The Economist

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

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.

https://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 +15^oC=298 K) są własności optyczne atomów i cząsteczek, z których atmosfera się składa.

Ale to już historia na inny raz!

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

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