Про історію відкриття парникового ефекту та сучасні реалії

Парниковий ефект — явище в атмосфері Землі, при якому енергія сонячних променів, відбиваючись від поверхні Землі, іде на нагрівання суші, океану, повітря, – не може повернутися в космос, оскільки затримується молекулами різних газів. Парниковий ефект виникає внаслідок підвищення температури на поверхні планети в результаті теплової енергії, яка з'являється в атмосфері через нагрівання газів. Основні гази, які ведуть до парникового ефекту на Землі - це водяні пари і вуглекислий газ.
Взагалі явище парникового ефекту дозволяє підтримувати на поверхні Землі температуру, при якій можливе виникнення і розвиток життя. Якби парниковий ефект був відсутній, середня температура поверхні земної кулі була б значно нижче, ніж вона є зараз. Однак при підвищенні концентрації парникових газів збільшується непроникність атмосфери для інфрачервоних променів, що призводить до підвищення температури Землі. У свою чергу, збільшення концентрації парникових газів є результатом забруднення атмосфери від спалювання палива. Слід зазначити, що нині вся енергія від спалювання палива на Землі складає близько 14 мільярдів тон умовного палива в рік.
Жан Батист Жозеф Фур'є (1768-1830) — французький математик і фізик, відомий як першовідкривач парникового ефекту, описав це явище у 1829 році. Розв'язуючи проблему про передачу тепла, він виходив із того, що теплопровідність здійснюється при умові наявності різниці температур, створеній у тілі (або у газі) в певному напрямку. Використавши закон Ісака Ньютона (1643-1727) «Охолодження тіл…», – за яким потік тепла поміж тілами, при теплообміні, пропорційний різниці їхніх температур, Жозеф Фур'є відкрив закон, записавши його у вигляді рівняння, яке в сучасному вигляді воно виглядає так:

G сек. = – K dT/dx

де G сек. – питомий тепловий потік, – фізична величина, чисельно дорівнює енергії, переданій у вигляді теплоти за одиницю часу через плоску поверхню одиничної площадки, розміщеної перпендикулярно до напрямку потоку енергії.
Величина К – називається коефіцієнтом теплопровідності, який чисельно дорівнює питомому тепловому потоку, при градієнті температури dT /dx, – зміні температури на одиницю довжини, – рівній одиниці.
За відомими коефіцієнтами теплопровідності визначають важливі характеристики газу:

• середню довжину пробігу його молекул;
• ефективний діаметр молекул.

Знак мінус в законі Жозефа Фур'є означає, що при теплопровідності енергія переноситься в напрямку нижчої температури тіла (газу). Це рівняння отримало назву закону Фур'є.
Без парникового ефекту температура поверхні Землі, за загальними припущеннями, була б на 20°С—25°С нижчою, аніж є насправді. Парниковий ефект має місце на планетах: Марс, Венера, а також на інших планетах, де є атмосфера та вода і достатньо великий потік зовнішньої і внутрішньої енергії нагрівання.
1865 року Рудольф Юліус Емануель Клаузіус (1822-1883) увів нову термодинамічну функцію ентропію (від грецького - перетворення). Використовуючи закон Жозефа Фур'є та поняття ентропії, Клаузіус дійшов до висновку, що  результатом змішування гарячого і холодного газу є зростання безпорядку довжини пробігу його молекул протягом певного часу. Фізичною мірою такого «безпорядку» виступає ентропія, визначена, як відношення кількості підведеної або відведеної теплоти до абсолютної температури її підведення або відведення: S=G/T.
Ентропія– математично строго визначена величина, але фізично мало наочна. Рудольф Юліус Емануель Клаузіус довів, що абсолютне значення ентропії залишається невизначеним, визначені лише її зміни в термічно ізольованих незворотних системах; а в ідеальних випадках зворотних процесів ентропія залишається постійною. Клаузіус  стверджував, що ентропія Всесвіту весь час зростає, переносячи висновки про одностороннє направлення теплових процесів в земних умовах на весь Всесвіт. Звідси виникла думка про «теплову смерть» Всесвіту.
Перебіг самодіючих термодинамічних процесів (наприклад теплообміну поміж тілами) в одному напрямку відображає намагання системи перейти від стану нерівномірного теплообміну (малоймовірного), до стану рівномірного теплообміну (більш ймовірного). Цим і пояснюється незворотність самодіючих термодинамічних процесів, в результаті яких термодинамічна ймовірність системи зростає до більш ймовірного.
У зв’язку з цим австрійський фізик Людвіг Едуард Больцман (1844-1906) так сформулював другий закон термодинаміки: всі процеси в природі направлені від стану менш ймовірного, до стану більш ймовірного. Він зв’язав ентропію фізичної системи з ймовірністю її стану та довів статистичний характер другого закону термодинаміки, давши йому своє формулювання. «Можна уявити собі, – писав Больцман, – що Всесвіт, як велетенське скупчення зіркових систем, в цілому знаходиться в стані теплової рівноваги – в повному хаосі і в повній відповідності з другим законом термодинаміки. Із-за ймовірної випадковості можуть виникати локальні спалахи підвищення температури. Вони дадуть ту різницю теплових рівнів, які породять новий тепловий рух, нове життя…».
Таким чином, статистичний метод показує, що ентропія є мірою ймовірності стану системи і що висновки про зростання ентропії можуть мати місце лише для систем, які складаються з великої кількості часток.
Врахування гравітації Всесвіту за теорією Альберта Ейнштейна (1879-1955) веде до висновку, що для Всесвіту не існує максимальної ентропії! А це значить, що думка про «теплову смерть» Всесвіту є помилковою. А якщо врахувати думки, які зараз публікуються в різних газетах, журналах та Інтернеті про відкриття сучасних вчених в галузі хімії, то нам «землянам» можливо нічого хвилюватись. Хоча, як знати,яким буде перебіг цих відкриттів і як вони будуть ув’язані з другим законом термодинаміки?
Отже…
Прозорість земної атмосфери в інфрачервоній ділянці спектру відповідають областям поглинанням, які пов'язані із різними атмосферними газами.
Тепло надходить до поверхні Землі від Сонця, вся енергія від спалювання палива на Землі та із надр планети. Сонце випромінює, в основному, у видимому діапазоні. Енергія сонячних променів поглинається поверхнею Землі. Рівновага підтримується тим, що Земля втрачає тепло завдяки інфрачервоному випромінюванню з поверхні. Інтенсивність інфрачервоного випромінювання зростає із температурою. Таким чином поверхня Землі нагрівається доти, доки не встановиться баланс між поглинутою й випроміненою енергією.
В атмосфері є молекули, які поглинають інфрачервоні промені й знову випромінюють їх. Це випромінювання відбувається з однаковою ймовірністю вгору і вниз. Тобто, завдяки цим газам частина теплового випромінювання поверхні повертається. У такому випадку для підтримки балансу поверхня планети має нагрітися більше, щоб компенсувати затримане атмосферою теплове випромінювання. Чим більше в атмосфері «парникових молекул», тим вище піднімається температура на поверхні Землі.
Більшість молекул в атмосфері Землі не поглинають в інфрачервоній ділянці спектру. Це молекули (O₂ і N₂). Найбільший внесок у парниковий ефект створюють молекули води H₂O. Молекули CO₂, – вуглекислий газ, належить до парникових. Інші парникові гази: озон, метан, яких у атмосфері, менше, ніж вуглекислого газу, але їхня здатність до поглинання інфрачервоного випромінювання велика.
У наш час великі проблеми виникають внаслідок хижацької (іншим словом можливо і не можна назвати) людської діяльності, спричиняючи парниковий ефект, який може помітно зрости й призвести до глобального потепління. Основними газами, що забруднюють атмосферу є двоокис вуглецю, метан і хлорфторвуглеці. В результаті спалювання викопного палива і лісових пожеж створюється велика кількість двоокису вуглецю, метан є супутнім продуктом сільського господарства. Випари води також є перешкодою для відбитих сонячних променів. Програма ООН з навколишнього середовища прогнозує, що можливе підвищення середньої температури Землі на 1,5°C до 2025 року викличе підняття рівня світового океану на 25 см через танення льоду біля полюсів.
Як повідомляє cikave.org.ua: «Американські та британські хіміки створили з озону й метану особливо активну молекулу, що отримала назву "радикал Крігі". За словами вчених, нова частка здатна нейтралізувати молекули забрудників навколишнього середовища – сірки і оксидів азоту. У підсумку вона перетворює шкідливі речовини в аерозолі, які посилюють частоту утворення хмар в атмосфері. Вчені вважають, що у такий спосіб вдасться охолодити планету. Існування надактивної сполуки кисню, а також вуглеводневих радикалів передбачив німецький хімік на ім’я Рудольф Крігі ще 1953 року під час вивчення реакцій розкладання цих речовин озоном. Але ці радикали тоді так і не вдалося зафіксувати, а також отримати їх в лабораторії через їх хімічну нестабільність.
Нині  дослідники Національні лабораторії Сандія Міністерства енергетики США у місті Лівермор Фолс на чолі з Крейгом Таатьєсом створили спеціальний пристрій, що здатен виробляти молекули Крігі у великій кількості з вуглеводів та кисню. Як пояснюють автори розробки, ключовим елементом їхньої машини є синхротронний випромінювач, промінь якого піддається тонким налаштуванням для утворення і відділення необхідних варіацій радикалів Крігі з загальної маси об’єднаного кисню і вуглеводів. Вивчаючи отриману сполуку дослідники встановили, що радикали Крігі вступають в реакцію з молекулами азоту і оксиду сірки набагато активніше, ніж припускали усі попередники Таатьєса. Розпилення в атмосфері радикалів Крігі охолодить планету, створивши прошарок, який захищає землю від ультрафіолетового випромінювання».
"Природні" молекули такого роду відіграють набагато більшу роль у кругообігу речовин в атмосфері і серед аерозолів та інших повітряних суспензій. Вважається, що підвищення концентрації аерозолів в атмосфері було одним з тих факторів, які дещо гальмували темпи зміни клімату за останнє десятиліття. Враховуючи цю ідею, вчені пропонують подумати про те, що виробництво радикалів і їх розпорошення в повітрі над великими містами допоможе не тільки зменшити концентрацію екологічних шкідливих оксидів азоту та сірки, а й значно збільшити частку аерозолів і тим самим "охолодити" нашу планету. Але поки що до "промислового" застосування радикалів Крігі ще далеко – слід перевірити всі побічні ефекти і врахувати токсичний вплив самих радикалів та їх похідних на флору і фауну Землі та можливості виникнення локальних спалахів підвищення температури.
І як спалахи підвищення температури будуть пов’язані з другим законом термодинаміки, і чи дадуть ту різницю теплових рівнів, яка породить новий рух надзвичайно велетенських теплових потоків?
Спосіб утворення цих радикалів і попередні висновки щодо їх ефективності група вчених опублікувала в статті в журналі Science.

Володимир Циганенко

Цитування та використання будь-яких матеріалів порталу Etar на інших сайтах дозволяється лише з гіперпосиланням: www.etar.com.ua

в начало