Дослідження парникового ефекту
Рівень складності | Легкий | ![]() |
Рівень небезпеки | Безпечно | ![]() |
Доступність використовуваних матеріалів | На рівні наукового обладнання | ![]() |
Орієнтовний час на виконання роботи | До 1 години | ![]() |
Блок 1. Резюме
Метою роботи є дослідження зміни температури чорної поверхні під час нагрівання в потоці випромінювання лампи розжарення за наявності та відсутності покривного скла.
Блок 2. Попередня інформація
Парниковий ефект – явище в атмосфері Землі та інших планет, за якого енергія сонячних променів, відбиваючись від поверхні, не може повернутися в космос, оскільки затримується молекулами різних газів, що призводить до підвищення температури поверхні.
Парниковими газами (“greenhouse gas”) називають гази в атмосфері Землі, що здатні поглинати теплове випромінювання планети і хмар та відбивати його назад, розігріваючи при цьому атмосферу.
До основних парникових газів належать:
- Водяна пара (H2O).
- Вуглекислий газ (CO2).
- Закис азоту (N2O).
- Метан (CH4).
- Озон (O3).
Явища, пов’язані з парниковими газами, досліджували різні вчені. Зокрема, британський фізик Джон Тіндаль досліджував поглинання інфрачервоного випромінювання різними газами. У своїй роботі 1859 року він з’ясував, що водяна пара, метан, а також діоксид вуглецю сильно затримують випромінювання.
Наступним етапом у розумінні парникового ефекту була стаття 1896 року «Про вплив вуглекислоти в повітрі на температуру земної поверхні» майбутнього лауреата Нобелівської премії (1903 рік, за теорію електролітичної дисоціації) шведського фізико-хіміка Сванте Арреніуса. У роботі було розраховано поглинання інфрачервоних хвиль двоокисом вуглецю і водяною парою як окремо, так і разом. Проте у процесі випаровування води посилюється хмарний покрив, який, з одного боку, утеплює атмосферу, а з іншого – відбиває сонячне світло. Результат залежатиме від площі, висоти й температури хмар. Арреніус урахував ці процеси на рівні метеорології того часу та в результаті отримав підвищення глобальної температури атмосфери на 5,5 оС за збільшення концентрації вдвічі.
Нобелівський лауреат Сюкуро Манабе в роботі «Вплив подвоєння концентрації CO2 на клімат згідно із загальною моделлю циркуляції» виявив, що подвоєння кількості вуглекислого газу призведе до зростання температури трохи більше ніж на 2°C. Це дуже суттєво уточнювало оцінки Сванте Арреніуса.
Люди продовжують використовувати викопні енергоносії, тому концентрація CO2 в атмосфері постійно збільшується. Починаючи з середини XIX століття, темп зростання концентрації двоокису вуглецю збільшувався. Наприкінці 2000-х років концентрація двоокису вуглецю зростала зі швидкістю 2,20±0,01 ppm/рік, або 1,7 % за рік. Згідно з окремими дослідженнями, сучасний рівень CO2 в атмосфері є максимальним за останні 800 тис. років і, можливо, за останні 20 млн років.
Концентрація CO2 в атмосфері контролюється такими процесами, як фотосинтез і дихання, обмін між океаном і атмосферою, а в сучасному світі – й антропогенною діяльністю.
Рис. 1.1. На графіках показано середній місячний рівень вуглекислого газу, виміряний в обсерваторії Мауна-Лоа, Гаваї. Дані про вуглекислий газ на Мауна-Лоа є найдовшим записом прямих вимірювань CO2 в атмосфері.
Для того, щоб зрозуміти механізм парникового ефекту, розмістимо горизонтальний лист скла над ґрунтом. Будемо вважати, що скло є прозорим для випромінювання з довжинами хвиль меншими, аніж 4 мкм, але частково поглинає випромінювання з більшими довжинами хвиль.
Рис. 1.2. Схема реалізації парникового ефекту
Скло прозоре для короткохвильового сонячного випромінювання, сумарний потік I спрямований донизу. Потік, що врівноважує довгохвильову радіацію, спрямований вгору від ґрунту, дорівнює U, частина якого e поглинається склом та нагріває його, що спричиняє випромінювання тепла в обох напрямках B.
Припустимо, що в початковий момент і скло, і ґрунт мають одну й ту саму температуру, а потім вмикається потік сонячного випромінювання I. Це випромінювання пройде крізь скло та поглинеться ґрунтом. Ґрунт нагріється до температури Tg та буде випромінювати вгору потік довгохвильової радіації F, що визначається за законом Стефана-Больцмана.
F=σ T g4 (1)
Практично все випромінювання за характерної температури атмосфери має довжини хвиль більше ніж 4 мкм, отже частина цього випромінювання буде поглинатися склом. Унаслідок цього скло також буде нагріватися та випромінювати радіацію. Припустимо, що потік в обох напрямках дорівнює B. Рівновага буде досягатися, коли потік знизу буде дорівнювати потоку зверху, за умови:
I=(1-e)F+B=F-B. (2)
Тобто I=(1-e)F+B та I=F-B, якщо ми додамо ці дві рівності, то отримаємо 2I=(2-e)F, з чого випливає співвідношення:
F=σT g4 =I/(1-e/2), (3)
Тому температура випромінювання під склом T g є вищою, ніж вона була б за відсутності скла. Саме на цьому принципі базується парниковий ефект. Розглянемо найбільш спрощену модель парникового ефекту, коли земне випромінювання, що йде від Землі F, повністю поглинається шаром атмосфери, тобто коли коефіцієнт e=1.
Підставимо це у формулу (3) і скористаємося законом Стефана – Больцмана. Маємо:
σT g4 = 2 σT e4 (4)
тобто .
, що є більше, ніж спостерігається.
Це означає, що ця модель є спрощеною та не враховує:
- Того що не весь сонячний потік у верхній частині атмосфери досягає поверхні Землі; як правило, 20%–25% поглинається в атмосфері (зокрема хмарами).
- Поглинання атмосферою не є повним і коефіцієнт є меншим за 1.
Блок 3. Обладнання
Лампа розжарювання з рефлектором, пластина з чорною поверхнею, теплоізоляційна оболонка, шматок скла, термометр.
Блок 4. Експериментальна процедура
- Розташуйте чорну пластину в теплоізоляційній оболонці та прикріпіть до неї термометр.
- Зафіксуйте початкову температуру пластини й занотуйте її до таблиці.
- Спрямуйте рефлектор лампи розжарення на пластину та увімкніть лампу.
- Щохвилини фіксуйте значення температури і занотовуйте його до таблиці.
- Зачекайте 10 хвилин та вимкніть лампу.
- Коли пластина й термометр охолонуть, проведіть аналогічні дії, помістивши перед пластиною скло.
Блок 5. Аналіз отриманих даних
- Сформуйте таблицю в математичних таблицях Excel.
Таблиця. Зростання температури в часі для відкритої поверхні та для поверхні за склом
Час T (хвилини) | Температура відкритої поверхні | Температура поверхні за склом |
0 | ||
1 | ||
2 | ||
3 | ||
4 | ||
5 | ||
6 | ||
7 | ||
8 | ||
9 | ||
10 |
2. За допомогою інструментів Excel побудуйте графіки зміни температури пластини та зробіть висновки.
Блок 6. Напрями розвитку
Спробуйте повторити дослід із використанням білої пластини.