Kasvuhooneefekt ja kliima soojenemine

11. klass > Füüsika > 4. kursus: Energia

Kõneledes kasvuhooneefektist ja kliima soojenemisest, peame esmalt lähemalt uurima nende põhjustajat – soojuskiirgust.

Soojuskiirguse võimsus ja spekter

19. sajandil avastati, et kõik kehad, mis on soojendatud mistahes absoluutsest nulltemperatuurist erineva temperatuurini T, kiirgavad soojuskiirgust, mis on oma olemuselt elektromagnetlaine.

Keha poolt kiiratava energia võimsus (R), avaldub Stefan-Boltzmann’i seadusest:

206

kus e – keha pinna kiirgustegur (see on ühikuta suurus, mille väärtus jääb vahemikku 0 … 1, kui e = 1, nimetatakse keha absoluutselt mustaks kehaks, mis teoreetiliselt on suurima kiirgusvõimega keha), 207– Stefan-Boltzmann’i konstant, S – keha pindala, T – keha pinnatemperatuur.

Olgu siinkohal toodud mõnede kehade pindade kiirgustegurid:

195

Samal ajal kui keha temperatuuriga T1 kiirgab soojuskiirgust, on ta ka võimeline neelama endast kõrgema temperatuuriga T2 keha soojuskiirgust. Keha poolt neelatav kiirgusvõimsus on arvutatav samuti Stefan-Boltzmann’i seadusest.

Seega on keha poolt kiiratav netovõimsus arvutatav valemist:

208

Tasakaaluolekus Rnet=0 kiirgab keha sama palju soojus kui ümbritsevast keskkonnast neelab – sellise keha temperatuur püsib ümbritseva keskkonna temperatuuriga võrdsena.

Tumedate või tuhmide pindadega kehadel, erinevalt heledatest ja läikivatest kehadest, on suur kiirguse neelamise (absorbtsiooni) võime. Heledad ja läikivad kehad peegeldavad neile langevat soojuskiirgust – selle pärast kannamegi suvel heledavärvilisi riideid.

Keha soojuskiirgus sisaldab enda väga paljude lainepikkustega elektromagnetlaineid, ometi on iga kiirgava keha jaoks olemas lainepikkus, mille kiirgusintensiivsus on kindla temperatuuri juures maksimaalne. Toatemperatuuril (20°C = 293K) olevatel kehadel jääb see maksimum infravalguse spektriossa. Graafikul on absoluutselt musta keha kiirguse graafikud kolme erineva temperatuuri (273K, 300K, 350K) juures – näeme, et mida kõrgem on keha temperatuur, seda lühemalainelisem ja intensiivsem on keha kiirguse maksimum.

196

Kiiratava/neelatava kiirguse intensiivsus

Meie jaoks kõige suurema intensiivsusega soojuskiirguse allikas on Päike.

Päikest on võimalik käsitleda kui absoluutselt musta keha, mille kiirgusvõimsus Rʘ=3,9∙1026W. Päikese keskmine kaugus Maast on u 150 mln km (1,5∙1011m).

Teades, et kiirguse intensiivsus (energia tihedus ehk pinnaühikule langeva kiirgusenergia hulk) on arvutatav valemist:

209

kus R – on keha (näiteks Päike) kiirgusvõimsus ja d – kaugus kiirgusallikast, saame leida igale ruutmeetrile Maal langeva Päikesekiirguse intensiivsuse iʘ ≈ 1400 W/m2 – see on Päikese kiirgusintensiivsus atmosfääri ülakihtides, tuntud kui ka solaarkonstant.

Keha poolt neelatav kiirgusvõimsus on võrdeline kiirguse intensiivsuse (i) ja keha pindalaga (S).

210

Albeedo

Pinna albeedo – (ladina sõnast albedo ‘valgesus’) pinna peegeldumisnäitaja α – mis näitab peegelduva kiirguse intensiivsust (i_pgl) võrreldes peale langeva kiirguse intensiivsusega (i_lng).

211

Albeedo on ühikuta suurus, mille väärtus jääb vahemikku 0 ja 1 vahel (väljendatakse ka protsentides 0…100%). Heleda pinna albeedo on suurem kui tumedal.

Looduslike pindade albeedo jääb reeglina vahemikku 5…95%. Albeedo on tähtis füüsikaline suurus astronoomias ja meteoroloogias. Paljude pindade puhul oleneb albeedo valguskiirte langemisnurgast – ehk siis Maa puhul aastaajast. Näiteks merepinna albeedo võib muutuda vahemikus 2…99%, sõltuvalt sellest, kas Päike on seniidis või horisondil.

Maa keskmine albeedo on 37%, Kuu albeedo aga 12% – seega on Kuu märksa tumedam taevakeha kui Maa. Absoluutselt musta keha albeedo on null.

Päikeselt Maale jõudev energia hulk

Arvestades, et solaarkonstandi väärtus on umbes 1400 W/m2, ning pind, millele Päikesekiirgus langeb, on võrdne Maa läbimõõduga võrdse ringi pindalaga – see omakorda on aga vaid veerand Maapinna pindalast, jõuab kokkuvõtteks Maapinnale Päikesekiirgus, mille intensiivsus on u ilng = 350 W/m2.

197

Kuna Maapinnalt peegeldub 37% (albeedo) Maapinna sinna langevast Päikesekiirgusest – Maa kiirgusvõimsus on u ipgld= 130 W/m2, siis on Maapinnas neelduva kiirguse netointensiivsus on:

212

Nii nagu Päikestki, saame ka Maad käsitleda absoluutselt musta kehana.

Kuna Maa keskmine temperatuur on muutumatu, teeme sellest järelduse, et Maal valitseb energiatasakaal – Maale Päikeselt langev energiakogus on võrdne Maa enda poolt kosmosesse kiiratava energiahulgaga. Joonisel on kujutatud energiaülekanded ilma, et oleks arvestatud Maa atmosfääri mõjusid.

198

Kasvuhooneefekt

Kasvuhooneefekt on kiirgusenergia ringkäigust tingitud elektromagnetilist kiirgust selektiivselt läbilaskva kihi all oleva keskkonna temperatuuri tõus.

Kasvuhoone soojeneb ümbritseva keskkonnaga võrreldes rohkem, sest kasvuhoonet kattev klaas või kile laseb hästi läbi Päikeselt saabuvat lühilainelist kiirgust, aga neelab tugevasti maapinna pikalainelist soojuskiirgust. Seega neeldub peenralt kiirguv soojuskiirgus kasvuhoone klaasis ja kiiratakse sealt uuesti kõigis suundades. Nii kiiratakse umbes pool peenralt soojuskiirgusega lahkuvast energiast maapinnale tagasi. Kasvuhoone jahtumist takistab lisaks veel ka see, et soojust ei juhita konvektsiooni teel soojenevast piirkonnast ära.

Ka Maa atmosfääris on gaase – niinimetatud kasvuhoonegaase, mis ei neela lühilainelist päikesekiirgust, aga neelavad teatud koguses Maa soojuskiirgust.

Atmosfääri puudumisel oleks lühilainelise kiirguse neeldumisest tingitud soojenemine ja maapinna soojuskiirguslik jahtumine tasakaalus. Kasvuhoonegaasid kiirgavad aga osa nende poolt neelatud Maa kiirgusenergiast maapinnale tagasi ning Maa keskmine tasakaaluline temperatuur tõuseb.

199

Nii väljendubki kasvuhoone efekt Maal maapinna ja maalähedase õhukihi temperatuuri tõusus. Hinnanguliselt on kasvuhooneefekti tõtu maapinna tasakaaluline temperatuur ca 30°C kõrgem kui see oleks ainult Päikeselt saadavast energiast.

Maa atmosfääris sisalduvatest gaasidest on kasvuhoonegaasid vee aur, süsihappegaas, osoon, metaan, dilämmastikoksiid jpt.

Veeauru hulka atmosfääris suudab inimtegevus mõjutada ainult kaudselt: maakasutuse muutused ja metsade raiumised muudavad aurumist, atmosfääri saastamisega lisandub õhku veeauru kondenseerumist soodustavaid mikroosakesi – kondensatsioonituumasid – need aga soodustavad sademete teket.

Fossiilsete kütuste põletamine suurendab süsihappegaasi hulka atmosfääris.

Kariloomade arvu kasvuga kaasneb suurema koguse metaani atmosfääri sattumine.

Nii tugevdab inimtegevus Maa atmosfääri märgatavalt kasvuhooneefekti.

Globaalne kliima soojenemine

Globaalseks kliima soojenemiseks nimetatakse maapinnalähedase atmosfääri ja ookeanide keskmise temperatuuri tõusu.

Märkimisväärset kliima soojenemist on täheldatud just viimastel aastakümnetel, samuti oodatakse globaalse soojenemise jätkumist tulevikus. Näiteks on 1906. ja 2005. aasta vahel maapinnalähedane õhutemperatuur tõusnud 0,74 °C. Aastad 2000–2009 olid märgatavalt kõrgema mõõdetud keskmise temperatuuriga kui 1990-ndad, mis olid omakorda soojemad kui 1980-ndad.

Globaalse kliima soojenemise peamiseks põhjuseks peetakse kasvuhooneefekti tugevnemist inimtegevuse tulemusena. Inimtegevusest tingitud kliima soojenemine tuleneb peamiselt fossiilsete kütuste (nafta, maagaas, põlevkivi, kivisüsi) põletamisest, globaalsest metsade lageraiumisest ning põllumajanduse intensiivistumisest – eelkõige karjakasvatuse järsust suurenemisest.

Eelkõige nende tegevuste tulemusel koguneb atmosfääri senisest enam kasvuhoonegaase ning nii peegeldub rohkem maapinnalt kiiratud pikalainelist soojuskiirgust mitte kosmosesse vaid tagasi maapinnale.

Senise inimtegevuse jätkumisel ennustatakse aastaks 2100 kliima soojenemist veel 1,1…6,4 °C võrra. Selle tagajärjel kiireneb jääliustike sulamine, millega omakorda kaasneb maailmamere veetaseme tõus, muutused sademete väljakujunenud mustrites, ilmastikukatastroofide tihenemine jne.

Võimatu on hinnata täpseid tagajärgi, mille ulatus sõltub globaalse soojenemise määrast. Temperatuuri prognooside suur erinevus pole tingitud mitte sellest, et ei osata aru saada looduslikest protsessidest, vaid eelkõige sellest, et ei suudeta ennustada inimkonna käitumise kohandumist uuenevates keskkonnatingimustes.

Eestis evitav kliimapoliitika on mõjutatud Euroopa Liidu kliimapoliitikast, mille eesmärgiks, samamoodi nagu ka ülejäänud rahvusvahelise kliimapoliitika eesmärgiks on globaalse soojenemise ennetamine ja samas sellega kohandumine.

Juhtivaks autoriteediks teadus- ja ka poliitikamaastikul globaalse soojenemise alal on IPCC (inglise keeles Intergovernmental Panel on Climate Change – Valitsustevaheline Kliimamuutuste Nõukogu), mis korraldab regulaarseid kliimaalaseid teadusuuringuid, diskussioone ning konverentse, teeb neist kokkuvõtteid ning annab riikide valitsustele ning inimkonnale üldisemalt soovitusi oma tegevuse kohandamiseks selleks, et vähendada globaalset kliima soojenemist.

IPCC andmed ja analüüsid põhjustavad oma keskse rolli tõttu ka palju vastuseisu ja lahkarvamusi, on koguni väidetud, et kliimasoojenemine on märk viimase Jääaja lõppemisest ning uue Jäävaheaja saabumisest ning inimeste rolli selle protsessi kulgemises pole põhjust üle hinnata. Näiteks paiskab üks keskmise suurusega vulkaanipurse (videos on näha 2010. aasta kevadel Islandil Eyjafjallajökulli vulkaani purse, mis seiskas pooles Maailmas lennuliikluse enam kui nädalaks) Maa atmosfääri kordades rohkem kasvuhooneefekti tekitavaid aineid kui terve inimkond oma mitme aastase tegevusega kokku toota suudab.

Eyjafjallajökull Volcano Time Lapse

youtube_video