Kuinka kasvihuone toimii?

Ilmastonmuutoksen (jota kutsutaan usein "ilmaston lämpenemiseksi") kasvavan huolen ja tämän ongelman ympärille syntyneen kielen ansiosta on todennäköistä, että niin monet nuoremmat ihmiset ovat kuulleet termejä kuten "kasvihuoneilmiö" ja "kasvihuonekaasut" kuin ovat olleet todellisen kasvihuoneen sisällä tai tietävät, millainen rakenne edes on On.

Hyvin hoidettu kasvihuone on rauhallinen ja visuaalisesti miellyttävä paikka vierailla tai työskennellä, vaikka ympäristö on ehkä liian lämmin ja kostea joidenkin ihmisten makuun. Huolenaiheet kasvihuonekaasuista ja niiden vaikutuksista maapallon ilmastoon ovat kuitenkin vain houkuttelevia, ja huoli ilmaston lämpenemisestä kasvaa huolestuttavammaksi vuoteen mennessä. Vaikka todelliset kasvihuoneet eivät ole vastuussa nimensä vaikutuksesta, perusperiaatteet tekevät mielenkiintoisen tutkimuksen joistakin fyysisistä perusperiaatteista.

Kasvihuone on niin nimetty, koska se on tarkoitettu kasvien kasvattamiseen, ja useimmat kasvit ovat ainakin osittain vihreitä. Ilmeisesti sinulla voi olla kasveja myös kotonasi, mutta kasvihuoneet on rakennettu maksimoimaan kasvien "mukavuus". Vastaavasti voit pelata koripalloa asfaltti-ajotieltä yhdellä hätävanteella, mutta vain harvoilla väittää, että tästä on yhtä hyötyä pelisi parantamisessa kuin sisätiloissa, kahden korin kentällä tasolla lattia.

Mikä tekee kasvihuoneesta erityisen? Ensinnäkin se on valon määrä, hallittu lämpötila ja helposti manipuloitava kosteuskasvien määrä. Jotkut kasvihuoneet on omistettu "kasveille", joita ei syö, ja joita käytetään vain koristeellisesti tai erityistilaisuuksia varten, kuten kukkia. Toisissa on kasveja, joista syntyy syötäviä tuotteita, kuten tomaatteja. Kasvihuoneissa on lasikatto, joka palvelee sekä paljon valoa että vangitsee lämpöä rakenteen sisään. Kun aurinko laskee, lämpö ei häviä yhtä nopeasti kuin ulkona, jolloin kasvit, jotka eivät siedä viileitä öitä, kukoistavat.

Fysiikan näkökulmasta kasvihuoneen lämmitys on sama asia, joka lämmittää auton sisätilat aurinkoisena päivänä. Lyhyemmän aallonpituuden infrapunavalo pääsee rakenteeseen lasin läpi ja näiden näkymättömien, mutta lämpimien säteiden jälkeen ympärillä heistä tulee pidemmän aallonpituuden sähkömagneettista energiaa ja niillä on taipumus pysyä sisällä imeytyessään niiden sisään ympäristö. Nämä ympäristöt kasvihuoneessa sisältävät kasvien lehtipinnat, jotka käyttävät auringonvaloa fotosynteesin aikaansaamiseen tai glukoosin (ruoan) luomiseen energiaa varten.

Tärkeimmät kasvihuonekaasut ovat hiilidioksidi, metaani, vesihöyry ja typpioksidi. Nämä kaasumolekyylit ovat löyhämmin yhteydessä kuin useimmat molekyylit, joten kun lämpö iski niihin, ne pyrkivät värisemään. Nämä värähtelevät molekyylit vapauttavat lämpöä, josta suurimman osan absorboivat sitten viereiset kasvihuonekaasumolekyylit. Tämä jakso pitää ilman läheisyydessä epätavallisen lämpimänä.

Suurin osa ilmakehästä koostuu typestä, joka muodostaa yli kolme neljäsosaa ilmakehästä, ja hapesta, jonka osuus on noin viidesosa. Molemmissa näistä kaasuista on kaksi samanlaista atomia (N₂ ja O₂). Näitä molekyylejä yhdessä pitävät sidokset ovat tiiviit ja mahdollistavat vähän tärinää, joten ne eivät pidä lämpöä hyvin eivätkä siten edistä merkittävästi kasvihuoneilmiöitä.

Hiilidioksidi (CO₂): Hiilidioksidimolekyylit muodostavat vain pienen osan ilmakehästä, mutta niillä on kuitenkin erittäin voimakas vaikutus ilmastoon. Noin 1850-luvun puolivälissä, ennen teollisen vallankumouksen alkua ja siihen liittyvää hiilen polttamista, ilmakehässä oli noin 270 miljoonasosaa (ppmv) hiilidioksidia₂. Tämä taso on noussut tasaisesti, kun hiilen ja muiden fossiilisten polttoaineiden, kuten bensiinin, palaminen on vapauttanut enemmän kaasua ilmakehään. CO₂ ilmakehän taso on nyt noin 400 (ppmv), 50 prosentin nousu.

Ihmisen aiheuttaman ilmastonmuutoksen ajatuksen vastustajat voivat viitata siihen, että CO₂ muodostaa niin pienen osan ilmakehästä, myös tällä raskaan teollisuuden aikakaudella, ettei sillä voi olla merkittäviä vaikutuksia ilmastoon. Tämä on helposti popularisoituva idea, koska sillä on tietty määrä intuitiivista järkeä. Mutta on myös "järkevää", että pieni määrä mikroskooppisia bakteereja verenkierrossa painaa paljon alle milligrammaa veressä yhteensä, ei välttämättä riitä aiheuttamaan vakavaa tautia ja että käärmemyrkkyjen pienet määrät eivät voi olla vaarallisia tai tappava. Nämä ideat ovat selvästi hölynpölyä, joten tieteen intuitio voi olla tunnetusti huono opas.

Metaani (CH₄): Metaani on voimakas kasvihuonekaasu, jolla on kyky absorboida huomattavasti enemmän lämpöä, molekyyli molekyylille, kuin hiilidioksidi voi. Koostuu yhdestä hiiliatomista, joka on liitetty neljään vetyatomiin, CH₄, kuten CO₂, löytyy pieninä määrinä ilmakehässä, mutta sillä voi olla huomattava vaikutus ilmaston lämpenemiseen. Karja päästää metaanikaasua, ja yksinkertaisimpana hiilivedyksi luokiteltavana molekyylinä sitä käytetään myös polttoaineena. Kun metaani poltetaan, hiilidioksidia vapautuu ilmakehään sivutuotteena, mikä tekee metaanista sekä suoran että epäsuoran osuuden kasvihuoneilmiössä.

Kuten todettiin, vaikka vain pieni osa maapallon ilmakehän kaasuista luokitellaan kasvihuonekaasuiksi, nämä niillä on merkittävä vaikutus ilmastoon riippumatta siitä, ovatko he sinne päässeet luonnollisten prosessien vai ihmisen seurauksena toimintaa. Joskus 2000-luvulla hiilidioksidin määrä ilmakehässä on todennäköisesti kaksinkertainen vuosisadan alkuun verrattuna. Myös muiden kasvihuonekaasujen, pääasiassa metaanin ja typpioksidin, tasot ovat nousussa. Kasvihuonekaasujen määrä kasvaa suhteessa poltettavien fossiilisten polttoaineiden määrään, mikä paitsi kasvihuonekaasuja myös ilmansaasteita ilmakehään. Kasvihuonekaasut löytävät tiensä ilmakehään myös muista lähteistä. Karja vapauttaa metaanikaasua ruoansulatuksen aikana. Lisäksi näennäisesti hyvänlaatuiset prosessit voivat tuottaa ei-triviaalia määrää CO: ta₂ sekoitukseen. Esimerkiksi kun sementti valmistetaan kalkkikivestä, vapautuu hiilidioksidia.

Kun ilmakehässä on enemmän kasvihuonekaasuja, mikä luo jotain näkymätöntä kattoa (ei toisin kuin todellinen kasvihuone), lämpö kulkee ylöspäin todennäköisemmin pysäyttää kuin päästää kokonaan ulos ilmakehästä, koska ylimääräiset kasvihuonekaasut absorboivat ja sitten säteilevät tätä lämpöä infrapunana säteily. Osa lämmöstä menee poispäin maasta, mutta lähellä olevat kasvihuonekaasumolekyylit absorboivat osan siitä, ja osa palaa taas maan pinnalle. Niinpä planeetan lämpeneminen jatkuu useiden mekanismien avulla kasvihuonekaasujen kertyessä. Jäätiköt vetäytyvät, jää sulaa maapallon molemmilla napoilla, valtameret lämpenevät ja muuttuvat happamammiksi, lunta kattavuus maailmanlaajuisesti on vähentynyt ja katastrofaaliset sääilmiöt, kuten hurrikaanit, lisääntyvät tavallinen.

Oman kasvihuoneen tekeminen ei ole triviaali projekti, mutta riittävän kunnianhimoisesti se ei ole intohimoisen henkilön tai ryhmän keinojen yläpuolella. Haluatko suojella kesäkasveja talvella, saat etukäteen kevätmaisemointilaitokset tai vain oppia vähän sisätilojen puutarhaviljelystä, saat perustamisen mihin tahansa muutamasta sadasta Yhdysvaltain dollarista muutamaan tuhat.