Zjawiska i procesy fizyczne w przyrodzie przyrodzie

(1)

Zjawiska i procesy fizyczne w przyrodzie

przyrodzie

Karol Augustowski

godziny konsultacji:

wtorek 8:30 – 10:00 mail: kaugustowski@wp.pl; karolaug@up.krakow.pl s.433

(2)

• Warunki zaliczenia:

• 100% obecności

• Każda nieobecność to zaliczenie: ustne lub pisemne z materiału omawianego na zajęciach w godzinach konsultacji lub

zajęciach w godzinach konsultacji lub wspólnie ustalonych

• Oddanie poprawnie wykonanych

wszystkich prac indywidualnych i

grupowych

(3)

• Kolokwia

• Tylko na niektórych zajęciach

• Na każdym z kolokwiów można uzyskać identyczną liczbę punktów np. 30

• Każdy z uczestników zajęć musi zaliczyć każde z kolokwiów

kolokwiów

• Istnieje możliwość dwukrotnej poprawy każdego z niezaliczonych kolokwiów.

• Trzecia poprawa w sesji poprawkowej

• Na zakończenie kursu, każdy uczestnik otrzymuje

ocenę końcową na podstawie średniej ze wszystkich

wcześniejszych kolokwiów

(4)

• 60 – 70% - 3,0

• 70 – 75% - 3,5

• 75 – 85% - 4,0

• 85 – 90% - 4,5

• pow. 90% - 5,0

• Pod uwagę bierze się wyłącznie wyniki z kolokwiów pisanych w pierwszym terminie

pisanych w pierwszym terminie

• W przypadku gdy średnia z kolkwiów będzie < 60%, ale uczestnik kursu zaliczy wszystkie kolokwia

uzyskuje ocenę 3,0

• Na egzaminie za oceny z ćwiczeń 4,0; 4,5 i 5,0 uczestnik kursu otrzyma dodatkowe punkty

• Będzie to najprawdopodobniej +2pkt; +4pkt; +6pkt

(5)

• Test zaliczeniowy i egzamin

• Ocena końcowa

(6)

Bilans cieplny Ziemi

(7)

(8)

100% Promieniowanie słoneczne

23%

Pr. odbite przez chmury i atmosferę

Pr. zaabsorbowane przez atmosferę

12%

50%

9%

70%

Okno atmosferyczne Pr. emitowane

przez atmosferę

Uchodzące promieniowanie

długofalowe

GAZY CIEPLARNIANE

7% 47%

Pr. zaabsorbowane przez ziemię Pr. odbite przez

ziemię

116%

104%

5% 23% 98%

Pr. powierzchni Ziemi

Pr. zwrotne

Absorbowane przez ziemię

Ciepło jawne

Ewapotranspiracja Ciepło ukryte (utajone)

Ciepło jawne to ciepło, które powoduje zmianę temperatury obiektu

Ciepło utajone to ciepło, które powoduje zmianę stanu skupienia bez zmiany temperatury

Na przykład gotująca się woda

utrzymuje temperaturę 100°C. Ciepło dodane w celu podtrzymania gotowania

się wody to ciepło utajone http://mirador.gsfc.nasa.gov

(9)

Promieniowanie słoneczne

• Dlaczego Słońce nie przestaje świecić?

– W starożytności sądzono, że Słońce to niezwykle potężny ogień

– 1848 r – von Mayer – stwierdził że Słońce wytwarza energię w procesie spalania wodoru i tlenu

– Koncepcja upadła, gdyż po przeliczeniu odległości Ziemia – Słońce, energia ta wyczerpałaby się po ok. 5000 latach – Słońce, energia ta wyczerpałaby się po ok. 5000 latach – Von Mayer zmienił koncepcję – uznał, że wszystkie

gwiazdy czerpią swą energię z nieustannego

bombardowania ich powierzchni przez meteoryty

– Koncepcja upadła jeszcze szybciej (http://studio.wp.pl/i,kometa-uderza-w-Slonce,mid,1208375,wideo.html)

– Ok. 1865 roku – von Helmholtz – stwierdził, że Słońce czerpię swą energię wskutek kurczenia się wywołanego oddziaływaniem grawitacji

– Koncepcja upadła – energia Słońca wystarczyłaby na 15 mln lat

(10)

– 1914 r – Russel i Hertzsprung – wg tej koncepcji energia Słońca pochodzi z wzajemnego niszczenia się dodatnio naładowanych protonów i ujemnych elektronów

– Koncepcja została odrzucona

– 1927 r – Eddington – stwierdził, że źródłem energii może być przemiana wodoru w hel (pod wpływem

wysokiej temperatury i ciśnienia). Wg obliczeń energia z takiego źródła wystarczy na kilkanaście mld lat

takiego źródła wystarczy na kilkanaście mld lat – Druga połowa lat 30-tych XX wieku – Bethe –

udoskonalił teorię Eddingtona i uznał, że niewielka ilość węgla w Słońcu jest pewnego rodzaju katalizatorem

wspomagającym syntezę wodoru

– Teoria ta jest podstawą współczesnych hipotez

wyjaśniających wytwarzanie energii wewnątrz gwiazd

(11)

• Obecnie Słońce jest żółtym karłem

• Za ok. 5 mld lat stanie się czerwonym olbrzymem

– Jego wielkość zwiększy się około 200-kilkukrotnie – Pochłonie najprawdopodobniej trzy najbliższe planety

• Po kolejnym 1 mld lat czerwony olbrzym odrzuci zewnętrzne warstwy gazu, zacznie się zapadać pod wpływem własnego ciężaru i powstanie mgławica planetarna

• W środku mgławicy pozostanie jedynie gorące jądro zwane białym karłem

• Wg hipotez przez kolejne kilka mld lat będzie stygło i powstanie czarny karzeł

karzeł

• Czarny karzeł to tylko teoria. Czas ostudzenia się białego karła do stanu czarnego karła szacowany jest jako dłuższy niż obecny wiek wszechświata, zatem forma ta prawdopodobnie jeszcze nie istnieje

en:Image:Sun Life.png

(12)

Albedo na Ziemi

http://www.eoearth.org, z NASA Earth Observatory

(13)

• Średnie albedo Ziemi – 30%

• Merkury – 10%

• Wenus – 73%

• Enceladus – księżyc Saturna – 99%

(14)

http://daac.gsfc.nasa.gov/giovanni/

(15)

Albedo w różnych trymestrach trymestrach

roku

http://eosweb.larc.nasa.gov

(16)

Albedo śniegu

withfriendship.com http://www2.hawaii.edu/~jmaurer/albedo/

UV Światło widzialne Bliskie podczerwieni i podczerwień

(17)

W jaki sposób każdy z nas przyczynia się produkcji gazów cieplarnianych ?

• Twój odcisk stopy na Ziemi …

• 200 pkt lub mniej – żyjesz zgodnie z założeniami ekorozwoju.

Nie przekraczasz dostępnej przestrzeni ekologicznej. Taki wynik uzyskało około 70% odpowiadających

• 200 – 400 pktów – Twój ślad jest mniejszy niż średnia

europejska. Gdyby każdy żył tak jak Ty, potrzebowalibyśmy dodatkowej planety, by sprostać konsumpcji. Około 15%

ludności żyje w ten sposób

• 400 – 600 pktów – Twój ślad odpowiada średniej europejskiej.

Gdyby każdy żył tak jak Ty potrzebne byłyby dwie dodatkowe planety. Około 7% ludzi żyje w ten sposób

• 600 – 800 pktów – Twój ślad przekracza średnią europejską.

Gdyby wszyscy ludzie prowadzili taki styl życia, potrzebne

byłyby jeszcze trzy dodatkowe planety. Około 3% ludności żyje w podobny sposób.

(18)

http://www.worldmapper.org/posters/worldmapper_map322_ver5.pdf

(19)

http://www.worldmapper.org/posters/worldmapper_map322_ver5.pdf

(20)

Odcisk stopy – wg krajów - MAX

• Zjednoczone Emiraty Arabskie – 10,6 [gha/os]

• USA – 9,7

• Bahamy – 7,7

• Kanada – 7,5

• Kuwejt – 7,4

• Australia – 7,0

• Finlandia – 6,8

• Estonia – 6,1

• Nowa Zelandia – 6,1

(21)

Odcisk stopy – wg krajów - MIN

• Afganistan – 0,11

• Somalia – 0,23

• Bangladesz – 0,47

• Kambodża – 0,55

• Haiti – 0,57

• Malawi – 0,57

• Kongo – 0,58

• Zambia – 0,58

• Demokratyczna Rep. Konga – 0,58

• Nepal – 0,61

(22)

Polska

• Wg raportu „The Living Planet 2008” na każdego Polaka przypada 2,1ha.

• Statystyczny Polak z kolei zużywa ok. 4ha

(23)

Jolly Janner

(24)

Przekroczone poziomy wykorzystania terenu

6 8 10

12 Wykorzystana przestrzeń

Przysługująca przestrzeń Poziom przekroczenia

0 2 4 6

ZEA Bahrajn Katar Belgia Kuwejt Singapur Holandia Korea PD Izrael Arabia Saudyjska Macedonia USA Japonia Włochy Hiszpania Szwajcaria Grecja Mauritius Wlk Bryt Dania Portugalia Niemcy Polska (31)

Global Footprint Network

(25)

Kraje posiadające rezerwuar

15 20 25 30 35

Wykorzystana przestrzeń Przysługująca przestrzeń Pozostało do wykorzystania

0 5 10

Gujana (59,75) Gabon Boliwia Kongo Mongolia Paragwaj Kanada Australia Rep. Śrokowo-afrykańska Finlandia Brazylia Nowa Zelandia Gambia Argentyna Urugwaj Szwecja Mauretania Peru Gwinea Bissau Kolumbia Demokratyczna Rep. Konga Angola Papua Nowa Gwinea Czad Łotwa Zambia Rosja

Global Footprint Network

(26)

• Bardziej szczegółowy test na odcisk stopy

• http://myfootprint.org/en/your_carbon_footprint/

(27)

Następstwa efektu cieplarnianego (a pośrednio działalności człowieka)

• Ocieplenie klimatu - nagłaśniane przez część ekologów i polityków

• Jak temu zaradzić ?

• Szczyt Ziemi w Rio w 1992 roku – poświęcony przede wszystkim globalnemu ociepleniu klimatu

wszystkim globalnemu ociepleniu klimatu

• Protokół z Kioto z 1997 roku – zobowiązujący państwa do ograniczenia emisji CO₂ i gazów cieplarnianych

• Dlaczego zatem nadal jest problem ?

• Nie ograniczono emisji gazów cieplarnianych ?

• Ograniczono w zbyt małym stopniu ?

• Nie. Globalnego ocieplenia nie jesteśmy w stanie powstrzymać ponieważ nie zależy od człowieka !!!

(28)

NOAA

National Oceanic and Atmospheric Administration

Amerykańska Narodowa Służba Oceaniczna i Meteorologiczna AIRS

Atmospheric Infrared Sounder

Atmosferyczna Sonda Podczerwieni

(29)

http://mirador.gsfc.nasa.gov

1 mikromol = 1 / 1 000 000 mola

(30)

Emisja gazów cieplarnianych na osobę (z uwzględnieniem użytkowania terenu)

Vinny Burgoo

(31)

(32)

Odpowiedzialność za obecne stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze

(z uwzględnieniem wykorzystania terenu)

Vinny Burgoo

(33)

Rodzaje paliw a poziom emisji gazów cieplarnianych

The Kaya Equation , http://www.manicore.com/anglais/documentation_a/greenhouse/kaya_equation.html

(34)

(35)

Stanowisko Komitetu Nauk

Geologicznych PAN z 2009 roku

• Klimat na Ziemi kształtowany jest w największym stopniu przez promieniowanie słoneczne

• Wielkość promieniowania słonecznego jest zmienna w czasie

• Zmienność ta jest stała w czasie i powtarza się w cyklach o różnej długości – od kilkunastu lat do kilkuset tysięcy lat

różnej długości – od kilkunastu lat do kilkuset tysięcy lat

• Aktualnie Ziemia znajduje się w fazie ocieplenia klimatu – w pobliżu jego maksymalnego natężenia.

• Ociepleniu klimatu towarzyszy wzrost zawartości gazów cieplarnianych (niezależnie od człowieka)

• Działo się tak już wielokrotnie. Nawet gdy człowieka nie było jeszcze na Ziemi

• W ciągu ostatnich 400 tys. lat zawartość CO₂ w powietrzu (dzięki analizie rdzeni lodowych z Antarktydy) już 4-krotnie była podobna a nawet wyższa od obecnej.

(36)

GLOBALNE OCIEPLENIE

OGRZEWAJĄCE SIĘ OCEANY MAJĄ MNIEJSZĄ ZDOLNOŚĆ

ABSORBOWANIA CO₂

ZMNIEJSZENIE OBSZARU WIELOLETNIEJ ZMARZLINY PROWADZI DO SZYBSZEGO

ROZKŁADU ZWIĄZKÓW ROZKŁADU ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH ZAWARTYCH

W GRUNCIE

ZWIĘKSZENIE EMISJI GAZÓW CIEPLARNIANYCH

(37)

• Nie oznacza to, że nie powinniśmy ograniczyć emisji CO

₂

.

• Człowiek spalając coraz większą ilość gazów cieplarnianych przyczynia się wzrostu tempa zmian klimatycznych

• Nie oznacza to jednak, że owe zmiany nie zaszłyby w przyrodzie, gdyby nie było w niej człowieka

• Tempo zmian natomiast mogłoby okazać

natomiast znacznie niższe

(38)

Zależność klimatu od aktywności Słońca

Zwiększona aktywność plam słonecznych związana jest z cykliczną aktywnością Słońca

Skutkiem tego jest wiatr słoneczny – promieniowanie słoneczne

Wiatr słoneczny razem z promieniowaniem kosmicznym spoza Układu Słonecznego, docierając do Ziemi, powodują jonizację

Nils Simon

www.astronomia.pl

docierając do Ziemi, powodują jonizację górnych części atmosfery

Powoduje to zwiększenie zachmurzenia

i wstrzymuje proces wypromieniowania ciepła Długotrwałe wstrzymanie wypromieniowania może pociągnąć za sobą zmiany klimatu.

Na przykład obserwacje plam słonecznych z lat 1645-1715 wskazują na małą aktywność Słońca, czego skutkiem jest tzw. Minimum Maundera zbieżny

z bardzo chłodnym okresem na Ziemi zwanym w klimatologii Małą Epoką Lodowcową

http://www.u.lodz.pl/~wibig/maze/fizyka/for/pogo.htm

Feluch, Cykliczne przyczyny zagrożeń gwałtownymi zmianami klimatu http://www.zn.sgsp.edu.pl/41/3.pdf

(39)

Viereck, 2001, www.oar.noaa.gov/spotlite/archive/spot_sunclimate.html

(40)

• Aktywność Słońca zmienia się w cyklu 11-letnim

• Zgodnie z tym cyklem liczba plam słonecznych powina zacząć rosnąć w 2005 roku,

zapoczątkowując 24 cykl aktywności słonecznej

• Według danych z sierpnia 2011 roku, za

początek 24 cyklu uznaje się jednak styczeń

2009 roku, a jego maksimum przewiduje się na 2009 roku, a jego maksimum przewiduje się na grudzień 2012 roku

http://www.kosmonauta.net

(41)

http://sohowww.nascom.nasa.gov

(42)

(43)

(44)

http://www.tos.astrowww.pl/aktywnosc

(45)

Globalne ocieplenie a cyrkulacja termohalinowa

• W jaki sposób globalne ocieplenie może zaburzyć cyrkulację termohalinową ?

Rahmstorf, S.: Ocean circulation and climate during the past 120000 years. “Nature” 2002, 419: 207–214

(46)

GLOBALNE OCIEPLENIE

SZYBSZE TOPNIENIE LODOWCÓW

POWSTANIE DUŻEJ ILOŚCI WODY NIEZASOLONEJ

WYMIESZANIE Z WODĄ CYRKULACJI TERMOHALINOWEJ ZMNIEJSZENIE JEJ GĘSTOŚCI

ZMNIEJSZENIE JEJ GĘSTOŚCI UNIEMOŻLIWIENIE TONIĘCIA

ZMNIEJSZENIE ILOŚCI CIEPŁA DOSTARCZANEGO DO PÓŁNOCNYCH CZĘŚCI ATLANTYKU. ZWIĘKSZENIE CIEPŁA W OKOLICACH RÓWNIKA

W OBSZARACH DOSTARCZAJĄCYCH ZNACZNEJ ILOŚCI ŻYWNOŚCI NASTĄPIŁYBY: OSTRZEJSZE ZIMY, WYSUSZENIE GLEB, INTENSYWNE

WIATRY

OCHŁODZENIE KLIMATU

(47)

Obecna sytuacja na Ziemi

Carter R. M.: Knock, Knock, Where is the Evidence for Dangerous Human-Caused Global Warming? “Economic Analysis &

Policy” 2008, vol. 38, nr 2, s. 177–202

(48)

Czas ochłodzenia – ok. 100 lat Czas ochłodzenia

ok. 1000 lat

Zaburzenie cyrkulacji termohalinowej i ochłodzenie klimatu może trwać ?

(49)

http://www.manicore.com

(50)

Gdy emisja gazów cieplarnianych pozostanie na aktualnym poziomie

Gdy emisja gazów cieplarnianych wzrośnie dwukrotnie Gdy emisja gazów cieplarnianych wzrośnie czterokrotnie

(51)

(52)

- Co sekundę Słońce przetwarza około 600 mln ton wodoru na około 400 mln ton helu

- W pojedynczej reakcji wytwarzane jest 26,2 MeV energii.

- W ciągu jednej sekundy każdy metr kwadratowy powierzchni słonecznej wypromieniowuje w przestrzeń 62,86x10⁶ J, cała zaś powierzchnia Słońca aż 3,826x10²⁶ J. Jest to 13 milionów razy więcej niż roczna konsumpcja elektryczności w USA.

- Z tego do Ziemi dociera w każdej sekundzie 2x10¹⁷ J, co odpowiada 200x10¹²kW. 1 J = 1 W · 1 s = 1Ws

(53)

Z energii wypromieniowywanej przez Słońce do przestrzeni kosmiczne zaledwie 1/1 000 000 000 trafia do Ziemi.

Ilość energii promieniowania słonecznego w jednostce czasu na jednostkę powierzchni ustawionej prostopadle do promieniowania padającego w górnej warstwie atmosfery określana jest jako

stała słoneczna i wynosi ona 1367 W/m².

Przyjmując światowe zużycie energii na poziomie z roku 2005 Przyjmując światowe zużycie energii na poziomie z roku 2005 wynoszące 1,585 * 10¹³ W, możemy stwierdzić że ilość energii

słonecznej docierającej rocznie do górnej części atmosfery Ziemi jest 11 000 razy większa niż światowe roczne zużycie energii.

Aby ją wykorzystać do produkcji prądu 745000 km² Ziemi należałoby pokryć panelami fotowoltaicznymi

http://zielonaenergia.eco.pl

342 W/m²dla Ziemi