O příspěvku

Autoři

Ročník

Tématické zařazení

Klíčová slova

Použití

  • ZŠ
  • SŠ/VŠ

Pomůcky

  • S opravdu jednoduchými pomůckami
PDF ke stažení

Průpravné pokusy pro IR a problematiku CO

Svobodová J.

V článku jsou uvedeny průpravné pokusy s jednoduchými pomůckami pro pochopení pojmů provázané problematiky klimatických změn. Pokusy se týkají infračerveného záření a dále vzniku a vlastností oxidu uhličitého. Vhodné pro ZŠ i SŠ.

IR záření

Sálání horkých předmětů, třeba slunce se zavázanýma očima, je vcelku snadné vnímat tělem.Na tváři ucítíme i záření z vlastní tváře pomocí vhodného zrcadla. Ne, ale obyčejného zrcadla, kde vrchní vrstva skla je pro „lidské“ tzv.dlouhovlnné IR záření nepropustná. Dostupnou IR zrcadlící plochou  je „alobal“. Položíme-li před svou tvář tuto hliníkovou fólii, budeme cítit  podobný tok jako od teplé dlaně.  IR odrazné povrchy (tzv. nízkoemisní pro dané vlnové délky) sálají jen málo, bolestně to známe z praxe,  žehlící kovová plocha sálá tak málo, že si toho často  nevšimneme.

Pokusy lze dělat naopak i s předmětem  chladným, třeba s kusem ledu. Stačí i předmět vytažený z ledničky, který je o dost studenější než stěny okolo. Tehdy ucítíme chlad - studený předmět na nás totiž září méně než okolní objekty. Záření tělesa s jeho rostoucí teplotou přibývá rychle, vždyť hustota zářivého toku  je úměrná čtvrté mocnině jeho absolutní teploty, máte-li citlivou tvář, poznáte i rozdíl pár stupňů.

Z hlediska propustnosti sálání porovnáme různé druhy skel, příp. jejich vrstvy. Čím větší obsah železa ve skle, tím větší je pohlcování krátkovlnného IR záření v něm. Obyčejným sklem kolmo projde 90% světla, ale jen 80% celkového slunečního záření, sklem s nízkým obsahem železa projde celkového záření 90 %. Těch zbylých 10% jsou odrazy na obou plochách skla.

Průzkum sálavých toků lze rozšířit i na různá okna. Potřebujeme vhodný tenký světlý kroužek, pokud jej zvenku přiblížíme k temnému oknu, uvidíme odrazy, na každé ploše v okně jeden. Např. u obyčejného dvojskla čtyři odrazy. Pokud má jeden z odrazů zřetelně jinou barvu, je to znamení přítomnosti speciální nízkoemisní vrstvičky na skle zevnitř, ta se vůči dlouhovlnnému infračervenému záření chová jako dokonalé zrcadlo. Mívají ji nízkoemisní okna na budovách a bývá ve vlacích EuroCity.

Indikaci citlivou pokožkou nahradíme IR teploměrem. IR teploměry užívají vlnových délek, kde je vzduch propustný /7-15 um/ lze jimi  měřit na velké vzdálenosti teploty většiny běžných nekovových povrchů, které mívají emisivity kolem 0,9.

Za oblačné letní noci mívá spodní část mraků teplotu asi 15°C, jak nám ukáže IR teploměr. Za jasné noci zjistíme, že teplota atmosféry nad námi je –30°C i méně, tento „chlad“ je již citelný. Někteří studenti namítnou, že existuje-li „skleníková vrstva plynů“ a odráží teplo zpět, neměli bychom cítit tento chlad. Jenž teplota tropopauzy je kolem  –60°C  a  celková absorpce skleníkových plynů je i pro 210 K poměrně velká viz  graf radiace Země pro různé teploty a vlnové délky.

Ze zkušenosti víme, že povrchy zářící vůči jasné obloze se v noci podchlazují, na povrchu takto položených objektů dochází často ke kondenzaci vzdušné vlhkosti. Vidíme orosení tam, kde povrch není cloněn jiným objektem vůči obloze.

CO2 plyn

Jak CO2 plyn  získat

Svobodová J.: Průpravné pokusy pro IR a problematiku CO - image001.png Svobodová J.: Průpravné pokusy pro IR a problematiku CO - image002.png Svobodová J.: Průpravné pokusy pro IR a problematiku CO - image003.jpg

Oxid uhličitý lze získat jako plyn z bombiček (např. sifonové 5g, hustilkové 16g, 32g), potřebné množství odhadneme z přepočtů 1mol CO2 - 44 g a za n.p. zaujímá objem 22,4 litrů. CO2 pro ty pokusy, kde nevadí přítomnost vodní páry, si  lze připravit chemicky endotermickou reakcí sody+ocet, HCl+vápenec nebo z kvasnic a cukerného roztoku. Šikovnou pomůckou pro pokusy s plyny a kapalinami jsou Ziploc –uzaviratelné sáčky. Vložíme asi 3 g NaHCO3 do sáčku, vymačkáme vzduch, zbytky vysajeme  připojenou stříkačkou, sáček uzavřeme a zajistíme hadičku. Pak nabereme plnou 50 ml stříkačku octa a  vstříkneme dovnitř.  Plyn můžeme pomocí hadičky nebo stříkačky převést do jiné nádobky a dělat třeba známé pokusy s plyny.

CO2 v koloběhu C

Oxid uhličitý je konečným  produktem hoření uhlíku za dostatečného přístupu kyslíku. Jeho přirozeným zdrojem je respirace organismů a vulkanická činnost, zatímco procesem vedoucím k jeho přirozenému úbytku je fotosyntéza rostlin a absorpce oceány a půdou. Vše probíhá v rámci uzavřeného koloběhu uhlíku v prostředí.

Zkusíme najít kolem nás jednoduchým testem usazené produkty uhlíkového cyklu. Snadno najdeme sedimentární uhličitany vápenaté, které biomechanicky vznikají nahromaděním skořápek a ulit měkkýšů, dále třeba křídu, sodu, vápencový kámen apod. Reagují na kápnutí trochy octa šuměním a vznikem bublinek CO2.

CO2 v atmosféře

Skladba:         xv % [obj. %]           hustota (298 K) [kg/m3]        xm [hmot. %]

Dusík  N2       78,09                        1.1449                                   75,52

Kyslík O2      20,94                        1.3080                                   23,14

Argon Ar       0,93                           1.6328                                      1,28

CO2                0,038                        1.7989                                      0,06

Tak malé množství CO2 (38 částic z miliónu), můžeme přiblížit žákům názorně.

Naplníme průhlednou nádobu /příp.Ziploc sáček/ 1 litrem vody, pak  objem 1mm3 bude představovat právě miliontinu. Vezmeme třeba červenou tekutou potravinářskou barvu a naměříme pomocí kapátka 380 mm3, naše kapátko dělalo kapky 32 mm3, tak stačilo  12 kapek. Tak jsme získali přibližně stejnou objemovou koncentraci jakou má CO2 v atmosféře. Je vidět červená v roztoku?

Inventarizace CO2

K nárůstu  CO2 v atmosféře v posledním století silně přispívají lidé.  Za posledních 50 let se průměrná koncentrace CO2 v atmosféře zvýšila z hodnoty 0,0316 % na 0,0378 % obj., to představuje hmotnost 2,7.1012 tun a nárůst o desítky procent.

Přes své malé množství v atmosféře představuje CO2 významný podíl na přirozeném skleníkový efektu. Jeho další zvyšování ovšem hrozí přídavným skleníkovým účinkem, který vyvolává změnu ustáleného stavu v radiační bilanci atmosféry.

Jak se zjišťují údaje o „lidských“ emisích? Emise CO2 se dokládají ze známé spotřeby fosilních paliv a obsahu uhlíku v nich. Odhady jsou pak často vyjádřeny v pro nás  nezvyklých jednotkách, v  teragramech  uhlíku (Teragram - 09 kg). Pro konverzi z množství uhlíku C na množství CO2 stačí hodnoty uhlíku vynásobit 44/12 (~ 3.67).

Pro zjednodušení inventarizace skleníkových plynů GHG se užívá tabelovaných tzv. "emisních faktorů uhlíku", což je množství uhlíku (resp. CO2) připadajícího na jednotku energie ve spalovaném palivu.

Radiační bilance atmosféry

Z obrázku lze názorně ukázat dynamickou rovnováhu mezi přicházejícím a odcházejícím zářením, vše je v jednotkách Wm-2.

Svobodová J.: Průpravné pokusy pro IR a problematiku CO - image005.png

Hrubým modelem  zobrazení dynamické rovnováhy mezi sálavými toky, je analogie  vzniku ustáleného stavu hladiny vody v trychtýři, který je konstantní rychlostí naplňován vodou při zvoleném odtoku. V případě radiační ustálené bilance dostáváme také ustálený stav, kterému lze přiřadit určitou efektivní teplotu, při zvýšení množství skleníkových plynů se teplota zvedne, aby se vyrovnala bilance toků, a ustálí se nová dynamická rovnováha.

Literatura

[1] http://amper.ped.muni.cz/gw/ipcc_cz/

[2] http://astro.sci.muni.cz/pub/hollan/e_papers/prednasky/toky_emi.htm

[3] http://www.new.ict.cz/program/search.php?broad=207+562+24190%2F0016

[4] http://www.new.ict.cz/program/port/clanek143/

[5] Kadrnožka, J.: Energie a globální oteplování, VUTIUM 2006