Fizyka dla każdego

Szanowny Panie Profesorze,

Szanowny Panie,

dziękuję za ciekawy i szczegółowy list.

Jak Pan słusznie zauważył, internet jest pełen niedokładnych, aby nie powiedzieć sprzecznych informacji, i pełen przypuszczeń, nie do końca potwierdzonych.

Zagadnienia są skomplikowane, tak więc dzisiejsza nauka nadal nad nimi pracuje. Najlepszym przykładem rozbieżności (a właściwie niepewności oszacowań) jest bilans energii, jaką dysponuje Ziemia z jej atmosferą (o określonym składzie i uwarstwieniu): różne, miarodajne naukowo źródła podają od 116 do 119%.

Dlatego mój wykład ma precyzyjnie ustaloną strukturę.

1. Ziemia (jej powierzchnia, oceany, lądolody i atmosfera) pozostaje w równowadze termicznej: tyle ile energii otrzymuje ze Słońca, tyle odsyła w kosmos.

Oczywiście, w przybliżeniu, i w sposób uśredniony: noc- dzień, równiki i bieguny, pory roku, pogoda słoneczna lub deszczowa nawałnica (w Trydencie dziś, 14.07.2024 to 27C) a przedwczoraj było 17C.

Pewna część energii wypływa z wnętrza Ziemi (pochodzi ona głównie z rozpadu promieniotwórczego uranu i potasu, oraz ze stygnięcia początkowo, tj. 4,5 mld lat temu, gorącej kuli lawy). Część energii ze Słońca zostaje (a właściwiej: została) zakopana w postaci złóż węgla, ropy i gazu. No i człowiek modyfikuje ten bilans: "produkcja" energii przez człowieka to obecnie 1/4 energii wypływającej ze stygnącej Ziemi (czyli energii geotermicznej).

2. Atmosfera, nawet bez "gazów cieplarnianych" istotnie modyfikuje pogodę i klimat, zapewniając przepływy energii horyzontalne (wiatry) i wertykalne (np. konwekcja, o której Pan pisał, lub transport pary wodnej do chmur). Słusznie Pan zauważył, że przy braku przepływów (np. w Dolinie Śmierci, lub na pustyniach "ukrytych" za Himalajami) temperatury stają się ekstremalne. Jak wyglądałaby Ziemia bez atmosfery widzimy na Księżycu - ciele niebieskim o podobnym składzie chemicznym jak powierzchnia Ziemi i w tej samej odległości od Słońca jak my), z jego temperaturami od -100C do +100 C (znów w dużym przybliżeniu).

3. Pojęcie "gazów cieplarnianych" jest bardzo szerokie. Stąd wynika konieczność zdefiniowania ich własności fizycznych. Tak azot (N2) jak tlen (O2) praktycznie są dla światła słonecznego są "przezroczyste". To ostatnie słowo wymaga wyjaśnienia. Oba gazy są przezroczyste dla światła widzialnego (wystarczy spojrzeć za okno) i podczerwonego (wyjaśnienie staje się tu nieco bardziej skomplikowane, i wymaga zauważenia, że obie cząsteczki są "symetryczne", tj. zawierają dwa, identyczne atomy). Nie są przezroczyste dla nadfioletu (i tu znów byłoby potrzebnych sporo szczegółów). Jako zapewnienie podaję, że jest to mój dział nauki, fizyka atomowa i cząsteczkowa, i że w gronie międzynarodowym (USA, Wielka Brytania, Republika Korei, Japonia) publikujemy systematycznie prace naukowe o tych i innych gazach (był już N2, NO, H2O, CO2, obecnie pracujemy nad O2).

I tu jest istotna różnica z innymi gazami, jak CO2, SO2, CH4 itd., które nie mają struktury tak symetrycznej jak N2 i O2, i pod wpływem fal elektromagnetycznych (czyli światła) zaczynają drgać i kręcić się. Fizycy mówią o wzbudzeniach wibracyjnych i rotacyjnych. Dlaczego? Bo niesymetryczna budowa oznacza niesymetryczny rozkład ładunku elektrycznego a fala elektromagnetyczna na ten rozkład wpływa. Uff! To był najtrudniejszy fragment.

A dlaczego akurat światło podczerwone absorbują te gazy? Tu się „kłania” mechanika kwantowa i struktura cząsteczek. Upraszczając, jest jak z huśtawką – aby ją rozkołysać, musimy działać siłą okresową („dziadek popchnij mnie!”) z właściwą częstotliwością.

Atmosfera Ziemi (z dużą zawartością pary wodnej) wpuszcza więc promieniowanie słoneczne (o temperaturze ekwiwalentnej jakieś 5800C) a nie wypuszcza (pochłania) promieniowani podczerwone. Podkreślam: głównym gazem cieplarnianym jest para wodna, której w atmosferze może być nawet 4% (a CO2 jest 0,04%). Dodatkowo para wodna ma dużą „pojemność cieplną”, czego doświadczamy nieuważnie wkładając dłoń w strumień pary np. z szybkowara. Do zapamiętania: aby zamienić wodę o temperaturze 100C w parę (i na odwrót) potrzeba tyle ciepła, jak do ogrzanie tej wody do 640C. Nigdy nie suszymy bielizny na kaloryferach, bo para skropli się za szafą, w zimnym kącie pokoju, i nigdy jej stamtąd nie odparujemy!

4. Oczywiście, gazy cieplarniane pochłaniają energię promieniowania podczerwonego, ale zgodnie z pojęciem równowagi termodynamicznej, również ją odsyłają: połowę w kosmos, połowę w kierunku powierzchni ziemi.

Nazywam to energetycznym „ping-pongiem”: między atmosferą a powierzchnią ziemi odbija się i powraca przepływ energii. I stąd te 119% w bilansie: Ziemia, dzięki atmosferze „dysponuje” większą ilością energii niż jej dostaje ze Słońca.

Do absolutnego zapamiętania: bez atmosfery, w jej naturalnym składzie (tj. bez działalności człowieka) temperatura na Ziemi byłaby o 33C niższa. To jest NATURALNY efekt cieplarniany, dzięki któremu na Ziemi istnieje życie!

5. Te kilka podstawowych wyjaśnień powinno nam wystarczyć, aby zrozumieć, że zagadnienia są skomplikowane.

Oczywiście, można twierdzić, że to nie wzrost zawartości CO2 odpowiada za wzrost temperatury: o gustach się nie dyskutuje.

Podkreślam więc inny fakt: sumaryczny wzrost zawartości CO2 w atmosferze odpowiada ilości wydobytego (Polska strasznie się tym kiedyś chełpiła) i spalonego węgla (ropy i gazu). Wzrost ten to 40% naturalnego poziomu CO2. Innymi słowy, w globalny sposób już zmieniliśmy skład atmosfery. Nieuważnie i bez zezwolenia.

I drugi fakt globalny: zużyte („przeżarte”?) zasoby paliw kopalnych w ciągu ostatnich 200 lat to połowa tego co Ziemia (a właściwe pracowite Słońce) zebrała w ciągu 500 mln lat. Co rok konsumujemy jeden milion lat historii Ziemi.

A to już jest ekonomicznie (i moralnie) naganne.

Co należy robić? Wszystko: sadzić drzewa, jeździć o ile można rowerem (człowiek też potrzebuje wyżywienia), instalować panele fotowoltaiczne, zimą wietrzyć mieszkanie tylko rano i przez kilka minut).

A przede wszystkim myśleć!

Pozdrowienia, i dziękuję za ciekawe pytania.

Grzegorz Karwasz

P.S. Jestem obecnie na ważnym wyjeździe studyjnym. Linki i rysunki dodam do powyższego tekstu w najbliższych dniach

Bez atmosfery temperatura na Ziemi wyniosłaby -18C a nie +15C jak to mamy w tych dniach.