Environmentální fyzika Renata Holubová Olomoucký fyzikální kaleidoskop 2005
! " #
Environmentální fyzika -globálními problémy lidstva, tedy hlavn jejich fyzikální podstatou a možnostmi jejich technického ešení..ohrožení biosféry (prostedí, ve kterém mohou existovat živé organismy) tedy i životního prostedílovka. Jsou zpsobeny bu vlivem a úinkem pírodních (nap. výbuchy sopky, zemtesení, zmna klimatu, ) nebo antropogenních faktor.
ešené problémy úzce souvisí se spoleností a s ekonomickým systémem spolenosti. Souvislost s ekonomickým systémem: zdroje energie a jejich pemna v mechanickou energii a elektinu jsou zdrojem zneištní na své cest k využití v zemdlství, prmyslu, domácnosti. Je teba mit míru zneištní ve všech oblastech (hluk, zneištní vzduchu zmny klimatu, transport odpad do míst vzdálených od zdroje jejich vzniku). Vtšina problém ešených environmentální fyzikou souvisí s problémem energie.
Život ve skleníku: život je ovlivnn uritými danými fyzikálními podmínkamipovrch Slunce má teplotu asi 5800 K, emisní spektrum má maximum pi vlnové délce 500 nm odpovídající energii foton 2,48 ev (vznik fotochemických reakcí), vzdálenost Zem Slunce (1,49.10 11 m) a polomr Zem (6,4.10 6 m) vede k zachycení 0,46.10-9 ásti slunení energie. Pedpokládáme-li, že Slunce záí jako absolutn erné tleso o polomru 6,96.10 8 m a teplot 5800 K, lze zjistit, že na Zemi dopadá 1399 W.m -2 energie. Aktuální hodnota solární konstanty je málo nižší S 1370 W.m -2. Je to hodnota, která zajistí prmrnou teplotu povrchu zemského 288 K (15 o C).
Hmotnost Zem (6.10 24 kg ) a její polomr je práv taková, že je schopna udržet atmosféru.
$% &
Za stacionárního stavu je energie absorbovaná od Slunce stejná jako energie vyzáená Zemí (považujeme-li Zemi za AT o teplot asi 255 K). ást energie Slunce je však odražena zpt do prostoru - tzv. albedo a - difúzní koeficient reflexe. Rovnice energetické rovnováhy má potom tvar, 2 ( 1 a) π R S = 4πR σt 2 4 kde a = 0,34.
Atmosféra je plyn termické a mechanické promnné jsou vázané a jevy mechanické a termické je teba studovat ve vzájemných souvislostech Nejdležitjší veliiny mají prostorové rozdlení, pracujeme s poli Parciální diferenciální rovnice popisující vztahy mezi promnnými nejsou lineární chaotická ešení
S krátkovlnným viditelným slunením svtlem pichází energie ze Slunce na Zemi. Toto svtlo prochází atmosférou a je absorbováno zemským povrchem Pitom vzniká teplo, které konvekcí je transportováno vzhru. V emisní výšce spolu s dlouhovlnným svtlem opouští Zemi. Teplota v emisní výšce je asi 30 o C. Tak je emitováno práv tolik I svtla, kolik je teba k vytvoení rovnováhy vzhledem k dodané entropie a energie od povrchu. Platí Stefan-Boltzmannv zákon. Na povrchu Zem je teplota vyšší, asi 15 o C.
'( ve fyzice tzv. efektivní hustota atmosféry. Jinak eeno, je to tlouška vrstvy pohlcující I záení; závisí na vlnové délce. Pibližná hodnota je 7 km na povrchem Zem.
Základní mechanizmus skleníkového efektu
Modely atmosféry na základ pedchozích úvah Model musí zodpovdt následující otázky: Pro klesá teplota v troposfée smrem vzhru? Který mechanismus transportu tepla je urující pro transport od povrchu Zem do emisní výšky? Jak ovlivují tzv. skleníkové plyny tento transport tepla?
) * +, Atmosféra je popisována jako tepelná izolaní vrstva Zem. Uvažujme tedy, že Zem je obklopena nap. polystyrénem. Nyní si pedstavíme, že zespodu topíme. Platí T j E = λ s kde j E je hustota energetického toku, λ koeficient tepelné vodivosti, s tlouška tepeln vodivé vrstvy, T rozdíl teplot. Odhadneme teplotní gradient našeho modelu. Pedpokládáme tok tepla jako u skutené atmosféry, tj. j E = 157 W.m -2. Pro koeficient tepelné vodivosti vezmeme hodnotu pro polystyrén, tj. λ -./.012-1.K -1 (pibližn stejný jako má vzduch). Tloušku vrstvy máme 7000 m. Odtud )-03...42
5, Pro myšlenkové experimenty definujeme poátení podmínky: - tekutina je dobe promíchána rozdlení teploty je nezávislé na míst, tlak zstává nehomogenní. Voda, kterou zahíváme zespodu nap. plotýnkovým vaiem, má homogenní rozdlení teploty; naopak voda zahívaná shora (nap. infraervenou lampou) má konstantní vrstvení s velkým teplotním gradientem. Je nyní tekutina zahívaná zespodu dobrým modelem atmosféry? Opt odpovíme : ne. Jeden z požadavk kladených na model není splnn, a to reprodukce teplotního rozdílu mezi dole a nahoe. Náš první model dával velký rozdíl teplot, druhý model rozdíl nulový.
5, Tlak je nehomogenní. Teplota nehomogenní. Stejn jako tlak i teplota klesá smrem vzhru. Ustaví se nejen stabilní gradient tlaku, ale i gradient teploty. V pípad, že vzduch neobsahuje vodu, má závislost teploty na výšce jednoduchý tvar je lineární ( z) = T( 0) ( gm / c )z T p. teplotní spád 1 K na 100 m
",6 Pi konvekci vzduchu se neustále mní jeho teplota stoupá-li vzhru, jeho teplota klesá, pi poklesu teplota roste, stejn jako tlak. Tím se nám podailo nalézt funkní model.
Konvekce je sice dominantním, ale ne jediným zpsobem transportu tepla. Byla by jediným, kdyby byla atmosféra zcela neprostupná pro I záení. To ale není pravda, nebo existuje atmosférické okno. Tzn., že ást tepla není transportována konvekcí, ale atmosférickým oknem je vyzáena pímo zpt do atmosféry
7'# Plyn absorbuje mimo atmosférické okno roste efektivní tlouška atmosféry Plyn absorbuje v oblasti atmosférického okna okno se zmenšuje (povrch Zem se zahívá)
Vodní pára, CO 2 a další tzv. skleníkové plyny patí k látkám, které absorbují dlouhovlnnou infraervenou složku záení, emitovanou zemským povrchem (záení s vlnovou délkou od 0,4 do 14,7 mm). Krátkovlnná ást sluneního záení je absorbovaná jen v malé míe, naproti tomu ervené paprsky viditelnéásti spektra, a zejména neviditelné dlouhovlnné infraervené záení (tzv. tepelné záení) je absorbované významn skleníkovými plyny. Krátkovlnná složka zahívá zemský povrch, který na základ platnosti vyzaovacího zákona vysílá tepelné záení zpt do spodních vrstev atmosféry. Atmosféra obsahující vodní páry, clonu oblak, oxid uhliitý a další složky, toto záení nepropouští do kosmického prostoru, ale podstatnou ást vrací zpt na zemský povrch.
Úrove hladiny moe a globální oteplování Koeficient teplotní roztažnosti moské vody je roven 3.10-4 o C -1 Zvýšení teploty moe o 1 o C. zvtšení objemu vody o 0,03% Uvažujeme-li hloubku prohátí moe 500 m, máme 500 m x 0,03% = 0,15 m Zvýšení hladiny moí vlivem globálního oteplování je v prmru 10 cm.
7 # "& 8& 9.:/-;.../-603 < =>?8&?8 @A.
Vzhledem k anomálii vody má zmna teploty dramatický vliv. Nejvtší hustotu má voda pi teplot asi 4 o C, pod a nad touto teplotou hustota klesá (stejná hmotnost vody zaujímá vtší objem). Zvtšení objemu vody vede ke zvýšení hladiny oceán.
Voda z tajících ledovc má navíc jiné složení než moská voda má menší obsah solí (menší koeficient solvatace), proto je lehí a zstává na povrchu moské vody, která má vtší hustotu. Na základ analýzy dosud shromáždných dat byly uinny pedpovdi až do roku 2100. Pedpovídané zvýšení hladiny oceán by mlo init asi 50 cm (rozptí je 15 až 95 cm). B 2
Graf znázoruje kolísání prmrných roních teplot v atmosfée vzhledem k prmru let 1961-1990 bhem posledních 140 let. Na svislé ose jsou odchylky teplot od uvedeného prmru ve C, na vodorovné ose jsou jednotlivé roky. erná linka zaznamenává dlouhodobjší trendy potlaováním náhlých krátkodobých výkyv.
Bariéra chránící biosféru ped nadmrným psobením UV záení, vznikla ped 2 miliardami let, 90 % ozónu je ve stratosfée (15 až 20 km nad povrchem Zem), 10 % v pízemních vrstvách troposféry. Vznik ozónu: O 2 + O + M O 3 + M (M libovolnáástice, nap. N 2 ) Vznik atomárního kyslíku ve stratosfée O 2 + hν O + O (λ< 242 nm) v troposfée NO 2 + hν NO + O (produkt provozu motorových vozidel) Rozklad ozónu ve stratosfée X + O 3 OX + O 2, OX + O O 2 + X ( X radikál Cl, NO, OH aj).
1 D.j. je množství ozónu, které by za normální teploty a tlaku vytvoilo vrstvu o tloušce 0,01 mm). Lokální koncentrace pízemního ozónu se zjišuje elektrochemicky, titran, údaje jsou v µc 3, ppb (1 ppb = 2 µc 3 ). Prmrná pírodní koncentrace je 20 µc 3 (pro zneištní je doporuená limitní hodnota pi osmihodinové expozici vtší než 160 µc 3
skleníkový plyn vz ore c procentuální zastoupení v atmosfé e relativní úinnost dosavadní nárst podíl na zvýšeném skleníkovém efektu vodní pára H 2 O 0,2-3 1? kolem nuly oxid uhliitý CO 2 0,036 1 31% 61% metan CH 4 0,0002 21 20% 19% oxid dusný N 2 O 0,00003 310 5% 6% ozón O 3 promnlivé? spíše úbytek 0% CFC 3. 10-8 asi 5000 halogenované uhlovodíky HCFC 1. 10-8 asi 5000 CF 4 1. 10-8 6500 veškeré množství v atmosfée 14% - nejisté HFC 10-10 1300
D ' ECFFF22CFCF
$% &