На прв поглед

Иако оваа тема може да има поголем технички аспект, термодинамиката е голем дел од сите наши секојдневни животи. Значи, додека читате, запомнете дека има достапни записи за терминологија за сите тенко подвлечени термини - само поминете со курсорот од глувчето над нив за да се појави записот.

Термодинамиката е гранка на физиката што опишува како енергијата комуницира во рамките на системите. Таа интеракција одредува, на пример, како остануваме во пријатна состојба или замрзнуваме до смрт. Носите помалку облека во многу топло време и повеќе слоја или додавате дополнителни ќебиња во вашиот кревет кога е ладно затоа што таквите работи контролираат како енергијата комуницира со вашето тело и следствено вашиот степен на удобност и, во екстремни случаи, безбедност.

Човечкото тело и околината и преносот на енергија меѓу нив сочинуваат еден таков систем со кој сите сме познати. Но, ајде да се осврнеме кон поголемата слика и да размислиме за топлинската енергија и за нејзиното пренесување помеѓу сонцето, земјиштето на Земјата/океаните, атмосферата и космосот.

Сонцето го погодува врвот на нашата атмосфера, а дел од нив го спушта на површината, каде што ги загрева земјата и океаните. Овие за возврат даваат топлина во форма на невидливо, но затоплувачко инфра-црвено зрачење. Но, можете да ги видите ефектите од тоа зрачење-нека ви текне на топлината што ја гледате над површината над патиштата од асфалт во топол сончев ден.

Процентот на тоа зрачење се враќа низ атмосферата и бега во вселената. Но, друг дел од тоа се апсорбира со молекули на стакленички гасови, како што се водена пареа, јаглерод диоксид и метан. Загревајќи се, тие молекули потоа повторно ја емитуваат таа топлинска енергија во сите правци, вклучително и надолу. Поради ефектот на стаклена градина, се избегнува вкупната загуба на тоа излезно зрачење и со тоа се инхибира ладењето на површината на Земјата. Без тоа дополнително ќебе, просечната температура на Земјата би била повеќе од триесет степени Целзиусови поладна отколку што е во моментов.

Сето тоа е во согласност со законите на термодинамиката. Првиот закон на термодинамиката наведува дека вкупната енергија на изолиран систем е константна - додека енергијата може да се трансформира од една во друга форма, не може да се создаде ниту да се уништи. Вториот закон не наведува дека единствениот проток на енергија е од топлo до студено - туку наместо тоа, нето збирот на енергетските текови ќе биде од топло до студено. Тој квалификациски термин, „нето“, е важен овде. Самата Земјата не е „затворен систем“, но е дел од постојан, нето проток на енергија од Сонцето, до Земјата и назад во вселената. Стакленичките гасови едноставно го инхибираат дел од тој нето проток, со враќање на дел од излезната енергија кон површината на Земјата.

Митот дека ефектот на стаклена градина е спротивен на вториот закон на термодинамиката главно се заснова на многу долг труд од 2009 година од страна на двајца германски научници (не климатски научници), Герлих и Чеушнер (Г&Т). Во својот наслов, трудот тврди дека ќе ја оспори теоријата дека топлината што е заробена од нашата атмосфера нè одржува да ни биде топло. Тоа е огромно тврдење што некој би го направил- слично на изјавата дека нема гравитација.

Трудот на Г&T е предмет на многу детални побивања во текот на годините од објавувањето. Тоа е затоа што една работа што ја прави научната заедница да седне и да се дискутира е кога ќе се објави нешто што изнесува големи тврдења, но всушност е толку бесрамно неточно. За целосно да се справи со секоја грешка содржана во трудот, ова побивање ќе мора да биде долго илјадници зборови. Пократок одговор, објавен во дискусијата на темата на веб-страницата Квора, бил како што следува: „... Може да додадам дека ако Г&Т биле во право, тие искористеле десетици страници дрдорење за да докажат дека ќебињата не можат да ве загреат ноќе.

Ако Вториот закон на термодинамиката е точен - нешто што можеме безбедно да го претпоставиме - тогаш, „ќебињата не можат да ве загреат ноќе“, мора да е лажно. И - како што ќе знаете од вашите сопствени искуства - но така е!

Дополнителни детали

Меѓу темите од псевдонауката што ги промовираат негаторите на климатските науки е тврдењето дека објаснувањето за глобалното затоплување е во спротивност со Вториот закон на термодинамиката. Дали е така? Се разбира дека не (Halpern et al. 2010), но ајде да истражиме. Прво, треба да знаеме како работи термичкото пренесување на енергијата со особено во однос на атмосферата на Земјата. Потоа, треба да знаеме кој е Вториот закон на термодинамиката и како се однесува на глобалното затоплување.

Топлинската енергија се пренесува преку системи на пет главни начини: спроводливост, конвекција, адвекција, латентна топлина и, последно, но не и најмалку важно, зрачење. Ќе ги разгледаме еден по еден.

Спроведливоста е важна кај некои цврсти материи - размислете како ладна метална лажица поставена во тенџере со врела вода може да стане премногу топла за да се допре. Кај многу течности и гасови, спроводливоста е многу помалку важна. Постојат неколку исклучоци, како што е жива, метал чија точка на топење е толку ниска, постои како течност над -38 степени Целзиусови, што го прави корисен маркер на температура во термометрите. Но, термичката спроводливост на восдухот е толку ниска што можеме повеќе или помалку да ја исклучиме од оваа дискусија.

Конвекција

Слика 1: Јака грмотевица која се развива над велшка околија една вечер во август 2020 година. Овој одличен пример на конвекција имаlo доволно силни ветрови нагоре за производство на град до 2,5 см во дијаметар. (Извор: Johnон Мејсон)

Топлиот воздух се крева - затоа функционираат балоните со топол воздух, затоа што топол воздух е помалку густ од постуденото опкружување, со што вештачки загреаниот воздух во балонот е попросторен и со тоа создава конвективна струја. Истиот принцип се применува во природата: конвекцијата е нагорен пренос на топлина во течност или гас.

Конвекцијата е многу важна во атмосферата на Земјата и особено во нејзиниот долен дел, каде што продолжува поголемиот дел од нашето време. Во убав ден, конвекцијата може да се забележи како птиците се издигнуваат и спирално нагоре на топлински бранови, добивајќи висина со помош на таа растечка топла струја на воздухот. Во други денови, масовно-наполнување на топол, влажен воздух може да резултира во секаков вид конвективно време од поројни дождови до тешки грмотевици со нивните придружни опасности. Во најекстремните примери како суперкелиите, тоа конвективно искачување или ажурирање може да достигне брзина дури до сто милји на час. Ваквите моќни конвективни струи можат да го задржат градот високо во бура-облакот доволно долго за да пораснат до големина на голф или поголема.

Адвекција

Адвекцијата е квази-хоризонтален пренос на течност или гас со својства на придружниците. Еве неколку примери. Во северната хемисфера, јужните ветрови носат благ до топол воздух од тропските предели на север. За време на брзата транзиција од ладно во тополиот југоисток во текот на Европа на почетокот на декември 2022 година, температурите над делови од Велика Британија се движеле од околу -10C на +14C за еден викенд, како резултат на адвекција на топол воздух. Адвекцијата, исто така, може да доведе до одредени специфични феномени како што се морските магла-кога топол воздух во копно се пренесува преку околните ладни мориња, предизвикувајќи брза кондензација на водената пареа во близина на интерфејсот на воздухот-море.

Слика 2: Адвективна магла целосно го замаглува заливот Кардиган, надвор од западниот брег на Велс, во април попладне во 2015 година, воздухот загреан над земјата бил насочен кон морето, каде нејзината влага веднаш се кондензирала на многу постудената морска површина.

Латентна топлина

Латентната топлина е термичка енергија ослободена или апсорбирана за време на транзицијата на супстанцијата од цврста состојба во течност, течност во пареа или обратно. За да се спои или стопи цврста материја или да се зоврие течност, потребно е да се додаде топлинска енергија на системот, од друга страна кога пареата се кондензира или течноста се замрзнува, се ослободува енергија. Количината на вклучена енергија варира од една до друга супстанција: За да се стопи железо, потребна ви е печка, но со мраз коцка само треба да ја оставите во собна температура некое време. Ваквите варијации од една супстанција до друга се изразуваат како специфични латентни загревања на фузија или пареа, измерени во количина на енергија (килоџули) за килограм. Во случајот со атмосферата на Земјата, единствената супстанција од најголемо значење во однос на латентната топлина е водата, затоа што во опсегот на присутни температури, тоа е единствената компонента која е во изобилство и постојано преминува помеѓу цврсти, течни и пареа фази.

Радијација

Зрачењето е пренос на енергија како електромагнетни зраци, испуштани од која било загреана површина. Електромагнетното зрачење е од долги бранови-радио бранови, микробранови, инфра-црвени (IR), преку видливиот светлосен спектар, до кратки бранови-ултра-виолетови (УВ), Х-зраци и гама-зраци. Иако не можете да го видите IR зрачењето, можете да го почувствувате затоплување кога ќе седите покрај оган. Навистина, видливиот дел од спектарот порано се нарекувала „светлечка топлина“ и невидливо IR зрачење „не-ламбична топлина“, уште во 1800-тите години кога таквите работи полека се сфаќале.

Сонцето е пример за зрачење. За разлика од спроводливоста и конвекцијата, зрачењето има карактеристика да може да патува од неговиот извор директно низ вакуумот на просторот. Така, сончевото зрачење патува низ тој вакуум за околу 150 милиони километри, за да стигне до нашата планета со скоро постојана стапка. Некои соларни зрачења, особено UV светло со кратки бранови, се апсорбираат од нашата атмосфера. Некои се рефлектираат директно назад во вселената од врвовите на облак. Остатокот го прави сè до земјата, каде што се рефлектира од полесни површини или се апсорбира од потемни. Затоа црните асфалтни површини на патиштата може да се загреат додека не се стопат во светлиот летен ден.

Слика 3: Топлотна магла над загреаната патна површина, Линколн начин во Сан Франциско, Калифорнија. Мај 2007 година. Слика: Викимедија Комонс.

Енергетски биланс

Каква врска имаат сите горенаведени со глобалното затоплување? Па, преку својот зрачење-флукс, сонцето ја загрева атмосферата, површините на земјиштето и океаните. Површините загреани со сончево зрачење за возврат емитуваат инфрацрвено зрачење, од кои некои можат да избегаат директно во вселената, но некои од нив се апсорбираат од стакленичките гасови во атмосферата, претежно јаглерод диоксид, водена пареа и метан. Стакленичките гасови не само што го забавуваат губењето на енергијата од површината, туку и повторно ја зрачат таа енергијата, од кои некои се насочени назад кон површината, зголемувајќи ја температурата на површината и зголемувајќи колку енергија се зрачи од површината. Севкупно, овој процес доведува до состојба каде што површината е потопла отколку што би била во отсуство на атмосфера со стакленички гасови. Во просек, количината на енергија зрачена назад во вселената одговара на количината на енергија што се прима од сонцето, но има мала нерамнотежа до која ќе дојдеме.

Ако овој систем бил сериозно надвор од рамнотежа на кој било начин, планетата би замрзната или прегреала пред милиони години. Наместо тоа, климата на планетата е (или барем) стабилна, широко кажано. Неговите температури генерално остануваат во границите што овозможуваат животот да напредува. Сè е во врска со енергетскиот биланс. На слика 4 се прикажани броевите.

Слика 4: Шематско претставување на глобалниот просечен енергетски буџет на Земјата (горна слика) и неговиот еквивалент без размислувања за ефектите од облак (долна слика). Бројките укажуваат на најдобри проценки за големината на глобално просечните компоненти на енергетскиот биланс во W м - 2 заедно со нивните опсези на неизвесност во загради (5-95% опсег на неодреденост), што претставува климатски услови на почетокот на 21 век. Слика прилагодена за IPCC AR6 WG1 Поглавје 7, од Wild et al. (2015).

Додека протокот во и надвор од нашата атмосфера од или до вселената е во суштина ист, атмосферата го инхибира ладењето на земјата, чувајќи ја таа енергија претежно во близина на нејзината површина. Да беше едноставно случај на сонцчева светлина директно, инфра-црвена директно надвор, што ќе се случи ако атмосферата беше транспарентна на инфра-црвена (не е)-или навистина ако немаше атмосфера, Земјата би имала сличен температурен опсег во суштина без воздух како на месечината. На лунарниот екватор, дневното греење може да ја зголеми температурата на зачудувачки 120oC, но непречено радијативно ладење значи дека во текот на ноќта, се спушта на околу -130oc. Нема атмосфера како таква, нема ефект на стаклена градина.

Јасно е дека концентрациите на стакленички гасови го одредуваат нивниот капацитет за складирање на енергија , а со тоа и јачината на ефектот на стаклена градина. Ова е особено случај за оние гасови кои не се кондензираат на атмосферски температури. Од тие не-кондензирачки гасови, јаглерод диоксидот е најважен. Бидејќи тој постои само како пареа, главниот начин на кој се отстранува е како слаб раствор на јаглеродна киселина во дождовница - навистина старото име за јаглерод диоксид беше „гас на јаглеродна киселина“. Тоа значи дека еднаш е таму, има долг „атмосферски престој“, што значи дека е потребно долго време за да се отстрани.

Температурата на Земјата може да биде стабилна во текот на долг временски период, но за да се овозможи таа можна, влезна енергија и излезната енергија треба да биде иста, во состојба на рамнотежа позната како „зрачна рамнотежа“. Таа рамнотежа може да се наруши со промена на присилните промени на климата предизвикана од какви било компоненти на системот. Така, на пример, бидејќи концентрацијата на јаглерод диоксид се менувала во текот на геолошкото време, претежно на постепени временски скали, но во некои случаи нагло, така и капацитетот за складирање на енергија на планетата. Ваквите флуктуации, пак, ја утврдиле состојбата на климата на Земјата,состојба на стаклена градина (Hothouse) и состојба на ледено доба (Icehouse)-втората дефинирана дека има ледени капи, со која било големина. Во моментов, нерамнотежата на енергетскиот буџет на Земјата во просек е во просек под +1 вати на квадратен метар - тоа е глобално затоплување.

Сето тоа е во согласност со законите на термодинамиката. Првиот закон на термодинамиката наведува дека вкупната енергија на изолиран систем е константна - додека енергијата може да се трансформира од една компонента во друга, не може да се создаде ниту да се уништи. Очигледно, „изолираниот“ дел од законот мора да бара да бидат вклучени сонцето и космосот. И двете се компоненти на системот: без Сонцето како главен генератор на енергија, Земјата би била замрзната и безживотна; Со Сонцето, но без испуштената енергија на Земјата што се распрснува во вселената, планетата би се спржила, само размислување за површината на Земјата и атмосферата во изолација е да се игнорираат две од најважните компоненти на овој систем.

Вториот закон на термодинамиката не наведува дека единствениот проток на енергија е од топло до ладно - туку наместо тоа, нето збирот на енергетските текови ќе биде од топло до студ. Да повториме, квалификацискиот термин, „нето“, е важен овде. Во случајот со системот на Земјата-Сонце, повторно е неопходно да се земат предвид сите компоненти и нивните интеракции: сончевите зраци, загреаната површина што го дава зрачењето IR во поладната атмосфера, стакленичките гасови повторно го емитуваат тоа зрачење во сите правци и, конечно, зрачењето испуштено од врвот на нашата атмосфера, да се распрсне во студените длабочини на просторот. Таа енергија не е уништена - таа само се распрснува во сите правци во студената пространост таму. Некои од нив дури и се упатуваат кон сонцето - бидејќи инфра -бидејќи инфрацрвеното зрачење нема начин да утврди дека се движи кон многу потопло тело од Земјата,

Енергетскиот буџет на Земјата осигурува дека сите делови од системот се земаат оредвид и тоа рутински се прави во климатските модели. Нема прекршувања. Стакленичките гасови враќаат дел од енергијата назад кон површината на Земјата, но нето протокот е сè уште во вселената. Џон Тиндал,, на предавање на Кралската институција во 1859 година, го признал ова. Тој рекол:

Сè додека емисиите на јаглерод продолжуваат да растат, така ќе расте и тој планетарен енергетски дисбаланс. Затоа, единствениот начин да се врати ситуацијата кон стабилноста е да се намалат тие емисии.