Jak działa szklarnia?

Dzięki rosnącym obawom o zmiany klimatyczne (często nazywane „globalnym ociepleniem”) i językowi, który narodził się wokół tych obaw, jest prawdopodobne, że tak wielu młodsi ludzie słyszeli takie terminy jak „efekt cieplarniany” i „gazy cieplarniane” niż byli w rzeczywistej szklarni lub wiedzą, jaka jest taka struktura jest.

Dobrze utrzymana szklarnia to spokojne i przyjemne wizualnie miejsce do odwiedzenia lub pracy, chociaż otoczenie jest być może zbyt ciepłe i wilgotne jak na gust niektórych osób. Obawy o gazy cieplarniane i ich wpływ na klimat Ziemi nie są jednak kuszące, a obawy dotyczące globalnego ocieplenia z roku na rok stają się coraz bardziej niepokojące. Podczas gdy prawdziwe szklarnie nie są odpowiedzialne za efekt, który nosi ich nazwę, podstawowe zasady stanowią interesujące studium niektórych podstawowych zasad fizycznych.

Szklarnia jest tak nazwana, ponieważ jest to konstrukcja przeznaczona do uprawy roślin, a większość roślin jest przynajmniej częściowo zielona. Oczywiście możesz mieć również rośliny w domu, ale szklarnie są budowane tak, aby zmaksymalizować „komfort” roślin. Przez analogię można grać w koszykówkę na asfaltowym podjeździe za pomocą jednej prowizorycznej obręczy, ale niewielu argumentowałbym, że jest to tak samo pomocne w poprawie twojej gry, jak kryty kort z dwoma koszami na poziomie piętro.

Co sprawia, że ​​szklarnia jest wyjątkowa? Przede wszystkim jest to ilość światła, kontrolowana temperatura i łatwo manipulowana ilość wilgoci, którą otrzymują rośliny. Niektóre szklarnie są dedykowane „uprawom”, które nie są spożywane i są wykorzystywane jedynie ozdobnie lub na specjalne okazje, np. kwiaty. Inne zawierają rośliny, z których powstają produkty jadalne, takie jak pomidory. Szklarnie mają szklane sufity, które zarówno przepuszczają dużą ilość światła, jak i zatrzymują ciepło wewnątrz konstrukcji. Kiedy słońce zachodzi, ciepło nie rozprasza się tak szybko, jak na zewnątrz, co pozwala kwitnąć roślinom, które nie tolerują chłodnych nocy.

Z fizycznego punktu widzenia to, co ogrzewa szklarnię, to to samo, co ogrzewa wnętrze samochodu w słoneczny dzień. Światło podczerwone o krótszej długości fali wchodzi do struktury przez szkło, a po tym niewidzialne, ale ciepłe promienie odbijają się wokół, stają się energią elektromagnetyczną o większej długości fali i mają tendencję do pozostawania w środku, pochłaniając je okolica. Te otoczenie, w szklarni, obejmuje liściaste powierzchnie roślin, które wykorzystują światło słoneczne do napędzania fotosyntezy lub wytwarzania glukozy (pożywienia) jako energii.

Główne gazy cieplarniane to dwutlenek węgla, metan, para wodna i podtlenek azotu. Te molekuły gazu są luźniej połączone niż większość molekuł, tak że gdy uderza w nie ciepło, mają tendencję do drgania. Te wibrujące cząsteczki uwalniają ciepło, którego znaczna część jest następnie pochłaniana przez sąsiednie cząsteczki gazów cieplarnianych. Ten cykl sprawia, że ​​powietrze w pobliżu jest niezwykle ciepłe.

Większość atmosfery składa się z azotu, który stanowi ponad trzy czwarte atmosfery, oraz tlenu, który stanowi około jedną piątą. Oba te gazy zawierają dwa identyczne atomy (N₂ i O₂). Wiązania utrzymujące te cząsteczki razem są ciasne i pozwalają na niewielkie wibracje, więc nie zatrzymują dobrze ciepła, a zatem nie przyczyniają się znacząco do efektu cieplarnianego.

Dwutlenek węgla (CO₂): Cząsteczki dwutlenku węgla stanowią tylko niewielką część atmosfery, ale mimo to wywierają bardzo silny wpływ na klimat. Około połowy lat 50. XIX wieku, przed wybuchem rewolucji przemysłowej i towarzyszącym jej spalaniem węgla, atmosfera zawierała około 270 części na milion objętości (ppmv) CO₂. Poziom ten stale rósł, ponieważ spalanie węgla i innych paliw kopalnych, takich jak benzyna, uwalniało coraz więcej gazu do atmosfery. CO₂ poziom w atmosferze wynosi obecnie około 400 (ppmv), co stanowi 50-procentowy wzrost.

Przeciwnicy całej idei zmian klimatu spowodowanych przez człowieka mogą wskazywać na fakt, że CO₂ stanowi tak małą część atmosfery, nawet w dobie przemysłu ciężkiego, że nie może mieć znaczącego wpływu na klimat. Jest to pomysł łatwo spopularyzowany, ponieważ ma pewien intuicyjny sens. Ale jest też "sensowne", że niewielki poziom mikroskopijnych bakterii w krwiobiegu, ważących znacznie mniej niż miligram w całkowity, nie może wystarczyć do spowodowania poważnej choroby, a niewielkie poziomy jadu węża nie mogą być niebezpieczne lub śmiertelny. Te idee są po prostu nonsensem, więc intuicja w nauce może być notorycznie kiepskim przewodnikiem.

Metan (CH₄): Metan jest potężnym gazem cieplarnianym, zdolnym do pochłaniania znacznie więcej ciepła, cząsteczka po cząsteczce, niż dwutlenek węgla. Składa się z pojedynczego atomu węgla połączonego z czterema atomami wodoru, CH₄, jak CO₂, występuje w niewielkich ilościach w atmosferze, ale może mieć znaczny wpływ na globalne ocieplenie. Gaz metanowy jest emitowany przez zwierzęta gospodarskie i jako najprostsza cząsteczka, która kwalifikuje się jako węglowodór, jest również wykorzystywany jako paliwo. Podczas spalania metanu dwutlenek węgla jest uwalniany do atmosfery jako produkt uboczny, dzięki czemu metan jest zarówno bezpośrednim, jak i pośrednim czynnikiem przyczyniającym się do efektu cieplarnianego.

Jak zauważono, mimo że tylko niewielka część gazów w atmosferze ziemskiej kwalifikuje się jako gazy cieplarniane, te mają istotny wpływ na klimat, niezależnie od tego, czy dostały się tam w wyniku procesów naturalnych, czy w wyniku działalności człowieka zajęcia. Gdzieś w XXI wieku ilość dwutlenku węgla w atmosferze prawdopodobnie będzie dwukrotnie większa niż na początku wieku. Wzrasta również poziom innych gazów cieplarnianych, głównie metanu i podtlenku azotu. Ilość gazów cieplarnianych wzrasta proporcjonalnie do ilości spalanych paliw kopalnych, co wyrzuca do atmosfery nie tylko gazy cieplarniane, ale także zanieczyszczenia powietrza. Gazy cieplarniane przedostają się do atmosfery również z innych źródeł. Zwierzęta gospodarskie uwalniają metan w trakcie trawienia pokarmu. Dodatkowo pozornie łagodne procesy mogą przyczyniać się do nietrywialnych ilości CO₂ do mieszanki. Na przykład, gdy cement wytwarzany jest z wapienia, uwalniany jest dwutlenek węgla.

Przy większej ilości gazów cieplarnianych w atmosferze, tworzących coś w rodzaju niewidzialnego sufitu (podobnie jak w prawdziwej szklarni), bardziej prawdopodobne jest odprowadzanie ciepła w górę zatrzymać się, niż całkowicie opuścić atmosferę, ponieważ dodatkowe gazy cieplarniane pochłaniają, a następnie promieniują to ciepło jako podczerwień promieniowanie. Część ciepła odejdzie od Ziemi, ale część zostanie pochłonięta przez pobliskie cząsteczki gazów cieplarnianych, a część ponownie powróci na powierzchnię Ziemi. W ten sposób, dzięki różnym mechanizmom, w miarę akumulacji gazów cieplarnianych, planeta nadal się ociepla. Cofają się lodowce, lód na obu biegunach Ziemi topnieje, oceany ogrzewają się i stają się bardziej kwaśne, śnieg zasięg na całym świecie maleje, a katastrofalne zdarzenia pogodowe, takie jak huragany, stają się coraz większe komunał.

Stworzenie własnej szklarni nie jest trywialnym projektem, ale przy wystarczającej ambicji nie przekracza możliwości pasjonującej osoby lub grupy. Niezależnie od tego, czy chcesz chronić rośliny letnie w okresie zimowym, zdobądź przewagę nad wiosennymi roślinami krajobrazowymi, czy po prostu się ucz trochę o ogrodnictwie wewnętrznym, możesz uzyskać zestaw od kilkuset dolarów do kilku tysiąc.