21 просмотров

Наука о Земле и космосе

Учителя — Нам нужны ваши отзывы! Этот бесплатный онлайн-учебник является экспериментальным проектом (см. «Об этом проекте»), и нам нужно услышать от вас, считаете ли вы, что продолжение проекта стоит нашего времени и затрат. Пожалуйста, расскажите нам, что вы думаете об этом, как это работает с вашими учениками, считаете ли вы, что стоит продолжать, и если да, то что мы можем сделать, чтобы улучшить его. Вы можете отправить любой отзыв по электронной почте непосредственно ведущему автору Джеффу Беннетту, jeff@bigkidscience.com. Примечание. Этот проект финансируется ведущим автором. Таким образом, ваши покупки книг доктора Беннета на сайте Big Kid Science помогают поддержать этот проект.

7.1.1 Что такое парниковый эффект?

Вспомним еще раз нашу «сказку о двух планетах» (повторенную выше). Обратите внимание, что температура поверхности Венеры 470°C (880°F) чрезвычайно высока по сравнению с Землей. На самом деле, она не только горячее, чем печь для пиццы, но и достаточно горячая, чтобы расплавить свинец. Эта высокая температура (наряду с очень высоким давлением) объясняет, почему ни один космический аппарат не смог продержаться на поверхности Венеры более пары часов (рис. 7.1.1–2).

Почему Венера намного горячее Земли, учитывая, что в остальном эти две планеты настолько близки к тому, чтобы быть планетами-близнецами, насколько это возможно? Вспомните (из раздела 3.3.1), что в науке мы пытаемся ответить на такой вопрос, сначала формируя гипотеза , или предварительное объяснение, а затем ищем способы, которыми мы можем проверить гипотезу, чтобы увидеть, работает ли она. В этом случае первая гипотеза, которую пробует большинство людей, заключается в том, что высокая температура Венеры является результатом того, что она находится ближе, чем Земля к Солнцу.

Статья в тему:  Какова роль СО2 в парниковом эффекте

Однако, немного подумав, довольно легко увидеть, что эта первая гипотеза действительно работает. нет Работа. На рис. 7.1.1–3 показана часть модели Солнечной системы в масштабе «Путешествие», которая представляет собой модель солнечной системы в масштабе от 1 до 10 миллиардов, которую мы представили в разделе 1.2.3. Обратите внимание, что хотя очевидно, что Венера ближе к Солнцу, разница на самом деле не так уж велика. Как показывает следующее упражнение, этой разницы явно недостаточно, чтобы объяснить, почему Венера намного горячее Земли.

Мероприятия

Почувствовать тепло

Попробуйте один из следующих двух вариантов, чтобы понять, почему более близкое расстояние Венеры к Солнцу само по себе не может объяснить ее высокую температуру.

Опция 1 (без нагревателя): Этот вариант не требует никакого оборудования, но вы представить разница температур, которую вы почувствуете.

Шаг 1: По шкале от 1 до 10 миллиардов Венера находится примерно в 11 метрах от Солнца, а Земля — в 15 метрах от Солнца. Отметьте положение Солнца, Венеры и Земли на детской площадке или в длинном коридоре.

Шаг 2: Теперь представьте, что на месте Солнца есть большой костер. Встаньте на место Венеры, а затем встаньте на место Земли и представьте, какую разницу вы бы заметили в тепле, исходящем от костра.

Шаг 3: Обсудите, что, по вашему мнению, вы бы заметили, если бы действительно был костер в том месте, которое вы отметили для Солнца.Очевидно, что на Венере будет теплее, чем на Земле, но будет ли дополнительного тепла достаточно, чтобы объяснить огромную разницу температур между двумя планетами?

Статья в тему:  Как парниковый эффект связан с разрушением озонового слоя

Вариант 2 (с обогревателем): Если у вас есть небольшой электрический обогреватель, вы действительно можете почувствовать разницу температур.

Шаг 1: Положение обогревателя соответствует положению Солнца. Поскольку вы, вероятно, не можете почувствовать тепло от небольшого обогревателя на таких расстояниях, как в Варианте 1 выше, вместо этого уменьшите шкалу еще на 5 раз. ) и Земля должна быть в 3 метрах от Солнца.

Шаг 2: Каждый учащийся должен по очереди встать в позиции Венеры и Земли. Какую разницу в тепле вы замечаете? Бонус: если у вас есть термометры, измерьте фактическую температуру в точках Венеры и Земли.

Шаг 3: Обсудите свои результаты. Достаточно ли разницы в расстоянии между Венерой и Землей, чтобы объяснить разницу их температур? Объяснять.

Данная деятельность позволяет учащимся качественно продемонстрировать изложенное выше; а именно, что разницы в расстоянии между Венерой и Землей недостаточно, чтобы объяснить их огромную разницу температур.

  • Вариант 1 не требует никакого оборудования; студентам просто нужно измерить расстояния, а затем попытаться представить разницу тепла, которую они почувствуют от костра. Им следует признать, что, хотя они и почувствуют больше тепла в положении Венеры, этого будет недостаточно, чтобы объяснить большую разницу в температурах двух планет.
  • Вариант 2, по сути, такой же, за исключением того, что вместо того, чтобы просто представить, как будет ощущаться тепло, они могут проверить его с помощью небольшого электрического нагревателя. Обратите внимание, что шаг 1 предлагает разделить расстояния из варианта 1 (которые основаны на шкале от 1 до 10 миллиардов) на 5, что должно хорошо работать с большинством небольших нагревателей. Если у вас есть нагреватель большего размера, вы можете отрегулировать шкалу.Может работать любой масштаб, если вы поместите положение Венеры примерно на 70% расстояния от положения Земли.
    Примечание. Как поясняют информационный пузырь (вверху) и расчет температуры «без парниковых газов» (внизу), облака Венеры отражают столько солнечного света, что ее поверхность на самом деле получает меньше солнечного света, чем Земля. Если вы хотите добавить это к упражнению, вы можете сделать это, поместив изолятор или зеркало перед положением Венеры (но не блокируйте линию обзора на Землю). Если вы воспользуетесь термометром, как в шаге 2, то обнаружите, что в этом случае температура за изоляцией или зеркалом на самом деле будет ниже, чем температура на Земле.
Статья в тему:  Какие физические законы определяют параметры астероидов

Парниковый эффект

Если расстояние от Солнца само по себе не может объяснить очень высокую температуру Венеры, то что тогда? Ученые проверили много других гипотез, и работает только одна: высокая температура Венеры вызвана тем, что мы называем парниковый эффект , что делает планету более горячей, чем можно было бы ожидать, основываясь только на ее расстоянии от Солнца.

Мы кратко упоминали о парниковом эффекте в предыдущих главах, и вы, вероятно, знаете, что он важен для понимания глобального потепления на Земле. На рис. 7.1.1–4 показано, как работает парниковый эффект. Обратите внимание на следующие ключевые идеи:

Я размышлял.

Почему эффект называют «парниковым»?
  • Энергия, согревающая поверхность планеты, исходит в основном от видимого солнечного света. Часть солнечного света отражается обратно в космос (либо от поверхности, либо от облаков), а остальная часть поглощается поверхностью.
  • Планета должна в конечном итоге вернуть энергию, которую она поглощает, обратно в космос. Возвращенная энергия принимает вид Инфракрасный свет , тип света, который наши глаза не видят. (См. Раздел 6.1.1 для обзора различных форм света.)
  • Конечным результатом является то, что парниковые газы имеют тенденцию замедлять выход инфракрасного света, в то время как их молекулярные движения нагревают окружающий воздух.Таким образом, парниковый эффект делает поверхность, океаны (если они есть) и нижние слои атмосферы теплее, чем они были бы в противном случае.
    Чем больше парниковых газов, тем больше потепление.
Статья в тему:  Насколько мы близки ядерной энергии

Я размышлял.

Почему планеты возвращают энергию в космос в виде инфракрасного света?

Одеяло представляет собой хорошую аналогию с парниковым эффектом (рис. 7.1.1–5). Вам будет теплее под одеялом не потому, что само одеяло дает тепло, а потому, что оно замедляет выход тепла вашего тела в холодный наружный воздух. По сути, парниковые газы действуют как одеяло для планеты, улавливая тепло, полученное планетой от Солнца. Чтобы убедиться, что вы понимаете эти идеи, попробуйте ответить на вопросы, которые следуют за рисунком.

Прежде чем продолжить, обсудите следующие вопросы о парниковом эффекте с одноклассником, затем нажмите, чтобы открыть ответы и посмотреть, согласуются ли они с тем, что вы придумали.

1. На рис. 7.1.1–4 есть как желтая, так и красная волнистые стрелки. Что обозначают эти стрелки?

Желтые стрелки обозначают видимый свет, исходящий либо от Солнца, либо отраженный вверх. Красные стрелки представляют инфракрасный свет, излучаемый планетой.

2. Что обозначают синие точки на рис. 7.1.1–4?

Синие точки представляют собой молекулы парниковых газов, таких как углекислый газ, метан или водяной пар.

3. Предположим, что газов, представленных синими точками на рис. 7.1.1–4, больше. Как это повлияет на свет, представленный желтыми и красными стрелками?

На рисунке показано, что синие точки, представляющие молекулы парниковых газов, могут поглощать и излучать инфракрасный свет (красные стрелки), но не влияют на видимый свет (желтые стрелки). Следовательно, добавление большего количества синих точек (парниковых газов) не повлияет на входящий солнечный свет, но еще больше замедлит выход инфракрасного света, тем самым улавливая еще больше тепла.

Статья в тему:  Каковы последствия парникового эффекта

4. Теперь рассмотрим аналогию с одеялом. Когда вы закутываетесь в одеяло холодной ночью, вам становится теплее.Это потому, что одеяло отдает тепло?

Нет. Само по себе одеяло не излучает тепла (если только это не электрическое одеяло или вы его предварительно не нагрели). Вместо этого одеяло согревает вас, улавливая тепло вашего тела.

5. Почему, завернув вас во второе одеяло, вам становится еще теплее, и как это связано с тем фактом, что добавление большего количества парниковых газов может сделать планету теплее?

Одеяло согревает вас, улавливая тепло вашего тела, а обернув вокруг себя второе одеяло, вы более эффективно удерживает тепло, сохраняя тепло. Парниковый эффект действует как одеяло для планеты, таким образом, добавление большего количества парниковых газов похоже на обертывание планеты дополнительными одеялами.

Обсуждение/Активность

Опасность горячей машины

Вы почти наверняка замечали, что когда машина припаркована на улице в солнечный день, внутри машины может быть намного жарче, чем снаружи, особенно если окна закрыты. Этот «эффект горячей машины» может быть очень опасным. Например, статистика показывает, что только в Соединенных Штатах ежегодно умирает в среднем более 50 детей младшего возраста и сотни домашних животных из-за того, что их случайно оставляют в горячих машинах.

  1. Почему возникает этот «эффект горячей машины» и чем он похож на парниковый эффект?
  2. Многие ошибочно полагают, что горячие машины могут представлять опасность только в жаркие дни. Однако эксперименты показывают, что автомобили могут существенно нагреваться даже в относительно прохладные дни. Например, одно исследование показало, что в день, когда температура составляла всего около 16 ° C (61 ° F), температура внутри автомобиля все еще достигала 41 ° C (106 ° F) всего через один час. Объясните, как это может происходить.
    Дополнительное действие: Если у учителя (или другого взрослого) есть машина, припаркованная возле школы, выйдите на улицу в солнечный день и проведите собственные измерения «эффекта горячей машины». Для этого поместите термометр внутрь автомобиля сразу после его первой парковки, а затем измерьте, как изменится температура внутри автомобиля (по сравнению с температурой снаружи) в течение следующего часа.
  3. Некоторые люди ошибочно полагают, что можно предотвратить опасность, просто оставив окна приоткрытыми, но это не так. Объясните, почему нет.
    Дополнительное действие: повторите измерения, которые вы сделали ранее, с припаркованным автомобилем, но на этот раз оставьте окна открытыми в разной степени, например, слегка приоткрытыми, наполовину открытыми или полностью открытыми.
  4. Подумайте о многих смертях в результате несчастных случаев, когда маленькие дети или домашние животные остаются в перегретых машинах каждый год. Какие шаги вы бы порекомендовали, чтобы попытаться предотвратить эти трагические смерти? Обязательно обсудите все три из (1) шагов, которые лица могли бы предпринять для себя, (2) шаги, которые автомобильные компании можно было бы предпринять при проектировании автомобилей, и (3) любые шаги, которые вы думаете правительства должен взять.
Статья в тему:  Как имитировать парниковый эффект

Это обсуждение (и дополнительное задание) должно помочь укрепить понимание парникового эффекта, а также привлечь внимание учащихся к тому факту, что многие маленькие дети и домашние животные без нужды умирают в перегретых машинах. Примечания по вопросам обсуждения:

  • (1) Эффект возникает из-за того, что тепло задерживается внутри автомобиля, особенно если окна закрыты. Это делает внутреннюю часть автомобиля намного горячее, чем она была бы в противном случае — так же, как парниковый эффект улавливает тепло, которое делает планету более горячей, чем она была бы в противном случае. Техническое примечание: механизм улавливания тепла внутри автомобиля немного отличается от механизма парникового эффекта. По сути, это больше похоже на механизм настоящей теплицы, в которой стеклянные окна пропускают солнечный свет и нагревают салон автомобиля, но затем препятствуют выходу горячего воздуха. (Свою роль играет и тот факт, что стекло блокирует инфракрасный свет.)
  • (2) Подобно тому, как парниковый эффект может сделать планету намного более горячей, чем она была бы в противном случае, салон автомобиля может быть нагрет до температуры, намного превышающей температуру наружного воздуха. Если вы можете выполнить дополнительное задание, оно должно быть весьма полезным для учащихся даже в относительно холодный день.
  • (3) Открытие окон не решит проблему, потому что скопившемуся теплу все еще слишком трудно выйти наружу. На самом деле, даже полностью открытые окна не решат проблему в жаркий день. Выполнение необязательного действия может помочь продемонстрировать это.
  • (4) Этот вопрос должен стимулировать творческую дискуссию о том, как можно предотвратить эти смерти. Индивидуальные действия могут включать в себя лучшее информирование об опасности, размещение заметок внутри автомобиля, чтобы напомнить вам о необходимости проверить машину перед выходом, и т. д. Одним из примеров действий автопроизводителя является своего рода автоматизированная система, которая обнаруживает, когда кто-то находится на заднем сиденье, и предупреждает водителя перед выходом из машины. Шаги правительства могут включать в себя законы, требующие от автопроизводителей устанавливать такие системы.
Статья в тему:  Какая большая вселенная

Доказательства парникового эффекта

Парниковый эффект, как обсуждалось выше (и показано на рис. 7.1.1–4), представляет собой модель того, как некоторые атмосферные газы (парниковые газы) могут сделать планету теплее, чем она была бы в противном случае. Как вы знаете, в науке мы можем принять модель только в том случае, если она подкреплена обширными доказательствами. Поэтому вы можете задаться вопросом: откуда мы знаем, что модель парникового эффекта, которую мы обсуждали, верна? Есть две основные линии доказательств.

Лабораторные данные
Первая линия доказательств исходит из того факта, что ученые могут напрямую измерять эффект удержания тепла парниковыми газами в лаборатории. Хотя фактические установки несколько сложнее, основная идея состоит в том, чтобы просто поместить газ (например, углекислый газ) в трубку, направить на него свет с разными длинами волн (например, видимый свет и инфракрасный свет) и измерить, сколько что свет проходит и сколько поглощается. Эти типы измерений подтверждают, что парниковые газы, такие как углекислый газ, могут задерживать тепло, как мы обсуждали.

Обратите внимание, что это нет новая наука.Первые измерения, приведшие к современному пониманию парникового эффекта, были сделаны в 1856 году женщиной по имени Юнис Ньютон Фут, а на рис. 7.1.1–6 показана лабораторная установка, которую три года спустя использовал британский ученый Джон Тиндалл. К настоящему времени ученые измерили свойства парниковых газов практически каждого газа, содержащегося в атмосферах планет, практически для каждой длины волны света.

Статья в тему:  Как парниковый эффект и луна

Имейте в виду, что не все газы являются парниковыми газами. Например, азот и кислород, из которых состоит большая часть атмосферы Земли, не являются парниковыми газами и поэтому практически не влияют на температуру нашей планеты. Естественный парниковый эффект Земли полностью обусловлен газами, которые составляют лишь небольшую часть атмосферы. Опять же, тремя наиболее важными парниковыми газами в атмосфере Земли являются углекислый газ, метан и водяной пар.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x