Discover Discover the energy the energy of hydrogen of hydrogen

(1)

Discover Discover the energy the energy of hydrogen of hydrogen

Grzegorz Karwasz Anna kamińska Universytet Mikołaja Kopernika

Materiał dydaktyczny: Szkoła ponadpodstawowa

Część I: Zmiany klimatu

(2)

This project has received funding from the Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking (JU) under grant agreement No 826246.

The JU receives support from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme and Italy, Denmark, Poland, Germany, Switzerland.

Z całego świata docierają

alarmujące wiadomości

Focus (Włochy), 2002:

Klimat szaleje

Winny jest Atlantyk

Za 10 lat spadek zasolenia wód wyhamuje Prąd Zatokowy, co skuje lodem Europę

Dziś: powodzie w północnej Europie, susze na Południu

Czy powinniśmy się obawiać?

(3)

Czy w ogóle są jakieś zmiany klimatu?

Pytanie o zmiany klimatu ma podstawowe znaczenie dla kwestii korzystania z nowych technologii, w tym ogniw wodorowych. Czy w ostatnich latach nastąpiły więc zmiany klimatu?

Z ilustracji obok, skopiowanej w roku 1996 przez GK z raportu US National Ocean and Atmosphere Agency, wydaje się, że nie!

Pewne wahania temperatury obserwowano między rokiem 1900 a 1990, może nawet jej wzrost na półkuli północnej, ale zrównoważony spadkiem na półkuli południowej.

Ale chwileczkę! Co to za pory roku Styczeń-Czerwiec i Lipiec-Grudzień? ZimaWiosna i LatoJesień?

(4)

Ktoś powiedział, że zmiany klimatu na Ziemi zachodziły wielokrotnie w dziejach

+5ºC 0 -5ºC

Ta ilustracja pokazuje nie tylko, że zmiany klimatu następowały w dziejach wielokrotnie, ale też że klimat 100-200 mln lat temu (w erze dinozaurów) był znacznie cieplejszy.

Wahania „przyspieszyły” w ciągu ostatniego miliona lat, następowały szybkie przejścia od epok lodowcowych do cieplejszych okresów pomiędzy.

(Zauważ, że skala czasu jest logarytmiczna.)

Scienze, włoskie wydanie Scientific American, ~2002

(5)

Tak! Klimat zawsze się zmieniał.

Znane są np. cykle astronomiczne

(Milankovica)

„Silnikiem” dla klimatu na Ziemi jest promieniowanie Słońca: 1340 W/m². To tzw. stała słoneczna, wahająca się w granicach poniżej 0.1%.

Źródłem niewielkich zmian są m.in.

okresowe perturbacje parametrów ziemskiej orbity:

- „spłaszczenia” elipsy

- nachylenia ziemskiej osi obrotu - odległości od Słońca

Każda z tych zmian ma swój charakterystyczny okres, mierzony w tysiącach (a nawet dziesiątkach i setkach tys.) lat. Sumarycznie pokrywa się to ze zmiennością epok lodowcowych i widoczne jest w zmianach temperatury (pomiar ¹⁸O).

Źródło: Scienze

(6)

Zatem działalność człowieka nie wpływa?

Musimy najpierw zrozumieć mechanizm…

Ziemia pozostaje w stanie równowagi termodynamicznej, zatem ta sama ilość energii, która napływa ze Słońca, musi zostać wyemitowana. Z jedną różnicą.

Słońce uznajemy za ciało doskonale czarne o temperaturze 5500 K (tj. emitujące światło widzialne, patrz krzywa po lewej w dolnym panelu). Średnia temperatura Ziemi to 300 K, co odpowiada emisji w podczerwieni.

Górny panel pokazuje odbicie światła widzialnego (po prawej) i emisję w podczerwieni: najgorętsze, średnio, są Sahara i obszary międzyzwrotnikowe.

Dolny panel pokazuje też, że w świetle widzialnym atmosfera jest niemal przezroczysta. Tak nie jest w podczerwieni. Ma to duży wpływ na równowagę energii.

T= 300 K T = 5500 K

Physics World

(7)

Ziemska atmosfera nie jest przezroczysta w podczerwieni. Powodem są śladowe ilości gazów wieloatomowych

2000 4000 6000

0 5 10 15

H₂O

H₂O H₂O

CO₂

assorbimento (unità relative)

numero d'onda (cm^-1)

Gazy wieloatomowe, w przeciwieństwie do N₂, O₂ i Ar (to główne składniki ziemskiej atmosfery) pochłaniają promieniowanie podczerwone (IR). To dlatego, że mogą wibrować (a właściwie: promieniowanie IR wzbudza wibracje). Cząsteczką szczególnie efektywnie pochłaniającą promieniowanie IR jest molekuła H₂O: oprócz wibracji może się ona obracać. Objawia się to jako szerokie „grzebienie” w widmie absorpcji.

CO₂ nie jest aż tak efektywny w absorpcji promieniowania IR, ale jak widać w rozkładzie widmowym, „domyka” okno otwarte przez H₂O.

Zatem, głównym gazem cieplarnianym jest H₂O, ale CO₂ działa jako regulator temperatury.

H

₂

O: -18°C →+15°C CO

₂

: +15°C →?

A feather

blanket above Earth

(8)

Ze względu na obecność atmosfery bilans energetyczny Ziemi jest

skomplikowany…

Równowaga energetyczna Ziemi opiera się na energii pochodzącej ze Słońca (100%), energii odbijanej przez chmury (23%) i powierzchnię (7%): tylko 47%

padającej energii absorbuje Ziemia.

Większość pochłoniętej energii odsyłana jest w kosmos jako promieniowanie IR (czerwona strzałka). W tym momencie istotne staje się oddziaływanie z atmosferą: IR jest pochłaniany i część tej energii wraca do powierzchni.

To sprawia, że całkowita ilość energii, którą Ziemia wykorzystuje stanowi 116%.

To tak jak wytrawni gracze w ping-ponga:

wydaje się, że grają więcej niż jedną piłką.

NOAA

(9)

Czy jest korelacja między zawartością CO ₂ i temperaturą Ziemi?

Rozumiemy już mechanizm absorpcji IR w atmosferze i bilans energii. Czy możemy sprawdzić na podstawie danych paleontologicznych istnienie związku między zawartością CO₂ i średnią temperaturą Ziemi?

Na podstawie badań lodów antarktycznych możemy określać T i zawartość CO₂ do 400 tys. lat wstecz (T określamy poprzez zawartość ¹⁸O, która jest mniejsza przy niższej T^*).

Silny związek temperatury (górna krzywa) z zawartością CO₂ (środkowa krzywa) nie podlega dyskusji.

Pył w atmosferze (np. wulkaniczny) obniża T (dolna krzywa)

*https://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_isotope_ratio_cycle

NOAA

(10)

Teraz sprawdzimy historyczne zapisy zawartości CO ₂ w atmosferze

Poziom zawartości CO₂ w czasie ostatniego tysiąclecia był stabilny: 280 ppm.

Wzrost rozpoczął się ok. roku1850, z początkiem ery przemysłowej.

Teraz przekracza 415 ppm: to prawie 50% więcej!

Źródło: Scripps Institution of Oceanography.

(11)

Jesteśmy już gotowi, by raz jeszcze

sprawdzić, czy globalna temperatura rośnie

Teraz zrobimy to lepiej: prezentując oddzielnie wyniki dla półkuli północnej (więcej lądów, czyli pyłu) i południowej (więcej oceanów).

Bez wątpienia: globalna temperatura (do roku 1996) wzrosła o ok. +0.4-0.6ºC

Źródło: NOAA, dane konsultowane (GK) w 1997.

(12)

Skąd bierze się tyle węgla w powietrzu?

50% emisji węgla do atmosfery każdego roku jest przetwarzane przez rośliny. Przemysł i transport dodaje 5% całkowitej ilości CO₂: większość absorbują rośliny.

Ta ilość - 5% - zgadza się z ilością wypalonych do tej pory paliw kopalnych.

„Nature” (2002) szacuje pozostałe rezerwy: węgla wystarczy na 202 lata, gazu na 55 lat, ropy naftowej na 37 lat.

Brakującą część poniższego diagramu – tortu już skonsumowaliśmy!

Peixoto, Physics and Chemistry of Atmosphere

Globalna równowaga węgla

(13)

Fig. 2 Trendy dotyczące lodu Morza Arktycznego. Minimalna roczna powierzchnia lodu (A) zmalała drastycznie na przestrzeni lat 1979 - 2012.

E Post et al. Science 2013;341:519-524

Published by AAAS

Arktyka:

Zniknęła już połowa pokrywy lodowej

(14)

Fizycy podsumowują (2012)

Physics World, 2012

Proces globalnego ocieplenia przyspiesza.

Na dalszym etapie, co wiemy z zapisów paleologicznych, klimat może wykazywać niestabilność: dodatkowa energia

„wpompowana” do systemu może wzmocnić te zakłócenia.

Przyczyną zmian klimatu jest spalanie naturalnych zasobów opartych na węglu.

Technologie wodorowe nie korzystają z węgla.

Niewątpliwie, ze wzrostu zawartości CO₂ mogą cieszyć się rośliny; ludziom ten wzrost szkodzi. Przyszłość jest blisko…

(15)

Propozycja uczniowskiej debaty

- Przygotujcie, na następną lekcję, argumenty za lub przeciw tezie o globalnym ociepleniu.

- Spróbujcie znaleźć różne aspekty problemu - Które zmiany są najbardziej niebezpieczne?

- Czy są jakieś potencjalne korzyści?

- Przedyskutuj również możliwy koszt łagodzenia zmian

klimatu, kto powinien ponosić ten koszt?

(16)

Kończymy jeszcze jedną okładką „Focusa”:

Nadchodzi era wodoru Nowe paliwo uczyni świat bardziej sprawiedliwym, pokojowym i czystszym

Discover Discover the energy the energy of hydrogen of hydrogen