Aerozole, zmiany klimatyczne i dramatyczna porażka prawa Plancka

W 1991 roku erupcja Mount Pinatubo na Filipinach uwolniła do górnych warstw atmosfery około 20 milionów ton dwutlenku siarki. Dwutlenek siarki reaguje z innymi substancjami, tworząc unoszące się w powietrzu nanocząsteczki zwane aerozolami siarczanowymi, które mają tendencję do odbijania światła słonecznego.

W konsekwencji w ciągu dwóch lat po erupcji globalna temperatura spadła o około pół stopnia.

Wpływ aerozoli na klimat Ziemi jest niezwykle ważny, ale zadziwiająco złożony. Oprócz chłodzenia Ziemi, niektóre aerozole, takie jak sadza, mają tendencję do pochłaniania światła słonecznego i podgrzewania atmosfery.

Ogromnym nierozstrzygniętym pytaniem w klimatologii jest to, jak równoważą się te procesy absorpcji ciepła i odbicia.

Częściowo problem polega na tym, że nikt nie rozumie, w jaki sposób nanocząstki pochłaniają i emitują ciepło. Teoretycznie proces ten rządzi się prawem Plancka, które opisuje ilość promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez idealne ciało doskonale czarne w danej temperaturze.

Ale w praktyce rzeczywiste obiekty nie emitują ciepła idealnie, więc fizycy muszą zastosować współczynnik korekcyjny zwany emisyjnością widmową. Zależy to od właściwości powierzchni obiektu – na przykład od materiału i chropowatości.

Jednak w ostatnich latach pojawiły się kuszące dowody wskazujące, że kształt i objętość obiektu również mogą odgrywać rolę w tym procesie.

Dzisiaj Christian Wuttke i Arno Rauschenbeutel z Politechniki Wiedeńskiej w Austrii po raz pierwszy pokazują, jak i dlaczego to prawda.

Wskazują, że gdy obiekt jest duży w porównaniu z długością fali promieniowania, które emituje, dominują efekty powierzchniowe. Ale gdy obiekt jest mały w porównaniu do długości fali, promieniowanie może być emitowane z dowolnego punktu w jego objętości. W takim przypadku geometria cząstki musi odgrywać rolę.

Aby to udowodnić, zmierzyli ciepło emitowane przez nanowłókien krzemowy o średnicy 500 nm, które jest znacznie mniejsze niż długość fali promieniowania cieplnego.

Pokazują, że tej emisji ciepła nie da się opisać prawem Plancka, nawet przy zastosowaniu współczynnika korygującego.

Zamiast tego Wuttke i Rauschenbeutel dokładnie modelują dane wyjściowe za pomocą innej teorii zwanej elektrodynamiką fluktuacyjną, która uwzględnia geometrię eksperymentu.

W efekcie pokazują, że elektrodynamika fluktuacyjna może dokładnie modelować charakterystykę pochłaniania ciepła i emisji nanoobiektów, po raz pierwszy było to możliwe.

Będzie to miało istotne implikacje dla produkcji urządzeń emitujących ciepło, takich jak żarówki, które mogłyby być znacznie wydajniejsze energetycznie, gdyby emisja ciepła była dokładniej kontrolowana.

Ale największy wpływ prawdopodobnie będzie miał na klimat. Wyniki te mogą również prowadzić do lepszego zrozumienia wpływu cząstek stałych, takich jak aerozole pyłu mineralnego z erozji gleby i sadza ze źródeł spalania, na system klimatyczny poprzez absorpcję i emisję promieniowania słonecznego i cieplnego, twierdzą Wuttke i Rauschenbeutel.

To nowe podejście oznacza, że ​​powinno być możliwe określenie właściwości termicznych poszczególnych nanocząstek na podstawie pierwszych zasad.

Będzie to długi i złożony proces, ale powinien być kluczowym elementem w przyszłych modelach wpływu aerozoli na klimat.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1209.0536 : Badanie prawa Plancka dla obiektu cieńszego niż długość fali termicznej

ukryć