Tomáš Miléř, Jindřiška Svobodová

Transkript

1 Enviseminář Tomáš Miléř, Jindřiška Svobodová 1

2 Témata semináře 1. Úvod k projektu 2. Klima a Slunce 3. Měření slunečního záření 4. Solární vařiče 5. Viditelné a neviditelné záření 6. Měření fotosyntézy 7. Model biosféry 8. Radiační ochlazování 9. Biouhel 10.Pracovní činnosti 2

3 3

4 Sluneční aktivita podceňovaný faktor v klimatické změně? Solární konstanta E 4

5 Kolik svíček spotřebujeme, abychom ohřáli vanu teplé vody za 5minut? E Zápalka m= kg, výhřevnost dřeva 12 MJ/kg 1200 J, shoří za 30 s 40W Svíčka - spalné teplo vosku. (určit hmotnost svíčky před pokusem,vložit pod nádobku s vodou, až voda zvýší svoji teplotu např. o 20 C, zhasnout plamen, určit nyní hmotnost svíčky, spalné teplo určíme jako podíl tepla přijatého vodou a úbytku hmotnosti svíčky (Q = m.c. T/ m svíčky ) Svíčka referenční tabulky --- spalné teplo 40MJ/kg svíčka hoří rychlostí 1g za 10 minut (0.1 g/min g/s), plamen uvolňuje tepelný tok asi W. 5

6 Přímé + rozptýlené (difúzní) záření = globální záření přímé záření max. 75% solární konstanty (1030 Wm -2 ) 6

7 Hodnota okamžitého globálního záření je u nás za jasného dne 500 až 1000 W/m 2. Je-li slunce zakryto oblačností, je to polovina. Při střední oblačnosti se hodnota sníží k 200 W/m 2. Při husté oblačnosti globální záření klesne ještě více. Skupiny: 800wattoví (jasno), 400wattoví (oblačno) a 200wattoví (zataženo) 1.úkol: vyznačte plochu, na níž dopadá 100 wattů slunečního příkonu pro vaše podmínky, použijte papír A4, příp. A3 (obměnou je úkol vepsat, kolik wattů dopadá na předem vymezenou plochu). E 7

8 1 m 2 listy A mm 1 list A m 2 1m 2 32 A m 2 16 A m 2 8 A

9 Skupiny: 1000wattoví (jasno), 400wattoví (oblačno) a 200wattoví (zataženo). Průměrné měsíční doby slunečního svitu v Brně [měsíc / počet hodin v měsíci] I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. Brno IX. X. XI. XII Úkol: Odhadni denní úhrny - součty globálního záření Postup: odhady příkonů se vynásobí časovým intervalem v sekundách, během něhož se domníváte, že slunce takto září, zaokrouhlete na desetinu megajoule, zpracujte např. v excelu. (získané odhady srovnejte s červnovými denními minimy 4 MJ/m 2 a maximy 3,5 MJ/m 2, v zimě se kolem 2 MJ/m 2 ). Každá skupina vyšle referujícího a ten zvolený přístup představí např. formou reklamy pro Slunce. Rozbor studentského přístupu k řešení. 9

10 Civilizace 1 člověk 150kWh denně 10

11 Sluneční vařiče 11

12 Viditelné a neviditelné záření Distribuce slunečního záření Vlnová délka (nm) Energie (%) , (ultrafialové) 7, (viditelné, Phar) 39, (infračervené) 38, a více 12,4 12

13 Okenní teploměr ukazuje 25 o C. Jakou teplotu mají předměty v okolí? E 13

14 Optics 20:1 Air T=24 C 25.5 C 24 C 23 C 23 C 23,5 C 24,5 C 25 C 23 C 14

15 Měření odrazivosti různých povrchů Zařízení: Luxmetr, solar wattmetr, spectrofotometr, Studenti měří osvětlení od slunce - UP a reflektované záření DOWN z různých úpovrchů. Počítá se reflektivita různých povrchů jako podíl zjištěných údajů. Albedo A - je podíl odraženého a celkového dopadajícího záření obv. v procentech Může být optická odrazivost považována za odhad albeda A? A jak je tedy samotný povrch Země tmavý? To lze odhadovat napohled, Pro mnohé povrchy se ale jejich vlastnosti v oboru vizuálním a oboru širšího rozmezí vlnových délek moc neliší Solární albedo povrchu v poněkud širším spektrálním okně Jak rozdílné může být takové albedo od vizuálního? 15

16 Albedo Závisí na vlnové délce a úhlu dopadu přímého záření na vlastnostech povrchu (barva, vlhkost, struktura) Čerstvý 70 až Vlhký 24 Tráva 26 sníh 90 písek Starý sníh 40 Vlhká ornice 14 Jehlična tý les 10 až 19 Suchý písek 37 Povrch oceán u 2 až 7 Listnatý les 20 16

17 Solar wattmetr Luxmetr (visual) DOWN UP Reflektivity Solar Wattmeter Luxmeter (visual) Asolar Avisual 0.23 dlaždice 0.14 asfalt UP Luxmeter Solar wattmeter DOWN 17

18 solarmeter Avisual=0.07? luxmetr UP V tabulek: A=0.4 pro vegetaci Asolar=0.39 DOWN Vysvětlení? 18

19 Odlišnosti měřidel Spectral sensitivity of Luxmeter and Solarmeter Solarmeter Luxmeter photopic curve Pokud vegetace odráží významně v IR, je hádanka rozluštěna 19

20 List a list papíru SpectroVis Plus 380 nm až 950 nm, resolution 1 nm 20

21 Reflection spectra of the green paper sheet and of the leaf relative intensity leaf green paper sheet wave length / nm

22 Srovnání naměřeného spektra reflektivity a fotosyntézy reflection spectrum consumption spectrum Cit. Wikipedia 22

23 fotosyntéza jen v buňkách s fotosyntetickými barvivy jen na světle CO 2 a H 2 O vstupují do reakcí O 2 se uvolňuje dýchání ve všech buňkách na světle i ve tmě CO 2 a H 2 O se uvolňují O 2 se spotřebovává hromadí se energeticky bohaté látky, hmotnost rostliny se zvyšuje zásobní látky se spotřebovávají, hmotnost rostliny se snižuje 23

24 Fotosyntéza luxmetr CO 2 meter datalogger 24

25 1000 Photosynthesis in petroselinum time start =10 PM CO / ppm Respiration of the plant and saturation due to leaks illumination / lx time / h pokles CO 2 25

26 Měříme Koncentrace CO 2 a vodní páry Koncentrace CO 2 a vodní páry Plocha listu, průtok vzduchu, teplota listu, teplota vzduchu. 26

27 27

28 Proč? Radiační chlazení a ohřev Řada vědců doporučuje natírat střechy na bílo pro redukci globálního oteplování. Jsou bílé střechy lepší než kovové? 28

29 Bílá střecha Al střecha emisivita 29

30 Jak se bude lišit teplota při oslunění bílé a lesklé plochy? 30

31 31

32 Kovová střecha Bílý nátěr Jak se ohřeje povrch od dlaně? Al bílý papír 32

33 Interaction of Al and white surface with sunshine and irradiation by hands temperature / C in shadow under sunshine 34 irradiated by hands Al foil white paper time / min illumination / lx 33

34 Jak se ochlazují předměty při jasné obloze? Prostorový úhel, který zabrala obloha byl v obou případech odlišný 34

35 35

36 36

37 Model MODTRAN 37

38 38

39 Pracovní listy Ropa Práce s grafy 39

40 Vzduch ve vnitřním prostředí Hlavní ukazatele průběžné kvality vnitřního prostředí : ( v příp. vyloučení zdrojů kontaminace) relativní vlhkost, množství vyměňovaného vzduchu, s tím souvisejí odéry a CO2. Měřili jsme koncentrace oxidu uhličitého především v interiérech. Motivace: 26% škol má potíže s ventilací Vyhl. Č.6/2003 Sb. stanoví hygienické limity chemických, fyzikálních a biologických ukazatelů pro vnitřní prostředí tříd na rozdíl od školních prostor obytné stavby nemají žádnou legislativní oporu pro větrání. 40

41 5 000 ppm ppm 41

42 Měření koncentrace CO 2 v různých lokalitách Odhad nárůstu CO 2 produkovaného 1 osobou v běžné místnosti a dále porovnání objektů s netěsnými a těsnými okny z hlediska koncentrace oxidu uhličitého Porovnání množství CO 2 ve městě a na venkově, v lese ap. 42

43 CO 2 Gas Sensor měří v rozsazích 0-10,000 ppm a 0-100,000 ppm snímač vyhodnocuje snížení množství IR záření a tomu přiřadí koncentraci oxidu uhličitého Dataloger čte 1x za sekundu. 43

44 Měření v pralese 44

45 Cesta Pralesem Mionší dopoledne Hodnoty i pod 200 ppm 45

46 Měření na venkově u vody 46

47 Měření v bytě Při zvýšené koncentraci se stává oxid uhličitý znečišťující látkou, může za ospalost, bolesti hlavy, a nižší aktivitu Hladiny CO 2 méně než 600 ppm jsou skvělé, úroveň kolem 1000ppm je dobrá úrovně nad 1500 ppm svědčí o nedostatečném větrání Úrovně 2500 ppm nebo větší mohou způsobit bolesti hlavy PEL je 5000 ppm (to už je 0,5%). Praxe ukazuje, že mnoho obytných místností i tříd má CO 2 nad 2500 ppm 47

48 Produkce CO 2 dýcháním 1osoba práce v klidu: 12 až 20 l.h -1 Zvýšený obsah CO 2 je škodlivý, ovlivní dýchací centrum (zvýšený obsah CO 2 v krvi stimuluje dýchání). Uvádí se, že je možné se na zvýšený obsah CO 2 mírně adaptovat. Efekty na člověka: Pod 0,15% - neškodný, v mezích adaptace. Do 0,6% - prohloubený dech, po delší expozici poruchy nočního a barevného vidění. Lze předpokládat zhoršení výkonnosti, bez trvalejších následků. 1,5% - Neschopnost dýchat, zvýšený tep, bolesti hlavy, pocení, neklid, poruchy vidění, zvracení, bezvědomí. Může vést k poškození zdraví. 3% - křeče, bezvědomí 4% a víc - smrtící účinky během několika hodin 48

49 Trend: Červená = sezení větraná místnost Modrá = sezení nevětraná místnost 49

50 místnost po odchodu lidí 50

51 DOTAZY I. Měnila se koncentrace oxidu uhličitého v místnosti v průběhu měření? Rychle nebo zvolna? II. Proč se koncentrace oxidu uhličitého v obsazené třídě zvýšila během hodiny, mohla se zvyšovat rychleji nebo pomaleji? III. Jaké jsou možné důsledky zvýšené koncentrace oxidu uhličitého v místnosti? IV. Jaká je role oxidu uhličitého při fotosyntéze? Jaká je jeho role v buněčném dýchání? V. Který plyn ubývá v atmosféře s přibýváním CO 2? VI. Odhadněte z grafu ( ), v jakém prostředí se postupně pohyboval chodec, zrekonstruujte nějaký odpovídající smyšlený příběh. VII.Napište další otázky k tomuto experimentu. 51

52 Tomáš Biouhel Různé další drobnosti.. 52

53 Solární jezírko? 53

54 Ukázat, že množství vody, které se může vypařit do vzduchu daného objemu vzrůstá s teplotou pokusy s petkou 54

55 Vypařování.. Co páchne víc? 55

56 Zažili jste nedávnou bouřku? Odhadněte množství energie uvolněné do atmosféry během této bouřky. Vyhledání potřebných údajů 56

57 Předpokládejme 10 mm srážek na kruhovou plochu R=1 km h = 10 mm = 10-2 m r = 1 km = 10 3 m ρ = 10 3 kg.m -3 Objem vody V = π r 2 h = π (10 6 )(10-2 ) = m 3 hmotnost vody m = ρ V = (10 3 )( ) = kg r h Latentní teplo skupenská přeměna vodní páry na kapalinu Q = m L L v = 2, J.kg -1 Energie uvolněná do atmosféry kondenzací vodní páry Q = m L V = ( )( ) J = J Závěr Energie uvolněná skupensky bouřkou je 10 krát větší než energie atomové bomby. Výpočet poukazuje na enormní energetické transformace během atmosferických procesů. A to jsme nezapočítali energii z blesků 57

58 Hádejte: Jaká energie je v kilogramu výbušniny TNT ve srovnání energií kila čokoládových sušenek? 58

59 objekt Energie na 1 gram srovnání s TNT P = E t TNT (trinitrotoluen) 2900 J 1 Čokoládové sušenky 21 kj 8 Máslo 29 kj 11 Benzín 42 kj 15 metan (CH4) 54 kj 20 Všimněte si, že v populárním použití, se výrazy výkon a energie se často zaměňují. Najděte tyto záměny 59

60 Plocha a objem tělesa Tělesa z geometrického pohledu se liší proporcemi, fakta: plocha S povrchu těles roste s 2.mocninou jejich lineárního rozměru, objem V roste s 3.mocninou tohoto rozměru S/V, příp. A/V jejich podíl je zajímavou veličinou, která ovlivní důležité skutečnosti pro neživou i živou přírodu Poměr plochy povrchu kůže k objemu těla určuje rychlost, s jakou se ochlazujeme, zkuste odpovědět, zda se rychleji ochlazuje dospělý nebo dítě 60

61 Zmenšuje se Se zmenšováním velikosti objektu nanočástice její objem klesá, ale podíl částic na jejím povrchu se zvyšuje --- malé věci mají velké S/V Povrchové vlastnosti objektu začnou převažovat nad vlastnostmi jeho objemu Vliv na chování nanočástic má právě ona obrovská změna poměru velikosti povrchu ku objemu S/V, br 61

62 Povrch určuje míru výměny látek Buňka interaguje s okolím přes svůj obal, zde dochází k difúzi, adsorpci,osmotickým procesům, vše závisí na velikosti povrchu, který je k dispozici Buňka nemůže zmenšit velikost pod jistou úroveň <- potřebuje tak velký povrch, aby se jím právě uživila a jen tak velký objem,aby v sobě dokázala transportovat v reálném čase vše potřebné Příroda ladí optimum S/V 62

63 63

64 faktory ovlivňující fotosyntézu počet živých chloroplastů světelná energie množství oxidu uhličitého v ovzduší množství vody v prostředí teplota (nejlepší okolo 25 C) zjištění intenzity fotosyntézy stanoví se spotřeba CO2 nebo produkce O2 zjistíme množství vyrobených organických látek za určitý čas na jednotku listové plochy F.je anabolický děj probíhající u autotrofních organismů přeměna CO2 a H2O pomocí světelné energie na organické látky procesy probíhající při fotosyntéze se dělí na primární a sekundární primární jsou závislé na světle sekundární světlo ke svému průběhu v zásadě nepotřebují (prakticky však bez světla dlouho probíhat nemohou, protože jsou závislé na primárních dějích, které se za nepřítomnosti světla zastaví) fotosyntéza bakteriálního typu: neuvolňuje se kyslík kyslíková (oxigenní) fotosyntéza: uskutečňují ji zelené rostliny a sinice souhrnná rovnice: 12H2O + 6CO2 + E = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O všechny atomy kyslíku v glukóze pocházejí z CO2 veškerý kyslík uvolňovaný do ovzduší z vody Bakterie nevyužívají při fotosyntéze jako zdroj vodíku vodu, ale látky uvolňující vodík snadněji (např. plynný sulfan), a proto se neuvolňuje kyslík, nýbrž síra nebo jiné látky. 64

65 Fotosyntéza Kdo? vyšší rostliny, zelené a hnědé řasy, sinice, purpurové a zelené bakterie Co ji umožňuje? přítomnost fotoreceptorů (=pigmentů absorbujících záření) většinou se využívají chlorofyly a,b jejichž činnost doplňují karotenoidy Co to je? z hlediska syntézy glukosy anabolický děj více viz. fotosynéza II zjištění intenzity fotosyntézy stanoví se spotřeba CO2 nebo produkce O2 zjistíme množství vyrobených organických látek za určitý čas na jednotku listové plochy 65

66 Charakteristická závislost rychlosti čisté fotosyntézy rostlin C3 a C4 na koncentraci CO 2 Zvýšená koncentrace CO 2 : Snižuje vodivost průduchů Zvyšuje rychlost fotosyntézy 80 Snižuje rychlost transpirace Rychlost fotosyntézy C4 C Koncentrace CO 2 (ppm) 66

67 67

68 68

69 69

70 p fotonů počoč n p n t p F x black = = = p n p p n t p F x x x reflex 2 )) ( ( = = = W P h P F F t black reflex 10 = 2 nn W c P h hf P p n F F black reflex = = = = λ 70

71 Točí se opačně Ukazuje se, že to je "tepelný vírový tok plynu tekoucího ze studené strany na teplou stranu, poměrně složitý jev. 71