Climate Change for Dummies:The Basics of Climate Change Physics

Καλώς ήρθατε σε όσους δεν πιστεύουν στην κλιματική αλλαγή και επιθυμούν να ξεκινήσουν μια φιλική συζήτηση μέσω του Διαδικτύου! Ακόμα καλύτερα, καλώς ήρθατε σε όσους δεν κατανοούν πλήρως το φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής και τον τρόπο με τον οποίο η ανθρώπινη δραστηριότητα συμβάλλει στην εμφάνιση – και είναι περίεργοι να μάθουν περισσότερα.

Και, το καλύτερο από όλα, καλώς ήρθατε σε όσους ανησυχούν πραγματικά για την κλιματική αλλαγή και τον αντίκτυπό μας που προκαλεί την επιτάχυνσή της — και θέλουν να μοιραστούν αυτό το άρθρο στο Twitter, το Facebook, το LinkedIn κ.λπ. για να εκπαιδεύσουν τους φίλους, τις οικογένειες και τους γνωστούς τους ως προς το απλούστερο από τα στοιχεία της κλιματικής αλλαγής που βασίζεται στα βασικά της επιστήμης.

Σε όποιο στρατόπεδο κι αν ανήκετε, σκοπός αυτού του άρθρου είναι να ρίξει φως στις βασικές αρχές του τρόπου με τον οποίο οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες επηρεάζουν τον επιταχυνόμενο ρυθμό της υπερθέρμανσης του πλανήτη – αλλιώς γνωστή ως κλιματική αλλαγή. ενώ επικεντρώθηκε ιδιαίτερα στη φυσική (δηλαδή τη θερμοδυναμική).

Μέχρι τώρα, πιθανότατα έχετε ακούσει τον όρο «αέρια του θερμοκηπίου» και έχετε καταλάβει ότι αυτά είναι αέρια που ενεργοποιούν έναν θερμικό μηχανισμό παγίδευσης που αυξάνει τη θερμότητα που διατηρείται στο περιβάλλον μας. Αυτή η θερμότητα/θερμική ενέργεια, φυσικά, προέρχεται από τον αντιδραστήρα σχάσης/σύντηξης στο κέντρο του ηλιακού μας συστήματος που ονομάζουμε ήλιο.

Τα πιο διαδεδομένα και γνωστά αέρια που εμπίπτουν στην κατηγορία ομπρέλα των αερίων του θερμοκηπίου είναι αυτά του διοξειδίου του άνθρακα (CO₂ ) και το μεθάνιο (CH₄ ). Και οι δύο συνδέονται πολύ στενά με τις ανθρωποκεντρικές δραστηριότητες και τεχνολογίες. Το διοξείδιο του άνθρακα συνδέεται με τα ορυκτά καύσιμα και το μεθάνιο με την κτηνοτροφία.

Ορισμένες ιδιότητες που σχετίζονται με αυτά τα αέρια ποικίλλουν σημαντικά σε σύγκριση με αυτές των πιο κοινών αερίων ενώσεων στο περιβάλλον μας – δηλαδή το οξυγόνο (O₂ ) που αποτελεί περίπου το 21% της ατμοσφαιρικής μας σύνθεσης και του αζώτου (N₂ ) που αποτελεί περίπου το 78% της ατμοσφαιρικής σύνθεσης της Γης.

Η ιδιότητα που είναι πιο σημαντικό να κατανοήσουμε σε σχέση με την κλιματική αλλαγή και την επιστήμη της κλιματικής αλλαγής είναι απλή – είναι η ιδιότητα της ειδικής θερμότητας. Είναι επίσης η ιδιότητα που οδηγεί το φαινόμενο του αερίου θερμοκηπίου της διατήρησης πρόσθετης θερμότητας και της μετατροπής αυτής της θερμικής ενέργειας σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Λοιπόν, τι είναι η ειδική θερμότητα;

Χαίρομαι που ρώτησες.

Η ειδική θερμότητα ορίζεται ως η ποσότητα θερμότητας ανά μονάδα μάζας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας μιας ουσίας, στοιχείου ή ένωσης κατά έναν βαθμό – συνήθως μετρούμενη σε Kelvin ή Κελσίου. *Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το δέλτα (ή η διαφορά) σε 1 βαθμό Κέλβιν ισοδυναμεί με δέλτα 1 βαθμού Κελσίου.

Αυτές οι συγκεκριμένες θερμότητες αλλάζουν ανάλογα με έναν αριθμό μεταβλητών – όπως η τρέχουσα θερμοκρασία, η ατμοσφαιρική πίεση κ.λπ.

Για λόγους απλότητας, θα εξετάσουμε αρχικά τις διάφορες ειδικές θερμότητες σε όλα αυτά τα αέρια σε 1 ATM (ατμοσφαιρική πίεση) και θερμοκρασία 80 °F (26,67 βαθμοί Κελσίου) που είναι βολικά η ίδια θερμοκρασία στο Όστιν του Τέξας σήμερα … τον Νοέμβριο.

Όλες οι μετρήσεις της ειδικής θερμότητας είναι σε kj/(kg*K) ή kilojoules ανά κιλό Kelvin. (τα χιλιοτζούλια είναι μια μονάδα ενέργειας, το κιλό είναι μια μονάδα μάζας, το Kelvin είναι μια μονάδα θερμοκρασίας)

• Οξυγόνο:0,918
• Άζωτο:1.040
• Διοξείδιο του άνθρακα:0,846
• Μεθάνιο:2,26

Σε αυτή τη θερμοκρασία, το διοξείδιο του άνθρακα απαιτεί 7,84% λιγότερη θερμική ενέργεια από το οξυγόνο για να αυξηθεί η θερμοκρασία κατά ένα βαθμό Κελσίου (ή 1,7 °F) ανά μονάδα μάζας. Στο ίδιο σενάριο, το διοξείδιο του άνθρακα απαιτεί 18,65% λιγότερη θερμική ενέργεια από το άζωτο για να αυξήσει τη θερμοκρασία κατά ένα βαθμό Κελσίου (ή 1,7 °F).

Ένας άλλος τρόπος να το δούμε αυτό? Το διοξείδιο του άνθρακα είναι σημαντικά πιο εύκολο να αυξηθεί σε θερμοκρασία υπό την ίδια ποσότητα θερμικής ενέργειας σε σύγκριση με εκείνη του οξυγόνου ή του αζώτου.

Ένα πρόσθετο στοιχείο στην κλιματική αλλαγή είναι η ατμοσφαιρική θερμική συγκράτηση ή πόση περισσότερη αρνητική ενέργεια χρειάζεται για να μειωθεί η θερμοκρασία ενός αερίου σε σύγκριση με ένα άλλο.

Από αυτή την άποψη, το μεθάνιο είναι ένα αέριο που είναι πολύ πιο δύσκολο να κρυώσει μόλις θερμανθεί σε σύγκριση με το οξυγόνο ή το άζωτο.

Χρησιμοποιώντας τις ειδικές θερμότητες που αναφέρονται παραπάνω, παρατηρείται ότι το μεθάνιο απαιτεί 2,46 φορές την ποσότητα αρνητικής θερμικής ενέργειας για να μειωθεί κατά ένα βαθμό Κελσίου σε σύγκριση με εκείνη του οξυγόνου και 2,17 φορές περισσότερη αρνητική θερμική ενέργεια για να μειωθεί σε βαθμούς Κελσίου σε σύγκριση με το άζωτο.

Κοινό και λογικό αντεπιχείρημα

Όταν παρουσιάζονται αυτές οι πληροφορίες, οι σκεπτικιστές ανατρέπουν εγγενώς αυτές τις προοπτικές και λένε ότι το διοξείδιο του άνθρακα είναι πιο εύκολο να κρυώσει κατά ένα βαθμό Κελσίου και ότι το μεθάνιο είναι X% πιο δύσκολο να αυξήσει τη θερμοκρασία — οπότε γιατί να ανησυχείτε; Αν και είναι τεχνικά αληθές, είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι η Γη βρίσκεται πάντα υπό σταθερή θερμότητα/θερμική ενέργεια χάρη στον αντιδραστήρα σχάσης/σύντηξης στο ηλιακό μας σύστημα. Το αντίστροφο των καταστάσεων που παρουσιάζονται παραπάνω δεν συμβαίνει συχνά ή με την ίδια ένταση σε ολόκληρο τον κόσμο. Έτσι το αντεπιχείρημα, αν και φαίνεται λογικό εκ πρώτης όψεως, είναι μηδενικό.

Ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό με αυτές τις ειδικές θερμοκρασίες είναι η έννοια της σταθερότητας σε εύρος θερμοκρασιών ή η διακύμανση της ειδικής θερμότητας με βάση τις παρούσες θερμοκρασίες. Αυτό επηρεάζει επίσης την κλιματική αλλαγή και τις ατμοσφαιρικές ιδιότητες.

Όπως αναφέρθηκε στην αρχή του άρθρου, αυτές οι συγκεκριμένες θερμότητες αλλάζουν ανάλογα με τη θερμοκρασία – η οποία στη συνέχεια επηρεάζει τη σχέση της ποσότητας θερμικής ενέργειας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας των αερίων κατά ένα βαθμό Κελσίου.

Ας διερευνήσουμε πώς οι διαφορετικές σημερινές θερμοκρασίες επηρεάζουν τις ειδικές θερμότητες αυτών των αερίων.

Για αναφορά, θα μετρήσουμε την ειδική θερμότητα σε ένα εύρος ακραίων θερμοκρασιών που έχουν συμβεί στη Γη. Στο χαμηλότερο άκρο, ο χάρτης δείχνει από -99,4 °F και στο υψηλότερο άκρο, ο χάρτης δείχνει 126 °F.
*Σημείωση, η χαμηλότερη καταγεγραμμένη θερμοκρασία στη Γη ήταν -128,6 °F, μετρημένη σε Ανταρκτική το 1983. Η υψηλότερη καταγεγραμμένη και επιβεβαιωμένη θερμοκρασία στη Γη μέχρι σήμερα είναι στους 129°F, η οποία μετρήθηκε στο Κουβέιτ το 2016.

Ενώ το πρώτο γράφημα μπορεί να φαίνεται σαν να μην αλλάζει σχεδόν καθόλου, το δεύτερο γράφημα δείχνει την πραγματική παραλλαγή.

Αυτό το δεύτερο διάγραμμα μετρά την ποσοστιαία μεταβολή της ειδικής θερμότητας μεταξύ των θερμοκρασιών σε σύγκριση με την ειδική θερμότητα κάθε αερίου ενώ είναι στους -99,4 °F.

Όπως μπορείτε να δείτε, οι διαφορές που βασίζονται στην ποσοστιαία αλλαγή στο εύρος θερμοκρασίας είναι πολύ πιο εύκολο να διακριθούν – και υποδηλώνει τη μεγάλη διακύμανση στη σταθερότητα/συνοχή στην ειδική θερμότητα για αυτά τα αέρια σε όλο το φάσμα θερμοκρασίας.

Παρατηρήσεις

• Η ειδική θερμότητα του αζώτου είναι απίστευτα σταθερή σε όλο το φάσμα θερμοκρασίας που υπάρχει στη Γη, αλλάζει μόνο ~0,096% όταν παρατηρείται από -99,4 °F και 126 °F
• Η ειδική θερμότητα του οξυγόνου είναι πολύ σταθερή σε όλο το φάσμα θερμοκρασίας που υπάρχει στη Γη, αλλάζει μόνο ~1,4% όταν παρατηρείται από -99,4 °F και 126 °F
• Η ειδική θερμότητα τόσο του μεθανίου όσο και του διοξειδίου του άνθρακα μεταβάλλεται δραστικά σε όλο το φάσμα θερμοκρασίας που υπάρχει στη Γη, μεταβάλλοντας ~9,8% και ~18,5% αντίστοιχα όταν παρατηρείται από -99,4 °F και 126 °F

(Αυτά είναι τα σημεία δεδομένων που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία αυτών των γραφημάτων)

	Άζωτο	Οξυγόνο	Μεθάνιο	Διοξείδιο του άνθρακα
-99,4 °F	1.039	0,91	2.087	0,735
– 55,4 °F	1.039	0.911	2.121	0,763
– 9,4 °F	1.039	0.913	2.156	0,791
35,6 °F	1.039	0,915	2.191	0,819
80,6 °F	1.04	0,918	2.226	0.846
126 °F	1.04	0.923	2.293	0.871

*Πηγή:μεταγλωττίστηκε από διάφορους πόρους μέσω του Engineeringtoolbox.com

Βασικά συμπεράσματα/Υπενθυμίσεις

• Η Γη βρίσκεται κάτω από μια σταθερή πηγή θερμότητας (τον ήλιο).
• Το διοξείδιο του άνθρακα απαιτεί σημαντικά λιγότερη θετική θερμική ενέργεια για να αυξηθεί η θερμοκρασία.
• Το μεθάνιο απαιτεί σημαντικά περισσότερη αρνητική θερμική ενέργεια για να μειωθεί η θερμοκρασία μόλις θερμανθεί.
• Ακόμη και στο πιο ζεστό άκρο του τρέχοντος εύρους θερμοκρασίας της Γης, το διοξείδιο του άνθρακα εξακολουθεί να απαιτεί 5,6% λιγότερη θερμική ενέργεια από το οξυγόνο για να αυξηθεί κατά ένα βαθμό Κελσίου και 16,25% λιγότερη θερμική ενέργεια από το άζωτο για να αυξηθεί κατά ένα βαθμό Κελσίου.
• Όσο πιο ζεστό γίνεται το αέριο μεθάνιο, τόσο περισσότερη αρνητική θερμική ενέργεια χρειάζεται για να μειωθεί η θερμοκρασία του.
• Η αυξημένη απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα και μεθανίου στην ατμόσφαιρα σε τεράστιο όγκο/κλίμακα από τα ορυκτά καύσιμα και τη γεωργία ζώων διαταράσσει την ατμοσφαιρική ειδική θερμική σταθερότητα που επέτρεψε σε ένα κλίμα για τους ανθρώπους να εξελιχθούν ως το κυρίαρχο γνωστικό είδος. li>

Εν ολίγοις, η κλιματική αλλαγή υπάρχει και η ανθρωπογενής δραστηριότητα την επηρεάζει. Η κατανόηση των ειδικών διαφορών θερμότητας σε αυτά τα αέρια είναι το θεμέλιο για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η ανθρωπότητα επηρεάζει την κλιματική αλλαγή. Πρέπει επίσης να κατανοήσουμε την κλίμακα στην οποία απελευθερώνονται αυτά τα αέρια μέσω ανθρωποκεντρικών δραστηριοτήτων – αυτό θα είναι το θέμα μελλοντικών άρθρων.

Ενώ τα παραπάνω απλοποιούν τη θερμοδυναμική σε εύπεπτα κομμάτια, είναι ακόμα σαφές ότι η συνεχιζόμενη αυξημένη απελευθέρωση αυτών των αερίων έχει αντίκτυπο στην ατμόσφαιρά μας. Οποιαδήποτε άρνηση των βασικών, επαληθευμένων και επαναλαμβανόμενων επιστημονικών παρατηρήσεων και αληθειών που αναφέρονται παραπάνω αποτελεί ένδειξη άρνησης αποδοχής ενός γεγονότος ως γεγονός.

Ευχαριστούμε για την ανάγνωση!

Ήταν αυτό χρήσιμο και έχει νόημα; Έχετε μεγαλύτερη κατανόηση του θέματος από πριν; Υπάρχουν κενά στην εξήγηση που θα ήταν ωφέλιμο να διευκρινιστούν; Είστε ακόμα έντονα αντίθετοι με τις επιστημονικές αρχές και την ικανότητα να εξηγήσετε πώς οι άνθρωποι προκαλούν την κλιματική αλλαγή;

Πείτε μου τη γνώμη σας στα σχόλια.

Εάν έχετε βρει πολύτιμες τις πληροφορίες που μοιράζεστε εδώ και έχετε μάθει κάτι νέο, σκεφτείτε να τις μοιραστείτε με τους φίλους και τους συναδέλφους σας. Ο μόνος τρόπος για πρόοδο είναι να έχουμε κοινή γνώση για να καταπολεμήσουμε επαρκώς τις αρνητικές μας επιρροές στον κόσμο και να ανοίξουμε το δρόμο για μια θετική κληρονομιά γενεών.

——————————————————————————————————
Ο Matthew A. Gallagher είναι συγγραφέας, LSU Απόφοιτος και ψηφιακός επιχειρηματικός σύμβουλος πλήρους απασχόλησης.

Το πρώτο του βιβλίο, «The Influence of Man», εισάγει πλαίσια για την ανάλυση των ανθρωπογενών παραγόντων της κλιματικής αλλαγής με βάση την αέρια παραγωγή τους και τις σχετικές θερμικές ιδιότητες. Είναι υποψήφιος για το Forbes 30 Under 30 για το 2018 στην κατηγορία της επιστήμης για το έργο του στην επιστήμη της κλιματικής αλλαγής και στη βασική μαθηματική ανάλυση — και τα δύο παρουσιάζονται στο «The Influence of Man».

Αναφορές:

• Ορισμός της ειδικής θερμότητας:http://www.dictionary.com/browse/specific-heat
• Η ατμοσφαιρική σύνθεση της Γης:https://www.space.com/17683-earth-atmosphere.html
• Ειδικό θερμικό διάγραμμα οξυγόνου https://www.engineeringtoolbox.com/oxygen-d_978.html
• Διάγραμμα ειδικής θερμότητας αζώτου https://www.engineeringtoolbox.com/nitrogen-d_977.html
• Ειδικό θερμικό διάγραμμα διοξειδίου του άνθρακα https://www.engineeringtoolbox.com/carbon-dioxide-d_974.html
• Διάγραμμα ειδικής θερμότητας μεθανίου https://www.engineeringtoolbox.com/methane-d_980.html