Kā darbojas siltumnīca?

Pateicoties pieaugošajām bažām par klimata pārmaiņām (ko bieži dēvē par "globālo sasilšanu") un valodai, kas radusies ap šīm bažām, visticamāk, tikpat daudz gados jaunāki cilvēki ir dzirdējuši tādus terminus kā "siltumnīcas efekts" un "siltumnīcefekta gāzes", nekā ir bijuši reālās siltumnīcas iekšienē vai zina, kāda ir šāda struktūra pat ir.

Labi kopta siltumnīca ir mierīga un vizuāli patīkama vieta, kur apmeklēt vai strādāt, lai gan vide varbūt dažu cilvēku gaumei ir pārāk silta un mitra. Bažas par siltumnīcefekta gāzēm un to ietekmi uz Zemes klimatu tomēr ir tikai pievilcīgas, un bažas par globālo sasilšanu ar katru gadu pieaug. Kaut arī īstas siltumnīcas nav atbildīgas par ietekmi, kas nes viņu vārdu, pamatprincipi ļauj interesanti izpētīt dažus fiziskos pamatprincipus.

Siltumnīca ir tik nosaukta, jo tā ir augu audzēšanai paredzēta konstrukcija, un lielākā daļa augu vismaz daļēji ir zaļi. Acīmredzot augi var būt arī jūsu mājās, taču siltumnīcas tiek būvētas, lai maksimāli palielinātu augu "komfortu". Pēc analoģijas jūs varat spēlēt basketbolu uz asfaltēta ceļa, izmantojot vienu improvizētu stīpu, taču maz apgalvo, ka tas ir tikpat noderīgi, lai uzlabotu spēli, kā iekštelpu, divu grozu korts vienā līmenī stāvā.

Ar ko siltumnīca ir īpaša? Pirmkārt, tas ir gaismas daudzums, kontrolētā temperatūra un viegli manipulējamais augu mitruma daudzums. Dažas siltumnīcas ir veltītas “kultūrām”, kuras netiek ēst un tiek izmantotas tikai dekoratīvi vai īpašiem gadījumiem, piemēram, ziediem. Citos ir augi, no kuriem iegūst pārtikas produktus, piemēram, tomāti. Siltumnīcām ir stikla griesti, kas kalpo gan tam, lai uzņemtu lielu gaismas daudzumu, gan aizturētu siltumu konstrukcijas iekšienē. Kad saule noriet, siltums neizkliedē tik ātri, kā ārā, ļaujot uzplaukt augiem, kuri nepieļauj vēsas naktis.

No fizikas viedokļa tas, kas silda siltumnīcu, ir tas pats, kas saulainā dienā sasilda automašīnas salonu. Īsāka viļņa garuma infrasarkanā gaisma iekļūst struktūrā caur stiklu, un pēc šiem neredzamajiem, bet siltajiem stariem atlec Apkārt tie kļūst par garāka viļņa elektromagnētisko enerģiju un mēdz palikt iekšā, absorbējot to vide. Šī apkārtne siltumnīcā ietver augu lapu virsmas, kuras izmanto saules gaismu fotosintēzes veicināšanai vai glikozes (pārtikas) radīšanai enerģijai.

Galvenās siltumnīcefekta gāzes ir oglekļa dioksīds, metāns, ūdens tvaiki un slāpekļa oksīds. Šīs gāzes molekulas ir brīvāk savienotas nekā lielākā daļa molekulu, tāpēc, kad siltums tām skar, tām ir tendence vibrēt. Šīs vibrējošās molekulas atbrīvo siltumu, no kura lielu daļu absorbē blakus esošās siltumnīcas efektu izraisošo gāzu molekulas. Šis cikls uztur apkārtējo gaisu neparasti siltu.

Lielāko daļu atmosfēras veido slāpeklis, kas veido vairāk nekā trīs ceturtdaļas atmosfēras, un skābeklis, kas veido apmēram piekto daļu. Abās šajās gāzēs ir divi identiski atomi (N₂ un O₂). Saites, kas satur šīs molekulas kopā, ir saspringtas un pieļauj nelielu vibrāciju, tāpēc tās labi neuztur siltumu un tādējādi būtiski neveicina siltumnīcas efektu.

Oglekļa dioksīds (CO₂): Oglekļa dioksīda molekulas veido tikai niecīgu atmosfēras daļu, taču tās tomēr ļoti spēcīgi ietekmē klimatu. Apmēram 1850. gadu vidū, pirms rūpnieciskās revolūcijas sākuma un ar to saistītās ogļu dedzināšanas, atmosfērā bija apmēram 270 daļas uz miljons tilpuma (ppmv) CO₂. Šis līmenis ir pakāpeniski pieaudzis, jo, sadedzinot ogles un citas fosilās degvielas, piemēram, benzīnu, atmosfērā ir izdalījies vairāk gāzes. CO₂ līmenis atmosfērā tagad ir aptuveni 400 (ppmv), kas ir par 50 procentiem lielāks pieaugums.

Visu cilvēku izraisīto klimata pārmaiņu idejas pretinieki var norādīt uz to, ka CO₂ pat šajā smagās rūpniecības laikmetā veido tik nelielu atmosfēras daļu, ka tam, iespējams, nevar būt būtiskas ietekmes uz klimatu. Šī ir viegli popularizējama ideja, jo tai ir zināma intuitīva jēga. Bet ir arī "jēga", ka niecīgs mikroskopisko baktēriju līmenis asinīs, kas sver daudz mazāk nekā miligramu kopumā nevar būt pietiekami, lai izraisītu nopietnas slimības, un ka mazais čūsku indes līmenis, iespējams, nevar būt bīstams vai letāls. Šīs idejas ir acīmredzami absurds, tāpēc intuīcija zinātnē var būt ļoti slikts ceļvedis.

Metāns (CH₄): Metāns ir spēcīga siltumnīcefekta gāze, kas spēj absorbēt ievērojami vairāk siltuma, molekulas molekulai, nekā spēj oglekļa dioksīds. Sastāv no viena oglekļa atoma, kas savienots ar četriem ūdeņraža atomiem, CH₄, piemēram, CO₂, atmosfērā atrodams nelielos daudzumos, taču tam var būt ievērojama ietekme uz globālo sasilšanu. Metāna gāzi izstaro mājlopi, un tā kā vienkāršākā molekula, kas kvalificējama kā ogļūdeņradis, tiek izmantota arī kā degviela. Sadedzinot metānu, atmosfērā kā blakusprodukts tiek izdalīts oglekļa dioksīds, padarot metānu gan par tiešu, gan netiešu siltumnīcas efekta veicinātāju.

Kā atzīmēts, kaut arī tikai neliela daļa Zemes atmosfērā esošo gāzu ir kvalificējamas kā siltumnīcefekta gāzes, tās būtiski ietekmē klimatu neatkarīgi no tā, vai tie tur nokļuvuši dabisku procesu rezultātā vai cilvēku dēļ aktivitātes. Kaut kad 21. gadsimta laikā oglekļa dioksīda daudzums atmosfērā, visticamāk, būs divreiz lielāks nekā gadsimta sākumā. Pieaug arī citu siltumnīcas efektu izraisošo gāzu līmenis, galvenokārt metāna un slāpekļa oksīda līmenis. Siltumnīcefekta gāzu daudzums pieaug proporcionāli sadedzinātā fosilā kurināmā daudzumam, kas atmosfērā izplūst ne tikai siltumnīcefekta gāzes, bet arī gaisa piesārņojumu. Siltumnīcas efektu izraisošās gāzes atmosfērā nonāk arī no citiem avotiem. Mājlopi pārtikas sagremošanas laikā izdala metāna gāzi. Turklāt šķietami labdabīgi procesi var radīt nenozīmīgus CO daudzumus₂ pie sajaukuma. Piemēram, tā kā cementu ražo no kaļķakmens, izdalās oglekļa dioksīds.

Tā kā atmosfērā ir vairāk siltumnīcefekta gāzu, radot kaut ko līdzīgu neredzamiem griestiem (atšķirībā no īstas siltumnīcas), visticamāk, siltums iet uz augšu apstāties, nekā iziet no atmosfēras, jo papildu siltumnīcas gāzes absorbē un pēc tam izstaro šo siltumu kā infrasarkano starojums. Daļa siltuma virzīsies prom no Zemes, bet daļu no tā absorbēs tuvumā esošās siltumnīcefekta gāzu molekulas, bet daļa atkal atgriezīsies Zemes virsmā. Tādējādi, izmantojot dažādus mehānismus, siltumnīcefekta gāzu uzkrāšanās laikā planēta turpina sasilt. Ledāji atkāpjas, ledus abos Zemes polos kūst, okeāni sasilst un kļūst skābāki, snieg segums visā pasaulē ir mazinājies, un katastrofāli laika apstākļi, piemēram, viesuļvētras, kļūst arvien vairāk ikdienišķa.

Pašas siltumnīcas izgatavošana nav niecīgs projekts, taču ar pietiekamām ambīcijām tas nav pāri kaislīga cilvēka vai grupas līdzekļiem. Neatkarīgi no tā, vai vēlaties aizsargāt vasaras augus ziemā, gūstiet priekšroku pavasara ainavu iekārtām vai vienkārši mācieties nedaudz par iekštelpu dārzkopību, jūs varat iegūt uzstādīšanu jebkur no dažiem simtiem ASV dolāru līdz dažiem tūkstoši.