Свободна лаборатория · 13–18 години
Кои молекули хващат топлината
Азотът и кислородът са почти целият въздух, а топлината на Земята задържат няколко редки газа. Прочети защо, после провери сам в симулацията.
Четири вида светлина
Светлината е поток от фотони. Всеки фотон носи енергия E = h · c / λ: колкото по-къса е дължината на вълната λ, толкова повече енергия. Видът светлина решава какво прави молекулата:
| Светлина | Дължина на вълната | Какво прави |
|---|---|---|
| микровълни | около 13 mm | завъртат полярната молекула на водата |
| инфрачервена | от 2 до 20 μm | кара някои молекули да трептят |
| видима | от 400 до 700 nm | минава през петте газа |
| ултравиолетова | под 400 nm | може да разпадне молекулата |
Кой трепти от топлинните лъчи
Топлинните лъчи са инфрачервена светлина. Молекулата ги хваща само ако трептенето ѝ мени разпределението на заряда. Азотът (N2) и кислородът (O2) са от два еднакви атома: каквото и да правят, зарядът остава симетричен и те почти не хващат топлинни лъчи.
Водата, въглеродният диоксид и метанът хващат светлина само при определени дължини на вълната: въглеродният диоксид се огъва около 15 μm и се разтяга около 4,3 μm, водата – около 6,3 и 2,7 μm, метанът – около 7,7 и 3,3 μm. Около 7,2 μm въглеродният диоксид би трептял симетрично и затова не реагира.
Атмосферният прозорец. Между 8 и 14 μm нито един от петте газа не хваща светлината. Земята излъчва най-силно около 10 μm и през този „прозорец“ част от топлината ѝ излиза направо в космоса.
Хванатият лъч не изчезва
Молекулата, която хване топлинен лъч, трепти и после или предава енергията на съседите си (газът се затопля), или излъчва нов фотон в произволна посока. Около половината от тези фотони се връщат надолу към земята. Затова въздухът действа като одеяло.
Енергията не е всичко
Ултравиолетовата светлина под 242 nm разпада кислорода на два атома, а от тях се образува озон. Фотон с 200 nm носи 6,20 eV – повече от енергията на връзката в метана (4,55 eV). И все пак метанът го пропуска: молекулата трябва и да може да хване точно този фотон. Метанът хваща ултравиолетова светлина чак под около 140 nm.
Истинският въздух
От 1000 молекули сух въздух около 781 са азот и 209 – кислород, но двата заедно дават по-малко от 1 % от парниковия ефект. Водната пара дава около половината, а въглеродният диоксид – около 19 %, макар че на всеки около 2364 молекули въздух се пада само една негова молекула. Една молекула метан затопля около 11 пъти повече от една молекула въглероден диоксид за 100 години, но молекулите на въглеродния диоксид са около 218 пъти повече.
Какво е опростено
- Истинските ивици на поглъщане имат стотици тесни линии; тук те са правоъгълници около истинските центрове.
- Показани са само основните трептения и само пет молекули (без озона и аргона).
- Азотът и кислородът хващат съвсем малко топлина при сблъсъци; тук те пропускат напълно.
- В тръбата всяка поглъщаща молекула хваща еднакво. Тръбата показва дали газът хваща, а не колко силно на молекула.
- Симулацията не пресмята температурата на Земята и не прогнозира затоплянето.
Безопасност. Ултравиолетовата светлина от слънцето и от лампи може да изгори кожата и да навреди на очите: никога не гледай в бактерицидна лампа и не стой под нея, а на силно слънце носи шапка, слънчеви очила и крем. Микровълновата фурна е безопасна само затворена: не я пускай празна и не слагай метал вътре. Не гледай в лазер и в силни лампи – инфрачервеният лъч не се вижда. Опитите с горене на газове правят само учители в лаборатория.
За учителя. Опитът е класически и се среща в много учебни материали. Числата за реалния въздух са справочни данни с дата; кислородът поглъща и при 60 и 118,75 GHz заради магнитните си свойства, но в симулацията е показана само линията на водата при 22,235 GHz.