1.1: Деякі основні фізики, що стосуються поверхні Землі

ПЕРЕДУМОВИ: ДЕЯКІ ОСНОВНІ (НЕМАТЕМАТИЧНІ) ФІЗИКИ, ЩО МАЮТЬ ВІДНОШЕННЯ ДО ЗЕМНОЇ ПОВЕРХНІ

1. Енергетика

Для початку потрібно відчувати себе комфортно про природу енергії. Ми повинні займатися трьома формами енергії: енергія руху (називається кінетичною енергією), енергією положення (називається потенційною енергією) та енергією теплових рухів атомів молекул матеріалу (званої тепловою енергією або теплової енергії). Кінетична енергія та потенційна енергія разом часто називають механічною енергією.

Якщо ви ще не знайомі з цими поняттями енергії, ось невелика демонстрація, яка повинна служити меті дати вам основні ідеї. Знадобиться грудку ліплення глини або шпаклівка. Киньте грудку прямо вгору в повітря. Коли він залишає вашу руку, він має певну швидкість і, отже, певну кінетичну енергію. Він сповільнюється зниженою силою тяжіння, коли вона піднімається, тому вона втрачає кінетичну енергію, але втрачена кінетична енергія зберігається як енергія положення, в силу того, що знаходиться вище в гравітаційному полі Землі. Коли він досягає вершини своєї траєкторії, вся його кінетична енергія зберігається як потенційна енергія. Потім на шляху вниз накопичена потенційна енергія перетворюється назад в кінетичну енергію. Якби ви робили це у вакуумі в якомусь величезному евакуйованому дзвіночку або на поверхні Місяця, шпаклівка мала б таку ж швидкість, коли вона приземлилася назад у вашій руці, як коли ви кинули її вгору. Механічна енергія грудки, кінетична плюс потенціал, однакова по всій траєкторії; механічна енергія, як кажуть, зберігається.

На реальній поверхні Землі, звичайно, грудку купають в повітрі, а його рух затримується тертям як на шляху вгору, так і на шляху вниз. Це тертя зігріває грудку (і повітря, через яке воно проходить), трохи перетворюючи частину механічної енергії в теплову енергію.

Ще одна річ, яку ви можете зробити з грудкою - це опустити його на підлогу з якогось високого місця. Він має деяку кінетичну енергію, коли він приземляється на підлогу, але потім він зупиняється при ударі, навіть не відскакуючи. Що сталося з усією її кінетичною енергією? Він був повністю перетворений в теплову енергію, через тертя, що бере участь у деформації грудки, коли він здійснював удар. Якщо у вас було потрібне обладнання, ви могли б насправді перевірити для себе, що грудка була теплішою після того, як вона приземлилася, ніж раніше.

2. Електромагнітне випромінювання

Всі тіла (шматки або області речовини, в мові фізика) при температурах вище абсолютного нуля випромінюють енергію у вигляді електромагнітних хвиль. Тема електромагнетизму йде в серце фізики, і це занадто складно для повноцінного лікування тут, але всі ви знайомі з існуванням і впливом електромагнітних хвиль, різними способами: променисте тепло, яке ви отримуєте від свого каміна або електричного обігрівача; світло, яке ви сприймаєте очима; радіо, телебачення та радіолокаційні хвилі; рентгенівські промені.

Електромагнітні хвилі варіюються у величезному діапазоні довжин хвиль, від дуже коротких довжин хвиль космічних променів та рентгенівських променів, через проміжний діапазон ультрафіолетового та видимого світла, вниз через інфрачервоне випромінювання до довгих довжин хвиль радіохвиль тощо (рис. 1-1). Найкоротша довжина хвилі, видима оку, біля краю ультрафіолету, становить близько 0,36 мкм; найдовша довжина хвилі, на краю інфрачервоного випромінювання, становить близько 0,76 мкм.

Малюнок 1-1. Електромагнітний спектр. (Від Лютгенса і Тарбука, 2004.)

З різних фізичних законів, що регулюють випромінювання і поглинання електромагнітного випромінювання, найбільш актуальним для нас тут є закон Відня: добуток абсолютної температури і довжини хвилі найбільш інтенсивного випромінювання є постійною. Це означає, що тіло з відносно високою температурою поверхні, як сонце, випромінює енергію на відносно короткій довжині хвиль, а тіло з відносно низькою температурою поверхні, як земля, випромінює енергію на відносно довгих довжині хвиль. Максимальна інтенсивність випромінювання Сонця знаходиться на позначці близько 0,5 мкм, тоді як максимальна інтенсивність довгохвильового випромінювання Землі - близько 10 мкм, добре в інфрачервоний діапазон.

Але такі тіла, як Сонце і Земля, не випромінюють всю свою енергію на одній довжині хвилі: вони випромінюють у широкому діапазоні довжин хвиль. Малюнок 1-2 - це графік інтенсивності сонячного випромінювання в залежності від довжини хвилі. З малюнка 1-2 ми бачимо, що сонце випромінює більшу частину своєї енергії у видимій та ультрафіолетовій частині спектра, але значну частину також у інфрачервоній частині спектра. Подібний графік випромінювання Землі назад у космос, також показаний на малюнку 1-2, показував би подібну форму, але зміщений далеко до довгих довжин хвиль.

Малюнок 1-2. Інтенсивність короткохвильового сонячного випромінювання та довгохвильового наземного випромінювання як функція довжини хвилі. (Від Лютгенса і Тарбука, 2004.)

Наступного разу, коли ви будете у своєму дворі чи саду, або в парку чи сільській місцевості, я хочу, щоб ви подумали про довгохвильове випромінювання: ви не бачите його (хоча ви можете це відчути), але воно працює скрізь, весь час, і це так само важливо, як сонячне світло з точки зору його впливу на місцевий клімат ( хоча очевидно не з точки зору росту рослин, або засмаги, або раку шкіри).

Температура і тепло

Всі атоми або молекули речовини піддаються властивим рухам. У газах ці рухи складаються в довгих прямих траєкторіях атомів або молекул, званих вільними шляхами. Якщо газ укладений в ємність, частинки стикаються зі стінками ємності. Макроскопічно ми відчуваємо сукупність таких зіткнень як тиск, яке газ чинить на стінки ємності. Час від часу частинки також стикаються один з одним, коли вони літають. Середня відстань, пройдена частинкою між зіткненнями з іншими частинками, називається середнім вільним шляхом. Середній вільний шлях молекул повітря при атмосферному тиску і температурі 0°С становить близько 2 х 10-5 см (дуже мала відстань, що дорівнює близько тисячі діаметрів молекул). Частота зіткнення становить близько 5 х 109 в секунду, що є надзвичайно коротким часом. Кожна молекула робить близько п'яти мільярдів зіткнень в секунду!

У твердих тілах атоми або молекули фіксуються на місці, або в регулярному масиві кристалічної структури, або в нерегулярному розташуванні аморфного (некристалічного) твердого тіла. Ви дізнаєтеся більше про це в розділі 2. Але частинки не стоять на місці: вібрують на місці, з певною амплітудою і частотою. У рідинях атоми або молекули знаходяться в тісному зв'язку один з одним, і вони чинять сильні сили один на одного, але вони теж зазнають тих же дрібномасштабних випадкових рухів, характерних для газів і твердих тіл.

Те, з чим ми маємо справу тут, називається тепловими рухами, або тепловими коливаннями. Ці рухи є невід'ємною рисою всієї матерії. Рухомі або вібруючі частинки мають деяку енергію руху, звану кінетичною енергією. Чим гарячіше матерія (тобто тим вище температура речовини), тим енергійніше або енергійніше теплові рухи. Насправді те, що фізики називають температурою речовини, є лише мірою середньої кінетичної енергії всіх складових атомів або молекул. Коли температура тіла речовини знижується, досягається точка, в якій теплова енергія атомів і молекул знаходиться на абсолютному мінімумі. Ця температура називається абсолютним нулем, приблизно -273° C.

Всі ви знаєте про шкалу температури Фаренгейта, яку ми тут, у Сполучених Штатах, використовуємо у повсякденному житті. Ви, напевно, також знаєте, що вона була витіснена в більшості інших частин світу, і вченими скрізь, шкалою температури Цельсія (раніше називалася шкалою за Цельсієм), з температурою замерзання води при 0° C і температурою кипіння води (при тиску на рівні моря) Що може бути менш звичним для вас, так це шкала температури Кельвіна, в якій градуси такі ж, як у шкалі Цельсія, але нуль фіксується на абсолютному нулі. У шкалі Кельвіна градуси називаються кельвінами (не «градусами Кельвіна»).

Вам важливо зрозуміти різницю між температурою і теплом: вони пов'язані між собою, але вони не однакові! Тепло - це загальна внутрішня енергія всіх складових атомів або молекул в даному тілі речовини. (Під внутрішньою енергією тут я маю на увазі всю кінетичну енергію атомів і молекул, про яку йдеться в попередніх параграфах, разом з енергією, пов'язаною з силами тяжіння серед окремих атомів і молекул.) За інших рівних умов, чим більше тіло матерії, тим більше тепла воно містить. Це на відміну від температури тіла, яка, як ви дізналися вище, є мірою теплової енергії окремих атомів або молекул.

На відміну від тепла, температура тіла речовини не залежить від того, наскільки велике тіло. Ось повсякденний приклад цього: невеликий горщик з водою при температурі майже 100° C на плиті набагато гарячіший (тобто має набагато вищу температуру), ніж вода у вашій майже повній ванні при 40° C, але загальний вміст тепла води у ванні набагато більше, ніж загальний вміст тепла води у ванній горщик.

Для опису тепла використовуються різні одиниці. Два, які широко використовуються у фізиці, - це калорія, яка визначається як кількість тепла, необхідного для підвищення температури одного грама води на один градус Цельсія. До речі, існує багато потенційної плутанини щодо калорій. Те, що я визначив вище, іноді називають грамової калорійністю, скорочено «кал». Існує також кілограмова калорія (кількість тепла, необхідного для підняття одного кілограма води на 1° C), скорочено «Кал». У одному кілограмі калорій («маленькі калорії») припадає одна тисяча грам калорій («велика калорія»). Калорійність, яка використовується для вимірювання енергетичного вмісту продуктів, тобто калорійності дієти, така ж, як кілограмова калорія.

Тепло також вимірюється в джоулі, одиниці енергії в мкс (метр, кілограм, секунда) системі одиниць фізики. Джоуль названий на честь Джеймса Прескотта Джоуля, британського фізика (1818—1889), який першим продемонстрував еквівалентність теплової та механічної енергії за допомогою класичного експерименту, в якому він збільшив тепловміст води у великому чані шляхом додавання механічної енергії до води шляхом перемішування це з веслом. Один грам калорій дорівнює приблизно 4,18 джоулю. Просто щоб заплутати вас далі, в повсякденному житті прийнято вимірювати тепло з точки зору британських теплових одиниць (Btu). Один Btu - це кількість тепла, необхідного для підняття одного фунта води на один градус за Фаренгейтом (технічно, від 63° до 64°). Один Btu приблизно дорівнює 250 грам калорій.

Нарешті, поняття теплоємності є важливим для всіх, хто думає про земну поверхню. Питома теплоємність деякого даного матеріалу - це кількість тепла, яке потрібно додати до одиниці маси цієї речовини, щоб підняти її температуру на одну одиницю. Це може бути виражено, наприклад, у вигляді джоулів на кілограм або як калорій на грам. Важливість для поверхні Землі полягає в тому, що гірські породи, ґрунт та води поверхні мають свої власні питомі теплові потужності, тому для підвищення їх температури потрібна певна кількість надходить сонячної енергії та певні кількості вихідного наземного довгохвильового випромінювання, щоб зменшити їх температуру. Вода має набагато більшу (спокуса сказати ефектно більше) питома теплоємність, ніж різнокольорові тверді матеріали поверхні. Це призводить до того, що регіони, де переважають океани, мають набагато рівніший клімат, за інших рівних умов, ніж регіони, віддалені від океанів.

Як транспортується тепло

Поки ми мали справу тільки з радіацією. Тепло також може транспортуватися за допомогою провідності, конвекції та адвекції.

Проведення тепла через тверде тіло знайоме всім: ручка каструлі на плиті нагрівається провідністю від гарячого корпусу каструлі. Те ж саме стосується рідин і газів, хоча в цьому випадку провідність часто перевантажується більш ефективними процесами конвекції та адвекції, за допомогою яких рідина, переносячи своє тепло, переміщується тілесно з місця на місце.

Принцип теплопровідності простий. Тепло тіла є проявом термічного збудження складових атомів і молекул. Чим гарячіше матеріал, тим енергійніше теплові рухи атомів і молекул. Коли різниця температур від одного місця до іншого накладається на тіло, різна «інтенсивність похитування» атомів і молекул з місця на місце вирівнюється, вирівнюючи таким чином температуру. Ми говоримо, що тепло транспортувалося з області більш високої температури в область нижчої температури.

Конвекція - це термін, який використовується для циркуляції рідини, керованої різницею в щільності, спричиненої різницею температур. Знайомий приклад - приміщення, прогріте радіатором в холодний зимовий день (рис. 1-3): нагрів повітря радіатором зменшує його щільність, викликаючи його підйом, а в міру охолодження холодними стінами приміщення він опускається і йде зворотний шлях до радіатора, знову нагріватися. Конвекційні клітини такого роду вкрай важливі в атмосферних процесах, як в малих, так і в великих масштабах.

Горизонтальний рух рідини з однієї області в іншу, кероване горизонтальними перепадами атмосферного тиску, називається адвекцією. Значення адвекції можна відчути в похмурий зимовий день, коли з півдня дме теплий вітер, тане значну частину снігового покриву. Звичайно, те, що місцевий спостерігач сприймає як адвекцію, може бути лише однією дуже маленькою частиною якоїсь гігантської конвекційної клітини.

Малюнок 1-3. Конвекційна комірка.