Fyzikální aspekty zátěží životního prostředí 10 Příjem sluneční energie, skleníkový efekt a skleníkové plyny

Elektromagnetické záření Základní pojmy: Fyzikální pole Elektromagnetické pole Elektromagnetické záření

Fyzikální pole Stav hmoty, pomocí kterého moderní fyzika vysvětluje vzájemné interakce těles, které nejsou v kontaktu. Těleso, které pokládáme za zdroj, generuje dané fyzikální pole, prostřednictvím kterého působí na okolní tělesa. Pole popisujeme zpravidla pomocí intenzity pole, jejíž časové a prostorové rozložení udává sílu, kterou pole působí na jednotkový „náboj“ v daném místě a čase. Fyzikální pole vykazuje atributy hmoty - hmotnost, energii a hybnost.

Elektromagnetické pole Elektrické pole vyjadřuje silové účinky elektrických nábojů na jiné elektrické náboje. Silové účinky popisujeme pomocí vektoru elektrické intenzity E. Magnetické pole jeho zdrojem jsou pohybující se elektrické náboje (el. proudy) nebo permanentní magnetické dipóly (magnety), které působí na jiné pohybující se náboje nebo magnetické dipóly. Jeho silové účinky popisujeme pomocí vektoru magnetické indukce B. Elektromagnetické pole Obecně jsou obě uvedená pole vzájemně svázána (tento vztah popisují Maxwellovy rovnice). Hovoříme tedy o jednom elektromagnetickém poli.

Elektromagnetické záření Podle teorie elmag. pole elmag. záření je příčné vlnění vektoru intenzity elektrického pole E a vektoru magnetické indukce B. Podle kvantové teorie pole elmag. záření přestavuje proud částic – fotonů.

Vlastnosti elmag. vln Elektromagnetické vlny se šíří ve vakuu rychlostí c (rychlost světla ve vakuu 300 000 km/s). Vlna je charakterizována vlnovou délkou λ nebo frekvencí f = c/ λ. Vlně odpovídá proud fotonů pohybujících se rychlostí c. Energie fotonů E = h . f, kde h = 6,62607 . 10-34 J.s je Planckova konstanta.

Elektromagnetické spektrum Podle vlnové délky rozlišujeme různé typy elmg. záření (pro daný interval vlnových délek). Platí, že kratší vlnová znamená větší energii fotonů. Všechny tyto intervaly tvoří tzv. spektrum elektromagnetického záření.

Aplikace elmag. záření

Slunce jako přirozený zdroj elmag. záření Je jednou z mnoha hvězd Mléčné dráhy. Zdrojem energie Slunce je termojaderná fúze. Teplota povrchu Slunce je cca 5 400 K, a proto Slunce vyzařuje energii do okolního prostoru především ve formě elektromagnetického záření různých vlnových délek. Tok energie ze Slunce na Zemi činí přibližně 1,4 kW m-2.

Viditelné záření – světlo Sluneční světlo je bílé, je to směs různých vlnových délek ve viditelné oblasti. Pokud pozorujeme jen vybranou oblast vlnových délek, jeví se nám světlo jako barevné. Bíle sluneční světlo lze rozložit na jednotlivé barvy spektra např. pomocí skleněného hranolu, podobný jev lze pozorovat například jako duhu po dešti.

Neviditelné elmag. záření ze Slunce Na snímku je obraz Slunce zachycený v rádiovém oboru spektra. V tomto nebo v rentgenovém oboru spektra je možné objevit na Slunci oblasti, které září intenzivněji, než ostatní části povrchu. Při pozorování slunečního spektra speciálními přístroji, objevíme množství tmavých nebo světlých čar.

Časové a prostorové změny intenzity slunečního záření Změna množství sluneční energie, která dopadá na Zemi je dána: výstředností (excentricitou) oběžné dráhy Země (proměnná vzdálenost Země od Slunce), změnou sklonu zemské osy k rovině ekliptiky, snížením nebo zvýšením slunečního výkonu, změnou albeda, tj. odrazivosti povrchu Země např. změnou ročních dob (led a sníh odráží převážnou část dopadajícího slunečního záření zpět do vesmíru).

Jak a proč se mění intenzita záření? Proměnlivost sluneční aktivity je způsobena změnami magnetického pole Slunce. Jsou pozorovány pravidelné cykly, z nichž nejkratší je o délce 11 resp. 22 let. Sluneční aktivita se projevuje např. výskytem slunečních skvrn a slunečními erupcemi.

Sluneční skvrny Ve viditelném světle tmavé (a také chladnější oblasti) na slunečním povrchu, v oblasti UV a RTG záření jsou to oblastí s vyšší aktivitou. Vznikají v důsledku poruch magnetického pole Slunce.

Význam slunečního záření pro biosféru Biosféra je označení pro živé organismy na povrchu Země. Nezbytnou energii získává většina biosféry ze Slunce. Energii biosféra získává pomocí fotosyntézy zelených rostlin na pevninách a fytoplanktonu v mořích.

Cesta energie Ze 180 000 TW záření dopadajícího na naši planetu fotosyntéza zpracuje půl tisíciny, to je 90 TW. Pomocí fotosyntézy ukládají zelené rostliny a fytoplankton energii slunečního záření pomocí oxidu uhličitého a vody ve formě chemické vazby do cukrů, škrobů a jiných organických látek. Od zelených rostlin a fytoplanktonu přejímá tuto energii ve formě potravy většina živých organismů na Zemi. Chemickou energii přijaté potravy využívají živé organismy k pohybu, k produkci tepla, růstu a rozmnožování, zbytek uvolňují povrchem těla či dýcháním. Zatímco fotosyntéza váže sluneční energii do potravy, dýchání a spalování tuto vázanou energii z potravy uvolňuje.

Interakce elektromagnetického záření s atmosférou Rozptyl Jev, při kterém je dopadající elektromagnetické záření rozptýleno po dopadu na povrch látky do nejrůznějších směrů. Absorpce Jev, při kterém je dopadající elektromagnetické záření látkou absorbováno (pohlceno).

Rozptyl Pokud při rozptylu nedojde ke změně energie fotonu a tedy i vlnové délky mluvíme o koherentním rozptylu Rayleighův rozptyl, který můžeme pozorovat jako rozptyl bílého světla v atmosféře, Nekoherentní rozptyl je spojený se změnou vlnové délky dopadajícího záření, Comptonův jev, rozptyl RTG záření na volných elektronech).

Rayleighův rozptyl v atmosféře Rayleighův rozptyl způsobuje, že je obloha modrá a při západu Slunce vytváří červánky. Tento jev způsobují molekuly všech složek vzduchu. Pokud by hustota molekul kyslíku v atmosféře byla nižší, byla by výsledná barva jasnější a tmavší.

Absorpce Při tomto procesu jsou fotony po dopadu látkou pohlceny a jejich energie je předána látce (tzv. excitace). Pro atomy je charakteristické, že pohlcují záření pouze určitých vlnových délek – vzniká tzv. čárové absorpční spektrum. U pevných látek vznikají při absorpci spojité absorpční pásy, jsou pohlcovány vybrané intervaly záření. Energie pohlcených fotonů vyvolává nejen excitaci elektronů, ale také vibrace nebo rotace molekul dané látky nebo dokonce jejich rozpad - disociaci.

Možné pohyby molekul a s ním související energetické hladiny

Skleníkový efekt U některých plynů v atmosféře umožňuje jejich energetické spektrum pohlcovat infračervené záření, které tvoří maximum spektra vyzařovaného povrchem Země. Tento jev, označovaný jako skleníkový efekt, přispívá k udržování teploty vhodné pro život. Plynný dusík a kyslík, které tvoří převážnou většinu atmosféry (99%), záření ani nepohlcují ani negenerují.

Skleníkové plyny v mnohem menším množství, vodní pára, oxid uhličitý a některé další plyny obsažené v ovzduší určitou část tepelného záření, jež generuje povrch Země, pohlcují. Tyto plyny zachycují část záření generovaného Zemí a způsobují rozdíl cca 21°C mezi průměrnou teplotou na povrchu Země, jejíž hodnota se pohybuje kolem 15°C a hodnotou - 6°C, kterou by měla atmosféra, která by obsahovala pouze kyslík a dusík.