3. Stråling og energibalanse

Del gjerne innlegget

Dette er et referat fra Andrew Dessler (se kilde nedenfor). For å vite hvordan vi kan forstå at det skjer klimaendringer, er det nyttig å ha grunnkunnskap om fysikken til energibalanse og stråling.

Grunnen til at vi kan se ting ved romtemperatur er at lyset fra solen eller en annen lyskilde treffer tingene vi ser på, og lyset reflekteres slik at vi kan se de.

Energi og temperatur

Energi er evnen til å gjøre arbeid, slik som å løfte en vekt, eller presse sammen en fjær. Enheten som brukes er joule (J). Å ta 100g og løfte 1 meter opp er ca 1J.

Klima handler om energistrømmer, så klimaberegningene fokuserer på kraft. Når energi strømmer fra et sted til et annet, kaller vi det kraft. Enheten som brukes er watt (W). 1W er det samme som 1J pr sekund. (1W = 1J/s). En gammeldags 60W lyspære brukte 60 J hvert sekund. Et menneske spiser ca 2000 kalorier på en dag, og omregnet blir det 97 W. Tilsvarende er en hestekraft ca 740W.

Temperaturen er et mål på den indre energien. Indre energi i et legeme forteller hvor fort atomer og molekyler i legemet beveger seg. I faste stoff står atomene fast i et gitter, men de kan skjelve på plassen sin. Jo fortere de beveger seg, jo høyere er den indre energien, og jo høyere er temperaturen.

Vi er vant til å bruke grader Celsius (°C) når vi snakker om temperaturen. Ved 0°C fryser vann til is, og ved 100°C koker vannet. Fysikere bruker Kelvin (K) når de måler temperaturen. Det absolutte nullpunkt (0 K), der alle atomer og molekyler står helt i ro er 273,15 lavere enn temperaturen der vann fryser til is. Det innebærer at 0°C = 273,15 K.

Stråling fra et svart legeme

Stråling fra et svart legeme handler om det som sendes ut fra legemet. Alle ting slipper ut fotoner (=energipakker), også de vi ikke ser når det er mørkt. Bølgelengden som fotonene slippes ut med styres av temperaturen til legemet.

Figurene nedenfor viser hvor mye som stråler fra et svart legeme ved 3 ulike temperaturer. Det grå feltet til venstre viser bølgelengdeområdet for synlig lys, fra 0,4 µm, blått lys til 0,8 µm, rødt lys.

  • 300K er romtemperatur når det er litt varmt. All stråling er utenfor det synlige område. Vi ser det ikke! Det er en lav energimengde.
  • 1600K er 1327 °C, og jern som er glødet til denne temperaturen ser svakt rødglødende ut. Vi ser på figuren at strålingen ved denne temperaturen er bittelitt inne i det synlige området. Det er en høy energimengde.
  • 6000K er solens overflatetemperatur, og den oppfører seg som et ideelt svart legeme. Vi ser her at størstedelen av strålingen havnet inne i det synlige området som vi ser. Det er en veldig høy energimengde.
Stråling fra et svart legeme
Stråling ved ulike bølgelengder ved 3 temperaturer

Jo kortere bølgelengden er, jo høyere er energiinnholdet som sendes ut. Når vi vet temperaturen kan vi beregne hvor mye som stråler av energi fra et sort legeme ved hjelp av Stefan-Boltzmanns lov.

Energibalanse

Termodynamikkens 1 lov sier at energi aldri kan forsvinne, men kun gå over til andre former. Det betyr at summen av energi er konstant.

  • Hvis et legeme taper energi må et annet få mer energi.
  • Hvis et legeme sender ut stråling = energipakker, så reduseres den indre energien og det samme legeme avkjøles.
  • Hvis et foton treffer et legeme og energien absorberes så øker den indre energien og det samme legemet varmes.

Hvis den energien som strømmer til et legeme (energi inn) er større enn den energien som strømmer ut av det samme legeme (energi ut), så vil den indre energien (og temperaturen) øke.

Et legeme tar kun imot energi fra stråling som treffer legemet. I en tradisjonell stekeovn er det varmestrålingen som treffer maten som øker indre energi og temperaturen i maten.

Ordforklaringer:

    • Et svart legeme er en teoretisk konstruksjon. De fleste ting så som sola, et møbel i huset vårt eller oss selv oppfører seg på måter som likner såpass på et svart legeme at det er nyttig for forklaringen. Det brukes i fysikken om en ting som samler opp i seg alt lys og all elektromagnetisk stråling som treffer denne. Ingen stråling som treffer et svart legeme passerer gjennom eller reflekteres.
    • Elektromagnetisk stråling er stråling som går gjennom tomme rom. Energi fra sola transporteres til jorda med elektromagnetisk stråling. Skrivebordslampen vår, og alle andre lamper sender ut elektromagnetisk stråling i det synlige området slik som sola. Vi kan tenke på elektromagnetisk stråling som bølger eller en strøm av fotoner eller små energipakker. Nedenfor er de ulike typene listet i rekkefølge etter bølgelengden
      • Røntgenstråler (mindre enn 0,01 mikron (µm)
      • UV -stråler      (fra 0,01 µm til 0,3 µm)
      • Synlig lys        (fra 0,4 µm, blått lys og til 0,8 µm, rødt lys)
      • Infrarødt lys     (fra 0,8 µm til 1000 µm= 1mm)
      • Mikrobølger     (fra 1mm til 30 cm)
      • Radiobølger     (lengre enn 30 cm)

 

Kilde

Over er en kortversjon i dagligspråk av kapittel 3 i universitetslæreboka: INTRODUCTION TO MODERN CLIMATE CHANGE / Andrew Dessler, Texas A&M University, (second Edition 2016) Innlegget er skrevet etter en avtale med Andrew.  Forelesning

Britas egne kommentarer

Jeg vegret meg for å skrive dette innlegget med grunnleggende fysikk. Kan jeg forstå hva det er Andrew Dessler skriver om? Hvor mye husker jeg av det jeg lærte når jeg gikk på NTH for alle de årene siden? Heldigvis kom det tilbake når jeg leste det om igjen, og akkurat nå er det gøy. Håper du gleder deg like mye over å lese dette som jeg gjør nå. Det var akkurat det samme som skjedde når mine håpefulle gikk på videregående og ville ha hjelp til differensiallikninger. Jeg trodde jeg hadde glemt det, men det som en gang var kunnskap kommer tilbake ved repetisjon.

Jeg håper å se deg i kommentarfeltet og at du blir med videre. Jeg har en drøm om at vi er mange som setter oss tilstrekkelig inn i det som har med klimaendringene å gjøre slik at vi gjennomskuer bløffer, og blir i stand til å ta vare på verden for våre etterkommere.

 

 


Del gjerne innlegget

Forfatter: Brita Helleborg

Brita Helleborg er initiativtaker bak om Verden og Oss som Bor her.

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert. Obligatoriske felt er merket med *