Trocha teórie o žiarení

Slnečné žiarenie je najzásadnejším nositeľom energie pre biologické procesy na našej planéte. Tieto pochody zabezpečuje až z 99 %. Možno sa to zdá byť príliš veľa, ale pozrime sa okolo seba. Rastliny (autotrofné organizmy) a živočíchy (heterotrofné organizmy) sú od prísunu tejto energie bytostne závislé.  Celý ekologický systém je teda naviazaný na energiu slnka. Azda najvýstižnejšie to dokumentuje nasledujúci obrázok.

fullchain
Potravný reťazec (zjednodušený)

Vidíme, že na začiatku celého systému dodáva energiu práve slnko resp. žiarenie slnka. V obrázku nám azda chýba ešte človek, ale ako vieme, ten vie skonzumovať prakticky každú zložku z tohto reťazca (rastliny, huby, thajci a fajnšmejkri aj tie kobylky, myši a hady).

Slnko je z pohľadu života človeka a prakticky aj celého ľudstva nevyčerpateľným zdrojom energie. Samozrejme nič nie je nekonečné a aj našu hviezdu počká smutný osud zániku. To nás však našťastie nemusí trápiť, bude tomu tak o zhruba 4,5 až 5 miliárd rokov.

Kde sa vlastne táto energia berie? V útrobách slnka prebieha v každej jednej sekunde termonukleárna reakcia (inak nazývaná termonukleárna syntéza) https://sk.wikipedia.org/wiki/Jadrov%C3%A1_synt%C3%A9za.

Je to proces pri ktorom sa z dva atómy (resp. protóny) vodíka zlúčia na hélium pričom sa uvoľní obrovské množstvo energie (380 000 000 000 000 000 000 000 000 J) každú jednu sekundu. Pre porovnanie najsilnejšia atómová zbraň, ktorú kedy ľudstvo vyvinulo (vodíková bomba Cár – otestovaná v Sovietskom zväze v roku 1961) je stále omnoho slabšia oproti energii, ktorú k nám Slnko vyšle každú jednu sekundu

tsar_photo11
Atómový hríb po výbuchu bomby Cár dosiahol výšku 56 km

(Energia bomby Cár 21 00 000 000 000 000 000 J ≠ Energia Slnka 380 000 000 000 000 000 000 000 000 J). No aj napriek tomu, treba pred súdruhmi sňať klobúk, nakoľko ako ilustruje obrázok devastačné účinky tejto strašnej zbrane boli značné. https://sk.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1r_bomba

Pre zaujímavosť prikladáme link na aplikáciu schopnú ukázať ničivé následky nukleárneho výbuchu, aby ste vedeli. nukemap

Ako sa však táto energia zo Slnka dostáva k Zemi?

Energia ktorá je emitovaná Slnkom (napokon aj všetkými telesami) sa šíri pomocou elektromagnetickej radiácie (elektromagnetickým žiarením). Elektomagnetické vlny vyžaruje každé teleso (supernova, Slnko, planéty, človek, tehla, papier…), ktoré je teplejšie ako absolútna nula čiže -273,15 °C. Avšak každé teleso má iné vlastnosti elektromagnetického vyžarovania. Týmito vlastnosťami sú frekvencia a vlnová dĺžka, ktoré určujú pozíciu ich vyžarovanej energie  v rámci elektromagnetického spektra.

Čože?!?

Je to jednoduché aj keď sa to nezdá. Všetka hmota má atómovú podstatu. Atómy hmoty, alebo ak chceme jednoducho povedať tak materiálu (papier, ceruzka, človek…), sú v neustálom pohybe (áno platí to dokonca aj pre takú oceľ alebo kameň :). A ako vieme z fyziky, všetky atómy majú nejaký elektrický náboj. Keďže, ako sme povedali tieto atómy medzi sebou neustále narážajú, kmitajú, alebo sa otáčajú, menia sa tým ich elektrické vlastnosti, ktoré sú zdrojom elektromagnetického žiarenia.

A čím je teleso teplejšie, sú tieto pohyby rýchlejšie a stúpa aj intenzita vyžarovania, alebo inak povedané stúpa aj energia žiarenia. So stúpajúcou energiou žiarenia sa skracuje jej vlnová dĺžka a pritom sa zvyšuje frekvencia. Pozrite sa na obrázok.

spektrum
Vľavo energeticky najsilnejšie Gama žiarenie (veľmi krátka vlnová dĺžka s vysokou frekvenciou), vpravo energeticky najslabšie dlhovlnné rádiové žiarenie (veľmi dlhé vlny s nízkou frekvenciou)

Preto je gama alebo rontgenové žiarenie zdraviu škodlivé. Má veľmi vysokú energiu, dokáže ionizovať  atómy a tým poškodzovať DNA buniek (to vedie k mutáciám prejavujúcimi sa najčastejšie rakovinou). Našťastie ozón obsiahnutý v ozónovej vrstve našej atmosféry toto žiarenie takmer úplne zachytáva. Ak by tak nebolo, život na Zemi by v súčasnej podobe nemohol existovať.

A čo z toho vyplýva?

Slnko má povrchovú teplotu približne 4500 K (Kelvin).  Zem má však povrchovú teplotu iba 300 K. Teda keďže Slnko má vyššiu povrchovú teplotu maximum jeho žiarivej energie je v oblasti viditeľného spektra žiarenia (od 400 do 760 nm) – viď obrázok vyššie. A keďže Zem je chladnejšia (“atómy sú pomalšie”) je maximum žiarivej energie posunuté do väčších vlnových dĺžok s nižšou frekvenciou (infračervené spektrum) – na obrázku vyššie označené ako IF.

Stále neviete kam smerujeme?

K pochopeniu energetickej bilancie našej planéty. Existuje totiž istá vlastnosť atmosféry, ktorá sa nazýva opacita (nepriepustnosť resp. priepustnosť atmosféry pre žiarenie s rôznou vlnovou dĺžkou). Opacita voči žiareniu s rôznou vlnovou dĺžkou je podmienená chemickým zložením atmosféry. A na základe toho pozorujeme jav, ktorý nazývame atmosférické okno pre rôzne vlnové dĺžky žiarenia.  Pozrite sa na obrázok nižšie….

1024px-atmospheric_electromagnetic_transmittance_or_opacity
Opacita (nepriepustnosť) atmosféry pre žiarenie s rôznou vlnovou dĺžkou

Energeticky najsilnejšie “nebezpečné” žiarenie (Gama, Rontgenové alebo UV) je úplne blokované najmä ozónom a kyslíkom (preto je ozónová vrstva tak dôležitá). Potom nasledujú vlnové dĺžky viditeľného spektra (v tomto spektre vyžaruje maximum energie Slnko) a vidíme prvé atmosférické okno umožňujúce vstup krátkovlnného žiarenia – energie – Slnka na Zem. Po krátkovlnnom nasleduje spektrum infračervené (napravo od viditeľného spektra). A tu pozorujeme, že infračervené spektrum je pre atmosféru už čiastočne nepriepustné. Túto nepriepustnosť spôsobujú skleníkové plyny obsiahnuté v atmosfére (najmä vodná para, metán, oxid uhličitý).

Povedali sme si, že slnko žiari hlavne vo viditeľnom spektre zatiaľ čo Zem vyžaruje v infračervenom spektre. A z obrázku vyššie je jasné, že viditeľné spektrum žiarenia resp. energia nesená týmto spektrom zo Slnka má ,,atmosférické okno,, dokorán otvorené. Energia môže nerušene prúdiť smerom k Zemi. Avšak Zem vyžarujúca v dlhších vlnách v infračervenom spektre nemôže z dôvodu opacity atmosféry pre tieto vlnové dĺžky ( z dôvodu prítomnosti skleníkových plynov) voľne opúšťať atmosféru do medziplanetárneho priestoru. Je teda čiastočne odrážaná späť k povrchu Zeme.

To je však dobre. Veď ako vieme, bez skleníkového efektu resp. samotných skleníkových plynov by bola Zem omnoho chladnejšia a tým aj nehostinná pre život. A teda takýmto spôsobom sa reguluje energetická bilancia Zeme.

Problém však nastáva v momente, kedy meníme zloženie atmosféry emisiou skleníkových plynov. Zvyšovaním obsahu skleníkových plynov totiž ,,poškodzujeme,, klimatizáciu planéty a tá, v čoraz menšej miere dokáže odvádzať infračervené žiarenie (vyžarovanie Zeme) do medziplanetárneho priestoru a tým sa Zem začína ,,prehrievať,,.