Як працює теплиця?

Завдяки зростанню занепокоєння щодо зміни клімату (яке часто називають "глобальним потеплінням") та мови, яка виникла навколо цього занепокоєння, ймовірно, що стільки молоді люди чули такі терміни, як "парниковий ефект" і "парникові гази", ніж були в реальній теплиці, або знають, яка така структура навіть є.

Доглянута теплиця - це спокійне та візуально приємне місце для відвідування чи роботи, хоча навколишнє середовище, можливо, надто тепле і вологе на смак деяких людей. Однак занепокоєння щодо парникових газів та їх впливу на клімат Землі не є нічим привабливим, і стурбованість глобальним потеплінням з кожним роком стає все більш тривожною. Хоча справжні теплиці не відповідають за ефект, який носить їх ім'я, основні принципи дають змогу цікаво вивчити деякі основні фізичні принципи.

Теплиця названа так, оскільки це споруда, призначена для вирощування рослин, і більшість рослин зелені, принаймні частково. Очевидно, що ви також можете мати рослини всередині свого будинку, але теплиці будуються так, щоб максимізувати "комфорт" рослин. За аналогією, ви можете грати в баскетбол на асфальтовій дорозі, використовуючи один імпровізований обруч, але небагато міг би стверджувати, що це настільки корисно для покращення вашої гри, як критий майданчик із двома кошиками на рівні підлога.

Що робить теплицю особливою? В першу чергу, це кількість світла, контрольована температура та кількість вологи, яку легко маніпулювати рослини отримують. Деякі теплиці присвячені «врожаям», які не їдять і використовуються лише декоративно або для особливих випадків, таких як квіти. На інших є рослини, які дають їстівні продукти, такі як помідори. Теплиці мають скляні стелі, які одночасно пропускають велику кількість світла і затримують тепло всередині конструкції. Коли сонце заходить, тепло не розсіюється так швидко, як на відкритому повітрі, що дозволяє рослинам, які погано переносять прохолодні ночі, процвітати.

З фізичної точки зору теплиця теплиці - це те саме, що обігріває салон автомобіля в сонячний день. Коротше за довжину хвилі інфрачервоне світло потрапляє в структуру через скло, і після них невидимі, але теплі промені відскакують навколо, вони стають електромагнітною енергією довжини довжини хвилі і, як правило, залишаються всередині, поглинаючись ними оточення. Ці оточення, що знаходяться в теплиці, включають листяні поверхні рослин, які використовують сонячне світло для руху фотосинтезу або створення глюкози (їжі) для отримання енергії.

Основними парниковими газами є вуглекислий газ, метан, водяна пара та закис азоту. Ці молекули газу зв’язані між собою більш вільно, ніж більшість молекул, тому, коли на них нападає тепло, вони мають тенденцію вібрувати. Ці вібраційні молекули виділяють тепло, більша частина якого потім поглинається сусідніми молекулами парникових газів. Цей цикл підтримує повітря поблизу надзвичайно теплим.

Більша частина атмосфери складається з азоту, який становить понад три чверті атмосфери, та кисню, який становить приблизно одну п’яту. Обидва ці гази містять два однакові атоми (N₂ і O₂). Зв’язки, що утримують ці молекули разом, є щільними і забезпечують незначну вібрацію, тому вони погано утримують тепло і, отже, не вносять значного впливу на парникові ефекти.

Вуглекислий газ (CO₂): Молекули вуглекислого газу складають лише незначну частку атмосфери, але тим не менш вони справляють дуже сильний вплив на клімат. Приблизно в середині 1850-х років, до початку промислової революції та супутнього спалення вугілля, атмосфера вміщувала близько 270 частин на мільйон об'єму (ppmv) CO₂. Цей рівень стабільно піднімався, оскільки спалення вугілля та інших видів викопного палива, таких як бензин, викидало більшу частину газу в атмосферу. CO₂ рівень атмосфери зараз становить близько 400 (ppmv), що на 50 відсотків більше.

Противники всієї ідеї кліматичних змін клімату можуть вказувати на той факт, що CO₂ складає таку невелику частку атмосфери, навіть у цей вік важкої промисловості, що не може мати значного впливу на клімат. Це ідея, яку легко популяризувати, оскільки вона має певний інтуїтивний сенс. Але також "має сенс", що крихітний рівень мікроскопічних бактерій у крові, важить набагато менше міліграма в в цілому, не може бути достатньо, щоб викликати серйозні захворювання, і що крихітні рівні зміїної отрути не можуть бути небезпечними або летальний. Ці ідеї просто дурниці, тож інтуїція в науці може бути горезвісно поганим керівництвом.

Метан (СН₄): Метан - потужний парниковий газ, здатний поглинати значно більше тепла, молекули за молекулою, ніж вуглекислий газ. Складається з одного атома вуглецю, приєднаного до чотирьох атомів водню, СН₄, як CO₂, міститься в мінімальних кількостях в атмосфері, але це може мати значний вплив на глобальне потепління. Газ метану виділяється худобою, і як найпростіша молекула, яка кваліфікується як вуглеводень, він також використовується як паливо. Коли метан спалюється, вуглекислий газ викидається в атмосферу як побічний продукт, що робить метан як прямим, так і непрямим чинником парникового ефекту.

Як зазначалося, навіть незважаючи на те, що лише незначні частки газів в атмосфері Землі кваліфікуються як парникові гази, ці мають суттєвий вплив на клімат, незалежно від того, потрапили вони туди внаслідок природних процесів або внаслідок людського впливу діяльності. Десь у XXI столітті кількість вуглекислого газу в атмосфері, ймовірно, буде вдвічі більшою, ніж на початку століття. Рівень інших парникових газів, головним чином метану та закису азоту, також зростає. Кількість парникових газів зростає пропорційно кількості викопного палива, яке викидає в атмосферу не тільки парникові гази, але й забруднення повітря. Парникові гази також потрапляють в атмосферу з інших джерел. Тваринництво виділяє газ метан під час перетравлення їжі. Крім того, на перший погляд доброякісні процеси можуть спричиняти нетривіальну кількість СО₂ до суміші. Наприклад, оскільки цемент виготовляється з вапняку, виділяється вуглекислий газ.

З більшою кількістю парникових газів в атмосфері, створюючи щось на зразок невидимої стелі (не на відміну від справжньої теплиці), тепло, що проходить вгору, є більш імовірним бути зупиненим, ніж взагалі вийти з атмосфери, оскільки додаткові парникові гази поглинають, а потім випромінюють це тепло, як інфрачервоне радіація. Частина тепла відійде від Землі, але частина його буде поглинана молекулами парникових газів, що знаходяться поблизу, а частина повернеться на поверхню Землі знову. Таким чином, завдяки різноманітним механізмам, коли накопичуються парникові гази, планета продовжує нагріватися. Льодовики відступають, лід на обох полюсах Землі тане, океани прогріваються і стають більш кислими, сніг покриття у всьому світі зменшується, а катастрофічних погодних явищ, таких як урагани, стає все більше буденність.

Створення власної теплиці - це нетривіальний проект, але при достатньо амбіцій він не виходить за межі пристрасної людини чи групи. Незалежно від того, чи хочете ви захищати літні рослини в зимовий час, розпочніть весняні роботи з озеленення або просто навчіться трохи про садівництво в приміщенні, ви можете налаштувати цінні програми від декількох сотень доларів США до декількох тисяч