9 (Niezbyt krótka) historia o cząstkach elementarnych Grzegorz Karwasz Fizyka wczoraj, dziś, jutro 4 Badania atmosfery za kołem polarnym Krzysztof Markowicz 19 Szczególna teoria względności Maciej Panczykowski 48 Co w fizyce piszczy? Zbigniew Wiśniewski Astronomia dla każdego 38 Jak powstawały współczesne konstelacje, cz. III Janusz Rokita 43 Cztery różne baseny na Księżycu Hieronim Hurnik 32 Zaćmienia Słońca fakty i mity, cz. I: Teoria Piotr Gronkowski, Marcin Wesołowski Z naszych lekcji 17 Ratujmy fizykę przed formalistami Marcin Braun 29 Magnetyczna kolejka tunelowa Stanisław Bednarek 24 Dlaczego warto uczyć się fizyki w szkole? Tadeusz Wibig
Badania atmosfery za kołem polarnym Wiosną 2015 roku w miejscowości Ny-Ålesund na Spitsbergenie odbył się międzynarodowy eksperyment badawczy iarea 2015 (ang. Impact of absorbing aerosols on radiative forcing in the European Arctic). Celem badań było wyznaczenie wpływu zanieczyszczeń, które silnie absorbują promieniowanie słoneczne, na system klimatyczny obszarów polarnych [1]. Krzysztof Markowicz Zanieczyszczenia te występują w postaci bardzo drobnych cząstek sadzy emitowanych do atmosfery podczas procesów spalania. Pochodzą one ze źródeł antropogenicznych (gospodarstwa domowe, elektrociepłownie, transport lądowy i lotniczy) oraz naturalnych (np. pożary lasów). Są one zlokalizowane z dala od rejonów polarnych, ale wskutek transportu mas powietrza docierają do wysokich szerokości geograficznych [2]. Pochłanianie promieniowania słonecznego przez cząstki sadzy prowadzi do lokalnego ogrzewania atmosfery, co zmienia bilans energetyczny, ale również może powodować zmiany w cyklu hydrologicznym. Obecność cząstek silnie absorbujących nad obszarami pokrytymi śniegiem lub lodem ma szczególne znaczenie, bo w tym wypadku istnieje większe prawdopodobieństwo absorpcji fotonów. Ze względu na wysoki współczynnik odbicia światła od śniegu fotony mogą być absorbowane albo podczas propagacji w dół atmosfery, albo po odbiciu od powierzchni ziemi. Dodatkowo cząstki sadzy, opadając na powierzchnię śniegu lub lodu, zmniejszają jego albedo, co skutkuje ponownie większą absorpcją promieniowania i wzrostem temperatury. Obecnie uważa się, że cząstki sadzy przyczyniają się, podobnie jak gazy cieplarniane, do silnego wzrostu temperatury w obszarach polarnych [3]. Szacowanie tego efektu jest dość trudne ze względu na niewielką liczbę prowadzonych pomiarów. Badania w obszarach polarnych są niełatwe i kosztowne, ale niezbędne do zrozumienia, jak działa arktyczny system klimatyczny. Stacja badawcza Na miejsce badań wybrano bardzo małą miejscowość Ny- -Ålesund, położoną na 78 55 N 11 56 E około 1200 km od bieguna północnego. Jest to najdalej na świecie wysunięta na północ funkcjonująca jednostka osadnicza. W Ny-Ålesund znajdują się stacje naukowo-badawcze wchodzące w skład systemu Światowej Obserwacji Atmosfery (ang. Global Atmosphere Watch). Swoje placówki badawcze mają tu m.in. Norwegia, Niemcy, Francja, Włochy, Chiny, Korea Południowa, Wielka Brytania i Japonia. W zimie przebywa tu kilkanaście osób, a w lecie ponad sto. Historia Ny-Ålesund sięga początku XX wieku, kiedy wydobywano węgiel. Dopiero od 1968 roku jest bazą Norweskiego Instytutu Polarnego, a w latach 80. i 90. rozwijały tutaj swoją działalność badawczą również inne kraje i Ny- Ålesund stopniowo przekształciło się w międzynarodową stację badawczą. Po zaprzestaniu wydobywania węgla w latach 60. stało się idealnym poligonem badawczym dla naukowców zajmujących się środowiskiem naturalnym. Ny-Ålesund jest jednym z nielicznym miejsc na Spitsbergenie, gdzie całorocznie odbywa się regularny transport lotniczy, w okresie od późnej wiosny do wczesnej jesieni regularnie zaś kursują statki. I właśnie dlatego zdecydowano się prowadzić badania w ramach projektu iarea 2015 w Ny-Ålesund. Regularny transport umożliwia bowiem prostszą logistykę i wymianę kadry naukowej podczas eksperymentu. Stacja badawcza Polskiej Akademii Nauk w Hornsundzie jest na przykład odcięta od świata w okresie od jesieni do późnej wiosny. Z Polski w pomiarach uczestniczyło pięć osób z Instytutu Geofizyki Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Instytutu Oceanologii Polskiej Akademii Nauk z Sopotu. Pomiary prowadzone były w stacji niemieckiej (Koldewey Station) i włoskiej (Gruvebadet Station). Stacja niemiecka należy od Instytutu Badań Polarnych i Oceanicznych Alfreda Wegenera (AWI). Prowadzi się w niej głównie badania z zakresu fizyki atmo- 4 Fizyka w Szkole 5/2015
sfery, natomiast w stacji włoskiej wykonuje się badania składu chemicznego powietrza. Aparatura badawcza Podczas badań prowadzone były trzy różne typy pomiarów: teledetekcyjne z powierzchni ziemi, in situ na powierzchni ziemi oraz profile pionowe z wykorzystaniem balonów meteorologicznych. Pomiary teledetekcyjne obejmowały pomiary aktywne z wykorzystaniem promieniowania słonecznego oraz przy użyciu sztucznych źródeł promieniowania. Przykładem pomiarów biernych jest pomiar promieniowania słonecznego przy użyciu fotometru słonecznego. Mierząc spektralne charakterystyki promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi, można oszacować stopień transmisji atmosfery i powiązać go z ilością zanieczyszczeń. Na ich podstawie wyznaczana jest tzw. grubość optyczna aerozolu, która jest podstawową wielkością przy szacowaniu wpływu aerozolu na bilans energetyczny systemu klimatycznego. Przykładem pomiarów aktywnych jest lidar (ang. light detection and ranging) [4, 5]. Podczas pomiarów używane były dwa lidary wysyłające światło laserowe w kilku długościach fali. Laser nie świecił światłem ciągłym, ale był modulowany z częstotliwością 50 Hz. Emitowane do góry światło po natrafieniu na aerozol, chmury czy też molekuły powietrza się rozprasza. Część tego światła jest zbierana w teleskopie znajdującym się obok lasera, a następnie trafia do fotopowielaczy (czułych detektorów fotonów). Podczas pomiarów wykorzystywany był system detekcji KARL z 70-centymetrowym lustrem oraz teleskop Newtona o średnicy zwierciadła 5 cm. Mniejszy teleskop służył Fot. 1. Okolice Ny-Ålesund widoczne z balonu pomiarowego Fot. 2. Transport aparatury badawczej do laboratorium w Gruvebadet. Ze względu na pomiary chemiczne składu powietrza nie można w tym rejonie używać skuterów śnieżnych, co utrudnia transport ciężkiej aparatury. Dodatkowo przy każdym wyjściu z miejscowości Ny-Ålesund należy mieć ze sobą broń na wypadek spotkania na swojej drodze niedźwiedzia polarnego do pomiarów w niższych warstwach atmosfery, większy zaś do pomiarów w środkowej, górnej troposferze oraz w dolnej stratosferze. Im grubsza optycznie warstwa rozpraszająca światło laserowe w atmosferze, tym silniejszy sygnał rejestrowany przez układ detektora. Z kolei im dłuższy czas między wysłaną falą a sygnałem odebranym, tym dalej znajduje się ta warstwa. Na podstawie tych dwóch informacji można wyznaczyć, na jakiej wysokości znajdują się chmury lub aerozol oraz jakie są ich własności optyczne, a dokładnie mówiąc jaki jest współczynnik ekstynkcji i rozpraszania wstecznego. Prowadząc pomiary na kilku długościach fali, można uzyskać informacje o wielkości cząstek, które rozpraszają promieniowanie. Mierząc natomiast polaryzację promieniowania rozproszonego w atmosferze, można oszacować kształt cząstek. Pomiary profili lidarowych były uzupełniane o obserwacje wykonywane przez balony meteorologiczne, wyposażone w czujniki do pomiaru podstawowych wielkości atmosferycznych, takich jak temperatura, wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne czy prędkość i kierunek wiatru. Dwa razy w tygodniu wykonywane były również pomiary profilu koncentracji ozonu. Sondy balonowe potrafią wznieść się na wysokość ponad 30 km i w tym czasie przesłać do stacji drogą radiową aktualne wyniki pomiarów. Dodatkowo prowadzone były pomiary przy użyciu balonu na uwięzi o objętości około 9 m 3, który wznosił się do wysokości 1,9 km. Pod balonem zainstalowany był licznik cząstek w zakresie 0,3 5 μm, licznik cząstek sadzy, spektrometr do pomiarów współczynnika odbicia promieniowania sło- Fizyka w Szkole 5/2015 5
necznego od powierzchni ziemi oraz aparat cyfrowy. Pomiary mogły być wykonywane jedynie podczas niskich i umiarkowanych prędkości wiatru (poniżej 8 10 m/s). Jednorazowy pomiar trwał około 40 minut, ale samo przygotowanie, kalibrowanie instrumentów i zgrywanie danych wymagało co najmniej 1,5 godziny. Dane rejestrowane były z rozdzielczością 1 s, jednak większość przyrządów nie mierzy z taką rozdzielczością w warunkach arktycznych ze względu na bardzo niskie wartości koncentracji cząstek. Dlatego podczas przetwarzania danych stosuje się różnego rodzaju filtrowanie i uśrednianie. Dotyczy to niemal wszystkich przyrządów, które wymagają nieco innej metodologii niż pomiary wykonywane np. w Europie Centralnej. Znaczna część aparatury działa w warunkach arktycznych na granicy detekcji (przy małym stosunku sygnału do szumu). Sytuacja ta zmienia się, gdy napływają zanieczyszczone masy powietrza, ale ma to miejsce stosunkowo rzadko. Podczas tegorocznych pomiarów zaobserwowano jedynie niewielkie wzrosty koncentracji aerozoli. Ostatnią grupę pomiarów stanowiły obserwacje prowadzone przy użyciu aparatury analizującej własności fizyczne i chemiczne powietrza znajdującego się na zewnątrz stacji pomiarowej. Przyrządy do tego typu pomiarów zostały ustawione w labor atorium włoskim (1,5 km od pomiarów teledetekcyjnych). Rutynowo od wczesnej wiosny do jesieni mierzy się tam skład chemiczny aerozoli. Aparatura przywieziona na czas kampanii pomiarowej z Polski służyła głównie do obserwacji własności optycznych, takich jak współczynnik absorpcji i rozpraszania światła. Fot. 3. Lidar aerozolowy zainstalowany w laboratorium AWI w Ny-Ålesund. Podczas sprzyjających warunków atmosferycznych wiązka światła laserowego wędruje w atmosferę przez otwierany fragment dachu laboratorium. Światło lasera jest na tyle silne, że przebywanie w pomieszczeniu, gdzie znajduje się laser, wymaga użycia okularów ochronnych Wszystkie przyrządy tego typu wyposażone są w pompy, które pobierają powietrze z zewnątrz. Używane były m.in. nefelometry do pomiaru współczynnika rozpraszania światła. Wielkość ta zależy od koncentracji cząstek oraz ich składu chemicznego. Głównym elementem nefelometru jest komora pomiarowa składająca się ze źródła światła w postaci matrycy diod LED lub lampy halogenowej oraz fotopowielaczy będących detektorami światła. Do pomiaru własności absorbujących aerozoli stosuje się aethalometry lub urządzenia fotoakustyczne. Aethalometr jest przyrządem, który mierzy w czasie rzeczywistym osłabienie wiązki światła transmitowanej przez filtr, na którym osadzane są cząstki pyłów zawieszonych we wciąganym powietrzu. Taśma, na której gromadzone są cząstki aerozolu w czasie pomiaru, zbudowana jest z kwarcowych ognioodpornych włókien o średnicy 1 μm oraz włókien celulozy o średnicy 10 μm. Główną część instrumentu stanowi głowica optyczna wyposażona w siedem kanałów optycznych. Na podstawie osłabienia wiązki światła przechodzącej przez filtr wyznaczany jest współczynnik absorpcji światła oraz koncentracja węgla elementarnego. Inną techniką pomiarową jest metoda fotoakustyczna. Głównym elementem przyrządu jest komora rezonansowa, w której znajduje się laser. Emitowane przez niego światło oddziałuje z powietrzem przepływającym przez komorę. Jeśli w komorze znajdują się cząsteczki, które pochłaniają światło, to wskutek absorpcji fotonów 6 Fizyka w Szkole 5/2015
dochodzi do ogrzewania i rozszerzania się cząstek. Podczas tego procesu emitowana jest fala dźwiękowa, która rejestrowana jest przez czuły mikrofon. Natężenie fali akustycznej jest proporcjonalne do współczynnika absorpcji światła przez aerozol. Metoda fotoakustyczna jest obecnie standardowo używana w pomiarach absorpcji promieniowania przez aerozole atmosferyczne. Inną techniką pomiaru optycznych własności aerozolu jest metoda CRDS (ang. cavity ring-down spectroscopy). Przyrząd składa się z lasera, komory pomiarowej, w której znajdują się dwa lustra o bardzo wysokim współczynniku odbicia (ponad 99,9%), oraz układu detekcyjnego na zewnątrz komory. Lustra mają wydłużyć efektywną drogę, jaką pokonują fotony. Typowa długość swobodna fotonu w atmosferze wynosi kilka kilometrów. Gdy fotony odbijają się wielokrotnie od luster oddalonych o kilkadziesiąt centymetrów, po wielokrotnym przebyciu tej drogi prawdopodobieństwo rozproszenia lub absorpcji znacząco rośnie. Jeśli laser emituje impuls światła, to jego natężenie będzie zanikać wykładniczo z czasem tym szybciej, im silniej powietrze absorbuje lub rozprasza światło. Dzięki tej metodzie możliwe jest wyznaczenie z dużą dokładnością współczynnika ekstynkcji. Inną klasę przyrządów stanowią liczniki cząstek aerozolu. Na ogół stosuje się laserowe liczniki cząstek, które mierzą pojedyncze cząstki w zakresie od pojedynczych mikrometrów do kilkudziesięciu mikrometrów. W przypadku bardzo małych cząstek stosuje się metodę higroskopijnego wzrostu rozmiaru, tak aby układ detekcyjny mógł efektywnie rejestrować pojedyncze aerozole. Zwłaszcza pomiary wykonane przy użyciu tego typu przyrządów pozwalają wyznaczyć rozkład wielkości cząstek (liczba cząstek w funkcji ich wielkości). Rozkład ten zależy od rodzaju aerozolu, co pozwala identyfikować pochodzenie zanieczyszczeń. Dokładne informacje o składzie chemicznym dostępne są dzięki badaniom chemicznym. W szczególności prowadzi się pomiary, wyłapując aerozol na filtrze, a następnie dzięki spektrometrii masowej możliwa jest precyzyjna analiza składu. Znacznym ograniczeniem tej metody jest rozdzielczość czasowa, która w warunkach arktycznych wynosi mniej więcej 24 godziny. Oznacza to, że filtry są analizowane dopiero po 24-godzinnym okresie depozycji cząstek. Podczas kampanii pomiarowej odbyły się trzy loty badawcze samolotami Polar 5 i 6 należącymi do Instytutu Badań Polarnych i Oceanicznych Alfreda Wegenera. Samolot Polar 5 był wyposażony w lidar AMALi (ang. Airborne Mobile Aerosol Lidar) skierowany w kierunku powierzchni ziemi. W drugim samolocie badawczym, Polar 6, znajdowała się aparatura do badań in situ. Niewielka liczba wykonanych lotów wynikała z problemów technicznych występujących od początku pomiarów, a także z braku odpowiednich warunków meteorologicznych. Osłona meteorologiczna badań Podczas pomiarów terenowych niezbędne staje się wsparcie innymi źródłami informacji. Najważniejszym są prognozy pogody, które pomagają z kilkunastogodzinnym wyprzedzeniem przygotować się do prowadzonych pomiarów. Znaczna część aparatury działa non stop, jednak pewna część może pracować tylko w określonych warunkach meteorologicznych. Dane z numerycznych prognoz pogody są uzupełniane przez obrazy satelitarne. W przypadku obszarów polarnych wykorzystuje się satelity na niskich orbitach, które przelatują w nieregularnych interwałach czasowych. Jest to duże utrudnienie w stosunku do danych z satelitów geostacjonarnych, które w równych Fot. 4. Balon i aparatura pomiarowa podczas pomiaru profilu pionowego w atmosferze Fot. 5. Licznik aerozoli oraz licznik cząstek sadzy w osłonie termoizolacyjnej podwieszanej pod balonem na uwięzi Fizyka w Szkole 5/2015 7
i niewielkich odstępach czasu wykonują obrazowanie Ziemi. Do analizy danych stosuje się modele symulujące spodziewaną drogę masy powietrza, zanim dotrze ona do stacji pomiarowej. Trajektoria masy powietrza zależy na ogół od wysokości nad poziomem gruntu. Podczas pomiarów własności optycznych aerozolu korzysta się z wyników symulacji wykonywanych przy użyciu modeli transportu zanieczyszczeń, zwanych też modelami chemicznymi. Modele te wykorzystują pola meteorologiczne symulowane przez modele prognostyczne do przewidywania transportu zanieczyszczeń oraz procesów fizykochemicznych z udziałem składników gazowych, stałych oraz ciekłych aerozoli. Ważnym elementem takich modeli są źródła emisji, które wykorzystują bazy danych opisujących głównie przyczynki antropogeniczne. W przypadku aerozoli naturalnych emisje szacuje się na podstawie takich wielkości, jak prędkość wiatru (w przypadku soli morskiej) czy prędkość wiatru i wilgotność podłoża (w wypadku aerozolu pustynnego). Emisje związane z pożarami wyznaczane są na podstawie monitoringu satelitarnego. Wyemitowane zanieczyszczenia podleg ają procesom chemicznym, procesom transportu oraz depozycji, które muszą być opisywane za pośrednictwem równań matematycznych. Modele rozwiązują równania adwekcji-dyfuzji, aby przewidzieć transport cząstek lub składników gazowych. Zanieczyszczenia są usuwane z atmosfery wskute k osiadania grawitacyjnego oraz tzw. wilgotnej depozycji poprzez wymywanie przez krople deszczu. Modele te, podobnie jak modele prognoz pogody, są w rejonie Arktyki bardzo niedokładne. Jest to spowodowane rzadką siecią obserwacji naziemnych oraz Fot. 6. Aparatura do badań własności optycznych oraz składu chemicznego aerozolu we włoskim laboratorium w Gruvebadet obserwacji radiowych w atmosferze. Szczególnie te ostatnie są bardzo ważne podczas określania warunków początkowych dla modeli. W przypadku modeli transportu dochodzi do tego znaczna odległość od źródeł zanieczyszczeń. Jeśli np. model przewiduje zbyt duże opady po trasie transportu masy powietrza z niższych szerokości geograficznych, to aerozol zostanie wymyty z atmosfery. Doświadczenie po eksperymencie w Arktyce pokazuje, że modele transportu wykazują bardzo duże błędy w tym rejonie świata i praktycznie nie nadają się do prognoz stopnia zanieczyszczenia powietrza. Zupełnie inna sytuacja ma miejsce w Europie, gdzie modele na ogół dość dobrze radzą sobie z prognozami jakości powietrza. Podsumowanie Opracowanie wyników badań potrwa ponad rok, ale już dziś można powiedzieć, że w rejonie Arktyki powietrze jest czystsze, niż oczekiwano. Prawdopodobną przyczyną tego stanu rzeczy są redukcje emisji zanieczyszczeń, jakie od wielu lat obserwuje się w Europie czy Literatura Ameryce Północnej. Dodatkowo w Arktyce widać bardzo szybkie ogrzewanie się klimatu, co wiąże się ze zmianą w cyrkulacji atmosferyczno- -oceanicznej i zmianą w cyklu hydrologicznym. Wyższa temperatura powietrza przekłada się na wyższą zawartość pary wodnej i możliwe większe opady, które efektywnie mogą usuwać aerozole z atmosfery. Dużą niewiadomą ciągle pozostaje rola aerozoli silnie absorbujących i różnic między obserwacjami a wynikami symulacji numerycznych. Wstępne wyniki pokazują, że modele numeryczne przeszacowują stopień zanieczyszczenia atmosfery arktycznej cząstkami sadzy. Dotyczy to zwłaszcza wyższych warstw troposfery. Weryfikacja modelu w górnych warstwach troposfery była praktycznie niemożliwa, ponieważ podczas prowadzonych badań pomiary balonem na uwięzi były prowadzone do wysokości 1,9 km. Pomiary lidarowe, które sięgały wyższych warstw atmosfery, są mało efektywne w przypadku silnie absorbujących i małych cząstek sadzy. Z kolei samoloty badawcze prowadziły badania do wysokości około 3 km. [1] Strona internetowa projektu iarea: http://www.igf.fuw.edu.pl/~kmark/iarea [dostęp: 17.09.2015]. [2] Markowicz K., Fizyka smogu, Fizyka w Szkole 2014, nr 4. [3] Markowicz K., Efekt cieplarniany czy chłodzenie aerozolowe?, Fizyka w Szkole 2013, nr 5. [4] Czarnecka-Malicka A., Lidar co to takiego?, Fizyka w Szkole 2014, nr 4. [5] Kolwas M., Stacewicz T., Zwoździak A. (red.), Badania aerozolu miejskiego, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2007. 8 Fizyka w Szkole 5/2015