Efekt cieplarniany

Zagadnienia

• Gazy cieplarniane
• Równowaga termiczna
• Równowaga radiacyjna
• Albedo
• Klimat

Opis

Jak gazy cieplarniane wpływają na klimat? Poznaj atmosferę w epoce lodowcowej i dziś. Co się stanie, gdy dodasz chmury? Zmień koncentrację gazów cieplarnianych i zobacz, jak zmienia się temperatura. Następnie porównaj to z efektem szklarniowym. Powiększ i zobacz, jak światło oddziałuje z cząsteczkami. Czy wszystkie gazy atmosferyczne przyczyniają się do efektu cieplarnianego?

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar, sierpień 2023)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Opisz wpływ gazów cieplarnianych i chmur na światło słoneczne, promieniowanie podczerwone i temperaturę powierzchni.
• Wyjaśnij, dlaczego gazy cieplarniane wpływają na temperaturę.
• Porównaj i skonfrontuj zachowanie światła słonecznego i promieniowania podczerwonego.
• Opisz równowagę radiacyjną i wykorzystaj ją do wyjaśnienia zależności między temperaturą powierzchni a stężeniem gazów cieplarnianych.
• Porównaj działanie gazów cieplarnianych z działaniem warstw pochłaniających podczerwień.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Globalne ocieplenie (ZPE)
• Wpływ efektu cieplarnianego na klimat Ziemi (ZPE)
• Globalne ocieplenie klimatu (ZPE)
• Globalne ocieplenie (ZPE)
• Efekt cieplarniany – ABC (naukaoklimacie.pl)
• Efekt cieplarniany – jak to działa (naukaoklimacie.pl)

Sterowanie symulacją

Ekran Fale (link bezpośredni)

Dostosuj stężenie gazów cieplarnianych i obserwuj wpływ na fale podczerwone i temperaturę powierzchni. Zmierz bilans energetyczny w górnej części atmosfery.

Ekran Fotony (link bezpośredni)

Obserwuj energię światła słonecznego i podczerwieni w postaci fotonów. Eksperymentuj ze stężeniem gazów cieplarnianych i mierz strumień energii w atmosferze.

Ekran Model warstwowy (link bezpośredni)

Modeluj gazy cieplarniane jako warstwy pochłaniające podczerwień. Kontroluj intensywność nasłonecznienia, albedo powierzchni i absorpcję podczerwieni i obserwuj wpływ na zachowanie fotonów i temperaturę.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Efekt cieplarniany chcesz uwzględnić tylko pierwszy i drugi ekran (screens=1,2), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/greenhouse-effect_all.html?screens=1,2&initialScreen=2

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/greenhouse-effect_all.html?locale=pl&screens=1,2&initialScreen=2

Parametr query i opis	Przykładowe linki
defaultTemperatureUnits - określa domyślne jednostki temperatury, F, K, C (domyślne).	defaultTemperatureUnits=K defaultTemperatureUnits=F
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=3
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
audio - jeśli muted, dźwięk jest domyślnie wyciszony. Jeśli disabled, cały dźwięk jest trwale wyłączony.	audio=muted audio=disabled
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false
supportsPanAndZoom - gdy false, uniemożliwia przesuwanie i powiększanie symulacji za pomocą pinch-to-zoom lub elementów sterujących zoomem przeglądarki. Domyślnie jest true.	supportsPanAndZoom=false

Menu Preferencje

Po kliknięciu ikony menu Preferencje otworzy się okno, w którym w odpowiednich sekcjach możemy zaznaczyć żądane opcje:

Gdy adres URL symulacji kończy się na "_all.html", dodatkowo pojawia się sekcja Lokalizacja, w której możemy dokonać wyboru języka:

Ułatwienia dostępu

Sterowanie za pomocą klawiatury - skróty klawiszowe

Generalnie sterujemy symulacją za pomocą myszy lub dotyku. Alternatywnie uczniowie mogą też nawigować i sterować elementami interaktywnymi za pomocą klawiatury. Po kliknięciu otworzy się okno z listą obsługiwanych skrótów.

Przy aktywnym ekranie:

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Uproszczenia / założenia modelu

• Symulacja wymaga czasu, aby osiągnąć równowagę. Należy pamiętać, że atmosfera może osiągnąć równowagę radiacyjną przed ustabilizowaniem się temperatury powierzchni. Aby uzyskać najlepsze wyniki, pozwól układowi osiągnąć równowagę przed rozpoczęciem nowego eksperymentu.
• Symulacja modeluje czynniki wywołujące efekt cieplarniany, a nie skutki zmian klimatu. Niewielkie zmiany stężenia gazów cieplarnianych mogą jednak prowadzić do znaczących następstw.
• Model ilustruje podstawową koncepcję efektu cieplarnianego. Pokazuje tylko dwa rodzaje promieniowania – światło widzialne i podczerwień. Nie modeluje absorpcji i emisji specyficznej dla długości fali. Model nie uwzględnia wyraźnie określonych gazów cieplarnianych. Zwiększanie stężenia gazów cieplarnianych zwiększa prawdopodobieństwo absorpcji promieniowania podczerwonego.
• Kiedy fotony zostaną zaabsorbowane przez gaz cieplarniany lub warstwę pochłaniającą podczerwień, na krótko znikną i pojawią się ponownie po emisji. Wyemitowany foton ma takie samo prawdopodobieństwo, że zostanie skierowany na powierzchnię lub wysłany w przestrzeń kosmiczną.
• Ograniczamy kierunek emitowanych fotonów podczerwieni, aby ułatwić ich śledzenie. Fotony podczerwieni biegną w przybliżeniu prostopadle do ziemi, gdy są emitowane po raz pierwszy. Są one losowo odchylane do 60°, gdy są emitowane przez gazy cieplarniane lub warstwę pochłaniającą podczerwień.
• Modelujemy światło słoneczne jako znajdujące się całkowicie w widmie widzialnym. W rzeczywistości widmo ciała doskonale czarnego Słońca osiąga maksimum w zakresie widzialnym, ale obejmuje także podczerwień i inne długości fal.
• Reprezentacja fali wykorzystuje grubość obrysu i nieprzezroczystość do wskazania natężenia. Im grubsza i bardziej nieprzezroczysta fala, tym większe natężenie promieniowania.
• Stosunek fotonów światła widzialnego do fotonów podczerwieni wynosi 5:1, co nie jest dokładne, ale oddaje właściwą sytuację.
• Zamglenie służy jako wizualny wskaźnik stężenia gazów cieplarnianych, chociaż w rzeczywistości gazy cieplarniane są bezbarwne.
• Chmura służy do modelowania albedo. Ziemia na ekranach Fale i Fotony ma albedo równe 0,2. Dodanie chmury zwiększy albedo do 0,3, aby dopasować je do średniego albedo Ziemi.
• Chmura nie wprowadza do atmosfery dodatkowej pary wodnej i nie ma wpływu na stężenie gazów cieplarnianych.
• Model jest kalibrowany w celu dopasowania średnich temperatur powierzchni z zadanych przedziałów czasowych. Chmura jest zawsze włączona, aby temperatury odpowiadały rzeczywistej średniej dla tych lat.
• Podając rzeczywiste stężenie gazów cieplarnianych w różnych okresach, nie uwzględniamy pary wodnej. Para wodna jest najobficiej występującym gazem cieplarnianym w atmosferze, ale jest gazem skraplającym się, a jej stężenie zależy od temperatury atmosfery. To sprawia, że para wodna jest jedynym gazem cieplarnianym, którego stężenie wzrasta w wyniku ocieplania się atmosfery i powoduje jej jeszcze większe ocieplenie.
• Różnice w strumieniu energii przy różnych stężeniach gazów cieplarnianych lub okresach będą bardziej zauważalne bliżej powierzchni. Dzieje się tak, ponieważ gęstość gazów cieplarnianych w atmosferze zmniejsza się wraz z wysokością.
• Na ekranie Model Warstwowy temperatura warstwy nie będzie wyświetlana do czasu zaabsorbowania pierwszego fotonu.
• Ze względu na zakres intensywności nasłonecznienia i albedo powierzchni, na ekranie Model Warstwowy można uzyskać szerszy zakres temperatur powierzchni.
• Więcej informacji dotyczących założeń modelu można uzyskać tu (en)

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Opisz wpływ gazów cieplarnianych na promieniowanie podczerwone i temperaturę powierzchni.
• Wyjaśnij, w jaki sposób bilans energii zmienia się w następstwie zmian stężenia gazów cieplarnianych.
• Zmierz strumień energii w atmosferze. Jakie czynniki wpływają na strumień energii?
• Porównaj zachowanie warstw pochłaniających podczerwień z gazami cieplarnianymi w atmosferze.
• Określ wszystkie czynniki wpływające na temperaturę powierzchni.

Model mikroskopowy

• Użyj Cząsteczki i promieniowanie elektromagnetyczne, aby zbudować mikroskopowy model efektu cieplarnianego. Porównaj zachowanie gazów cieplarnianych z innymi gazami atmosferycznymi.
• Użyj zakładki Absorpcja fotonu w starszej wersji efektu cieplarnianego, aby zbudować model atmosfery i obserwować, jak fotony podczerwieni i światła widzialnego oddziałują z cząsteczkami.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Efekt cieplarniany tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).