1. Лабораторна робота № 1
„Моделювання явища парникового ефекту в атмосфері”
Мета роботи: лабораторна робота виконується з метою ознайомлення з явищем парникового ефекту та його впливом на клімат Землі.
1.1 Короткі теоретичні відомості
Відомо, що атмосфера Землі виконує функцію «теплової ковдри» для підтримки постійної помірної температури на поверхні нашої планети. За збереження сприятливих температурних умов на поверхні Землі відповідальними є два головних компоненти: вуглекислий газ (СО2) і водяна пара (Н2О).
В цілому Земля знаходиться в тепловій рівновазі зі своїм оточенням. Це означає, що планета випромінює в космічний простір енергію зі швидкістю, рівній швидкості поглинання енергії, що надходить від Сонця. Сонце являє собою розпечене тіло, температура якого досягає 5800°С. З Космосу Земля представляється відносно холодним тілом. Розподіл інтенсивності випромінювання тіла по довжинах хвиль визначається його температурою. Для Землі максимум інтенсивності випромінювання знаходиться в інфрачервоній області поблизу довжини хвилі 12000нм. Максимум інтенсивності сонячного випромінювання приходиться на видиму частину спектра.
Оскільки земна атмосфера має порівняно гарну проникну здатність у видимій області спектра, приблизно 71% усього сонячного випромінювання, що попадає у верхні шари атмосфери, поглинається поверхнею планети і відбивається в космос у виді інфрачервоного випромінювання. Інша частина сонячного випромінювання відбивається в космічний простір у вигляді видимого світла. Хоча атмосфера прозора для видимого світла, вона не цілком прозора для інфрачервоного випромінювання.
Упродовж усього історичного періоду планети її клімат неодноразово змінювався. Однак ці зміни, як свідчать дослідження, відбувалися поступово. На даний час спостерігається зростання середньорічної температури, починаючи з другої половини минулого століття. Більшість вчених зв’язують його з накопиченням в атмосфері так званих „парникових газів” – вуглекислого газу (СО2), водяної пари Н2О, оксид нітрогену N2О, метану (СН4), хлорфторвуглеродів – фреонів (СFСl3, СF2Сl2 та ін.), озону (О3), оксидів азоту та ін.
Так звані „парникові гази” отримали свою назву завдяки здатності поглинати енергію в тих частотах, в котрих ії випромінює планета, а згідно із законом збереження енергії при даному процесі зростає внутрішня енергія цих газів, а, як відомо, мірою внутрішньої енергії є температура. Таким чином, зростає температура атмосфери, що призводить до глобальних екологічних наслідків. Це явище дістало назву „парникового ефекту” (рис.1.1).
Мал. 1.1 – Схема парникового ефекту Землі
Іншими словами накопиченні в атмосфері „парникові” гази подібні до скла в парнику: вони пропускають сонячне світло, але затримують теплоту розігрітої сонцем поверхні Землі, що зумовлює розігрівання поверхні планети. Чим вище концентрація „парникових газів”, тим дошкульніше „парниковий ефект”.
Загальний вміст „парникових” газів в атмосфері становить частини на мільйон: вуглекислого газу — 355; метану — 1,75; оксидів нітрогену — 0,31; фтор-хлорвуглеців — 0,001. Річне зростання концентрації цих газів в атмосферному повітрі становить, %: оксиду карбону (IV) — 0,5, оксидів нітрогену — 1,0, метану — 0,7, фторхлорвуглеців — 0,3. За останні 40 років кількість викидів оксиду карбону (IV) зросла на 35 %.
При температурному стані виробництва до атмосфери потрапляє величезна кількість забруднень (а саме СО2, та ін.) та невикористаної теплоти (за підрахунками, внаслідок спалювання значної кількості палива в атмосферу викидається понад 3•1014 МДж теплоти, яка розсіюється в навколишньому середовищі).
На мал. 1.2 показано графік зміни концентрації вуглекислого газу в атмосфері за даними спостережень за період з 1958 до 2000 р. Рівень вмісту вуглекислого газу в атмосфері підвищився за цей період на 16 %. Вважають, що в другій половині XXст. середньорічна температура Землі збільшувалася за кожні 10 років на 0,3°С.
Потепління спричинить істотну зміну клімату майже на всій планеті, що може мати негативні і навіть катастрофічні наслідки. Основні кліматичні зони змістяться на північ на 400 км. Настане потепління в зонах тундри, збільшиться посушливість у середніх широтах, де розвинуте зернове землеробство (деякі штати США, Україна, Кубань, чорноземні зони Росії). Клімат тут стане напівпустельним, що призведе до значного зниження врожаїв.
Отже, проблема явища „парникового ефекту” повинна вирішуватися вже зараз, а саме потрібно знизити викиди парникових газів. Для вирішення завдання найбільш доцільно внести зміни до „брудних” технологічних процесів. Якщо це не є можливим на теперішній час, то більше уваги слід приділяти процесу очищення технологічних викидів в атмосферу.
Мал. 1.2 - Середня концентрація СО2 у атмосфері за даними спостережень з 1958 до 2000 р.р.