Miljöfysik. Föreläsning 2. Växthuseffekten Ozonhålet Värmekraftverk Verkningsgrad

Transkript

1 Miljöfysik Föreläsning 2 Växthuseffekten Ozonhålet Värmekraftverk Verkningsgrad

2 Två viktiga ekvationer Wiens strålningslag : λ max max = [ ] σ = Stefan-Boltzmanns konstant = mk = våglängdens topp, T = föremålets temperatur Stefan-Boltzmanns lag: λ P T = σt P = Effekt/area (emitterad energi/tid /area), Wm K

3 Energin på jorden Solen strålar ut isotropiskt Effekt/area som träffar jorden S = 1360 W/m 2 Den exponerade arean: πr 2 Jorden har atmosfär som omfördelar energin så det blir meningsfullt att tala om en medeltemperatur

4 Jordens temperatur Instrålningen S = W/m 2 Reflektionen ρ 30%

5 Jordens temperatur Utan växthus effekt Det som strålar in strålar också ut

6 Jordens temperatur O -18 C är en uppskattning. Det är inte en dålig uppskattning men den ger inte det O korrekta värdet på jordens yttemperatur: 15 C. Varför finns det en skillnad mellan uppskattningen och mätningen?

7 Strålning Ljus som infaller mot ett annat medium: Reflekteras ρ Absorberas α Transmitteras τ Allt tar vägen någonstans så ρ + α + τ = 1

8 Strålning - Absorption Infallande intensitet I 0 µ är andelen som absorberas per meter Intensitetsändringen I = μμ x I x = μμ Låt x 0: dd dd = μμ Så att I = I 0 e μμ Strålning absorberas i atmosfären Våglängdsberoende

9 Växthuseffekten i solsystemet Jorden, mars och venus ligger vid solen. samma distans från Planet Distans från solen / 10 9 m T K (uppskattad) T K (mätvärde) Jorden Mars Venus Uppskattningen funkar lite bättre för mars än jorden men den funkar inte alls för venus!

10 Växthuseffekten Infraröd strålning som emitteras av jorden absorberas av växthusgaser i atmosfären t.ex. CO Strålningen skickas tillbaka till ytan. 2.

11 Växthuseffekten Atmosfären absorberar IR-strålning Atmosfären får högre temperatur Atmosfären avger IR-strålning Jorden avger IR-strålning Jorden får högre temperatur

12 Växthuseffekten Strålning från solen Strålning från jorden Växthusgaser : CO, H O.. 2 2

13 Växthuseffekten 100% absorption Antag 100% absorberas i atmosfären Jordytan värms mer Det sänds ut igen isotropt Hälften tillbaka mot jorden Varje steg strålar hälften tillbaka mot jordytan Och mer

14 Växthuseffekten 100% absorption Vi får en geometrisk serie SSSSSS = Summan = 70*2 = 140 S n = an+1 1 a 1 n S n = a k k=0 = 1 + a + +a n as n = a + a a n+1 as n S n = a n då n om a<1 1 a OBS! Totala utstrålningen fortfarande 70, men den fördelas olika, dvs luftlagren nära jordytan varmare än annars

15 Växthuseffekten 100% absorption Jämfört med utan växthuseffekt har vi: Instrålning och utstrålning lika i de två fallen Skillnad i vad som händer mellan jordytan och atmosfären Jorden får lika mycket återstrålning från atmosfären som direktstrålning från solen. Fördubbling. Utstrålningen P 2 från jordytan fördubblad T 2 = K = 303 K = 30

16 Venus Venus atmosfär : 90 gånger tätare än jordens atmosfär Består nästan helt av koldioxid Moln av svavelsyra Växthuseffekten höjer planetens temperatur. cv cv

17 Fråga Hur fungerar växthuseffekten i ett växthus?

18 Fråga Nu överskattning? Vad fattas i modellen?

19 Begränsad växthuseffekt Utstrålning från jordytan nu 114 enheter Ny temperatur (jämför med utan växthuseffekt) T 2 = T 1 = 255K = 288K = Vilket stämmer med den faktiska medeltemperaturen Konvektion transporterar värme till högre höjder Avdunstning och molnbildning: Förångningsvärme binds resp. frigörs Väder Även atmosfären absorberar infallande strålning

20 CO 2 -mätningar Iskärna (ett prov från en glaciär). Instängda luftbubblor Historiska temperatur, CO2 - och temperatur-mätningar Tidslängden upp till år. CO2 halten har nått en rekordnivå.

21 CO 2 och temperatur Hur CO 2 påverkar klimatet är ett viktigt ämne

22 Kolets kretslopp 740 miljarder ton CO 2 i atmosfären Fotosyntes binder 120 Respiration + förmultning Haven Människans påverkan Återkopplingsmekanismer: Vattenånga stark växthusgas Molnbildning Aerosoler Is och snö Vegetation Clatrater (vattenbundet metan) Permafrost Haven, isbildning och konvektion

23 Clatrater Hydrofoba ämnen som vattnet bygger bur kring Stabila under tryck och vid lägre temperatur Enorma mängder på havsbottnar Metan mycket stark växthusgas

24 Sammanfattning Solen och planeterna kan betraktas som svartkroppar. Wiens och Stefan-Boltzmanns lagar kan användas för att förstå temperaturer och strålning. Växthuseffekten viktig för att höja temperaturen för planeter som har atmosfär.

25 Ozonskiktets uttunning Ett allvarligt globalt miljöhot Ökad UV-strålning Kan skada levande celler, t.ex. hudcancer Absorptionen i atmosfären kan påverkas av mänskliga aktiviteter

26 Solspektrum Solspektrum utanför atmosfären och vid jordytan. Spektrum utanför atmosfären skiljer sig något från svartkroppsspektret. Vissa våglängder absorberas i solens yttre skikt.

27 Att absorbera strålning Strålning från solen UV Strålning från jorden IR, UV och kortare våglängder kan absorberas i atmosfären. Ozon (O 3 ) är viktigt i UV-området. Koncentrationen Växthusgaser är störst i ett : CO skikt, H20-30km O.. ovan marken. 2 2

28 Fördelning av solstrålningens energi på olika våglängder Benämning Våglängd /nm Absorption i atmosfären Andel av energin i solspektret vid jordytan /% UV-C Fullständig 0 Stark Biologisk skadeverkan UV-B Delvis 0.5 Betydlig UV-A Svag 4 Svag Synligt Svag 53 IR >700 Delvis 43

29 Att bilda och att förstöra ozon Att bilda ozon UV-strålning sönderdelar en syremolekyl: O 2 OO (p.g.a. foton λ<240 nm) En atom och en molekyl växelverkar för att bilda ozon. O+ O O 2 3 NO NO + O 2 O+ O O 2 3 (foton, synligt ljus) Att förstöra ozon O O+ O 3 2 O+ O 2O 3 2 (foton λ<300nm)

30 CFC Gaser CFC är Carbon, Fluorine, Chlorine Användes för brandsläckning, drivgas i sprayburkar, värmebärare i kylskåp etc Mycket stabila, kan förflyttas upp i stratosfären (10-50 km) Användning av CFC nu förbjuden med vissa undantag Med hjälp av UV-ljus kan kloratomer frigöras CCl 2 F 2 CClF 2 + Cl (p.g.a. foton λ<340 nm) O 3 + Cl ClO + O 2 O 3 + ClO Cl + O 2 (katalyserad process) Nedbrytningen gynnas av låga temperaturer i ismoln (Ozonhålet ses framförallt över sydpolen på dess vinter) Ozonet kräver UV ljus för att bildas