poniedziałek, 13 stycznia 2020

Kwantowy kocyk - czemu gaz jest cieplarniany

Co sprawia, że dany gaz jest określany mianem gazu cieplarnianego? Można by też zapytać, dlaczego kocyk grzeje? W tym tekście spróbuję możliwie krótko (hyhy) i prosto (serio, serio) wyjaśnić, dlaczego dwutlenek węgla i nie tylko zaliczamy do gazów cieplarnianych. W tym celu przejdziemy przez kilka uproszczeń, otrzemy się o fizykę kwantową, żeby dojść do sedna. Przy okazji odkurzymy trochę szkolnej wiedzy.


Kocyk nie grzeje

Podstawowa sprawa. Kocyki nie grzeją. To pierwsze uproszczenie. Koc, kołdra, ubranie “grzeją” bo powstrzymują ucieczkę ciepła, które emitują nasze ciała. To samo tyczy się niektórych gazów. Chodzi głównie o absorbowanie i ponowną emisję promieniowania podczerwonego.

Niektóre gazy są przezroczyste dla podczerwieni. Przepuszczają podczerwone fotony, które dzięki temu mogą na przykład odbić się od powierzchni planety i znów bez przeszkód pomknąć w pustkę kosmosu. Inne jednak przechwytują je i emitują ponownie w losowym kierunku. Czasem może to oznaczać, że foton wysłany przez Słońce trafi w cząsteczkę dwutlenku węgla, która na chwilę ją pochłonie i wyśle znów kosmos. Równie dobrze może jednak wyemitować ją z powrotem w kierunku powierzchni lub innej cząsteczki tego samego lub innego gazu cieplarnianego. Również fotony które emituje nasza powierzchnia mają większą szansę na to, by dłużej zostać w pobliżu, jeśli w atmosferze, jest dwutlenek węgla i inne gazy cieplarniane.

Można powiedzieć, że foton to porcja energii w postaci światła o określonej długości (częstotliwości) fali. Gazy cieplarniane sprawiają, że ta energia utrzymuje się na Ziemi. Dlatego analogia do koca lub szklarni (stąd greenhouse gas/effect) jest tak trafna. W takim razie trzeba się teraz zastanowić dlaczego niektóre gazy absorbują podczerwone cieplutkie fotony a inne nie. To moment na odkurzenie starych wiadomości ze szkoły.


Proste atomy

Sięgniemy po model atomu opracowany przez Nielsa Bohra w 1913 roku. Według niego atomy tworzą coś podobnego do małego układu planetarnego. Wokół ciężkiego jądra krążą elektrony, które wyobrażamy sobie jako małe, lekkie kuleczki. Kluczowe jest to, że reguły fizyki kwantowej sprawiają, że elektrony mogą poruszać się tylko ściśle określonych orbitach.

Orbity te są związane z poziomem energetycznym. Niższa orbita - mniejsza energia, wyższa orbita - większa energia. Wspomniałem, że fotony to porcje energii. Jeśli w atom trafi foton o dokładnie takiej energii (długości fali), jaka jest potrzebna, żeby elektron wskoczył na którąś z wyższych orbit, to może go zaabsorbować. Jeśli energia nie jest dopasowana foton po prostu poleci sobie dalej.

Kolejny kluczowy fakt jest taki, że wszystkie układy w przyrodzie dążą do minimum energii. Tyczy się to również elektronów. Więc jeśli tylko elektron nie jest już na najniższej orbicie, albo niższe orbity nie są już zajęte przez inne elektrony, to naturalnym będzie to, że wyemituje on foton o częstotliwości odpowiadającej różnicy energii między orbitami i hyc, wróci na niższą orbitę. To właśnie próbowałem przedstawić na ilustracji obok.

W rzeczywistości elektrony nie są kuleczkami na orbicie wokół atomów, są raczej rozproszonymi chmurami prawdopodobieństw, czasem o naprawdę ciekawych kształtach (które wynikają z równań), możecie na nie zerknąć tutaj. Zasada jednak pozostaje z grubsza jednakowa - elektrony mogą pochłonąć tylko ściśle określone porcje energii.

Ciekawiej jednak robi się gdy przejdziemy do cząsteczek…


Skomplikowane cząsteczki

Odkurzyliśmy fizykę, teraz pora na chemię. Czasami dwa lub więcej atomów uwspólniają sobie elektrony, szczególnie gdy taki układ jest bardziej korzystny energetycznie. W ten sposób powstają wiązania chemiczne i cząsteczki.

Wyobrażamy sobie je z reguły jak posklejane kuleczki lub kuleczki połączone sztywnymi “nóżkami”. Tymczasem powinniśmy sobie je wyobrażać bardziej jak kuleczki połączone sprężynkami. Podobnie jak elektrony, choć mają określone stany energetyczne, są bliższe rozmytym chmurom, tak wiązania atomów choć układają je w konkretny kształt, mogą wibrować, zginać się, rozciągać i skręcać.

W większości przypadków promieniowanie podczerwone jest zbyt słabe by wzbudzić elektrony (wznieść je na wyższe orbitale). Jednak ma ono wystarczającą energię by wywołać te prześmieszne taneczne ruchy, które widzicie na animacji obok. Nie tyczy się to symetrycznych cząsteczek typu tlenu O2 czy azotu N2. Ale już H2O, czy CO2 mają taką budowę, że wpadają w takie oscylacje i rotacje jeśli dostaną energię z promieniowania podczerwonego.


Wszystko razem (i jeszcze trochę)

W efekcie, jako że różne drgania i rotacje mogą się na siebie nakładać cząsteczki gazów cieplarnianych mogą pochłaniać bardzo szerokie spektrum promieniowania. Dwutlenek węgla ma wręcz tysiące długości fal, które jest w stanie absorbować i emitować.

A to wciąż nie jest pełen obraz. Powoływałem się na fizykę kwantową mówiłem, że pochłaniane są tylko bardzo ściśle określone porcje energii. W rzeczywistości jednak jest coś takiego jak zasada nieoznaczoności Heisenberga, która sprawia, że te wartości są lekko rozmyte. Kiedyś chętnie napiszę cały osobny tekst dlaczego zasada Heisenberga “ratuje” nasz świat.

Do tego dochodzi efekt Dopplera. Jeśli energia fotonu byłaby zbyt niska dla nieruchomej cząsteczki, ale idą one na zderzenie czołowe, to dojdzie do absorpcji, bo z perspektywy cząsteczki foton ma większą energię (częstotliwość). Jeśli byłaby zbyt wysoka, ale foton dogania “uciekającą” cząstkę” to pozornie energia fotonu jest niższa i więc również może dojść do absorpcji.

I właśnie dlatego gazy takie jak para wodna, dwutlenek węgla czy metan są gazami cieplarnianymi. Ich bardziej złożona struktura sprawia, że mogą absorbować energię promieniowania podczerwonego. A co za tym idzie, utrudniają ucieczkę ciepła z naszej planety.


Podoba Ci się to co robię? Wpłyń na rozwój strony i zostań patronem Węglowego.


Źródła:
- Edukacja podstawowa i średnia
- Obrazek efektu cieplarnianego Wikimedia commons
- Rysunek w Visio mój. Jak widać nie umiałem narysować falującej linii, w przypadku fotonów.
- Przecudna animacja tańczących molekuł pochodzi stąd



5 komentarzy:

  1. Czy gwałtowny rozwój fotowoltaiki i rosnąca powierzchnia paneli słonecznych nie stanowi podobnego zagrożenia dla wzrostu temperatur?
    Czy panele nie pochłaniają fotonów, które normalnie by się odbiły od powierzchni i uleciały w kosmos?

    OdpowiedzUsuń
  2. Krótko:
    pierwsze pytanie: nie
    drugie: tak
    Ciut dłużej. Większość powierzchni pochłania fotony o różnych długościach fali. Energia ta jest przez nas widoczna jako nagrzewanie się powierzchni. Panele robią podobnie ale część tej energii jest przekształcana na energię użyteczną dla człowieka. Można więc powiedzieć że taki panel nawet mniej się przyczynia do powstawania efektu cieplarnianego niż goły dach.
    Oczywiście trzeba brać pod uwagę jaki obszar stanowią panele słoneczne do powierzchni Ziemi. To na ten moment kompletnie eliminuje panele jako zagrożenie.

    OdpowiedzUsuń
  3. @Anonimowy
    Nie, no chwila. Albedo paneli jest niskie, pochłaniają one więcej energii niż przeciętna powierzchnia gruntu. Czyli z tego punktu widzenia pogarszają bilans energetyczny Ziemi (podobnie ciemna powierzchnia wody, która zastepuje topiący się lód arktyczny). Ale rachunek zmienia się na zdecydowanie korzyść fotowoiltaiki, gdy uwzględnimy energię NIE wygenerowaną przez kopalne źródła energii, które owe panele zastępują, oraz CO2 którego, te źródła NIE wyemitują. Ponadto, powierzchnia paneli jest znikoma w porównaniu z np. wspomnianym oceanem, i zapewne będzie jeszcze b. długo, efekt można smiało zaniedbać.

    OdpowiedzUsuń
  4. Jeszcze jedno bo nie do końca wyjasniłem moje zastrzeżenia. To że panel część energii świetlnej zamienia na elektryczną, nie powoduje że ta energia nie ogrzewa Ziemi. Owszem, ogrzewa. Praktycznie 100% energii elektrycznej zamienia się w końcu na ciepło - w odbiorniku. Jedynym wyjątkiem są emisje poza Ziemię na pasmach świetlnych i radiowych - ale to jest promil zużywanej energii elektrycznej.

    OdpowiedzUsuń
  5. @Auror
    W tekście zabrakło mi pewnego elementu niezbędnego do wyjaśnienia efektu cieplarnianego. Mianowicie, widmo promieniowania padającego (światło słoneczne) bardzo się różni od widma emitowanego przez Ziemię. A charakterystyki transmisyjności gazu cieplarnianego są NIESYMETRYCZNE, tzn uzależnione od częstotliwości akurat tak, że inny współczynnik pochłaniania/odbijania jest dla światła padającego, a inny (większy) tego odbitego. Stąd nierównowaga termodynamiczna. Ziemia zatem po zwiększeniu stężenia CO2 ogrzewa się, dążąc do nowego stanu równowagi, którą osiągnie przy wyższej temperaturze (a więc wyższym strumieniu promieniowania cieplnego).

    OdpowiedzUsuń