Что нужно принести
Короткое напоминание урока 6: видимый свет — от $380$ до $700\ \mathrm{nm}$, у инфракрасного излучения длины волн больше; чем меньше длина волны, тем больше энергия. Излучение и теплота — не одно и то же: излучение — это энергия, которая распространяется как волна; теплота — передача энергии между телами с разной температурой.
Объяснение
Читать объяснение
Температура и длина волны
Любое тело излучает, и то, какое излучение оно испускает, зависит от его температуры: чем горячее тело, тем короче длина волны, на которой оно излучает сильнее всего (NASA Earth Observatory, Climate and Earth's Energy Budget).
| Тело | Температура | Где излучает сильнее всего |
|---|---|---|
| Солнце | около $5500\ ^{\circ}\mathrm{C}$ на поверхности | Видимый свет |
| Земля | около $-20\ ^{\circ}\mathrm{C}$ эффективной температуры | Тепловое инфракрасное (от $8$ до $15\ \mu\mathrm{m}$, NASA) |
Поэтому входит видимое, выходит инфракрасное: излучение, приходящее от Солнца, в основном видимое, потому что Солнце очень горячее, а излучение, которое отдаёт Земля, инфракрасное, потому что Земля намного холоднее.
Четыре судьбы излучения
Когда излучение достигает чего-либо (облака, воздуха, почвы), с ним может произойти четыре разных вещи:
| Судьба | Что происходит с энергией | Пример на Земле |
|---|---|---|
| Отражение | Отскакивает и уходит обратно, не задерживаясь в теле | Облака, морской лёд и снег возвращают в космос в сумме 29 % солнечной энергии |
| Пропускание | Проходит сквозь тело и идёт дальше | Солнечный свет проходит через атмосферу: 48 % доходит до поверхности и поглощается там |
| Поглощение | Остаётся в теле, и тело получает энергию | Водяной пар, пыль и озон поглощают 23 %, поверхность — 48 % |
| Испускание | Тело создаёт собственное излучение и посылает его наружу | Земная поверхность испускает тепловое инфракрасное излучение |
Обрати внимание: $29\% + 23\% + 48\% = 100\%$ — всё приходящее солнечное излучение в итоге отражается или поглощается. Испускание отличается от трёх других: это не то, что происходит с приходящим излучением, а новое излучение, исходящее от тела. Отражать — не значит испускать: снег отражает видимый свет Солнца, а поверхность испускает собственное инфракрасное излучение.
Альбедо
Альбедо поверхности — это доля приходящего на неё излучения, которую она отражает (UCAR Center for Science Education, Albedo and Climate):
$$\alpha = \frac{E_{\text{отр}}}{E_{\text{пад}}}$$
где $\alpha$ (альфа) — альбедо, число от 0 до 1 (или от 0 % до 100 %). Альбедо, близкое к 0, означает, что почти ничего не отражается и почти всё поглощается; близкое к 1 — что почти всё отражается.
| Поверхность | Альбедо | Отражает много или мало? |
|---|---|---|
| Свежий снег | $0{,}90$ (90 %) | Много |
| Морской лёд со снегом | до $0{,}90$ | Много |
| Морской лёд без снега | от $0{,}5$ до $0{,}7$ | Довольно много |
| Земля, среднее по планете | $0{,}31$ (UCAR) или $0{,}29$ (NASA) | Среднее |
| Лес | $0{,}15$ | Мало |
| Открытый океан | $0{,}06$ | Очень мало |
| Город и облака | — | — |
Два источника дают немного разные значения для среднего по Земле (29 % и 31 %). Это не ошибка: это оценки разных организаций, и стоит указывать, откуда взято число, которым ты пользуешься.
Уходящее инфракрасное излучение — это не «поднимающееся тепло»
Часто представляют, что Земля остывает, потому что «тепло поднимается и уходит». То, что уходит от Земли в космос, — это инфракрасное излучение, испускаемое поверхностью: энергия, которая распространяется как волна во всех направлениях и может проходить через вакуум (урок 6). Это не поднимающийся горячий воздух и не «тепло» как вещество. Спутники измеряют именно это испускаемое инфракрасное излучение, чтобы узнать температуру суши и моря (NASA Science, Infrared Waves).
И озоновая дыра здесь ни при чём: озон поглощает ультрафиолет (ВОЗ), а не инфракрасное излучение Земли.
Что такое излучение и от чего зависит, сколько его доходит
Излучение — это перенос энергии в виде электромагнитных волн, главным образом инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых. В отличие от теплопроводности и конвекции, ему не нужна вещественная среда: оно может распространяться в вакууме. Поэтому энергия Солнца доходит до Земли через космос. Солнечное излучение — это энергия, которую Солнце испускает таким образом; оно необходимо для жизни и для многих природных процессов и деятельности людей.
| Вид | Длина волны | Особенность |
|---|---|---|
| Ультрафиолетовое (УФ) | Самая короткая из трёх | Невидимо для человеческого глаза. |
| Видимое | Промежуточная | Его мы видим: все цвета радуги, от фиолетового до красного. Оно необходимо для фотосинтеза. |
| Инфракрасное (ИК) | Самая длинная из трёх | Мы ощущаем его как тепло. |
Сколько солнечного излучения доходит до каждого места Земли, зависит от нескольких факторов:
- Расстояние от Солнца до Земли. Оно немного меняется в течение года, потому что орбита Земли — эллипс.
- Угол падения: под каким наклоном лучи приходят к поверхности.
- Атмосфера. Она задерживает часть излучения: облака, пыль и другие аэрозоли могут отражать или поглощать его, и до поверхности доходит меньше.
- Высота над уровнем моря. Чем выше, тем больше излучения, потому что атмосфера там менее плотная.
- Широта. Районы ближе к экватору получают за год больше солнечного излучения.
Гигантская теплица
Теплица — закрытое сооружение из стекла или прозрачного пластика. Она пропускает свет и тепло Солнца и удерживает значительную часть тепла внутри, поэтому внутри теплее, чем снаружи. Есть ли у планеты «стеклянный дом»? Стеклянной крыши нет, но в атмосфере есть газы, которые удерживают часть солнечной энергии и обеспечивают температуру, пригодную для жизни. Главный из них — углекислый газ (CO₂), но он не единственный (урок 8).
- Солнце излучает энергию.
- Часть этого излучения проходит через атмосферу и достигает поверхности.
- Часть энергии остаётся на планете благодаря CO₂ и другим парниковым газам.
- Другая часть возвращается в космос.
Что было бы без него? Без парникового эффекта средняя температура поверхности Земли была бы около −18 °C, и жизнь была бы невозможна.
Подумай: если парниковый эффект нормален и необходим, почему он может нам вредить? Парниковый эффект — это то же самое, что изменение климата или глобальное потепление? Ответим на уроках 8–12.
Источник: презентация преподавателя Un invernadero gigante (Canva), слайды 2–10, 18 и 19.
Анимация
Описание анимации
От Солнца, температура поверхности которого около 5500 °C, к Земле приходит излучение, в основном видимый свет, от 380 до 700 нанометров. На рисунке оно показано волнами с коротким шагом.
У этого излучения разные судьбы. Часть отскакивает от облаков и светлых поверхностей и возвращается в космос: это отражение, в сумме около 29 % приходящей солнечной энергии. Другая часть проходит сквозь воздух, нарисованный как отдельные частицы с большим расстоянием между ними: это пропускание. Атмосфера поглощает около 23 %, поверхность — около 48 %: это поглощение, и почва получает энергию.
Затем поверхность испускает собственное излучение. Так как Земля намного холоднее Солнца, это излучение инфракрасное, от 8 до 15 микрометров, и оно показано пунктирными волнами с длинным шагом, расходящимися во все стороны. Это испускание: излучение, которое распространяется, а не тепло, которое поднимается.
В конце сравниваются три поверхности, получающие одинаковый свет: свежий снег отражает около 90 %, лес — около 15 %, открытый океан — около 6 %; толщина отражённого пучка меняется в соответствии с этой долей. Чем меньше поверхность отражает, тем больше энергии она поглощает. Анимация заканчивается схемой четырёх судеб и фразой «входит видимое, выходит инфракрасное».
Источники анимации: NASA Earth Observatory, Climate and Earth's Energy Budget; UCAR, Albedo and Climate; NSIDC, Science of Sea Ice. Схема, не в реальном масштабе.
Симуляторы для этого урока
Дополнительно: интерактивные симуляторы по теме этого урока. Можно открыть до или после объяснения.
Урок 6
Электромагнитный спектр
Пройди по спектру с помощью ползунка — от ультрафиолета до микроволн.
Открыть симулятор →
Урок 8
Молекулы и свет (PhET)
Направляй разное излучение на молекулы воздуха и смотри, какие его поглощают.
Открыть симулятор →
Урок 8
Молекулы и излучение
Симулятор проф. Федерико Гарбери: молекулы воздуха, четыре вида излучения и задание.
Открыть симулятор →
Урок 9
Энергетический баланс Земли
Меняй парниковые газы и альбедо и смотри, куда движется температура.
Открыть симулятор →
Листы для скачивания (на испанском)
Задания
1. Почему асфальт обжигает ноги, а снег нет?
В солнечный полдень тёмный асфальт намного горячее светлой поверхности рядом. Объясни почему, называя, что происходит с излучением на каждом шаге:
- Какое излучение приходит от Солнца и почему оно в основном видимое?
- Какую долю отражает каждая поверхность? Используй понятие альбедо (у тёмной поверхности альбедо близко к 0, у светлой — к 1, UCAR).
- Что происходит с энергией, которая не отражается?
- Какое излучение затем испускает поверхность и почему именно в этой области спектра?
2. Изменить цвет, не меняя Солнца
Утверждение, которое нужно защитить: изменение альбедо меняет температуру поверхности, хотя излучение, приходящее от Солнца, не меняется.
Самопроверка
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…