2021-08-22 10:07:11
Carlyn Iverson/NOAA Climate.gov
Aν δεν υπήρχε η ατμόσφαιρα τότε η μέση θερμοκρασία της Γης θα ήταν τουλάχιστον κατά 35°C μικρότερη. Η Γη θα ήταν παγωμένη και προφανώς αφιλόξενη στην ζωή
Ο πρώτος που έκανε την διαπίστωση ότι Γη είναι θερμότερη εξαιτίας της ατμόσφαιρας, η οποία δρα ως «κουβέρτα» , ήταν ο Γάλλος φυσικός και μαθηματικός Jean Baptiste Joseph Fourier το 1824.
Η θερμοκρασία της Γης καθορίζεται από την ισορροπία μεταξύ της εισερχόμενης ενέργειας από τον Ήλιο και της εκπεμπόμενης ενέργειας από την Γη προς στο διάστημα. Η ενέργεια του Ήλιου συνίσταται κυρίως από ακτινοβολία μικρών μηκών κύματος – ορατή και υπεριώδη ακτινοβολία, η μεγαλύτερη ποσότητα της οποίας περνά μέσα από την ατμόσφαιρα. Εξαίρεση αποτελεί η επικίνδυνη υπεριώδης ακτινοβολία υψηλής ενέργειας, η οποία απορροφάται από το ατμοσφαιρικό όζον. Περίπου το ένα τρίτο της ηλιακής ενέργειας ανακλάται προς το διάστημα, ενώ η υπόλοιπη ενέργεια διεισδύει και προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης. Αυτή η ενέργεια θερμαίνει τη γη και τους ωκεανούς, που με την σειρά τους ακτινοβολούν θερμότητα προς τα έξω, ως υπέρυθρη ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος.
Πορτραίτο του Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830), αρχές 19ου αιώνα (wikipedia)
Ο Fourier μελέτησε μαθηματικά το φαινόμενο της ροής της θερμότητας και την θερμοκρασία της Γης καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι η Γη είναι θερμότερη απ’ ότι θα περίμενε κανείς, εφόσον η μόνη πηγή θέρμανσής της ήταν η ηλιακή ακτινοβολία κι εφόσον μεγάλο μέρος αυτής της ακτινοβολίας επανεκπεμπόταν στο διάστημα. Η Γη χρειαζόταν μια μονωτική κουβέρτα, και συμπέρανε ότι η ατμόσφαιρα της Γης πρέπει να εμποδίζει την γήινη θερμική ακτινοβολία να διαφύγει στο διάστημα. Θεώρησε το παράδειγμα ενός γυάλινου διαφανούς κουτιού, στο οποίο ο αέρας που περιέχει θερμαίνεται από το ηλιακό φως, αυξάνοντας την η θερμοκρασία του. Καθίστε αύριο το μεσημέρι μέσα στο αυτοκίνητό σας με κλειστά τα τζάμια και θα το αισθανθείτε.
Το παράδειγμα του κουτιού με το γυάλινο κάλυμμα που κρατάει στο εσωτερικό του την «θερμότητα» προέκυψε από ένα πείραμα που σχεδίασε ο Horace Bénédict de Saussure. Αλλά το παράδειγμα αυτό ήταν ατυχές, γιατί τα γυάλινα τοιχώματα κρατάνε μέσα στο κουτί τον θερμαινόμενο αέρα, ενώ στη Γη ο θερμός αέρας είναι ελεύθερος να ανεβαίνει και να διαδίδει προς τα έξω την θερμότητα.
Παρά το λάθος παράδειγμα, ο Fourier αντιλήφθηκε ότι η θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει ο Ήλιος έχει λίγο διαφορετικές ιδιότητες από την θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει η Γη και την οποία ονόμαζε «σκοτεινή θερμότητα». Στην ουσία αναφερόταν στην υπέρυθρη ακτινοβολία που ανακάλυψε ο William Herschel to 1800.
Η γήινη ατμόσφαιρα ενώ είναι διαφανής στην ακτινοβολία του ορατού φάσματος, είναι αδιαφανής στην υπέρυθρη ακτινοβολία και έτσι προκαλείται το φαινόμενο του θερμοκηπίου.
Το φάσμα της ηλιακής και της γήινης ακτινοβολίας, θεωρώντας τον Ήλιο και την Γη ως μέλανα σώματα. Το μήκος κύματος λmax στο οποίο εκπέμπεται η περισσότερη ποσότητα ακτινοβολίας από ένα μέλαν σώμα ικανοποιεί τον νόμο μετατόπισης του Wien λmaxT = 3∙10-3 (όπου λmax σε m και Τ σε Κelvin). Θέτοντας Τ=5500 Κ όση η θερμοκρασία στην επιφάνεια του Ήλιου παίρνουμε ότι το μήκος κύματος στο οποίο εκπέμπεται η περισσότερη ποσότητα ακτινοβολίας από τον Ήλιο ισούται με λmax=5,2∙10-7m=0,5μm. Αν θέσουμε Τ=288Κ, όση η μέση θερμοκρασία στην επιφάνεια της Γης, παίρνουμε το μήκος κύματος στο οποίο εκπέμπεται η περισσότερη ακτινοβολία από την Γη, λmax=10-5m=10μm. (Η εικόνα είναι από το βιβλίο του Lawrence Krauss, ‘The Physics of Climate‘)
Η ανακάλυψη της Foote για την υψηλή απορρόφηση θερμότητας από το διοξείδιο του άνθρακα την οδήγησε στο συμπέρασμα ότι «… αν ο αέρας περιείχε μεγαλύτερο ποσοστό διοξειδίου του άνθρακα, θα είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας».
Τρία χρόνια μετά ο Ιρλανδός John Tyndall ήταν αυτός που συνέδεσε την υπέρυθρη ακτινοβολία με το διοξείδιο του άνθρακα. Το 1859 ερεύνησε το πως η θερμική ακτινοβολία (ορατή και αόρατη) αλληλεπιδρά με διαφορετικά αέρια και αερολύματα. Μετρώντας και ό ίδιος την απορρόφηση θερμότητας από το διοξειδιο του άνθρακα εντυπωσιάστηκε που κάτι «τόσο διαφανές στο φως» μπορούσε να απορροφήσει τόσο έντονα τη θερμότητα. Ο Tyndall αναγνώρισε επίσης τις πιθανές επιπτώσεις στο κλίμα, λέγοντας ότι «κάθε μεταβολή» υδρατμών ή διοξειδίου του άνθρακα «πρέπει να προκαλεί αλλαγή του κλίματος». Υπέδειξε επίσης και την συμβολή άλλων αερίων υδρογονανθράκων, όπως το μεθάνιο, στην κλιματική αλλαγή, γράφοντας ότι «μια σχεδόν απροσδόκητη προσθήκη» αερίων όπως το μεθάνιο θα είχε «μεγάλες επιπτώσεις στο κλίμα».
Η πρώτη ποσοτική εκτίμηση της κλιματικής αλλαγής που προκαλείται από το διοξείδιο του άνθρακα έγινε από τον Σουηδό Svante Arrhenius (βραβεύθηκε με το Νόμπελ Χημείας το 1903). Το 1896, υπολόγισε ότι «αν η θερμοκρασία στις περιοχές της Αρκτικής θα αυξανόταν 8 ή 9 βαθμούς Κελσίου αν η ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα αυξανόταν 2,5 ή 3 φορές». Ο Nils Ekholm, ένας Σουηδός μετεωρολόγος, συμφώνησε, γράφοντας το 1901 ότι «Η σημερινή καύση άνθρακα είναι τόσο μεγάλη που αν συνεχιστεί … πρέπει αναμφίβολα να προκαλέσει μια αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της γης». Ο Ekholm σημείωσε επίσης ότι το διοξείδιο του άνθρακα δρούσε σε ένα στρώμα ψηλά στην ατμόσφαιρα, πάνω από τα στρώματα υδρατμών, όπου και μικρές ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα έπαιζαν σημαντικό ρόλο.
Έτσι, φτάνοντας στο 1937, ο Άγγλος μηχανικός Guy Callendar υποστήριξε ότι η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της Γης συσχετίζεται με την αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα εξαιτίας των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Παρότι πίστευε ότι αυτή η θέρμανση ήταν ωφέλιμη, γιατί θα καθυστερούσε την επιστροφή στην εποχή των θανατηφόρων παγετώνων, η εποχή της επιστήμης της κλιματικής αλλαγής είχε ήδη ξεκινήσει.
Η καμπύλη Keeling μας δείχνει την εξέλιξη της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα.
tinanantsou.blogspot.gr
Aν δεν υπήρχε η ατμόσφαιρα τότε η μέση θερμοκρασία της Γης θα ήταν τουλάχιστον κατά 35°C μικρότερη. Η Γη θα ήταν παγωμένη και προφανώς αφιλόξενη στην ζωή
Ο πρώτος που έκανε την διαπίστωση ότι Γη είναι θερμότερη εξαιτίας της ατμόσφαιρας, η οποία δρα ως «κουβέρτα» , ήταν ο Γάλλος φυσικός και μαθηματικός Jean Baptiste Joseph Fourier το 1824.
Η θερμοκρασία της Γης καθορίζεται από την ισορροπία μεταξύ της εισερχόμενης ενέργειας από τον Ήλιο και της εκπεμπόμενης ενέργειας από την Γη προς στο διάστημα. Η ενέργεια του Ήλιου συνίσταται κυρίως από ακτινοβολία μικρών μηκών κύματος – ορατή και υπεριώδη ακτινοβολία, η μεγαλύτερη ποσότητα της οποίας περνά μέσα από την ατμόσφαιρα. Εξαίρεση αποτελεί η επικίνδυνη υπεριώδης ακτινοβολία υψηλής ενέργειας, η οποία απορροφάται από το ατμοσφαιρικό όζον. Περίπου το ένα τρίτο της ηλιακής ενέργειας ανακλάται προς το διάστημα, ενώ η υπόλοιπη ενέργεια διεισδύει και προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης. Αυτή η ενέργεια θερμαίνει τη γη και τους ωκεανούς, που με την σειρά τους ακτινοβολούν θερμότητα προς τα έξω, ως υπέρυθρη ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος.
Πορτραίτο του Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830), αρχές 19ου αιώνα (wikipedia)
Ο Fourier μελέτησε μαθηματικά το φαινόμενο της ροής της θερμότητας και την θερμοκρασία της Γης καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι η Γη είναι θερμότερη απ’ ότι θα περίμενε κανείς, εφόσον η μόνη πηγή θέρμανσής της ήταν η ηλιακή ακτινοβολία κι εφόσον μεγάλο μέρος αυτής της ακτινοβολίας επανεκπεμπόταν στο διάστημα. Η Γη χρειαζόταν μια μονωτική κουβέρτα, και συμπέρανε ότι η ατμόσφαιρα της Γης πρέπει να εμποδίζει την γήινη θερμική ακτινοβολία να διαφύγει στο διάστημα. Θεώρησε το παράδειγμα ενός γυάλινου διαφανούς κουτιού, στο οποίο ο αέρας που περιέχει θερμαίνεται από το ηλιακό φως, αυξάνοντας την η θερμοκρασία του. Καθίστε αύριο το μεσημέρι μέσα στο αυτοκίνητό σας με κλειστά τα τζάμια και θα το αισθανθείτε.
Το παράδειγμα του κουτιού με το γυάλινο κάλυμμα που κρατάει στο εσωτερικό του την «θερμότητα» προέκυψε από ένα πείραμα που σχεδίασε ο Horace Bénédict de Saussure. Αλλά το παράδειγμα αυτό ήταν ατυχές, γιατί τα γυάλινα τοιχώματα κρατάνε μέσα στο κουτί τον θερμαινόμενο αέρα, ενώ στη Γη ο θερμός αέρας είναι ελεύθερος να ανεβαίνει και να διαδίδει προς τα έξω την θερμότητα.
Παρά το λάθος παράδειγμα, ο Fourier αντιλήφθηκε ότι η θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει ο Ήλιος έχει λίγο διαφορετικές ιδιότητες από την θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει η Γη και την οποία ονόμαζε «σκοτεινή θερμότητα». Στην ουσία αναφερόταν στην υπέρυθρη ακτινοβολία που ανακάλυψε ο William Herschel to 1800.
Η γήινη ατμόσφαιρα ενώ είναι διαφανής στην ακτινοβολία του ορατού φάσματος, είναι αδιαφανής στην υπέρυθρη ακτινοβολία και έτσι προκαλείται το φαινόμενο του θερμοκηπίου.
Το φάσμα της ηλιακής και της γήινης ακτινοβολίας, θεωρώντας τον Ήλιο και την Γη ως μέλανα σώματα. Το μήκος κύματος λmax στο οποίο εκπέμπεται η περισσότερη ποσότητα ακτινοβολίας από ένα μέλαν σώμα ικανοποιεί τον νόμο μετατόπισης του Wien λmaxT = 3∙10-3 (όπου λmax σε m και Τ σε Κelvin). Θέτοντας Τ=5500 Κ όση η θερμοκρασία στην επιφάνεια του Ήλιου παίρνουμε ότι το μήκος κύματος στο οποίο εκπέμπεται η περισσότερη ποσότητα ακτινοβολίας από τον Ήλιο ισούται με λmax=5,2∙10-7m=0,5μm. Αν θέσουμε Τ=288Κ, όση η μέση θερμοκρασία στην επιφάνεια της Γης, παίρνουμε το μήκος κύματος στο οποίο εκπέμπεται η περισσότερη ακτινοβολία από την Γη, λmax=10-5m=10μm. (Η εικόνα είναι από το βιβλίο του Lawrence Krauss, ‘The Physics of Climate‘)
Το 1856 η Αμερικανίδα Eunice Newton Foote, δημοσίευσε μια εργασία στην οποίο αποδείκνυε πειραματικά το φαινόμενο του θερμοκηπίου εξαιτίας του CO2. Πειραματίστηκε χρησιμοποιώντας θερμόμετρα υδραργύρου και γυάλινους κυλίνδρους, τους οποίους γέμιζε με διαφορετικά αέρια εκθέτοντάς τα στο ηλιακό φως. Έτσι, απέδειξε για πρώτη φορά ότι το CO2 παγίδευε την μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας.
Eunice Foote’s paper in the American Journal of Science and Arts. Royal Society
Η ανακάλυψη της Foote για την υψηλή απορρόφηση θερμότητας από το διοξείδιο του άνθρακα την οδήγησε στο συμπέρασμα ότι «… αν ο αέρας περιείχε μεγαλύτερο ποσοστό διοξειδίου του άνθρακα, θα είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας».
Τρία χρόνια μετά ο Ιρλανδός John Tyndall ήταν αυτός που συνέδεσε την υπέρυθρη ακτινοβολία με το διοξείδιο του άνθρακα. Το 1859 ερεύνησε το πως η θερμική ακτινοβολία (ορατή και αόρατη) αλληλεπιδρά με διαφορετικά αέρια και αερολύματα. Μετρώντας και ό ίδιος την απορρόφηση θερμότητας από το διοξειδιο του άνθρακα εντυπωσιάστηκε που κάτι «τόσο διαφανές στο φως» μπορούσε να απορροφήσει τόσο έντονα τη θερμότητα. Ο Tyndall αναγνώρισε επίσης τις πιθανές επιπτώσεις στο κλίμα, λέγοντας ότι «κάθε μεταβολή» υδρατμών ή διοξειδίου του άνθρακα «πρέπει να προκαλεί αλλαγή του κλίματος». Υπέδειξε επίσης και την συμβολή άλλων αερίων υδρογονανθράκων, όπως το μεθάνιο, στην κλιματική αλλαγή, γράφοντας ότι «μια σχεδόν απροσδόκητη προσθήκη» αερίων όπως το μεθάνιο θα είχε «μεγάλες επιπτώσεις στο κλίμα».
Η πρώτη ποσοτική εκτίμηση της κλιματικής αλλαγής που προκαλείται από το διοξείδιο του άνθρακα έγινε από τον Σουηδό Svante Arrhenius (βραβεύθηκε με το Νόμπελ Χημείας το 1903). Το 1896, υπολόγισε ότι «αν η θερμοκρασία στις περιοχές της Αρκτικής θα αυξανόταν 8 ή 9 βαθμούς Κελσίου αν η ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα αυξανόταν 2,5 ή 3 φορές». Ο Nils Ekholm, ένας Σουηδός μετεωρολόγος, συμφώνησε, γράφοντας το 1901 ότι «Η σημερινή καύση άνθρακα είναι τόσο μεγάλη που αν συνεχιστεί … πρέπει αναμφίβολα να προκαλέσει μια αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της γης». Ο Ekholm σημείωσε επίσης ότι το διοξείδιο του άνθρακα δρούσε σε ένα στρώμα ψηλά στην ατμόσφαιρα, πάνω από τα στρώματα υδρατμών, όπου και μικρές ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα έπαιζαν σημαντικό ρόλο.
Έτσι, φτάνοντας στο 1937, ο Άγγλος μηχανικός Guy Callendar υποστήριξε ότι η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της Γης συσχετίζεται με την αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα εξαιτίας των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Παρότι πίστευε ότι αυτή η θέρμανση ήταν ωφέλιμη, γιατί θα καθυστερούσε την επιστροφή στην εποχή των θανατηφόρων παγετώνων, η εποχή της επιστήμης της κλιματικής αλλαγής είχε ήδη ξεκινήσει.
Η καμπύλη Keeling μας δείχνει την εξέλιξη της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα.
πηγή: https://theconversation.com/scientists-understood-physics-of-climate-change-in-the-1800s-thanks-to-a-woman-named-eunice-foote-164687
https://physicsgg.me/tinanantsou.blogspot.gr
ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ
ΜΟΙΡΑΣΤΕΙΤΕ
ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ
ΣΧΟΛΙΑΣΤΕ
