okoz.

Ez az egyszerűsített leírás nem veszi figyelembe az összes hatást, például a napfény közvetlen visszaverődését, például hóval vagy a légkörrel.

Következtetés

Összefoglalva elmondható: A föld valójában nyitott rendszer. Mivel az anyagveszteség olyan kicsi, az egyszerűség kedvéért egy zárt rendszerről beszélünk, amely csak energiacserét hajt végre a környezetével. Az üvegházhatás következtében azonban a föld egyre energikusabbá válik.

Eszter Göbel segített a szöveg kidolgozásában; Vera Fröhlich lektorált; Martin Gommel választotta a vezető képet, forrás: NASA

Ennél több is van ebben a történetben!

De a Krautreporter tagjainak írták. Legyen próbatag, hogy elolvassa a teljes történetet.