Klimat na planetach. Szkoła Podstawowa Klasy VII-VIII Gimnazjum Klasa III Doświadczenie konkursowe 2

Podobne dokumenty
Wstęp do astrofizyki I

Wstęp do astrofizyki I

EFEKT CIEPLARNIANY. Efekt cieplarniany występuje, gdy atmosfera zawiera gazy pochłaniające promieniowanie termiczne (podczerwone).

Efekt cieplarniany i warstwa ozonowa

Wyznaczanie stałej słonecznej i mocy promieniowania Słońca

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Wstęp do Geofizyki. Hanna Pawłowska Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

WYZNACZENIE STAŁEJ STEFANA - BOLTZMANNA

Techniczne podstawy promienników

Grawitacja - powtórka

Analiza działania kolektora typu B.G z bezpośrednim grzaniem. 30 marca 2011

Analiza spektralna widma gwiezdnego

Życie w Układzie Słonecznym I

17. Który z rysunków błędnie przedstawia bieg jednobarwnego promienia światła przez pryzmat? A. rysunek A, B. rysunek B, C. rysunek C, D. rysunek D.

- 1 - OPTYKA - ĆWICZENIA

Egzamin maturalny z fizyki i astronomii 5 Poziom podstawowy

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Zadania do testu Wszechświat i Ziemia

wymiana energii ciepła

Kolokwium zaliczeniowe Informatyczne Podstawy Projektowania 1

Jest jedną z podstawowych w termodynamice wielkości fizycznych będąca miarą stopnia nagrzania ciał, jest wielkością reprezentującą wspólną własność

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

7. EFEKT CIEPLARNIANY

Sprawdzian 2. Fizyka Świat fizyki. Astronomia. Sprawdziany podsumowujące. sin = 0,0166 cos = 0,9999 tg = 0,01659 ctg = 60,3058

całkowite rozproszone

Sprawdzian Na rysunku przedstawiono siłę, którą kula o masie m przyciąga kulę o masie 2m.

SPRAWDZANIE PRAWA STEFANA BOLTZMANNA

Wykład 5 - całki ruchu zagadnienia n ciał i perturbacje ruchu keplerowskiego

Ćwiczenie 375. Badanie zależności mocy promieniowania cieplnego od temperatury. U [V] I [ma] R [ ] R/R 0 T [K] P [W] ln(t) ln(p)

Zaznacz prawdziwą odpowiedź: Fale elektromagnetyczne do rozchodzenia się... ośrodka materialnego A. B.

Globalne ocieplenie, mechanizm, symptomy w Polsce i na świecie

Aktualizacja, maj 2008 rok

Menu. Pomiar bilansu promieniowania Ziemi

Kontrola wiadomości Grawitacja i elementy astronomii

Ćwiczenie Nr 11 Fotometria

Imię i nazwisko ucznia Data... Klasa...

LABORATORIUM METROLOGII

Ekosfery. Gimnazjum Klasy I III Doświadczenie konkursowe nr 5

Optyka stanowi dział fizyki, który zajmuje się światłem (także promieniowaniem niewidzialnym dla ludzkiego oka).

ELEMENTY GEOFIZYKI. Atmosfera W. D. ebski

Astronomia. Znając przyspieszenie grawitacyjne planety (ciała), obliczyć możemy ciężar ciała drugiego.

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

Optyka. Wykład IX Krzysztof Golec-Biernat. Optyka geometryczna. Uniwersytet Rzeszowski, 13 grudnia 2017

Wyznaczenie masy optycznej atmosfery Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

14R2 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - II POZIOM ROZSZERZONY

BADANIE PROMIENIOWANIA CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

Sprawdzanie prawa Ohma i wyznaczanie wykładnika w prawie Stefana-Boltzmanna

Dyfrakcja to zdolność fali do uginania się na krawędziach przeszkód. Dyfrakcja światła stanowi dowód na to, że światło ma charakter falowy.

Układ Słoneczny. Szkoła Podstawowa Klasy IV VI Doświadczenie konkursowe nr 2

Promieniowanie cieplne ciał.

ZADANIA KONKURSOWE DLA UCZNIÓW KLAS PIERWSZYCH UCZESTNICZĄCYCH W PROJEKCIE: KORELACJA PRZEDMIOTOWA NA LEKCJACH MATEMATYKI I FIZYKI W TECHNIKUM

Optyka 2012/13 powtórzenie

Polecenie ŚWIATPUNKT - ŚWIATŁO PUNKTOWE

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Dlaczego klimat się zmienia?

Układ słoneczny, jego planety, księżyce i planetoidy

LXVIII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY III STOPNIA

Zmiany w środowisku naturalnym

14 POLE GRAWITACYJNE. Włodzimierz Wolczyński. Wzór Newtona. G- stała grawitacji 6, Natężenie pola grawitacyjnego.

Zadanie 2. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Wybierz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, lub F, jeśli zdanie jest fałszywe.

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Ciało doskonale czarne ćwiczenie w Excelu

Wydajność konwersji energii słonecznej:

Prezentacja grupy A ZAPRASZAMY

Jak zmieni się wartość siły oddziaływania między dwoma ciałami o masie m każde, jeżeli odległość między ich środkami zmniejszy się dwa razy.

Załamanie na granicy ośrodków

ETAP II. Astronomia to nauka. pochodzeniem i ewolucją. planet i gwiazd. na wydarzenia na Ziemi.

A) 14 km i 14 km. B) 2 km i 14 km. C) 14 km i 2 km. D) 1 km i 3 km.

1. Obserwacje nieba 2. Gwiazdozbiór na północnej strefie niebieskiej 3. Gwiazdozbiór na południowej strefie niebieskiej 4. Ruch gwiazd 5.

Fizyka Procesów Klimatycznych Wykład 1

SPRAWDZIAN NR 1. I promienie świetlne nadal są równoległe względem siebie, a po odbiciu od powierzchni II nie są równoległe względem siebie.

KARTA PRACY NAUCZYCIELA

Ściąga eksperta. Skład i budowa atmosfery oraz temperatura powietrza. - filmy edukacyjne on-line Strona 1/5

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

LIV Olimpiada Astronomiczna 2010 / 2011 Zawody III stopnia

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Skala jasności w astronomii. Krzysztof Kamiński

XXXI OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP WSTĘPNY Zadanie teoretyczne

Fizyka układów planetarnych. Wenus. Wykład 3

ZAŁĄCZNIK IV. Obliczanie rotacji / translacji obrazów.

Przemiany gazowe. 4. Który z poniższych wykresów reprezentuje przemianę izobaryczną: 5. Który z poniższych wykresów obrazuje przemianę izochoryczną:

Promieniowanie słoneczne

Meteorologia i Klimatologia Ćwiczenie II Poznań,

Schemat punktowania zadań

Kwantowa natura promieniowania

Własności optyczne materii. Jak zachowuje się światło w zetknięciu z materią?

WOJEWÓDZKA KOMISJA KONKURSU PRZYRODNICZEGO

Ocena stanu ochrony cieplnej budynku.

SPRAWDZIAN NR Na zwierciadło sferyczne padają dwa promienie światła równoległe do osi optycznej (rysunek).

PODSTAWY BARWY, PIGMENTY CERAMICZNE

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

Mapa usłonecznienia w Polsce

Laboratorium odnawialnych źródeł energii

12.1 Słońce. Ogromna moc promieniowania Słońca to skutek zarówno ogromnych rozmiarów, jak i wysokiej temperatury powierzchni.

Zapisy podstawy programowej Uczeń: 2. 1) wyjaśnia cechy budowy i określa położenie różnych ciał niebieskich we Wszechświecie;

Laboratorium z Konwersji Energii. Kolektor słoneczny

KONKURS FIZYCZNY DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW WOJEWÓDZTWA MAZOWIECKIEGO

Wy1. 2 Wy7 Detektory fotonowe i termiczne. 2 Wy8 Test zaliczeniowy 1 Suma godzin 15

Jaki jest Wszechświat?

Transkrypt:

Szkoła Podstawowa Klasy VII-VIII Gimnazjum Klasa III Doświadczenie konkursowe Rok 019

1. Wstęp teoretyczny Podstawowym źródłem ciepła na powierzchni planet Układu Słonecznego, w tym Ziemi, jest dochodzące do tejże powierzchni promieniowanie słoneczne. Aby jednak temperatura na powierzchni planety była w dłuższym okresie stała, potrzebne jest, by tyle samo ciepła - energii otrzymywanej ze Słońca - było emitowane przez planetę z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Gdyby było inaczej, planeta stopniowo by się ocieplała lub oziębiała. Emisja energii z powierzchni planety ma miejsce głównie w podczerwieni. Emisja promieniowania z powierzchni Słońca, jak i planet może być przybliżona przez model tzw. ciała doskonale czarnego. Jest to wyidealizowany przypadek ciała, które pochłania wszelkie padające nań promieniowanie, niezależnie od długości fali. Natomiast to, ile energii emituje, zależy tylko od jego temperatury. Rozkład tej emisji w zależności od długości fali emitowanego promieniowania opisany jest konkretnym wzorem, a kształtem przypomina asymetryczny dzwon. Całkowita moc emitowana na jednostkę powierzchni (czyli tak zwany strumień energii Φ) przez ciało doskonale czarne opisywana jest wzorem Stefana-Boltzmanna: Φ = σt 4 gdzie σ stanowi pewną stałą proporcjonalności, a temperatura T jest wyrażona w Kelwinach 1. W rzeczywistości jednak jedynie część promieniowania dochodzącego ze Słońca jest pochłaniana przez powierzchnię planety, część jest odbijana z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Procent światła, jaki odbija dana planeta, to albedo. Możemy oznaczyć je literą a. Wielki wpływ na albedo ma obecność atmosfery, w szczególności chmur, które odbijają promieniowanie Słońca z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Gdyby albedo planety wynosiło 1, to cała energia ze Słońca byłaby odbita przez atmosferę i nic nie dotarłoby do powierzchni planety. Analogicznie, gdy albedo wynosi 0, cała energia słoneczna jest pochłaniana przez planetą, bez efektu odbicia. Atmosfera może też w mniejszym lub większym stopniu blokować emisję promieniowania z powierzchni planety, zatrzymując tym samym energię i ogrzewając planetę. W takim wypadku, aby zrównoważyć bilans otrzymywanej i emitowanej energii, powierzchnia planety musi być cieplejsza niż wynikałoby to z przeliczenia strumienia energii na temperaturę za pomocą wzoru Stefana-Boltzmanna. Jest to tzw. efekt cieplarniany podwyższający temperaturę na danej planecie. Ilość blokowanego promieniowania zależy od składu i gęstości atmosfery. Para wodna i dwutlenek węgla są istotnymi gazami, które blokują promieniowanie podczerwone z powierzchni planety, a jednocześnie są stosunkowo przezroczystymi dla światła widzialnego dochodzącego ze Słońca. 1 skala Kelvina liczona jest od zera bezwzględnego. Aby wyrazić temperaturę w Kelvinach, do temperatury w stopniach Celsjusza należy dodać 73,15 stopnia co sprawia, że planety świecą światłem odbitym

Rysunek 1. Schemat pokazujący bilans strumienia energii dochodzącego ze Słońca i oddawanego z powierzchni Ziemi. Źródło: Wikipedia 3 Rozpatrzmy przypadki trzech skalistych planet Układu Słonecznego, które posiadają atmosferę: Wenus, Ziemi i Marsa. Wenus, krążąca najbliżej Słońca, jest tylko niewiele mniejsza od Ziemi, jednak osłonięta jest grubą atmosferą. Masa atmosfery Wenus wynosi 4,8 10 0 kg. Chmury zasłaniają całą jej powierzchnię, zapewniając planecie duże albedo (0,77), lecz atmosfera złożona w 96% z dwutlenku węgla powoduje olbrzymi efekt cieplarniany, przez co średnia temperatura na jej powierzchni wynosi ok. 464 C. Ziemia posiada atmosferę o masie 5,1 10 18 kg złożoną głównie z azotu i tlenu z niewielką domieszką pary wodnej i dwutlenku węgla, mniejsze albedo (0,306) i średnią temperaturę na powierzchni ok. 15 C. Mars, znajdujący się najdalej od Słońca, ma o połowę mniejszą średnicę i ok. 10-krotnie mniejszą masę od Ziemi. Jego albedo wynosi 0,5, a atmosfera ważąca,5 10 16 kg złożona jest w 96% z dwutlenku węgla. Średnia temperatura na powierzchni Marsa wynosi ok. -63 C. 3 pl.wikipedia.org/wiki/efekt_cieplarniany#/media/file:sun_climate_polish3.svg 3

Rysunek. Wenus. Źródło: Wikipedia 4. Rysunek 3. Ziemia. Źródło: Wikipedia 5. 4 en.wikipedia.org/wiki/venus#/media/file:venus-real_color.jpg 5 en.wikipedia.org/wiki/earth#/media/file:the_earth_seen_from_apollo_17.jpg 4

Rysunek 4. Mars. Źródło: Wikipedia 6. Do każdej planety dociera strumień promieniowania słonecznego tym mniejszy, im dalej dana planeta krąży od Słońca. Aby uzyskać całkowitą moc emitowaną przez Słońce, należałoby pomnożyć strumień emitowany 7 przez powierzchnię Słońca. Słońce jest kulą o promieniu RꙨ = 696 000 km, więc powierzchnia Słońca jest sferą o promieniu 4 π RꙨ. Nas interesuje jednak, jak zmniejsza się strumień promieniowania dochodzący do danej planety. Wyobraźmy sobie sferę o promieniu równym odległości od środka Słońca do planety (dsłońce-planeta). Ta sama ilość energii rozłożona jest teraz na większą powierzchnię i absorbowana przez planetę o promieniu Rplaneta. Strumień ten pada na powierzchnię planety, ale nie na całą powierzchnię, lecz jedynie na część oświetloną przez Słońce. Powierzchnia oświetlona stanowi zaś przekrój planety, a przekrój kuli ma po prostu kształt koła o powierzchni π Rplaneta. Czyli strumień zmniejsza się jak: π R planeta 4 π d Słońce planeta Następnym krokiem jest policzenie, jaka część strumienia dociera do powierzchni planety. Pamiętajmy, że część energii jest odbijana, a wielkością, która nam o tym mówi jest albedo. Aby policzyć, jaką temperaturę powinna mieć planeta ogrzewana tylko przez Słońce, należy zbudować bilans energetyczny. Czyli jeszcze raz zapisać równanie Stefana-Bolzmanna, ale już dla strumienia emitowanego przez planetę. Przyjmujemy, że planeta (podobnie jak Słońce) wypromieniowuje energię we wszystkich kierunkach, więc strumień należy pomnożyć przez powierzchnię sfery o 6 en.wikipedia.org/wiki/mars#/media/file:osiris_mars_true_color.jpg 7 w przybliżeniu jest to strumień ciała doskonale czarnego o temperaturze 577 K 5

promieniu planety. Przyrównując całkowitą moc absorbowaną przez powierzchnię planety do całkowitej mocy przez nią wypromieniowanej, wyliczymy temperaturę, którą nazywamy temperaturą równowagową. Mówi nam ona o tym, jaką temperaturę powinna mieć planeta, gdyby nie było na niej efektu cieplarnianego.. Cel doświadczenia Celem doświadczenia jest określenie wpływu efektu cieplarnianego na temperaturę na danej planecie. 3. Opis wykonania doświadczenia Wszystkie obliczenia wykonaj dla trzech planet skalistych: Wenus, Ziemi i Marsa. Oblicz, ile strumienia emitowanego przez Słońce dociera do powierzchni planet. Jaki procent emisji z powierzchni ucieka w przestrzeń kosmiczną? Wykonaj bilans energetyczny i oblicz temperaturę równowagową. Porównaj ją z rzeczywistą temperaturą na planetach. Co wynika z tego porównania? Co można powiedzieć o efekcie cieplarnianym na poszczególnych planetach? Wszystkie potrzebne dane znajdziesz w tabeli poniżej. Parametr Słońce Wenus Ziemia Mars Promień [km] 696 000 6051,8 6371 3389,5 Temperatura [K] 577 737 88 10 Albedo 0,77 0,306 0,5 Odległość od Słońca [km] 109 000 000 149 600 000 8 000 000 Tabela 1. Zestawienie wybranych parametrów Słońca i trzech planet skalistych. 6