Dwa łyki fizyki na jednej stronie "The Economist"
(o nieważkości i efekcie cieplarnianym)


Znajomość fizyki jest niezbędna nawet przy czytaniu prestiżowego brytyjskiego tygodnika "The Economist", 19 stycznia 2013, na jednej stronie - aż dwie mini lekcje w fizyki.

1. Pierwszy artykuł dotyczy perspektyw budowy nowej generacji stacji kosmicznych, lekkich, z tworzyw sztucznych, pozwijanych w pakiety i pompowanych na orbicie.

Jakie zalety pracy (lub wypoczynku) w statku kosmicznym? Na przykład możliwość wytwarzania, w warunkach nieważkości, skomplikowanych farmaceutyków.

Na orbicie w statku kosmicznym dookoła Ziemi panuje właśnie stan nieważkości (ang. zero gravity).  Wydawałoby się, że nie ma tam grawitacji. Nic błędniejszego! Przyciąganie Ziemi jest i to wcale niewiele mniejsze niż na jej powierzchni1

"The Economist" pisze "poprawnie" - nie zero-gravity, ale bezustanny swobodny spadek z orbity.


Tak! Stan nieważkości to stan w spadającej windzie. Nie czujemy siły grawitacji, bo cała winda spada razem z nami2.   

Na orbicie podobnie - kabina cały czas spada w kierunku Ziemi, bo tak leciałaby po prostej. Pokazuje to rysunek poniżej.


W locie statku kosmicznego dookoła Ziemi, prędkość statku w każdej chwili zmienia kierunek - statek spada w kierunku Ziemi. Zmiana prędkości - to przyspieszenie. W każdej chwili statek spada spadkiem swobodnym, z przyspieszeniem ziemskim a=g. Pasażer statku spada z kabiną, więc nie odczuwa siły grawitacji. 

Stan nieważkości powinniśmy więc nazywać stanem pozornej nieważkości, a właściwiej stanem spadku swobodnego.

Zobacz, jak to pokazano na filmie o locie Gagarina

JW Player goes here
Źródło

2) Drugi artykuł, zatytułowany "Nowy czarny" (The new black) mówi o efekcie cieplarnianym. Okazuje się, że sadza - czarny węgiel z komina, znacznie wzmaga efekt cieplarniany. Jak pisze "The Economist" - "Sadza nagrzewa atmosferę, ponieważ absorbuje światło Słońca. Czarne rzeczy tak robią. To jest fizyka podstawowa."

Dotychczas nie przywiązywano znaczenia do obecności sadzy w powietrzu. 15 stycznia, akurat piątego dnia jak czarny smog przysłaniał niebo Pekinu, opublikowany został artykuł w prestiżowym Journal of Geophysical Research. Okazuje się, że sadza jest dla zmian klimatycznych znacznie bardziej niebezpieczna niż przypuszczano dotychczas - to nie metan emitowany przez miliony (miliardy?) krów na całym świecie i przez rozmarzającą tundrę, ale właśnie sadza, zaraz po dwutlenku węgla, jest najbardziej dla klimatu niebezpieczna.

Dlaczego to tak trudno zrozumieć? Otóż bilans cieplny Ziemi jest problem skomplikowanym. Mniej więcej ź energii docierającej odbija się od atmosfery, ź jest pochłaniana przez atmosferę i chmury a tylko połowa (dokładniej 47%+7%) promieniowania Słońca3  dociera do powierzchni Ziemi.

Ale ta energia, zanim wróci w kosmos,
"odbija się" wielokrotnie między powierzchnią Ziemi a atmosferą. To jakby w grze w ping-ponga, kursuje jedna piłeczka a widać ich więcej.

Po zsumowaniu,  dodatkowe  98% energii docierającej do Ziemi do zasługa atmosfery - naszej ciepłej pierzynki.

 
Atmosfera, to taka ciepła pierzynka przykrywająca Ziemię - wpuszcza światło a nie wypuszcza ciepła.

Przyjrzyjmy się temu bilansowi szczegółowo!

 
http://www.srh.noaa.gov/jetstream/atmos/energy_balance.htm

Dociera do powierzchni Ziemi

%

 

 

47%+7%

światła bezpośrednio ze Słońca

 

98%

promieniowania podczerwonego z atmosfery

Suma

152%

 


Powierzchnia Ziemi oddaje

%

 

 

7%

odbija światła bezpośrednio

 

5%

ciepła poprzez konwekcję powietrza

 

24%

ciepła poprzez parowanie wody

 

116%

ciepła poprzez promieniowanie podczerwone

Suma

152%

 


Atmosfera otrzymuje

%

 

 

4%

absorpcja światła słonecznego  przez chmury

 

19%

absorpcja słońca przez atmosferę (m.in. ozon)

 

24%

przez skraplanie wody z Ziemi w chmurach

 

5%

poprzez konwekcję z powierzchni Ziemi

 

104%

promieniowanie podczerwone emitowane z Ziemi

Suma

156%

 


Atmosfera oddaje

%

 

 

9%

emisja w podczerwoni z chmur w kosmos

 

49%

emisja w podczerwoni z atmosfery w kosmos

 

98%

emisja w podczerwoni w kierunku Ziemi

Suma

156%

 


Z kosmosu dociera

%

 

Suma

100%

 


W kosmos powraca

%

 

 

23%

odbite światło Słońca przez chmury

 

7%

odbite światło Słońca przez Ziemię

 

49%

emisja podczerwona z atmosfery

 

9%

emisja podczerwona z chmur

 

12%

emisja podczerwona z powierzchni Ziemi

Suma

100%

 

Jak w prawdziwej księgowości, bilans jest skomplikowany, ale się "zgadza"! Nie ma nadwyżki (Ziemia się nie grzeje) ale nie ma też manka.

Kluczem do zrozumienia, dlaczego atmosfera jest stosunkowo dobrze (47%) przezroczysta dla światła ze Słońca (temperatura powierzchni 5700 K) a słabo przezroczysta (12%) dla promieniowania podczerwonego z Ziemi (temperatura Ziemi to +15oC=298 K) są własności optyczne atomów i cząsteczek, z których atmosfera się składa.

Ale to już historia na inny raz!

Przeczytaj więcej: Dlaczego zimą jest ciepło - czyli o efekcie cieplarnianym

oraz

G. Karwasz, K. Służewski, Ziemia pod pierzynką, czyli o naturalnym efekcie cieplarnianym, Foton, 121/2013, 37 - 49.
G. Karwasz, K. Służewski, Ciepło, ciepło, coraz zimniej, czyli o dodatkowym (?) efekcie cieplarnianym, Foton, 122/2013, 16 - 26.

zobacz też K. Różański, Antropogrniczne zmiany klimatu - mit czy rzeczywistość?, Postępy Fizyki, 53D/2002, 162 - 168.

Przeczytał, opisał i policzył: GK
WWW: KS


1 Pierwszy kosmonauta, Jurij Gagarin odbył podróż na wysokości mniej więcej 100 km na Ziemią. Siła grawitacji wynosi na tej wysokości [6370/(6370+100)]2 ≈ 0,97 siły ma powierzchni Ziemi (6370 km to średni promień Ziemi, zob. Jakiego kształtu jest "kula" ziemska?, J. Chojnacka, G. Karwasz, Geografia w Szkole, 6/2011, 2011, 45-51.
2 Rozważania o spadającej windzie prowadzą do ogólnej teorii względności Einsteina.
3 Ilość energii promieniowania elektromagnetycznego docierającego do Ziemi (ponad atmosferą) wynosi 1361 W/m2. Wielkość tę nazywamy stałą słoneczną. W bilansie tym 10% przypada na światło nadfioletowe, 40% na światło widzialne (380-760 nm) i 50% na podczerwień.
[zob. też Solar constant versus the electromagnetic spectrum]