Engem talál az elsı napsugár És az utósó is rajtam ragyog, És mégis mindig olyan puszta És mégis mindig oly hideg vagyok. Petıfi Sándor: A völgy, s a hegy (részlet)
A sugárzás II.
Makra László
IDİGÉP: 3,5 milliárd éve: az élet hajnala; felhık; óriási füstölgı tőzhányók; csupasz szárazulatok; intenzív kozmikus-, gamma-, röntgen- és ultraibolya sugárzás a felszínen → életveszély (élet nem volt); cc(O2, ıskor) ≈ 10-9 · cc(O2, jelen);
tlevegı = 38 ºC; a Nap halványabb és kisebb, mint napjainkban; a napállandó 25 %-kal kisebb, mint ma (I0 = 1368 W·m-2);
→ MIÉRT? • Ha a Nap fényessége ma is akkora lenne, mint 4,5 milliárd éve (a jelenleginek a 70 %-a) ⇒ a földi óceánok fenékig befagynának.
Mi az oka annak, hogy ez mégsem így történt?
• → Fokozott üvegházhatás: Paradoxon: Ha a földtörténeti ıskor meleg éghajlatáért a jelenleginél néhány százszor magasabb légköri CO2 keverési arány a felelıs, akkor mi akadályozta meg a klíma drámai túlforrósodását a következı 3 milliárd év során, amikor a Nap fényessége kb. 25 %-kal nıtt? 1. elmélet: a hımérsékletet és a CO2 keverési arányt szervetlen, geokémiai folyamatok szabályozzák, melyek kivonták a légkörbıl a CO2-t; 2. elmélet: a CO2 kivonása biológiai folyamatok eredménye; mindkét folyamat érvényre juthatott; mindkét elmélet negatív visszacsatoláson alapul;
1. elmélet, részletesebben: esıvíz (H2O) → H2O + CO2 = H2CO3; a CO2 bekerül az esıvízbe ⇒ eróziós folyamatok a felszínen ⇒ a Ca- és Mg-ásványok megkötik a légköri szenet → karbonátos kızetek keletkeznek (CaCO3, MgCO3) ⇒ csökken a légköri CO2 mennyisége; ⇒ csökken az üvegházhatás; 2. elmélet, részletesebben: Gaia-hipotézis: (Lovelock és Margulis); (William Golding, író; 1983: irodalmi Nobel-díj); Az élet globális, automatikus, negatív visszacsatolású szabályozórendszer. Az elmélet szerint a Föld légköre az életnek elválaszthatatlan, szabályozott és szükséges része; ⇒ évmilliárdokon át maga az élet szabályozta a Föld légkörének hımérsékletét, kémiai összetételét, oxidáló-képességét és savasságát. (600 millió év óta a Föld felszínhımérséklete: 8-25 ºC); 2a. A mészvázú élılények betemetıdése (a megkötött CO2 révén) ⇒ csökken az üvegházhatás; 2b. A szerves anyagok betemetıdése (a megkötött CO2 révén) ⇒ csökken az üvegházhatás;
A napsugárzás forrása atommag-reakció; ok: T = 2·107 − 5·107 K és magas nyomás ⇒ hidrogén (a Naptömeg 98 %-a) → hélium + ENERGIA → → Napfelszín → világőr (elektromágneses hullámok); Korunk energiagondjainak a végsı megoldása: szabályozott hidrogénfúzió → vízbıl energia, korlátlan mennyiségben; A folyamat fizikai háttere: a vízbıl nyert hidrogénplazmát (elektronjától megfosztott forró protont) annyira felhevítjük, hogy a hımozgás miatt ütközı protonok egyesülhetnek egymással ⇒ hidrogénmagokból
energia − felszabadulás →
hélium (mint a Nap
belsejében). DE: ez az anyag szilárd tartályba nem zárható, mert: vagy a tartály olvad meg; vagy maga az anyag hől le azonnal; Megoldás: a plazma mágneses térrel való egyben tartása (ún. tokamak-berendezés: kísérleti célból már üzemelnek). 2016: Cadarache, Franciaország: az elsı energiatermelı fúziós reaktor; 21. század közepe: ipari mérető fúziós energiatermelés;
Energia-termelés hidrino segítségével hidrino: olyan H-atom, melyben az elektron jóval közelebb kering az atommag (proton) körül, mint szokásos esetben. hidrino erımő prototípusa: Randell Mills, USA, 2006; A kvantummechanika ma ismert törvényei szerint ez lehetetlen ←→ a jelenség létezik; hidrogén → hidrino ⇒ energia termelıdik; Elınye: • az eljárás környezetbarát (szennyezéssel nem jár); • forrása korlátlan (víz); • elıállítása olcsó; 1 kWh energia elıállítása
szénerımőben: 5 dollárcent; atomreaktorban: 6 dollárcent; hidrino erımőben: 1,2 dollárcent;
Teller Ede (1908: Budapest – 2003: Kalifornia): Az egyetemes és a magyar tudomány egyik legnagyobb alakja: szilárdtest-fizika, atomfizika, kvantummechanika, informatika, ([origo], 2000: a második legnagyobb magyar) Édesapja révén megismerkedik és baráti kapcsolatba kerül: Kármán Tódor (1881: Budapest – 1963: Aachen): a világ elsı helikopterének kifejlesztése: 1917, Bécs; az elsı rakéták kifejlesztése: 1933 – , USA; a szuperszónikus repülés atyja;
Szilárd Leó (1898: Budapest – 1964 La Jolla, Kalifornia): részvétel az elsı atombomba kidolgozásában; felépíti az elsı atomreaktort (Fermivel);
Wigner Jenı (1902: Budapest – 1995: Honolulu): az atommagok és elemi részek elmélete, az alapvetı szimmetria-elvek felfedezése és alkalmazása, a csoportelmélet magfizikai alkalmazása (a paritás fogalma, az idıtükrözés kvantumelmélete) → 1964: fizikai Nobel-díj;
Neumann János (1903: Budapest – 1957: Washington): az elsı számítógép megalkotója, tanácsadó az elsı atombomba és az elsı hidrogénbomba készítésénél;
Teller Ede: 1928 tavasza: München, Arnold Sommerfeld, kvantummechanika; (81 jelölés a fizikai Nobel-díjra – nem kapja meg);
1928 ısze: Lipcse, Werner Heisenberg (1901-1976),
Niels Bohr → Werner Heisenberg: a kvantummechanika egyik
1930:
megalapítója; 1925: felismeri a kvantummechanika alaptörvényeit, bevezeti az ún. határozatlansági relációt; a kvantummechanika megteremtéséért → 1932: fizikai Nobel-díj; Istenhívık: → Isten megteremtette a világot, benne létrehívta okok és okozatok szigorú láncolatát ⇒ a világ megteremtése után már minden jövendı esemény (részleteiben is) könyörtelenül elı van írva; ←→ kvantumelmélet: ⇒ az atomok világában a jövı nem determinált, csak a bekövetkezés valószínőségét lehet megjósolni. Hogy mi valószínő, azt megtudhatjuk; de hogy a tényleges végeredmény mi lesz, azt sok esetben nem lehet biztosan tudni. Heisenberg: a jelenlegi állapot pontos ismerete nem határozza meg teljesen a jövendıt ⇒ az emberi szabad akaratnak is lehet szerepe. Göttingen, James Franck (1925: fizikai Nobel-díj) tanársegéde;
aztán: Róma, Enrico Fermi (1901-1954); mesterséges radioaktív anyagok elıállítása neutron bombázással, lassú elektronok által létrehozott magreakciók → 1938: fizikai Nobel-díj;
aztán: Koppenhága, Niels Bohr (1885-1962); Rutherford atommodelljét a Planck által fölfedezett kvantumelmélet alkalmazásával tökéletesítette; a tapasztalattal egyezésben értelmezni tudta a H-atom színképét → 1922: fizikai Nobel-díj;
1938: USA: Teller – Gamow: a termonukleáris magfúzió elmélete: Honnan ered a Nap melege? Az atommagok + töltésőek ⇒ taszítják egymást; ütközéskor a fúzió feltételei: • Maxwell-féle sebességeloszlás: adott hımérsékleten vannak olyan atomok is, amelyeknek az átlagosnál lényegesen nagyobb az energiája; • Gamow-féle alagútjelenség: az egymást taszító részecskék kvantum-alagutazással mégis egymás közelébe férkızhetnek ⇒ összekapcsolja ıket a magerı; E két tényezı összeszorozva → termonukleáris magfúzió elmélete; • Hans Bethe: két ütközı hidrogén-magból nem alakulhat ki stabil hélium-mag; hidrogénfúzió csak akkor jöhet létre, ha a közelség rövid pillanatában még egy β -bomlás is bekövetkezik ⇒ a magfúzió eredménye: nehéz hidrogén; A Nap melegét kis valószínőségő események összjátéka, elsısorban a proton-proton fúzió adja.
Teller Ede: 1939 nyara: Teller Ede + Szilárd Leó és Wigner Jenı → Einstein → levél Roosevelt elnöknek → Manhattan-terv; → az elsı atomreaktor felépítése: Chicago; → késıbb atombomba elıállítása; 1942 december 12: Szilárd Leó és Enrico Fermi → elkészül az elsı atomreaktor; ezután: Teller Ede: → Los Alamos: a hasadási atombomba konstrukcióján dolgozik; 1. atombomba: Hiroshima → két félgömb gyors egyesítésével gyújtható uránbomba; 2. atombomba: Nagasaki: az üreges gömb hirtelen koncentrikus berobbanásával gyújtható plutóniumbomba; 1947: Teller Ede: a Reaktorbiztonsági Bizottság elnöke; fölismerte: a grafitmoderátoros, vízhőtéső reaktor túlságosan instabil → véletlen túlhevülés ⇒ elforr a víz (neutronelnyelı anyag) ⇒ több neutron marad maghasadásra ⇒ több lesz a hasadások által termelt energia ⇒ pozitív visszacsatolás ⇒ megszaladhat a neutron-láncreakció; (1986: Csernobil); ⇒ biztonságos TRIGA atomreaktorok kifejlesztése;
1945 július 16, Los Alamos: az elsı amerikai kísérleti atomrobbantás; Teller Ede és Neumann János személyes megfigyelık voltak;
1945. augusztus 6, Hiroshima: az elsı ledobott U235 atombomba; 80 ezer halott, 125 ezer sérült; robbanás: kb. 500 m magasságban;
1945. augusztus 9, Nagasaki: a második ledobott Pu239 atombomba, 40 ezer halott, 75 ezer sérült; robbanás: kb. közvetlenül a felszín fölött;
1949 augusztus 29: az elsı szovjet kísérleti atomrobbantás; 1949 szeptember 12: a Szovjetunió KP PB a hidrogénbomba kifejlesztése mellett döntött; 1950 január 31: Truman elnök Teller javaslatára a hidrogénbomba (Teller: „szuperbomba”) kifejlesztése mellett döntött; 1951 május 8: az elsı termonukleáris robbantás (nem hordozható bomba; a hordozhatónak az ötlete is Telleré) – Teller jelenlétében – a Tuamotu-szigetek (Tahiti) térségében, a dél-csendes-óceáni szubtrópusokon; A hidrogénbomba szabadalmát az USA kormánya Teller Edének és Stanislaw Ulamnak közösen ajánlotta föl → Teller nem írta alá;
1952 október 31: az elsı hordozható amerikai hidrogénbomba
felrobbantása; 1953 augusztus 12: az elsı szovjet hidrogénbomba felrobbantása (Andrej Szaharov tervei alapján); Szaharov, 1975: Béke Nobel-díj;
Az atombomba és a hidrogénbomba kifejlesztése:
→ Los Alamosi Nemzeti Laboratórium; → hidegháború + nukleáris fegyverkezési verseny; ⇒ 1952, Kalifornia: Teller → Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium (ellenpólus) → taktikai, könnyő nukleáris fegyverek kifejlesztése; 1960-es évek: a Szovjetunió robbantotta a legnagyobb hatóerejő (60 millió tonna kémiai robbanószerrel egyenértékő) bombákat; → óriási elpusztítható terület ←→ célzási pontatlanság; Szovjetunió: → hidrogénbomba-robbanófejjel ellátott kisebb célzási pontosságú ballisztikus rakéták kifejlesztése; ⇒ fegyverkezési verseny; → „őrkorszak”; → „számítógép-korszak” ⇒ a ballisztikus rakéták korai észlelése, pályaelemzése és lézersugaras elpusztítása; ⇒ Teller Ede: → „Stratégiai Védelmi Kezdeményezés” → Reagan, amerikai elnök; Edward Kennedy: „csillagháborús terv”; ⇒ Gorbacsov, szovjet pártfıtitkár a hidegháború befejezését kezdeményezte; Teller Ede → Reagan: „Elnök Úr! Nem engedni! Nem engedni!” „Si vis pacem para bellum” ⇒ a Szu. és a Keleti Blokk összeomlása;
Szilárd Leó: a legsokoldalúbb „marslakó” „Hosszú életem folyamán, amit tudósok közt töltöttem el, senkivel sem találkoztam, akiben több lett volna a képzelıerı és eredetiség, akinek a gondolkodása és véleménye olyan önálló lett volna, mint Szilárd Leóé. Amikor ezt mondom, kérem, gondoljanak arra, hogy Albert Einsteint is jól ismertem.” (Wigner Jenı)
A marslakók „Azon buktak le, hogy – bármilyen sokáig gyakorolták is – egyetlen nyelvet sem tudtak akcentus nélkül beszélni. Volt ugyan egy ügyes trükkjük erre is: magyar emigránsoknak álcázták magukat, hiszen köztudott, hogy a magyaroknak van ez a fura nyelvi sajátosságuk. Olyan fizikusok tartoztak közéjük, mint Eugene Wigner (saját álneve szerint Wigner „Jenı”), Edward („Ede”) Teller, Leo („Leó”) Szilárd, vagy a modern matematika géniusza, John von Neumann (Neumann „János”). Talán el is hitték volna róluk, hogy igazi magyarok, ám Sherlock Holmes kiderítette: többségük nemcsak ugyanabból a városból jött, hanem ugyanabba a középiskolába is járt. Ez természetesen már több volt, mint gyanús, és dr. Watson a helyszínen nemsokára rábukkant annak a személynek a nyomaira, aki az akkori magyar közoktatás legfıbb irányítójaként fedezte, sıt, közvetve maga szervezte meg a marsiak e gimnáziumnak álcázott titkos hídfıállását. Ezt a személyt úgy hívták, hogy Eötvös Lóránd báró.” [Részlet Leon M. Lederman: Az isteni atom (The God Particle) c. könyvébıl]
a Nap felszínhımérséklete: 6100 K; sugárzása az abszolút fekete test sugárzásának felel meg;
A Nap sugárzási energia-spektrumát a szaggatott görbe mutatja, mely változatlanul érkezik meg a légkör külsı határáig.
A légkör külsı határán a sugárzási energiahozam: összességében: 99 %-a: [λ: 0,17 – 4,0 µm], hiányzó „vonalakkal”; részleteiben: kb. 7 %-a: kb. 46 %-a: kb. 47 %-a:
ultraibolya + röntgen tartomány; látható fény infravörös
A Föld felszínén a sugárzási energiahozam: A légkör alján λEmax ,légkör alja >λEmax ,légkör külsı határa , mivel a rövidebb hullámhosszakban nagyobb az energia-veszteség. (Pl. α = 40º napmagasság → sárga fény; α < 40º → narancs fény; α << 40º → vörös fény); a λ < 0,3 µm hullámhosszú sugárzás hiányzik, ok: a sztratoszférikus ózonréteg elnyeli; A sugárzási energiaspektrum nem sima lefutású → elnyelési sávok; ok: a vízgız és a CO2 okozta sugárzáselnyelés (energia-csökkenés) fıként az infravörös tartományban;
A napsugárzás veszteségei a légkörben
• Elnyelés (abszorpció): szelektív Elnyelés → hımérséklet-emelkedés; A légkör állandó gáz-halmazállapotú összetevıinek elnyelése általában jelentéktelen; A nem gáz-állapotú részeknek (por-, korom-, sórészecskék) elnyelése esetenként jelentıs, de többnyire elhanyagolható; Vízgız [2 µm < λ < 80 µm]: jó elnyelıképesség (hosszúhullámok, infravörös), „ablakokkal”; CO2 [13 µm < λ < 17 µm]: jó elnyelıképesség (hosszúhullámok, infravörös), „ablakokkal”; Ózon O3 [0,22 µm < λ < 0,29 µm]: jó elnyelıképesség (rövidhullámok, UV sugárzás); Oxigén, nitrogén, egyéb gázok [λ < 0,22 µm]: (kis mértékő) elnyelés; A légkör nemcsak elnyel, de maga is (vissza)sugároz: hosszúhullámú sugárzás (viszonylag alacsony hımérsékleten);
A napsugárzás elnyelése a légkörben, különbözı hullámhosszakon
• Visszaverıdés Definíció: albedó (reflexiós tényezı: a): a felület által visszavert és a felületre beesı rövidhullámú napsugárzási teljesítménysőrőség hányadosa. Értéke a felület anyagi minıségétıl függ. Egyes felszínek albedói felszín tenger tőlevelő erdı legelı lombhullató erdı, szántóföld sivatag felhızet (átlagos) felhızet (vastag) friss hó régi hó
albedó, % 5 – 10 5 – 15 15 – 20 15 – 20 15 – 30 25 – 30 48 70 – 80 75 – 95 40 – 60
A felhızet átlagos albedója a Földön: 54 % · 48 % = 26 %; Az emberi tevékenység megváltoztatja a földfelszín albedóját. A szántóföldek világos színe 10 %-al megnövelte a planetáris albedót. Planetáris albedó ≈ 30 %;
A globális albedó
• Fénytörés, fényelhajlás, szóródás A sugárzási energia változatlan marad, de terjedési iránya változik; hullámhossz / szórórészecske-méret (D) arányától függı folyamat;
D << λ : molekuláris (Rayleigh-) szóródás; D≈λ
: részecske- (Mie-) szóródás
A Rayleigh-szóródás intenzitása fordítottan arányos a hullámhossz 4. hatványával ⇒ légköri színjelenségek; pl. az ég kék színe (a szórt fényben dominál a rövid hullámhosszú kék); a Napból érkezı sugárzásból a légkörön való áthaladás során kiszóródnak a rövidhullámú összetevık ⇒ a felkelı és lenyugvó Nap vörös színe;
A Mie-szóródás intenzitása kevéssé függ a hullámhossztól (fordítottan arányos a hullámhossz 1,3 hatványával) ⇒ vízcseppek, jégkristályok, szilárd szennyezıdések: opálos, fehéres-szürke égbolt);
Be jó lenne még azt mondani mindig: Szívem fürösztik tavaszi kegyek, a napsugár is éget, virágosak a rétek, és holnap kirándulásra megyek. Dsida Jenı: Öreg október (részlet)
A földfelszín és a légkör sugárzása
A Napból érkezı elektromágneses sugárzási energia kisebb részét a felszín visszaveri, nagyobb részét elnyeli ⇒ a felszín fölmelegszik, s e hı egy részét visszasugározza a légkörnek; ⇒ a földfelszín és a légkör elektromágneses sugárzást kibocsátó rendszerek; → érvényesek rájuk a már említett sugárzási törvények; • Földfelszín:
Átlaghımérséklet: Tföldfelszí ldfelszín = 288 K; Planck-törvény: ⇒ a kisugárzott energia 99 %-a: [λ: 3 – 80 µm]; Wien-törvény: ⇒ a maximális energiát kibocsátó hullámhossz:
λE
max
≈ 10 [ µ m]
• Légkör:
Átlaghımérséklet: Ttroposzfé troposzféra felsı felsı hatá határa = 217 K; Wien-törvény: ⇒ a maximális energiát kibocsátó hullámhossz:
λE
max
≈ 13 [ µ m]
• Légkör – Földfelszín:
1 Emax, légkör (λ = 13 µ m) = ⋅ Emax, földfelszín (λ = 10 µ m) 4 Stefan−Boltzmann-törvény: ⇒
∑λ E
légkör
1 = ⋅ ∑ E földfelszín 3 λ
A légkör elnyelıképességének sajátosságai: A légkör teljesen elnyeli a földfelszín hımérsékleti kisugárzását a [λ: 5 – 7 µm] és a λ > 14 µm hullámhossztartományokban; A légkör félig átereszti a földfelszín hımérsékleti kisugárzását a [λ: 7 – 8 µm] és a [λ: 11 – 14 µm] hullámhossztartományokban; A légkör teljesen átereszti a földfelszín hımérsékleti kisugárzását a [λ: 8 – 11 µm] hullámhossztartományban;
A vízgız és a szén-dioxid sugárzáselnyelése csak bizonyos (fıként infravörös → a földfelszín kisugárzására jellemzı) hullámhossztartományokra koncentrálódik ⇒ szelektív abszorpció; A napsugárzás energia-spektrumában keskeny elnyelés sávok → csekély energia-veszteség; a légkör hıvisszatartó képessége ⇒ ÜVEGHÁZHATÁS;
A Föld – légkör rendszer sugárzási egyenlege a 0º < ϕ < 38º szélességek közötti tartományban a légkör több energiát nyel el egy átlagos évben, mint amennyit kisugárzás révén veszít; a 38º < ϕ < 90º szélességek közötti tartományban a veszteség meghaladja a bevételt (Simpson, Houghton);
+
-
Legyen ısz, de szép, szelíd, derült ısz, Sárga lombon fényes napsugár; Sárga lomb közt zengje végdalát egy A tavasztól elmaradt madár. Petıfi Sándor: Ha az Isten… (részlet)
A
Föld energia-egyensúlya
19. század: úgy vélték, az éghajlat állandó; Ok: ókor: u. a. természetes és termesztett növények; a szélsıséges idıjárási események és évek → véletlen kilengések; Tény: a Föld éves középhımérséklete állandó; a napsugárzás révén adott évi mennyiségő energia érkezik a Földre ⇒ ugyanekkora mennyiségő energia távozik is a Földrıl; a távozó energia a hımérséklettıl függ, az viszont éves átlagban állandó ⇒ a bejövı energia is állandó; → napállandó; Definíció: A napállandó a Nap elektromágneses sugárzásának erısségét jellemzi. Az a sugárzási energiamennyiség, mely közepes Nap-Föld távolság esetén, a légkör külsı határán a sugárzásra merıleges egységnyi keresztmetszeten egységnyi idı alatt áthalad.
1827: elsı napállandó-mérések → pontatlan eredmények; 19. század: a mérımőszerek nem voltak megbízhatóak; a felszíni méréseknek a légkör külsı határára való átszámításához nem voltak megfelelı eljárások; 20. század: megbízható mérımőszerek és méréstechnika; rakétás / mőholdas mérések; ⇒ a mőholdas napállandó mérések abszolút hibája < 0,3 %; 1960 – : őreszközökrıl végzett napállandó mérések:
mind a teljes, mind a spektrális napállandó értékek ingadoznak; a napállandó idıbeli változásai: néhány perc – 11 éves napfoltciklus; a napállandó teljesítmény-változásai: a) a teljes napállandóban: néhány tized %; b) a spektrum egyes szők tartományaiban: ≤ 10 %; A jellemzı napállandó érték: I0 = 1368 W·m-2;
A Nap sugárzása csaknem teljesen párhuzamos nyalábként éri a Földet. A gömb alakú Föld a párhuzamos sugárnyalábból a keresztmetszetének területével arányos mennyiségő energiát (I0 · R2 · π) vesz ki (R a Föld sugara). Ez oszlik el az egész Föld (gömbfelszín) felületén (T = 4·R2·π). ⇒ a keresett átlagos besugárzás:
I 0 ⋅ R2 ⋅ π I0 1368 W ⋅ m−2 I= = = = 342 4 ⋅ R2 ⋅ π 4 4
A Nap sugárzási energiájának csak a töredékét veszi fel a Föld és a többi bolygó; zöme eltávozik a Naprendszerbıl; ⇒ más csillagok sugárzásából is jut a Földre; ⇒ az így kapott energia 3-5 K hımérséklető fekete test sugárzásának felel meg; ez energetikailag elhanyagolható, de a Világegyetem megismerése szempontjából alapvetı;
A mindenség oly tisztán és üdén csillog, mint harmatcsepp a menny levelén. József Attila: Töredékek (részlet)
A
táguló világegyetem: ısrobbanás (Big Bang)
1965: Arno Penzias és Robert Wilson egy kicsi, igen érzékeny antennával rádiócsillagászati kísérleteket végeztek; egy állandó, kis frekvenciájú zajt észleltek, bármely irányba is forgatták az antennát; mőszerük hibátlan volt; Ez a zaj a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás maradványa → akkor jött létre, amikor a világegyetem hımérséklete eléggé lecsökkent az İsrobbanás után ahhoz, hogy anyaga átlátszóvá váljék. Ekkor az univerzum hımérséklete ≈ 3000 ºC (napjainkban -270 ºC ). Ez a sugárzás valójában fény, amit az alacsony hımérséklető feketetestsugárzás kelt ⇒ a µm hullámhossz-tartományban megfigyelhetı; ⇒ végsı bizonyíték → az ısrobbanás idıpontja; ⇒ 1978: fizikai Nobel-díj; az univerzum anyaga valaha egy végtelenül apró pontban volt összesőrősödve; İsrobbanás ⇒ ebbıl az anyagból galaxisok alakultak ki; Az így született világegyetem kora ≈ 13,7 milliárd év; létének korai szakaszáról árul el adatokat a feketetest-sugárzás; Penzias és Wilson felfedezése bizonyíték Lemaitre elméletére és Hubble azt támogató megfigyelésére;
Georges-Henri Lemaître (1894 – 1966); belga katolikus pap, tiszteletbeli prelátus, fizikus, csillagász; 1927; 1931: Nature: „ısatom-elmélet”; elméleti úton bizonyította, hogy: Einstein általános relativitás-elmélete (statikus világegyetem) hibás; egy jobb modellel írható le a világegyetem, ha azt a táguló univerzum elméletére alapozzuk; Edwin Hubble (1889-1953); amerikai csillagász; 1929: csillagászati megfigyelési adatok alapján bizonyítékot talált arra, hogy más galaxisok távolodnak a mienktıl; ⇒ Lemaitre: az univerzum „néhány eredeti atom” fölrobbanásával (ısrobbanás; big bang) keletkezett;
További eredmények az ısrobbanás igazolására John C. Mather és George F. Smoot amerikai kutatók: ⇒ a feketetest-sugárzás és a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás anizotrópiájának felfedezése; (Anizotrópiának nevezzük azt a jelenséget, amikor az anyag egyes tulajdonságai különbözı irányokban különbözıek.)
Kutatási eredményeik bebizonyították, hogy valóban az İsrobbanásnak köszönheti a világegyetem a megszületését; ⇒ 2006: fizikai Nobel-díj;
Mather és Smoot az Univerzum alacsony hımérséklető feketetest-sugárzását mérte az általuk kifejlesztett és az őrbe juttatott, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás mérését lehetıvé tevı készülékkel. Felfedezésük annak bizonyítéka, hogy az İsrobbanást követıen a világegyetem nem volt teljesen azonos hımérséklető mindenütt. Az akkori sőrőség- és hımérsékleti ingadozások létezésének lenyomata jelenleg már csak a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás anizotrópiájában látható. A háttérsugárzás hımérséklet-ingadozásai
A megfigyelhetı univerzum
Univerzumunk 13,7 milliárd éves. Ez azt jelenti, hogy nem láthatunk 13,7 milliárd fényévnél tovább! Ezt hívják „megfigyelhetı univerzum”-nak. Lehetséges (és valószínő is), hogy létezik univerzum (léteznek univerzumok?) messze a miénken túl, de valószínőleg sohasem remélhetjük, hogy megfigyelhetjük azt (azokat) (legalább is fény segítségével). Amikor a csillagászok azt mondják: „univerzum”, ık ilyenkor mindig a „megfigyelhetı univerzum”-ra gondolnak, mivel eléggé hiábavaló olyan dolgokról vitatkozni, amelyeket nem tudunk megfigyelni! Mi a megfigyelhetı univerzumunk középpontjában vagyunk!
•
Hol a helyünk az univerzumban? A Föld egy bolygó egy olyan naprendszerben, mely egyike a kb. 100 milliárd csillagrendszernek a Tejútrendszer galaxisában, mely utóbbi egyike a Helyi Csoport kb. 40 galaxisának, mely utóbbi része a Helyi Szupercsoportnak, mely utóbbi része az univerzumnak.
• Mi a kozmikus eredetünk, s miért mondjuk, hogy
„csillag-anyag”-ból vagyunk. Univerzumunk az ısrobbanással született, mely mindössze két kémiai elemet hozott létre: a hidrogént és a héliumot. A többi elem a csillagok révén keletkezett, s ezért mondjuk, hogy „csillag-anyag”-ból vagyunk.
•
Milyen messze vannak tılünk a csillagok? A legközelebbi csillag 4,2 fényévre van tılünk (pontosság: ± 0,1 fényév). Az éjszaka szabad szemmel látható legtöbb csillag néhány száz fényév távolságra van. Közülük némelyek távolsága 2000 fényév, ami a galaxisunk átmérıjének mindössze 2 %-a.
•
Az emberi idıskálák hogyan viszonyulnak az univerzum korához? Ha egy kozmikus naptárban az univerzum korát egy évre sőrítjük össze, az emberi civilizáció mindössze néhány másodperce tart.
Az ısrobbanás és az univerzum néhány filozófiai kérdése • Honnan ered univerzumunk ısanyaga, elemei egysége (Lemaitre: „néhány eredeti atom”)? • Mi volt az anyag állapota az ısrobbanás pillanatáig? • Mi volt az „ısatom”-on kívül az ısrobbanás pillanatáig? • Mi volt az ısrobbanás oka? • Létezhetnek-e más univerzumok, melyek szintén ısrobbanással (vagy más módon) keletkeztek? • Mi van az univerzumon (univerzumokon) kívül? • Hová fejlıdik az univerzum? • Az univerzumnak is van kora. Mi következik utána? • Megismerhetjük-e univerzumunkat? Megismerhetjük-e a létezı világmindenséget az univerzumokkal, s egyéb elemeivel? Megtudhatjuk-e az általunk ismert (illetve az esetlegesen még létezı, s nem ismert) élet értelmét? • Vannak-e a megismerésnek határai?
Ha bizonyos területeken a tudásunk hiányos (lehet-e teljes?), vagy ha bizonyos területekrıl egyáltalán nem állnak rendelkezésre információk, akkor vesszük elı a filozófiát, azaz: A filozófia ott kezdıdik, ahol a tudomány véget ér. „A filozófia az a tudomány, ami nem létezik.” „Ó, társak, bár veszélyek ezre víjja sziveteket, mégis Nyugatra hágtok: ha látástokból, bármi sok a híja, ıriztek” - szóltam - „még egy csöppnyi lángot, ne sajnáljátok megkeresni tıle a Nap útján a néptelen világot! Gondoljatok az emberi erıre: nem születtetek tengni, mint az állat, hanem tudni és haladni elıre!” Dante Alighieri: Isteni színjáték (részlet)
Ha feltételezzük, hogy a Föld-légkör rendszer sugárzása feketetest-sugárzás, akkor mennyi annak egyensúlyi hımérséklete? A Föld éves átlagos albedója: 30 %; A jellemzı visszavert napsugárzás: 0,3·342 W·m-2 = 103 W·m-2; A rendszerben maradó napsugárzási energia: 239 W·m-2; Az egyensúly követelménye miatt a rendszerben maradó napsugárzási energiának valami módon távoznia kell: • A légkörbıl könnyő molekulák állandóan távoznak ⇒ energiavesztés (elhanyagolható); • Hımérsékleti sugárzás (meghatározó);
E = 239 W·m-2; T=? A Stefan–Boltzman-törvény szerint: ∞
E=
∫λ
f (λ , T ) =σ ⋅ T 4
=0
σ = 5, 67 ⋅10
−8
J ⋅ m−2 ⋅ s −1
J ⋅ m −2 ⋅ s −1 ⋅ K −4
Innen a hımérsékletet kifejezve:
E
239 T=4 =4 = 255 K −8 σ 5, 67 ⋅10
• Azaz T = 255 K = -18 ºC; ⇒ az E = 239 W·m-2 sugárzási energiát -18 ºC hımérsékleten veszíti el a Föld; ⇒ a világőrbıl nézve a Földet, hımérséklete -18 ºC; • Mőholdas mérések: a kisugárzás éves átlaga, 1979– : ≈ 235 W·m-2; ⇒ nincs energia-egyensúly: a globális energiamérleg a vizsgált idıszakban: +4; +5 W·m-2; Valószínő ok: napállandó mérések: abszolút hiba (0,3 %); albedó mérések: rendszeres hiba; kisugárzás mérések: rendszeres hiba (több %);
A Föld sugárzási egyensúlyi modellje Mennyi a felszínhımérséklet, ha a légkör a felszíni hosszúhullámú sugárzást teljesen átengedi a világőr felé (ha nincs légkör)?
E0
Eföldfelszíni sugárzás
napsugárzás
•
A légkör felsı határán: határán:
•
A felszínen: felszínen:
•
Hogy kiszámíthassuk
E0 napsugárzás ≈ 239 W ⋅ m -2 E 0 napsugárzás = E földfelszíni sugárzás Eföldfelszíni sugárzás -t, integrálnunk integrálnunk kell a PlanckPlanck-függvényt λ szerint.
StefanStefan-Boltzmann törvény: törvény:
∫
Eföldfelszíni (T ) = π ⋅
2 ⋅ h ⋅ c2 dλ ⋅ 5 = σ ⋅T 4 λ ⋅ exp ( h ⋅ c / λ ⋅ k B ⋅ T ) − 1
σ = 5, 67 ⋅10−8 W ⋅ m -2 ⋅ K -4
E0
napsugárzás
Tföldfelszín
4 = σ ⋅ Tföldfelszín
E0 napsugárzás o =4 = 255 K = -18 C σ
Vegyük hozzá a légkört Mennyi a felszínhımérséklet, ha a légkör valódi (abszolút) fekete testként viselkedik? 4 σ ⋅ Tlégkör
E0
napsugárzás
≈ 239 W ⋅ m
E0
4 σ ⋅ Tlégkör
-2
napsugárzás
4 σ ⋅ Tföldfelszín
≈ 239 W ⋅ m -2
•
A légkörben:
4 4 σ ⋅ Tföldfelszín = 2 ⋅ σ ⋅ Tlégör
•
A felszínen:
4 4 E0 napsugárzás + σ ⋅ Tlégkör = σ ⋅ Tföldfelszín
E0 napsugárzás = σ ⋅ T
4 földfelszín
Tföldfelszín
1 1 4 4 − ⋅ σ ⋅ Tföldfelszín = ⋅ σ ⋅ Tföldfelszín 2 2
2 ⋅ E0 napsugárzás o 304 K 31 C =4 = = σ
A légkör nem valódi fekete test
A valódi (abszolút) fekete test olyan test, amely minden sugárzást teljes mértékben elnyel; adott hımérsékleten az elméletileg lehetséges legnagyobb teljesítménnyel sugároz;
A légkörön függılegesen áthaladó hosszúhullámú sugárzás abszorpciós spektruma néhány erısen elnyelı gáz esetében
Néhány üvegházgáz leghatékonyabb abszorpciós hullámhosszai (µm)
Tekintsük a légkört, mint szürke testet Mekkora a valódi globális felszíni középhımérséklet? 4 Elégköri kisugárzás = e ⋅ σ ⋅ Tlégkör
emisszió-képesség: e ≈ 0,8
Kirchhoff-törvény
abszorpciós képesség: a ≈ 0,8 4 e ⋅ σ ⋅ Tlégkör
4 a ⋅ σ ⋅ Tlégkör
E0
napsugárzás
≈ 239 W ⋅ m
4 e ⋅ σ ⋅ Tlégkör
-2 4 σ ⋅ Tföldfelszín
•
A légkörben:
4 4 4 a ⋅ σ ⋅ Tföldfelszín = e ⋅ σ ⋅ Tföldfelszín = 2 ⋅ e ⋅ σ ⋅ Tlégkör
•
A felszínen:
4 4 E0 napsugárzás + e ⋅ σ ⋅ Tlégkör = σ ⋅ Tföldfelszín
1 e 4 4 4 E0 napsugárzás = σ ⋅ Tföldfelszín − ⋅ e ⋅ σ ⋅ Tföldfelszín = 1 − ⋅ σ ⋅ Tföldfelszín 2 2
Tföldfelszín
E0 napsugárzás = 290 K = 17 o C =4 1 − e ⋅ σ 2
A légkör üvegházhatása A Föld akkor van sugárzási egyensúlyban, ha hımérséklete: T = -18 ºC; De a Föld átlagos felszínhımérséklete: T = +15 ºC; ⇒ ez 33 ºC-kal melegebb az egyensúlyi hımérsékletnél; A felszíni és az egyensúlyi hımérséklet eltérése a légkör üvegházhatásának eredményeként jön létre. Mi játszik szerepet abban, hogy a légkör 33 ºC-kal növeli az egyensúlyi hımérsékletet? A napsugárzás intenzitása és spektrális összetétele; A légkör jellemzıi; A felszín éghajlat-módosító hatása; Üvegházgázok (H2O, CO2, CH4, CFC, NOx, stb.) Helyesen: a Föld–légkör rendszer üvegházhatásáról beszélhetünk (aF-l = 30 %) ⇒ egyensúlyi hımérséklet: TF-l = +15 ºC; Ha eltekintünk a légkörtıl (aF = 10 %) ⇒ egyensúlyi hımérséklet: TF = 0 ºC ;
A légkörben és a felszínen elnyelt napsugárzás A Föld-légkör rendszer a ráesı napsugárzás 30 %-át visszaveri a világőrbe (aF-l = 30 %); 70 %-át elnyeli a légkör és a felszín; Jóllehet minden elnyelt napsugárzási energia távozik a rendszerbıl, de a rendszerbeli folyamatok alakulása szempontjából nem mindegy, hogy a beérkezı energia hogyan oszlik el a rendszeren belül; A légkör és a felszín sugárzás-elnyelése légköri állapotok a légkör tiszta, a felhık desztillált víz cseppjeibıl állnak a légköri aeroszolt is figyelembe véve valódi légkör esetén
sugárzáselnyelés, % légkör felszín 20 50
25
45
30
40
A napsugárzás és az emberiség energia-igénye A napsugárzás az élettelen és az élı természet (táplálék, energiahordozók; utóbbiak közül kivéve: nukleáris + fúziós energia) energia-forrása; A napsugárzási energia egy részét a növények kötik meg → eközben szén-dioxidot vonnak ki a légkörbıl; Mivel az északi félgömbön több növény van, mint a délin ⇒ • az északi félteke nyarán a Föld szén-dioxid készlete kb. 2 %-kal csökken; • A déli félteke nyarán kb. 3 %-kal nı; A szén-dioxid 150 éve tapasztalt felhalmozódását megakadályozhatnánk, ha évente csak annyi széntartalmú energiahordozót égetnénk el, amennyi a növényzet, az óceánok és az óceáni mészkıképzıdés révén évente tározódik. Mennyi energiát jelent ez évente az emberiség számára?
A felszín minden négyzetméterén a légkör felsı határára érkezı napsugárzási energia kb. 40 %-a nyelıdik el: E = 0,4 · 342 W·m-2 = 136,8 W·m-2; Ha ezt az értéket megszorozzuk a Föld felszínével (5,1·1014 m2) ⇒ a teljes Földfelszín által elnyelt napsugárzási teljesítmény: E = 136,8 W·m-2 · 5,1·1014 m2 = 697,68 · 1014 W; A felszínnek csak egyötödét számítsuk növényzettel borítottnak ⇒ a fenti teljesítmény 0,2-vel szorzandó: E = 0,2 · 697,68 · 1014 W = 139,536 · 1014 W; Tegyük fel, hogy a növények a rájuk jutó napsugárzásból 1 %-ot kötnek meg: E = 0,01 · 139,536 · 1014 W = 1,39536 · 1014 W; A növények által megkötött sugárzási energia kb. 5 %-os hatásfokkal hasznosul elégetéskor: E = 0,05 · 1,39536 · 1014 W = 6,9768 · 1012 W ≈ 7 · 1012 W;
A technikailag fejlett országokban az átlagos évi energiafelhasználás: ≈ 10 kW / fı; Ha ez utóbbi magas szintő energia-felhasználást tételezzük föl
7 · 1012 W 7 · 1012 W 8 = = 7·10 fı = 700 millió fı ⇒ -1 4 -1 10 kW · fı 10 W · fı ⇒ kb. 700 millió ember élhetne úgy a Földön, hogy energiaigényének kielégítésével nem növelné a légköri szén-dioxid koncentrációját; Az emberiség lélekszáma jelenleg kb. 7 milliárd fı, s kb. 10 milliárd fı esetén fog stabilizálódni.
• MINDEN EMBERI TEVÉKENYSÉG A GLOBÁLIS FÖLMELEGEDÉS IRÁNYÁBA HAT. Szennyezett levegı a Pósíkság fölött, Olaszország
• A SZAPORODÓ EMBERISÉG NÖVEKVİ ENERGIAGONDJA A KÖRNYEZETI PROBLÉMÁK JELENTİS RÉSZÉNEK FORRÁSA.
Japán
• MEGOLDÁSOK (?)
Szeretek itt olvasni, a kertben, a szıllılugas alatt, ahol a könyvre apró kerek fényfoltokat vet a nap – mind titkos lencse fényköre titkos mikroszkóp alatt, amelyben titkos porszemek szálló árnyai mozganak. Babits Mihály: A régi kert (részlet)
A napsugárzás biometeorológiai vonatkozásai
A napsugárzásnak az ultraibolya sugárzási spektrum révén tapasztalt egészségi / környezeti hatásai
A bırre gyakorolt hatások közvetlen hatások Az állandó sugárzásnak kitett bırfelület simasága romlik; vastagabbá válik; gyorsabban öregszik (ráncosodik) ok: a felszínre érkezı ultraibolya sugárzás mennyiségének növekedése valószínőleg meggyorsítja a bır öregedését;
jóval nagyobb gyakorisággal lépnek föl rajta kóros elváltozások; ⇒ kelések, gyulladások, fekélyek, daganatok (pl. bırrák); • növekedni fog a melanómás és nem melanómás bırrák elıfordulási gyakorisága (a melanóma a melanin, azaz a bır festékanyaga okozta bırelszínezıdés, anyajegy valamely testfelületen);
• növekszik a különbözı sejtdaganatok (pl. bırrák) gyakorisága;
közvetett hatások komoly bırkárosodás ⇒ közvetett hatások: → jobban hajlamosít a
hörghurutra; tüdıgyulladásra; gyomorfekélyre; a vér különbözı betegségeire;
Az USA Környezetvédelmi Ügynöksége (EPA) → a bırrákból eredı elhalálozások száma, USA, 2050: ≈ 200 ezer fı / év;
A szemre gyakorolt hatások gyakoribbá válnak a heveny reakciók, mint pl. a „hóvakság”; megnı a hályog, illetve a hályoggal összefüggı vakság gyakorisága; megnı a rákos szemdaganatok gyakorisága;
Az immunrendszerre gyakorolt hatások • hátrányos csökkent ellenálló-képesség a daganatos és fertızı betegségekkel szemben; a szervezetnek valószínőleg növekvı gyakoriságú auto-immun és allergikus válaszai, továbbá az oltásokra adott csökkent reakciója;
• elınyös mérséklıdik bizonyos immunbetegségek (pl. pikkelysömör, nikkel-allergia) veszélye;
A vegetációra és a termésre gyakorolt hatások
A vékonyodó ózonpajzs élettani hatásai az ózonpajzs 10 %-os csökkenése az immunrendszer kb. 2 %-os károsodását idézné elı; a mérsékelt öv felett több mint 20 %-kal kellene az ózonpajzsnak vékonyodnia ahhoz, hogy akkora legyen az UV-besugárzás, mint amekkora az jelenleg egyes trópusi területeken (Washingtoni Egyetem);
Veszélyeztetett régiók
Antarktisz;
Ausztrália; Dél-Amerika;
Védekezés a viselkedési szokások módosítása (pl. antioxidánsokban gazdag étrend választása); a delelést megelızı és követı két-két órában a napozás mellızése; a testfelületeket fedı viselet (pl. napvédı krém, póló, kalap, napszemüveg, napernyı használata) → Ausztrália: „slip-slap-slop”;
Mára befejeztük, jó éjszakát!
