Fizyka dla każdego

O dziwo, nad Bałtykiem atmosfera jest dla słońca bardziej przezroczysta, a właściwie cieńsza. Słońce, nad atmosferą, tam gdzie latają kosmiczne statki, pali niemiłosiernie – 1347 watów na metr kwadratowy (tyle co mały piecyk elektryczny). Ale w atmosferze sporo tego promieniowania, a szczególnie tego najbardziej szkodliwego, ultrafioletowego znika, a raczej jest pochłaniane [1].  (Do badania ilości ultrafioletu w świetle słońca mamy specjalne koraliki, bezbarwne przy braku UV a kolorowe na słońcu - zob. obok.)

Pochłanianie promieniowania słońca w atmosferze zależy od jej składu, no i grubości. Nad równikami pierwsza, najgęstsza warstwa atmosfery, tak zwana troposfera (tam gdzie tworzą się chmury) jest najgrubsza – 20-25 km. Nad biegunami, tam gdzie konwekcja powietrza jest mniejsza (bo i słońce mniej ziemię nagrzewa) – troposfera jest cieńsza – zaledwie jakieś 10 km [5].

Dlatego nad Bałtykiem słońce świeci mocniej. No i dzień jest znacznie dłuższy [3] w Jastrzebiej Górze niż w Bielsku Białej.  Ale to nie koniec historii [4].

[1] W widmie Słońca ultrafiolet stanowi tylko 10% (światło widzialne 50% a podczerwień 40%).

Na rysunku poniżej dwie krzywe wykreślone linią ciągłą ilustrują rozkład promieniowania Słońca - temperatura 5700 K i Ziemi - 288 K

Rys.1. Zależność od długości fali (λ w nm) mocy promieniowania słonecznego na jednostkę powierzchni docierającego do powierzchni Ziemi. Nadfiolet to biała, brakująca część widma, o długościach fali poniżej 380 nm. Jest ona "wycinana" z widma Słońca w termo-, jono- i strato-sferze (źródło: GK, KS, Foton 2013)

Większość nadfioletu, tego najbardziej groźnego (50-100 nm długości fali) jest pochłaniane [Rys.2] bardzo wysoko w atmosferze, powyżej 100 km, przez atomowy tlen i azot na tych wysokościach. Szczęśliwie dla nas, pozostały nadfiolet, jeszcze dość groźny dla żywych organizmów, ten między 200 a 300 nm, jest pochłaniany przez warstwę ozonu, czyli tlenu O₃.

Rys.2. Absorpcja promieniowania UV w ziemskiej atmosferze. (źródło Uni Colorado)

Ozonu jest bardzo mało, pod ciśnieniem atmosferycznym jego warstwa miałaby tylko 3 mm grubości, więc jest bardzo cenny².

[2] Mówi się o dziurze ozonowej nad biegunami. W rzeczywistości, ozon właśnie zbiera się nad biegunami, bo jest stabilny w niskich temperaturach. Obecność chloru w atmosferze, np. z tzw. freonów używanych do niedawna w lodówkach i aerozolach kosmetycznych, powoduje katalityczny rozpad ozonu. Stąd dziura w warstwie ozonu nad biegunami, na szczęście ostatnio coraz mniejsza.

[3] 24 czerwca w Bielsku Białej Słońce wschodzi o 3:37 a zachodzi o 19:57 zaś w Jastrzębiej Górze o 3:10 a zachodzi o 20:29.

Na początku lata dzień nad Bałtykiem jest więc dłuższy aż o godzinę!

[4] Własności absorpcyjne atmosfery zależą również od jej składu. Głównym gazem cieplarnianym na Ziemi nie jest dwutlenek węgla CO₂, ale para wodna. A tej zawartość w atmosferze, w odróżnieniu od CO₂, bardzo się zmienia: rośnie mniej więcej jak czwarta potęga temperatury w stopniach Celsjusza. 

W temperaturze 20ºC ciśnienie pary wodnej (przy tzw. 100% wilgotności względnej) wynosi 17/760 ciśnienia atmosferycznego,  a temperaturze 100 ºC – 760/760 ciśnienia atmosferycznego, czyli 1013 hPa (dlatego w niewłaściwie obsługiwanej saunie można się udusić – jest tam głównie para wodna, a mało tlenu).   

I to para wodna, której najwięcej jest nad równikami, pochłania sporo promieniowania słonecznego.

[5] Na zdjęciu poniżej, z Santa Fe w Nowym Meksyku (USA) wydaje się, jakoby chmury były bardzo nisko. W rzeczywistości chmury (tzw. cumulusy) są tam, gdzie być powinny - na wysokości 4-5 km, a to Santa Fe jest wyżej - 2134 m n.p.m.

(foto Paweł Karwasz, 2001)

Tekst G. Karwasz, 26.07.2016 w Sopocie, układ html K. Służewski (KS16)