A sugárzás II. Makra László. Engem talál az elsı napsugár És az utósó is rajtam ragyog, És mégis mindig olyan puszta És mégis mindig oly hideg vagyok.

Átírás

1 Engem talál az elsı napsugár És az utósó is rajtam ragyog, És mégis mindig olyan puszta És mégis mindig oly hideg vagyok. Petıfi Sándor: A völgy, s a hegy (részlet) A sugárzás II. Makra László

2 IDİGÉP: 3,5 milliárd éve: : az élet hajnala; felhık; óriási füstölgı tőzhányók; csupasz szárazulatok; intenzív kozmikus-,, gamma-,, röntgen- és ultraibolya sugárzás a felszínen életveszély ly (élet( nem volt); cc(o 2, ıskor ) 10-9 cc(o 2, jelen ); t levegı = 38 ºC; ; a Nap halványabb és kisebb, mint napjainkban; a napállandó 25 %-kal% kisebb, mint ma ( (I 0 = 1368 W mw - 2 ); MIÉRT? Ha a Nap fényessége ma is akkora lenne, mint 4,5 milliárd éve (a jelenleginek a 70 %-a)% a földi óceánok fenékig befagynának. Mi az oka annak, hogy ez mégsem így történt?

3 Fokozott üvegházhatás: Paradoxon: Ha a földtörténeti ıskor meleg éghajlatáért a jelenleginél néhány százszor magasabb légköri CO 2 keverési arány a felelıs, akkor mi akadályozta meg a klíma drámai túlforrósodását át a következı 3 milliárd év során, amikor a Nap fényessége kb. 25 %-kal nıtt? 1. elmélet: a hımérsékletet és a CO 2 keverési arányt szervetlen, geokémiai folyamatok szabályozzák, melyek kivonták a légkörbıl a CO 2 -t; 2. elmélet: a CO 2 kivonása biológiai folyamatok eredménye; mindkét folyamat érvényre juthatott; mindkét elmélet negatív visszacsatoláson alapul;

4 1. elmélet, részletesebben: esıvíz (H 2 O) H 2 O + CO 2 = H 2 CO 3 ; a CO 2 bekerül az esıvízbe erózi ziós s folyamatok a felszínen a Ca- és s Mg-ásv sványok megkötik a légkl gköri szenet karbonátos kızetek k keletkeznek (CaCO 3, MgCO 3 ) csökken a légkl gköri CO 2 mennyisége; csökken az üvegházhatás; 2. elmélet, részletesebben: Gaia-hipotézis hipotézis: : (Lovelock( és Margulis); (William Golding, író; 1983: irodalmi Nobel-díj díj); Az élet globális, automatikus, negatív visszacsatolású szabályozórendszer. Az elmélet szerint a Föld légköre az életnek elválaszthatatlan, szabályozott és szükséges része; évmilliárdokon át t maga az élet szabályozta a Föld F légkl gkörének hımérsékletét, t, kémiai k összetételét, t, oxidáló-képess pességét és s savasságát.. (600 millió év óta a Föld F felszính nhımérséklete: ºC); 2a. A mészvm szvázú élılények betemetıdése (a megkötött tt CO 2 révén) csökken az üvegházhatás; 2b. A szerves anyagok betemetıdése (a megkötött tt CO 2 révén) csökken az üvegházhatás;

5 A napsugárz rzás s forrása atommag-reakci reakció; ok: T = K és s magas nyomás hidrogén n (a Naptömeg 98 %-a)% hélium + ENERGIA Napfelszín világőr r (elektromágneses hullámok); Korunk energiagondjainak a végsı megoldása: szabályozott hidrogénfúzió vízbıl energia, korlátlan mennyiségben; A folyamat fizikai háttere: a vízbıl nyert hidrogénplazmát (elektronjától megfosztott forró protont) annyira felhevítjük, hogy h a hımozgás miatt ütközı protonok egyesülhetnek egymással hidrogénmagokból energia felszabadulás hélium (mint a Nap belsejében). DE: ez az anyag szilárd tartályba nem zárható, mert: vagy a tartály olvad meg; vagy maga az anyag hől le azonnal; Megoldás: a plazma mágneses térrel való egyben tartása (ún. tokamak-berendezés berendezés: : kísérleti célból már üzemelnek). 2016: Cadarache,, Franciaország: az elsı energiatermelı fúziós reaktor; 21. század közepe: ipari mérető fúziós energiatermelés;

6 Energia-termelés hidrino segítségével hidrino: olyan H-atom, H melyben az elektron jóval közelebb kering az atommag (proton) körül, mint szokásos esetben. hidrino erımő prototípusa: Randell Mills,, USA, 2006; A kvantummechanika ma ismert törvényei szerint ez lehetetlen a jelenség g létezik; l hidrogén hidrino energia termelıdik; Elınye: az eljárás s környezetbark rnyezetbarát t (szennyezéssel ssel nem jár); j forrása korlátlan (víz); elıáll llítása olcsó; 1 kwh energia elıáll llítása széner nerımőben: 5 dollárcent; atomreaktorban: 6 dollárcent; hidrino erımőben: 1,2 dollárcent;

7 Teller Ede (1908: Budapest 2003: Kalifornia): Az egyetemes és a magyar tudomány egyik legnagyobb alakja: szilárdtest-fizika, atomfizika, kvantummechanika, informatika, ([origo],, 2000: a második legnagyobb magyar) Édesapja révén megismerkedik és baráti kapcsolatba kerül: Kármán Tódor (1881: Budapest 1963: Aachen): a világ elsı helikopterének kifejlesztése: 1917, Bécs; az elsı rakéták kifejlesztése: 1933, USA; a szuperszónikus repülés atyja; Szilárd Leó (1898: Budapest 1964 La Jolla,, Kalifornia): részvétel az elsı atombomba kidolgozásában; felépíti az elsı atomreaktort (Fermivel( Fermivel); Wigner Jenı (1902: Budapest 1995: Honolulu): az atommagok és elemi részek elmélete, az alapvetı szimmetria-elvek elvek felfedezése és alkalmazása, a csoportelmélet magfizikai alkalmazása (a paritás fogalma, az idıtükrözés kvantumelmélete) 1964: fizikai Nobel-díj; Neumann János (1903: Budapest 1957: Washington): az elsı számítógép megalkotója, tanácsadó az elsı atombomba és az a elsı hidrogénbomba készítésénél;

8 Teller Ede: 1928 tavasza: München, Arnold Sommerfeld, kvantummechanika; (81 jelölés a fizikai Nobel-díjra nem kapja meg); 1928 ısze: Lipcse, Werner Heisenberg ( ), 1976), Niels Bohr Werner Heisenberg: a kvantummechanika egyik megalapítója; 1925: felismeri a kvantummechanika alaptörvényeit, bevezeti az ún. határozatlansági relációt; a kvantummechanika megteremtéséért 1932: fizikai Nobel-díj; Istenhívık: Isten megteremtette a világot, benne létrehl trehívta okok és okozatok szigorú láncolatát a világ g megteremtése után n már m r minden jövendı esemény (részleteiben is) könyk nyörtelenül l elı van írva; kvantumelmélet: let: az atomok világában a jövıj nem determinált, csak a bekövetkez vetkezés valósz színőségét t lehet megjósolni. Hogy mi valósz színő,, azt megtudhatjuk; de hogy a tényleges t végeredmv geredmény mi lesz, azt sok esetben nem lehet biztosan tudni. Heisenberg: a jelenlegi állapot pontos ismerete nem határozza meg teljesen a jövendj vendıt az emberi szabad akaratnak is lehet szerepe. ttingen, James Franck (1925: fizikai Nobel-díj) tanárseg rsegéde; 1930: Göttingen aztán: Róma, R Enrico Fermi ( ); 1954); mesterséges radioaktív v anyagok elıáll llítása neutron bombázással, lassú elektronok által létrehozott l magreakciók 1938: fizikai Nobel-díj; aztán: Koppenhága, Niels Bohr ( ); 1962); Rutherford atommodelljét t a Planck által fölfedezett f kvantumelmélet let alkalmazásával tökéletest letesítette; tette; a tapasztalattal egyezésben értelmezni tudta a H-atom H színk nképét 1922: fizikai Nobel-díj;

9 1938: USA: Teller Gamow: a termonukleáris magfúzió elmélete: Honnan ered a Nap melege? Az atommagok + töltésőek taszítj tják k egymást; ütközéskor a fúzió feltételei: telei: Maxwell-féle le sebességeloszl geloszlás: s: adott hımérsh rsékleten vannak olyan atomok is, amelyeknek az átlagosnál l lényegesen l nagyobb az energiája; Gamow-féle alagútjelens tjelenség: az egymást taszító részecskék kvantum-alagutaz alagutazással mégis m egymás s közelk zelébe férkf rkızhetnek összekapcsolja ıket a magerı; E két k t tényezt nyezı összeszorozva termonukleáris magfúzió elmélete; Hans Bethe: két ütközı hidrogén-magb magból l nem alakulhat ki stabil héliumh lium-mag; mag; hidrogénf nfúzió csak akkor jöhet j létre, l ha a közelség g rövid r pillanatában még m g egy β -bomlás s is bekövetkezik a magfúzi zió eredménye: nehéz z hidrogén; A Nap melegét t kis valósz színőségő események összjátéka, elsısorban sorban a proton-proton fúzif zió adja.

10 Teller Ede: 1939 nyara: Teller Ede + Szilárd Leó és Wigner Jenı Einstein levél Roosevelt elnöknek Manhattan-terv; terv; az elsı atomreaktor felépítése: Chicago; késıbb atombomba elıáll llítása; 1942 december 12: Szilárd Leó és Enrico Fermi elkész szül l az elsı atomreaktor; ezután: Teller Ede: Los Alamos: a hasadási atombomba konstrukcióján dolgozik; 1. atombomba: Hiroshima két t félgf lgömb gyors egyesítésével gyújthat jtható uránbomba; 2. atombomba: Nagasaki: az üreges gömb g hirtelen koncentrikus berobbanásával gyújthat jtható plutónium nium- bomba; 1947: Teller Ede: a Reaktorbiztonsági Bizottság g elnöke; fölismerte: a grafitmoderátoros toros,, vízhv zhőtéső reaktor túlst lságosan instabil véletlen túlhevt lhevülés elforr a víz v z (neutronelnyelı anyag) több neutron marad maghasadásra sra több lesz a hasadások sok által termelt energia pozitív v visszacsatolás megszaladhat a neutron-láncreakci ncreakció; (1986: Csernobil); biztonságos TRIGA atomreaktorok kifejlesztése; se;

11 1945 július 16, Los Alamos: az elsı amerikai kísérleti atomrobbantás; Teller Ede és Neumann János személyes megfigyelık voltak; augusztus 6, Hiroshima: az elsı ledobott U 235 atombomba; 80 ezer halott, 125 ezer sérült; robbanás: kb. 500 m magasságban; augusztus 9, Nagasaki: a második ledobott Pu 239 atombomba, 40 ezer halott, 75 ezer sérült; robbanás: kb. közvetlenül a felszín fölött; 1949 augusztus 29: az elsı szovjet kísérleti atomrobbantás; 1949 szeptember 12: a Szovjetunió KP PB a hidrogénbomba kifejlesztése mellett döntött; 1950 január 31: Truman elnök Teller javaslatára a hidrogénbomba (Teller: szuperbomba ) kifejlesztése mellett döntött; 1951 május 8: az elsı termonukleáris robbantás (nem hordozható bomba; a hordozhatónak az ötlete is Telleré) Teller jelenlétében a Tuamotu-szigetek (Tahiti) térségében, a dél-csendes csendes-óceáni szubtrópusokon; A hidrogénbomba szabadalmát az USA kormánya Teller Edének és Stanislaw Ulamnak közösen ajánlotta föl Teller nem írta alá; 1952 október 31: : az elsı hordozható amerikai hidrogénbomba felrobbantása; 1953 augusztus 12: az elsı szovjet hidrogénbomba felrobbantása (Andrej Szaharov tervei alapján); Szaharov, 1975: Béke B Nobel-díj;

12 Az atombomba és a hidrogénbomba kifejlesztése: Los Alamosi Nemzeti Laboratórium rium; hideghábor ború + nukleáris fegyverkezési verseny; 1952, Kalifornia: Teller Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium rium (ellenpólus) lus) taktikai, könnyk nnyő nukleáris fegyverek kifejlesztése; se; 1960-es évek: a Szovjetunió robbantotta a legnagyobb hatóerej erejő (60 millió tonna kémiai k robbanószerrel egyenért rtékő) ) bombákat; óriási elpusztíthat tható terület célzási pontatlanság; Szovjetunió: hidrogénbomba nbomba-robbanófejjel ellátott kisebb célzási pontosságú ballisztikus rakéták k kifejlesztése; se; fegyverkezési verseny; őrkorszak ; számítógép-korszak a ballisztikus rakéták k korai észlelése, se, pályaelemzp lyaelemzése és s lézersugaras l elpusztítása; sa; Teller Ede: Stratégiai Védelmi V Kezdeményez nyezés Reagan, amerikai elnök; Edward Kennedy: csillagháborús s terv ; Gorbacsov, szovjet pártfp rtfıtitkár r a hideghábor ború befejezését kezdeményezte; Teller Ede Reagan: Elnök Úr! Nem engedni! Nem engedni! Si vis pacem para bellum a Szu. és s a Keleti Blokk összeomlása; sa;

13

14

15

16 Szilárd Leó: : a legsokoldalúbb marslakó Hosszú életem folyamán, amit tudósok közt töltöttem el, senkivel sem találkoztam, akiben több lett volna a képzelıerı és eredetiség, akinek a gondolkodása és véleménye olyan önálló lett volna, mint Szilárd Leóé. Amikor ezt mondom, kérem, gondoljanak arra, hogy Albert Einsteint is jól ismertem. (Wigner Jenı)

17 A marslakók Azon buktak le, hogy bármilyen sokáig gyakorolták is egyetlen nyelvet sem tudtak akcentus nélkül beszélni. Volt ugyan egy ügyes trükkjük erre is: magyar emigránsoknak álcázták magukat, hiszen köztudott, hogy a magyaroknak van ez a fura nyelvi sajátosságuk. Olyan fizikusok tartoztak közéjük, mint Eugene Wigner (saját álneve szerint Wigner Jenı ), Edward ( Ede ) Teller, Leo ( Leó ) Szilárd, vagy a modern matematika géniusza, John von Neumann (Neumann János ).. Talán el is hitték volna róluk, hogy igazi magyarok, ám Sherlock Holmes kiderítette: többségük nemcsak ugyanabból a városból jött, hanem ugyanabba a középiskolába is járt. j Ez természetesen már több volt, mint gyanús, és dr. Watson a helyszínen nemsokára rábukkant annak a személynek a nyomaira, aki az akkori magyar közoktatás legfıbb irányítójaként fedezte, sıt, közvetve maga szervezte meg a marsiak e gimnáziumnak álcázott titkos hídfıállását. Ezt a személyt úgy hívták, hogy Eötvös Lóránd báró. [Részlet Leon M. Lederman: : Az isteni atom (The God Particle) ) c. könyvébıl]

18 a Nap felszínhımérséklete: 6100 K; sugárzása az abszolút fekete test sugárzásának felel meg; A Nap sugárzási energia-spektrumát a szaggatott görbe mutatja, mely változatlanul érkezik meg a légkör külsı határáig.

19 A légkör külsı határán a sugárzási energiahozam: összességében: 99 %-a:% [λ:[ : 0,17 4,0 µm],, hiányzó vonalakkal ; részleteiben: kb. 7 %-a:% ultraibolya + röntgen tartomány; kb. 46 %-a:% látható fény kb. 47 %-a:% infravörös A Föld felszínén a sugárzási energiahozam: A légkör alján λ > λ, mivel a rövidebb E max,légkör alja E max,légkör külsı határa hullámhosszakban nagyobb az energia-veszteség. (Pl. α = 40º napmagasság sárga fény; f α < 40º narancs fény; f α << 40º vörös s fényf ny); a λ < 0,3 µm hullámhossz mhosszú sugárz rzás s hiányzik, ok: a sztratoszférikus rikus ózonréteg elnyeli; A sugárz rzási energiaspektrum nem sima lefutású elnyelési sávok; s ok: a vízgv zgız és s a CO 2 okozta sugárz rzáselnyelés s (energia-cs csökkenés) fıként az infravörös s tartományban;

20 A napsugárzás veszteségei a légkörben Elnyelés (abszorpció): szelektív Elnyelés hımérséklet-emelkedés; emelkedés; A légkör állandó gáz-halmazállapotú összetevıinek elnyelése általában jelentéktelen; A nem gáz-állapotú állapotú részeknek (por-,, korom-, sórészecskék) elnyelése esetenként jelentıs, de többnyire elhanyagolható; Vízgız [2[ µm <λ< 80 µm]: : jó elnyelıképesség (hosszúhullámok, infravörös), ablakokkal ; CO 2 [13µm <λ< 17 µm]: : jó elnyelıképesség (hosszúhullámok, infravörös), ablakokkal ; Ózon O 3 [0,22µm <λ< 0,29 µm]: : jó elnyelıképesség (rövidhullámok, UV sugárzás); Oxigén, nitrogén, egyéb gázok [λ<0,22 µm]: (kis mértékő) elnyelés; A légkör nemcsak elnyel, de maga is (vissza)sugároz( vissza)sugároz: hosszúhullámú sugárzás (viszonylag alacsony hımérsékleten);

21 A napsugárzás elnyelése a légkörben, különbözı hullámhosszakon

22 Visszaverıdés Definíció: albedó (reflexiós tényezı: a): a felület által visszavert és a felületre beesı rövidhullámú napsugárzási teljesítmény- sőrőség hányadosa. Értéke a felület anyagi minıségétıl függ. Egyes felszínek albedói felszín albedó, % tenger 5 10 tőlevelő erdı 5 15 legelı lombhullató erdı, szántóföld sivatag felhızet (átlagos) 48 felhızet (vastag) friss hó régi hó A felhızet átlagos albedója a Földön: 54 % 48 % = 26 %; Az emberi tevékenység megváltoztatja a földfelszín albedóját.. A szántóföldek világos színe 10 %-al% megnövelte a planetáris albedót. Planetáris albedó 30 %;

23 A globg lobális albedó

24 Fénytörés, fényelhajlás, szóródás A sugárzási energia változatlan marad, de terjedési iránya változik; hullámhossz / szórórészecske-méret (D)) arányától függı folyamat; D<<λ D λ : molekuláris (Rayleigh( Rayleigh-) ) szóródás; : részecske- (Mie-)) szóródás A Rayleigh-szóródás intenzitása fordítottan arányos a hullámhossz 4. hatványával légköri színjelenségek; pl. az ég kék színe (a szórt fényben dominál a rövid hullámhosszú ú kék); a Napból érkezı sugárzásból a légkörön való áthaladás során kiszóródnak a rövidhullámú összetevık a felkelı és lenyugvó Nap vörös színe; A Mie-szóródás intenzitása kevéssé függ a hullámhossztól (fordítottan arányos a hullámhossz 1,3 hatványával) vízcseppek, jégkristályok, szilárd szennyezıdések: opálos, fehéres-szürke szürke égbolt);

25 Be jó lenne még azt mondani mindig: Szívem fürösztik tavaszi kegyek, a napsugár is éget, virágosak a rétek, és holnap kirándulásra megyek. Dsida Jenı: Öreg október (részlet) A földfelszín és a légkör sugárzása

26 A Napból érkezı elektromágneses sugárzási energia kisebb részét a felszín visszaveri, nagyobb részét elnyeli a felszín fölmelegszik, s e hıh egy részr szét t visszasugározza a légkl gkörnek; a földfelszf ldfelszín és s a légkl gkör r elektromágneses sugárz rzást kibocsátó rendszerek; érvényesek rájuk r a már m r említett sugárz rzási törvt rvények; Földfelszín: Átlaghımérséklet: T földfelsz ldfelszín = 288 K; Planck-törv rvény: a kisugárzott energia 99 %-a:% [λ:: 3 80 µm]; Wien-törv rvény: a maximális energiát t kibocsátó hullámhossz: λ 10 [ µm] E max Légkör: Átlaghımérséklet: T troposzféra ra felsı határa = 217 K; Wien-törv rvény: a maximális energiát t kibocsátó hullámhossz: λ 13 E max [ µm]

27 Légkör Földfelszín: E max, légkör 1 ( λ = 13 µ m) = Emax, földfelszín ( λ = 10 µ m) 4 Stefan Boltzmann Boltzmann-törvény: λ 1 E = légkör E földfelszín 3 A légkör elnyelıképességének sajátosságai: A légkör teljesen elnyeli a földfelszín hımérsékleti kisugárzását a [λ:[ : 5 7 µm] és s a λ > 14 µm hullámhossztartom mhossztartományokban; A légkör félig átereszti a földfelszín hımérsékleti kisugárzását a [λ:[ : 7 8 µm] és s a [λ:: µm] ] hullámhossztartom mhossztartományokban; A légkör teljesen átereszti a földfelszín hımérsékleti kisugárzását a [λ:: 8 11 µm] ] hullámhossztartom mhossztartományban; λ

28 A vízgız és a szén-dioxid sugárzáselnyelése csak bizonyos (fıként infravörös a földfelszf ldfelszín n kisugárz rzására ra jellemzı) hullámhossztartományokra koncentrálódik szelektív v abszorpció; A napsugárz rzás s energia-spektrum spektrumában keskeny elnyelés s sávok s csekély energia-vesztes veszteség; a légkör hıvisszatartó képessége ÜVEGHÁZHATÁS;

29 A Föld légkör rendszer sugárzási egyenlege a 0º < ϕ < 38º széless lességek közötti k tartományban a légkör több energiát nyel el egy átlagos évben, mint amennyit kisugárzás révén én veszít; a 38º < ϕ < 90º széless lességek közötti k tartományban a veszteség meghaladja a bevételt (Simpson, Houghton); + -

30 Legyen ısz, de szép, szelíd, derült ısz, Sárga lombon fényes napsugár; Sárga lomb közt zengje végdalát egy A tavasztól elmaradt madár. Petıfi Sándor: Ha az Isten (részlet) A Föld energia-egyensúlya egyensúlya

31 19. század: úgy vélték, az éghajlat állandó; Ok: ókor: u. a. természetes és termesztett növények; a szélsıséges idıjárási események és évek véletlen kilengések; Tény: a Föld F éves középhk phımérséklete állandó; a napsugárz rzás s révén r n adott évi mennyiségő energia érkezik a Földre F ugyanekkora mennyiségő energia távozik t is a FöldrF ldrıl; l; a távozt vozó energia a hımérsh rséklettıl l függ, f az viszont éves átlagban állandó a bejövı energia is állandó; napálland llandó; Definíció: A napállandó a Nap elektromágneses sugárzásának erısségét jellemzi. Az a sugárzási energiamennyiség, mely közepes Nap-Föld távolság esetén, a légkör külsı határán a sugárzásra merıleges egységnyi keresztmetszeten egységnyi idı alatt áthalad.

32 1827: elsı napállandó-mérések pontatlan eredmények nyek; 19. század: a mérımőszerek nem voltak megbízhatóak; a felszíni méréseknek a légkör külsı határára való átszámításához nem voltak megfelelı eljárások; 20. század: megbízható mérımőszerek és méréstechnika; rakétás / mőholdas mérések; a mőholdas m napálland llandó mérések abszolút t hibája < 0,3 %; 1960 : őreszközökrıl végzett napállandó mérések: mind a teljes, mind a spektrális napállandó értékek ingadoznak; a napállandó idıbeli változásai: néhány perc 11 éves napfoltciklus; a napállandó teljesítmény-változásai változásai: a) a teljes napállandóban: néhány tized %; b) a spektrum egyes szők tartományaiban: 10 %; A jellemzı napállandó érték: I 0 = 1368 W mw - 2 ;

33 A Nap sugárzása csaknem teljesen párhuzamos nyalábként éri a Földet. A gömb alakú Föld a párhuzamos sugárnyalábból a keresztmetszetének ek területével arányos mennyiségő energiát ( (I 0 R 2 π) vesz ki ( (R a Föld sugara). Ez oszlik el az egész Föld (gömbfelszín) felületén ( (T T = 4 R2 π). 4 a keresett átlagos besugárz rzás: I 2 I0 R π I = = = = R π 4 4 W m 2 A Nap sugárzási energiájának csak a töredékét veszi fel a Föld és a többi bolygó; zöme eltávozik a Naprendszerbıl; más s csillagok sugárz rzásából l is jut a Földre; F az így kapott energia K hımérsh rséklető fekete test sugárz rzásának felel meg; ez energetikailag elhanyagolható, de a Világegyetem megismerése szempontjából alapvetı;

34 A mindenség oly tisztán és üdén csillog, mint harmatcsepp a menny levelén. József Attila: Töredékek (részlet) A táguló világegyetem: ısrobbanás (Big( Bang)

35 1965: Arno Penzias és Robert Wilson egy kicsi, igen érzékeny antennával rádiócsillagászati kísérleteket végeztek; egy állandó,, kis frekvenciájú zajt észleltek, bármely irányba is forgatták az antennát; mőszerük hibátlan volt; Ez a zaj a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás maradványa akkor jött létre, amikor a világegyetem hımérséklete elégg ggé lecsökkent az İsrobbanás után ahhoz, hogy anyaga átlátszóvá váljék. Ekkor az univerzum hımérséklete 3000 ºC C (napjainkban( -270 ºC C ). Ez a sugárz rzás valójában fény, amit az alacsony hımérséklető feketetest- sugárz rzás kelt a µm hullámhossz mhossz-tartományban megfigyelhet hetı; végsı bizonyíték az ısrobbanás s idıpontja; 1978: fizikai Nobel-díj; az univerzum anyaga valaha egy végtelenül apró pontban volt összesőrősödve; İsrobbanás ebbıl az anyagból galaxisok alakultak ki; Az így született világegyetem kora 13,7 milliárd év; létének korai szakaszáról árul el adatokat a feketetest-sugárzás sugárzás; Penzias és Wilson felfedezése bizonyíték Lemaitre elmélet letére és Hubble azt támogatt mogató megfigyelésére;

36 Georges-Henri Lemaître ( ); belga katolikus pap, tiszteletbeli prelátus, fizikus, csillagász; sz; 1927; 1931: Nature: ısatom-elmélet ;; elméleti leti úton bizonyította, hogy: Einstein általános relativitás-elm elmélete lete (statikus világegyetem) hibás; egy jobb modellel írható le a világegyetem, ha azt a tágult guló univerzum elmélet letére alapozzuk; Edwin Hubble ( ); 1953); amerikai csillagász; sz; 1929: csillagászati szati megfigyelési adatok alapján n bizonyítékot talált lt arra, hogy más m s galaxisok távolodnak t a mienktıl; Lemaitre: az univerzum néhány ny eredeti atom fölrobbanásával (ısrobbanás; s; big bang) keletkezett;

37 További eredmények az ısrobbanás igazolására John C. Mather és George F. Smoot amerikai kutatók: a feketetest-sugárzás sugárzás és a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás anizotrópiájának felfedezése; (Anizotrópiának nevezzük azt a jelenséget, amikor az anyag egyes tulajdonságai különbözı irányokban különbözıek.) Kutatási eredményeik bebizonyították, hogy valóban az İsrobbanásnak nak köszönheti a világegyetem a megszületését; 2006: fizikai Nobel-díj;

38 Mather és Smoot az Univerzum alacsony hımérséklető feketetest-sugárzását sugárzását mérte az általuk kifejlesztett és az őrbe juttatott, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás mérését lehetıvé tevı készülékkel. Felfedezésük annak bizonyítéka, hogy az İsrobbanást t követıen a világegyetem nem volt teljesen azonos hımérséklető mindenütt. Az akkori sőrőség- és hımérsékleti ingadozások létezésének lenyomata jelenleg már csak a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás anizotrópiájában látható. A háttérsugárzás hımérséklet-ingadozásai

39 A megfigyelhetı univerzum Univerzumunk 13,7 milliárd éves. Ez azt jelenti, hogy nem láthatunk 13,7 milliárd fényévnél tovább! Ezt hívják megfigyelhetı univerzum -nak nak. Lehetséges (és valószínő is), hogy létezik univerzum (léteznek univerzumok?) messze a miénken túl, de valószínőleg sohasem remélhetjük, hogy megfigyelhetjük azt (azokat) (legalább is fény segítségével). Amikor a csillagászok azt mondják: univerzum,, ık ilyenkor mindig a megfigyelhetı univerzum -ra ra gondolnak, mivel eléggé hiábavaló olyan dolgokról vitatkozni, amelyeket nem tudunk megfigyelni! Mi a megfigyelhetı univerzumunk középpontjában vagyunk!

40 Hol a helyünk az univerzumban? A Föld egy bolygó egy olyan naprendszerben, mely egyike a kb. 100 milliárd csillagrendszernek nek a Tejútrendszer galaxisában, mely utóbbi egyike a Helyi Csoport kb. 40 galaxisának, mely utóbbi része a Helyi Szupercsoportnak, mely utóbbi része az univerzumnak nak. Mi a kozmikus eredetünk, s miért mondjuk, hogy csillag-anyag anyag -ból vagyunk. Univerzumunk az ısrobbanással sal született, mely mindössze két kémiai elemet hozott létre: a hidrogént t és a héliumot. A többi elem a csillagok révén keletkezett, s ezért mondjuk, hogy csillag-anyag anyag -ból vagyunk.

41 Milyen messze vannak tılünk a csillagok? A legközelebbi csillag 4,2 fényévre van tılünk (pontosság: ± 0,1 fényév). Az éjszaka szabad szemmel látható legtöbb csillag néhány száz fényév távolságra van. Közülük némelyek távolsága 2000 fényév, ami a galaxisunk átmérıjének mindössze 2 %-a.% Az emberi idıskálák hogyan viszonyulnak az univerzum korához? Ha egy kozmikus naptárban az univerzum korát egy évre sőrítjük össze, az emberi civilizáció mindössze néhány másodperce tart.

42 Az ısrobbanás és az univerzum néhány filozófiai kérdése Honnan ered univerzumunk ısanyaga, elemei egysége (Lemaitre: néhány ny eredeti atom )? Mi volt az anyag állapota az ısrobbanás pillanatáig? Mi volt az ısatom -on on kívül az ısrobbanás pillanatáig? Mi volt az ısrobbanás oka? Létezhetnek-e e más univerzumok, melyek szintén ısrobbanással sal (vagy más módon) keletkeztek? Mi van az univerzumon (univerzumokon) kívül? Hová fejlıdik az univerzum? Az univerzumnak nak is van kora. Mi következik utána? Megismerhetjük-e e univerzumunkat? Megismerhetjük-e e a létezı világmindenséget az univerzumokkal, s egyéb elemeivel? Megtudhatjuk-e e az általunk ismert (illetve az esetlegesen még létezı, s nem ismert) élet értelmét? Vannak-e e a megismerésnek határai?

43 Ha bizonyos területeken a tudásunk hiányos (lehet-e teljes?),, vagy ha bizonyos területekrıl egyáltalán nem állnak rendelkezésre információk, akkor vesszük elı a filozófiát, azaz: A filozófia ott kezdıdik, ahol a tudomány véget ér. A filozófia az a tudomány, ami nem létezik. Ó, társak, bár veszélyek ezre víjja sziveteket, mégis Nyugatra hágtok: ha látástokból, bármi sok a híja, ıriztek - szóltam - még egy csöppnyi lángot, ne sajnáljátok megkeresni tıle a Nap útján a néptelen világot! Gondoljatok az emberi erıre: nem születtetek tengni, mint az állat, hanem tudni és haladni elıre! Dante Alighieri: Isteni színjáték (részlet)

44 Ha feltételezzük, hogy a Föld-légkör légkör rendszer sugárzása feketetest-sugárzás, sugárzás, akkor mennyi annak egyensúlyi hımérséklete? A Föld éves átlagos albedója: : 30 %; A jellemzı visszavert napsugárzás: 0, W mw - 2 = 103 W mw - 2 ; A rendszerben maradó napsugárz rzási energia: 239 W mw - 2 ; Az egyensúly követelmk vetelménye miatt a rendszerben maradó napsugárz rzási energiának nak valami módon m távoznia t kell: A légkl gkörbıl l könnyk nnyő molekulák állandóan távoznak t energiavesztés s (elhanyagolhat( elhanyagolható); Hımérsékleti sugárz rzás s (meghat( meghatározó);

45 E = 239 W mw - 2 ; T =? A Stefan Boltzman Boltzman-törvény szerint: E = f ( λ, T ) = σ T λ= 0 4 J m s 2 1 σ = 5, J m s K Innen a hımérsékletet kifejezve: T E σ 239 5,67 10 = 4 = 4 = 8 255K

46 Azaz T = 255 K = -18 ºC; az E = 239 W mw - 2 sugárz rzási energiát -18 ºC C hımérsh rsékleten veszíti el a Föld; F a világőrb rbıl l nézve n a Földet, F hımérsh rséklete -18 ºC; Mőholdas mérések: m a kisugárz rzás éves átlaga, 1979 : 235 W mw - 2 ; nincs energia-egyens egyensúly: a globális lis energiamérleg rleg a vizsgált idıszakban: +4; +5 W m - 2 ; Valósz színő ok: napállandó mérések: abszolút t hiba (0,3 %); albedó mérések: rendszeres hiba; kisugárzás s mérések: m rendszeres hiba (több %);

47 A Föld sugárzási egyensúlyi modellje Mennyi a felszínhımérséklet, ha a légkör a felszíni hosszúhullámú sugárzást teljesen átengedi a világőr felé (ha nincs légkör)? E0 napsugárzás Eföldfelszíni sugárzás A légkör felsı határán: A felszínen: Hogy kiszámíthassuk E0 napsugárzás 239 W m E = E 0 napsugárzás földfelszíni sugárzás E földfelszíni sugárzás -2 -t, integrálnunk kell a Planck-függvényt λ szerint. Stefan-Boltzmann törvény: ( ) 2 2 h c Eföldfelszíni T = π dλ = σ T 5 λ exp ( h c / λ kb T) 1 4 E T 4 0 napsugárzás földfelszín σ = 5,67 10 W m K = σ T E napsugárzás o 4 földfelszín = = 255 K = -18 C σ

48 Vegyük hozzá a légkört Mennyi a felszínhımérséklet, ha a légkör valódi (abszolút) fekete testként viselkedik? 4 σ T légkör -2 E0 napsugárzás 239 W m 4 σ T földfelszín 4 σ T légkör -2 E0 napsugárzás 239 W m A légkörben: A felszínen: σ T = 2 σ T 4 4 földfelszín légör E + σ T = σ T napsugárzás légkör földfelszín 1 1 E = σ T σ T = σ T 2 2 T napsugárzás földfelszín földfelszín földfelszín földfelszín 2 E 304 K 31 C 0 napsugárzás o = 4 = = σ

49 A légkör nem valódi fekete test A valódi (abszolút) fekete test olyan test, amely minden sugárzást teljes mértékben elnyel; adott hımérsékleten az elméletileg lehetséges legnagyobb teljesítménnyel sugároz; A légkörön függılegesen áthaladó hosszúhullámú sugárzás abszorpciós spektruma néhány erısen elnyelı gáz esetében Néhány üvegházgáz leghatékonyabb abszorpciós hullámhosszai (µm)

50 Tekintsük a légkört, mint szürke testet Mekkora a valódi globális felszíni középhımérséklet? E e σ T e 4 légköri kisugárzás = légkör emisszió-képesség: 0,8 abszorpciós képesség: a 0,8 σ 4 a T légkör 4 e σ T légkör Kirchhoff-törvény -2 E0 napsugárzás 239 W m 4 σ T földfelszín σ 4 e T légkör A légkörben: A felszínen: 1 e E = σ T e σ T = 1 σ T 2 2 T napsugárzás földfelszín földfelszín földfelszín földfelszín a σ T = e σ T = 2 e σ T földfelszín földfelszín légkör E + e σ T = σ T napsugárzás légkör földfelszín E 0 napsugárzás o = 4 = 290 K = 17 C e 1 σ 2

51 A légkör üvegházhatása A Föld akkor van sugárzási egyensúlyban, ha hımérséklete: T = -18 ºC; De a Föld F átlagos felszính nhımérséklete: T = +15 ºC; ez 33 ºC-kal melegebb az egyensúlyi hımérsh rsékletnél; l; A felszíni és az egyensúlyi hımérséklet eltérése a légkör üvegházhatásának eredményeként jön létre. Mi játszik szerepet abban, hogy a légkör 33 ºC-kal növeli az egyensúlyi hımérsékletet? A napsugárzás intenzitása és spektrális összetétele; A légkör jellemzıi; A felszín éghajlat-módosító hatása; Üvegházgázok (H 2 O, CO 2, CH 4, CFC, NO x, stb.) Helyesen: a Föld légkör légkör rendszer üvegházhatásáról beszélhetünk (a F-l = 30 %) egyensúlyi hımérsh rséklet: T F-l = +15 ºC; Ha eltekintünk a légkörtıl ( (a F = 10 %) egyensúlyi hımérsh rséklet: T F = 0 ºC ;

52 A légkörben és a felszínen elnyelt napsugárzás A Föld-légkör légkör rendszer a ráesı napsugárzás 30 %-át% visszaveri a világőrbe ( (a F-l = 30 %); 70 %-át% elnyeli a légkör és a felszín; Jóllehet minden elnyelt napsugárzási energia távozik a rendszerbıl, de a rendszerbeli folyamatok alakulása szempontjából nem mindegy, hogy h a beérkezı energia hogyan oszlik el a rendszeren belül; A légkör és a felszín sugárzás-elnyelése légköri állapotok a légkör tiszta, a felhık desztillált víz cseppjeibıl állnak a légköri aeroszolt is figyelembe véve sugárzáselnyelés, % légkör felszín valódi légkör esetén 30 40

53 A napsugárzás és az emberiség energia-igénye igénye A napsugárzás az élettelen és az élı természet (táplálék, energia- hordozók; utóbbiak közül kivéve: nukleáris + fúziós energia) energia-forrása; A napsugárzási energia egy részét a növények kötik meg eközben szén-dioxidot vonnak ki a légkl gkörbıl; Mivel az északi félgömbön több növény van, mint a délin az északi félteke f nyarán n a Föld F szén-dioxid készlete k kb. 2 %-kal% csökken; A déli d félteke f nyarán n kb. 3 %-kal% nı; A szén-dioxid 150 éve tapasztalt felhalmozódását megakadályozhatn lyozhatnánk, nk, ha évente csak annyi széntartalm ntartalmú energiahordozót égetnénk nk el, amennyi a növényzet, n nyzet, az óceánok és s az óceáni mészkm szkıképzıdés s révén r évente tározódik. Mennyi energiát t jelent ez évente az emberiség g számára?

54 A felszín minden négyzetméterén a légkör felsı határára érkezı napsugárzási energia kb. 40 %-a% a nyelıdik el: E = 0,4 342 W mw - 2 = 136,8 W mw - 2 ; Ha ezt az értéket megszorozzuk a Föld felszínével (5, m 2 ) a teljes FöldfelszF ldfelszín által elnyelt napsugárz rzási teljesítm tmény: E = 136,8 W mw -2 5, m 2 = 697, W; A felszínnek csak egyötödét számítsuk növényzettel borítottnak a fenti teljesítmény 0,2-vel szorzandó: E = 0,2 697, W = 139, W; Tegyük k fel, hogy a növények n nyek a rájuk r jutó napsugárz rzásból l 1 %-ot% kötnek meg: E = 0,01 139, W = 1, W; A növények által megkötött sugárzási energia kb. 5 %-os% hatásfokkal hasznosul elégetéskor: E = 0,05 1, W = 6, W W;

55 A technikailag fejlett országokban az átlagos évi energia- felhasználás: 10 kw / fı; f Ha ez utóbbi magas szintő energia-felhaszn felhasználást st tételezzt telezzük k föl f W 12 8 = 7 10 W = 7 10 fı = 700 millió fı kw fı 10 W fı kb. 700 millió ember élhetne úgy a FöldF ldön, hogy energia- igény nyének nek kielégítésével nem növelnn velné a légkl gköri szén-dioxid koncentráci cióját; Az emberiség lélekszáma jelenleg kb. 7 milliárd fı, s kb. 10 milliárd fı esetén fog stabilizálódni.

56 MINDEN EMBERI TEVÉKENYSÉG A GLOBÁLIS FÖLMELEGEDÉS IRÁNYÁBA HAT. Szennyezett levegı a Pósíkság fölött, Olaszország A SZAPORODÓ EMBERISÉG G NÖVEKVN VEKVİ ENERGIAGONDJA A KÖRNYEZETI K PROBLÉMÁK JELENTİS S RÉSZR SZÉNEK FORRÁSA. Japán MEGOLDÁSOK (?)

57 Szeretek itt olvasni, a kertben, a szıllılugas alatt, ahol a könyvre apró kerek fényfoltokat vet a nap mind titkos lencse fényköre titkos mikroszkóp alatt, amelyben titkos porszemek szálló árnyai mozganak. Babits Mihály: A régi kert (részlet) A napsugárzás biometeorológiai vonatkozásai

58 A napsugárzásnak az ultraibolya sugárzási spektrum révén tapasztalt egészségi / környezeti hatásai A bırre gyakorolt hatások közvetlen hatások Az állandó sugárzásnak kitett bırfelület simasága romlik; vastagabbá válik; gyorsabban öregszik (ráncosodik) ok: a felszínre érkezı ultraibolya sugárzás mennyiségének növekedése valószínőleg meggyorsítja a bır öregedését;

59 jóval nagyobb gyakorisággal lépnek föl rajta kóros elváltozások; kelések, gyulladások, fekélyek, daganatok (pl. bırrák); növekedni fog a melanómás és nem melanómás bırrák elıfordulási gyakorisága (a melanóma a melanin, azaz a bır festékanyaga okozta bırelszínezıdés, anyajegy valamely testfelületen); növekszik a különbözı sejtdaganatok (pl. bırrák) gyakorisága; közvetett hatások komoly bırkárosodás közvetett hatások: : jobban hajlamosít a hörghurutra; tüdıgyulladásra; gyomorfekélyre; a vér különbözı betegségeire;

60 Az USA Környezetvédelmi Ügynöksége (EPA) a bırrákból eredı elhalálozások száma,, USA, 2050: 200 ezer fı / év; A szemre gyakorolt hatások gyakoribbá válnak a heveny reakciók, mint pl. a hóvakság ; megnı a hályog, illetve a hályoggal összefüggı vakság gyakorisága; megnı a rákos szemdaganatok gyakorisága;

61 Az immunrendszerre gyakorolt hatások hátrányos csökkent ellenálló-képesség a daganatos és fertızı betegségekkel szemben; a szervezetnek valószínőleg növekvı gyakoriságú auto-immun és allergikus válaszai, továbbá az oltásokra adott csökkent reakciója; elınyös mérséklıdik bizonyos immunbetegségek (pl. pikkelysömör, nikkel-allergia) veszélye;

62 A vegetációra és a termésre gyakorolt hatások A vékonyodó ózonpajzs élettani hatásai az ózonpajzs 10 %-os% csökkenése az immunrendszer kb. 2 %-os% károsodását idézné elı; a mérsékelt öv felett több mint 20 %-kal% kellene az ózonpajzsnak vékonyodnia ahhoz, hogy akkora legyen az UV-besugárzás besugárzás,, mint amekkora az jelenleg egyes trópusi területeken (Washingtoni Egyetem);

63 Veszélyeztetett régiók Antarktisz; Ausztrália; Dél-Amerika; Védekezés a viselkedési szokások módosítása (pl. antioxidánsokban gazdag étrend választása); a delelést megelızı és követı két-két órában a napozás mellızése; a testfelületeket fedı viselet (pl. napvédı krém, póló, kalap, napszemüveg, napernyı használata) Ausztrália: slip-slap-slop ;

64 Mára befejeztük, jó éjszakát!