Hur fungerar ett växthus?

Tack vare ökande oro för klimatförändringar (ofta kallad "global uppvärmning") och språket som har dykt upp kring denna oro är det troligt att så många yngre människor har hört ord som "växthuseffekten" och "växthusgaser" än har varit inne i ett verkligt växthus eller vet vad en sådan struktur till och med är.

Ett välskött växthus är en lugn och visuellt tilltalande plats att besöka eller arbeta, även om miljön kanske är alltför varm och fuktig för vissa människors smak. Bekymmer för växthusgaser och deras effekter på jordens klimat är emellertid allt annat än lockande, och oro för global uppvärmning blir mer oroande för året. Medan riktiga växthus inte är ansvariga för den effekt som bär deras namn, ger de underliggande principerna en intressant studie av några grundläggande fysiska principer.

Ett växthus heter så eftersom det är en struktur avsedd för växande växter, och de flesta växter är åtminstone delvis gröna. Uppenbarligen kan du också ha växter i ditt hem, men växthus är byggda för att maximera växternas "komfort". Som en analogi kan du spela basket på en asfaltuppfart med en enda provisorisk ring, men få skulle argumentera för att detta är lika användbart för att förbättra ditt spel som en inomhus tvåkorgsplan på en nivå golv.

Vad gör ett växthus speciellt? I första hand är det mängden ljus, den kontrollerade temperaturen och den lättmanipulerade mängden fuktväxter får. Vissa växthus är avsedda för "grödor" som inte äts och används endast dekorativt eller för speciella tillfällen, till exempel blommor. Andra har växter som ger upphov till ätliga produkter, såsom tomater. Växthus har glastak, som både tjänar till en hög mängd ljus och fångar värme inuti strukturen. När solen går ner försvinner inte värmen lika snabbt som utomhus, vilket gör att växter som inte tål svala nätter kan blomstra.

Ur fysik synvinkel är det som värmer ett växthus samma sak som värmer inuti en bil på en solig dag. Kortare våglängd infrarött ljus kommer in i strukturen genom glaset och efter dessa osynliga men varma strålar studsar runt, blir de längre våglängd elektromagnetisk energi och tenderar att stanna kvar, absorberas av sina miljö. Dessa omgivningar, i ett växthus, inkluderar växters lövytor som använder solljus för att driva fotosyntes eller skapande av glukos (mat) för energi.

De viktigaste växthusgaserna är koldioxid, metan, vattenånga och lustgas. Dessa gasmolekyler är löstare kopplade än de flesta molekyler, så att när värmen slår till tenderar de att vibrera. Dessa vibrerande molekyler frigör värme, varav mycket absorberas sedan av närliggande växthusgasmolekyler. Denna cykel håller luften i närheten ovanligt varm.

Det mesta av atmosfären består av kväve, som utgör över tre fjärdedelar av atmosfären, och syre, som står för ungefär en femtedel. Båda dessa gaser innehåller två identiska atomer (N₂ och O₂). Bindningarna som håller ihop dessa molekyler är täta och möjliggör liten vibration, så de behåller inte värmen bra och bidrar därför inte väsentligt till växthuseffekter.

Koldioxid (CO₂): Koldioxidmolekyler utgör bara en liten del av atmosfären, men de har ändå en mycket stark effekt på klimatet. Runt mitten av 1850-talet, före början av den industriella revolutionen och den därmed sammanhängande kolförbränningen, rymde atmosfären cirka 270 delar per miljon volym (ppmv) CO₂. Denna nivå har stadigt stigit eftersom förbränningen av kol och andra fossila bränslen, såsom bensin, har släppt ut mer av gasen i atmosfären. Kompaniet₂ atmosfären ligger nu på cirka 400 (ppmv), en ökning med 50 procent.

Motståndare till hela idén om klimatförändringar orsakade av människor kan peka på att CO₂ utgör en så liten andel av atmosfären, även i denna tid av tung industri, att det omöjligt kan ha betydande effekter på klimatet. Detta är en lätt populariserad idé, eftersom den ger en viss intuitiv mening. Men det är också "vettigt" att en liten nivå av mikroskopiska bakterier i blodomloppet, som väger mycket mindre än ett milligram i totalt, kan omöjligt räcka för att orsaka allvarlig sjukdom, och att små nivåer av ormgift inte kan vara farligt eller dödlig. Dessa idéer är helt enkelt nonsens, så intuition, inom vetenskapen, kan vara en notoriskt dålig guide.

Metan (CH₄): Metan är en kraftfull växthusgas med en förmåga att absorbera betydligt mer värme, molekyl för molekyl, än koldioxid kan. Bestående av en enda kolatom förenad med fyra väteatomer, CH₄, som CO₂, finns i små mängder i atmosfären, men det kan ha en betydande inverkan på den globala uppvärmningen. Metangas släpps ut från boskap och, som den enklaste molekylen som kvalificerar som kolväte, används den också som bränsle. När metan förbränns släpps koldioxid ut i atmosfären som en biprodukt, vilket gör metan både direkt och indirekt till växthuseffekten.

Som konstaterats, även om endast en liten del av gaserna i jordens atmosfär kvalificerar sig som växthusgaser, är dessa har en väsentlig effekt på klimatet, oavsett om de kom dit som ett resultat av naturliga processer eller på grund av mänskliga aktiviteter. Någon gång under 2000-talet är mängden koldioxid i atmosfären sannolikt dubbelt så stor som den var i början av seklet. Även andra växthusgaser, främst metan och dikväveoxid, ökar. Mängden växthusgaser ökar i proportion till mängden fossila bränslen som förbränns, vilket inte bara driver ut växthusgaser utan också luftföroreningar i atmosfären. Växthusgaser hittar också vägen in i atmosfären från andra källor. Boskap släpper ut metangas under matsmältningen. Dessutom kan till synes godartade processer bidra med icke-triviala mängder CO₂ till mixen. När cement till exempel är tillverkat av kalksten frigörs koldioxid.

Med fler växthusgaser i atmosfären, vilket skapar något som ett osynligt tak (inte till skillnad från ett riktigt växthus), är det mer troligt att värme passerar uppåt. att stoppas än att helt passera ut ur atmosfären, eftersom de ytterligare växthusgaserna absorberar och sedan utstrålar denna värme som infraröd strålning. En del av värmen kommer att gå bort från jorden, men en del av den kommer att absorberas av närliggande växthusgasmolekyler, och en del kommer att återvända till jordens yta igen. Således, genom en mängd olika mekanismer, när växthusgaser ackumuleras, fortsätter planeten att värmas. Glaciärer drar sig tillbaka, is vid båda jordens poler smälter, haven värms upp och blir surare, snö täckningen över hela världen minskar och katastrofala väderhändelser som orkaner blir fler alldaglig.

Att skapa ett eget växthus är inget trivialt projekt, men med tillräcklig ambition går det inte bortom en passionerad person eller grupp. Oavsett om du vill skydda sommarväxter på vintern, få ett försprång på vårplantager eller bara lära dig lite om inomhus trädgårdsodling, kan du få en inställning går för allt från några hundra amerikanska dollar till några tusen.