Komunikaty

Ostatnio dużo uwagi poświęca się zmianom klimatycznym, groźbie globalnego ocieplenia. Często za głównego winowajcę uważa się efekt cieplarniany. Do opinii publicznej
przebiło się przekonanie, że przyczyną tego efektu jest niszcząca działalność przemysłowa człowieka.
Sprawa jednak nie jest tak prosta jak się na oko wydaje. Zrozumienie jej wymaga głębszego wglądu w zjawiska fizyczne, meteorologiczne i geologiczne. W tym zeszycie Neutrina podejmujemy próbę wytłumaczenia Wam, na czym polega efekt cieplarniany i jaki
może mieć związek z ewentualnym ociepleniem klimatu.
Zajmiemy się również atmosferą marsjańską, a to z powodu ostatnich odkryć naukowych dokonanych dzięki NASA. Otóż potwierdzono obecność nie tylko wody, ale i metanu na Marsie. Otwiera to drogę spekulacjom na temat różnych form życia na tej planecie.
Zachęcamy do lektury artykułu o odkryciach NASA.
Spis treści
Efekt cieplarniany i prawa fizyki...............................................................................1
Czy globalne ocieplenie jest spowodowane działalnością człowieka?....................3
Polska Stacja Polarna w Hornsundzie na Spitsbergenie w krainie
białych niedźwiedzi..................................................................................................6
Energie małe, wielkie i takie sobie...........................................................................7
Ziemianie atakują.....................................................................................................8
Metan na Marsie....................................................................................................13
Spotkanie z amerykańskim astronautą Georgem Zamką......................................14
Mikrograwitacja......................................................................................................16
Doświadczenia.......................................................................................................17
Pomyśl i odpowiedz...............................................................................................19
Unikalna nano-biżuteria.........................................................................................21
Komunikaty
Lwiątko – http://lwiatko.org – Finał Konkursu 30.III.2009
Świetlik – www.swietlik.edu.pl – Finał Konkursu 24.III.2009
Akademia Fizyki – http://www.if.uj.edu.pl/akademia/akademia.htm
– sesja dla gimnazjalistów – 10 lutego 2009
– sesja dla licealistów –11–13 lutego 2009
Feniks – długofalowy program odbudowy, popularyzacji i wspomagania
fizyki w szkołach w celu rozwijania podstawowych kompetencji naukowotechnicznych, matematycznych i informatycznych uczniów.
Portal projektu: http://feniks.ujk.kielce.pl/
Neutrino 3
Efekt cieplarniany i prawa fizyki
Skąd pochodzi nazwa „efekt cieplarniany”?
Nazwa cieplarnia (inaczej szklarnia), oznacza pomieszczenie zbudowane z przeźroczystego materiału, w którym hoduje się ciepłolubne rośliny. W szklarni, dzięki padającemu w obfitości światłu, można utrzymać temperaturę znacznie wyższą niż temperatura
otocznia. Jak to się dzieje? Otóż powietrze i ściany szklarni są przeźroczyste dla światła.
Padające na grunt światło jest w nim pochłaniane i zostawia w nim energię. W efekcie
grunt się nagrzewa, a od niego powietrze w szklarni. To ciepłe powietrze jest następnie
uwięzione w szklarni. Na zewnątrz szklarni dzieje się to samo, tyle tylko, że na zewnątrz
ciepłe powietrze unosi się ku górze, ponieważ ma mniejszą gęstość niż zimne powietrze
(Mistrz Archimedes się nisko kłania). Ten proces nazywa się konwekcją. W szklarni ciepłe
powietrze zatrzymywane jest przez dach.
Co ma szklarnia do ziemskiego efektu cieplarnianego?
Jest pewna analogia pomiędzy procesem nagrzewania powierzchni Ziemi i otaczającego
ją powietrza a efektem szklarniowym.
Otóż Ziemia jest otulona płaszczem z powietrza. Skład powietrza zmienia się w miarę
wysokości. Jedna z wyższych warstw zawiera takie gazy jak CO2 czyli dwutlenek węgla
i parę wodną (w formie gazowej lub skroploną widoczną jako chmury) oraz freony. Ta warstwa pełni rolę szklanego dachu Ziemi, z tym, że jej działanie jest nieco inne. Nie tyle
zatrzymuje ona unoszące się ku górze nagrzane powietrze, ile pochłania i odbija promieniowanie podczerwone emitowane przez Ziemię. I to promieniowanie podczerwone
zawracane ku Ziemi nagrzewa ją.
Proces ten przedstawia poniższa ilustracja (źródło: Wikipedia)
Neutrino 3
Dlaczego Ziemia wysyła promieniowanie podczerwone?
Na to pytanie odpowiadają prawa fizyki.
Jedno z tych praw doskonale znacie. Mówi ono, że jeśli mamy dwa ciała o różnej
temperaturze, to między nimi występuje wymiana energii. Trwa ona dopóki temperatura
się nie wyrówna.
Każdy wie, że gorące ciało, niepodgrzewane, stygnie. Stygnie do czasu, gdy jego temperatura nie zrówna się z temperaturą otoczenia. Słońce nie stygnie, bo ma wewnętrzny
piec jądrowy – magazyn energii. Energia jest z niego uwalniana stopniowo w przestrzeń
kosmiczną wraz z promieniowaniem, w tym – z życiodajnym światłem.
Jeśli temperatura ciała jest stała, to zachowana jest równowaga – ciało oddaje tyle
samo energii, ile pobiera (np. Słońce ze swojego pieca jądrowego).
A jak jest z nasza Ziemią? Jej temperatura wydaje się być stała. Zastanówmy się nad
bilansem energii i porównajmy przychody z wydatkami. Przychody, to przede wszystkim
padające na Ziemię światło. Ono przynosi energię. Ziemia ma też stosunkowo malutki
piecyk jądrowy we wnętrzu, który także trzeba wziąć pod uwagę.
Teraz wydatki: Ziemia stygnie, przez wypromieniowanie fal elektromagnetycznych,
w tym – podczerwonych. One, oczywiście, unoszą energię. Istnieje fundamentalne prawo
fizyczne, dobrze znane i potwierdzone, które mówi, że każde ciało o pewnej temperaturze wypromieniowuje energię w postaci fal elektromagnetycznych. Tak jak wszystkie fale,
również i fala elektromagnetyczna ma pewną częstość.
Ciała wysyłają promieniowanie o pełnym zakresie częstości. To, ile promieniowania i o jakich częstościach
jest wysyłane zależy jedynie od temperatury bezwzględnej ciała. Mówimy uczenie o widmie promieniowania ciała. Najwięcej energii przypada na częstość
nazwaną fmax, której wartość jest proporcjonalna do
temperatury. Im wyższa temperatura ciała, tym fmax
jest większe; objawia się to kolorem rozgrzanego ciała. Mamy ciała rozgrzane do czerwoności, ale o tych
rozgrzanych jeszcze bardziej mówimy, że są rozgrzane do białości. Jak temperatura ciała rośnie, to rośnie
również (jak temperatura bezwzględna do czwartej potęgi!) ilość energii wypromieniowanej przez ciało.
Słońce
Fizycy mówią o promieniowaniu ciała dosko- (źródło: http://www.nasa.gov/audiennale czarnego i jego widmie. Brzmi to zabawnie, ale ce/forkids/kidsclub/flash/index.html)
Słońce zachowuje się jak idealne ciało doskonale czarne, zresztą Ziemia też. Prawo dotyczące promieniowania ciał mówi też, że ciała, które
emitują promieniowanie, również je absorbują, czyli pochłaniają. (Ciało, które absorbuje
wszystko, jest czarne).
Z Ziemią jest tak, że pochłania światło, a sama wysyła promieniowanie niewidzialne
dla oka, podczerwone. Ziemia jest przecież w sumie dość chłodna.
My, ludzie też wysyłamy promieniowanie podczerwone. Potrafią je rejestrować kamery noktowizyjne. Niektóre zwierzęta, drapieżniki, też mają zdolność widzenia w podczerwieni.
Co się dzieje z promieniowaniem podczerwonym wysyłanym przez Ziemię?
Leci sobie w Kosmos swobodnie, chyba, że zostanie pochłonięte przez warstewkę gazów, takich jak CO2, aerozole i para wodna. Ta warstwa częściowo odbija to promieniowanie ku Ziemi i wtedy ono dogrzewa Ziemię.
Neutrino 3
Globalne ocieplenie
To, przy jakiej temperaturze ustali się stan równowagi, zależy od grubości i składu tej
warstewki ochronnej. Widzimy, że bilans energetyczny Ziemi musimy trochę skorygować.
Wydatki są nieco mniejsze, a przychód energii większy, bo część energii wraca na Ziemię
z powrotem.
Podniesienie temperatury równowagi może spowodować globalne ocieplenie.
Pojawiają się kolejne problemy do wyjaśnienia:
Co wpływa na zwiększenie ilości CO2 w atmosferze, jaki jest udział CO2 w procesie wzrostu temperatury Ziemi, jaki pary wodnej, a jaki freonów? Kiedyś myślano, że bardzo duży.
Obecnie sądzi się, że niekoniecznie.
Co ma wpływ na zmiany klimatyczne? Czy działalność człowieka zaburza równowagę
klimatyczną? Czy może to udział CO2 z innych źródeł, takich jak erupcja wulkanów, czy
uwalniany CO2 i para wodna z oceanów jest istotniejszy?
Czy wzrost ilości CO2 w atmosferze powoduje wzrost średniej temperatury Ziemi, czy
może na odwrót, ocieplenie Ziemi, powoduje wzrost ilości CO2. Co mówią na ten temat
paleontolodzy, geolodzy, glacjolodzy?
Do udzielenia odpowiedzi na te pytania nie wystarczy znajomość fundamentalnych
praw przyrody, trzeba ponadto zbudować wiarygodne modele. Aby je zbudować należy
dysponować pomiarami z wielu lat i komputerami o potężnej mocy obliczeniowej. Na tym
polu poszczególni uczeni mogą się różnić zdaniem. Przewidywania modeli także nie muszą być jednoznaczne. Jeśli wyciąga się wnioski jedynie na podstawie fundamentalnych
praw fizyki, to można mieć do nich stuprocentowe zaufanie. Jeśli prognozuje się przyszłość na podstawie modeli, należy zachować ostrożność i pokorę wobec przewidywań.
Czytelników zainteresowanych tym tematem zapraszamy do kolejnego artykułu specjalisty, profesora Kolendy oraz odsyłamy do Fotonu, do artykułu profesora Kazimierza Bodka. Solidny artykuł na temat efektu cieplarnianego można znaleźć w Wikipedii, skąd zaczerpnęliśmy ilustracje do tego artykułu.
Z.G-M
Czy globalne ocieplenie jest spowodowane działalnością człowieka?
To, że istnieje naturalny efekt cieplarniany, nie podlega dyskusji. Na razie jednak nie
udało się znaleźć żadnego wyraźnego sygnału, że to emitowany przez naszą cywilizację
CO2 powoduje wzrost temperatury na Ziemi. Rola i czas przebywania tego gazu w atmosferze też nie zostały wyjaśnione.
Symulacje procesów zachodzących w atmosferze i prognozy wzrostu temperatury na
Ziemi są tworzone za pomocą modeli komputerowych. Otóż, na ich podstawie w ogóle
nie można przewidzieć co będzie się działo z klimatem za sto lat. Z zasadniczego powodu – klimat jest skomplikowanym zjawiskiem, więc w takich modelach wprowadza się
olbrzymie ilości różnego rodzaju współczynników, przybliżone prawa oraz dane, które są
z natury rzeczy obarczone błędami. A te błędy się kumulują. W chwili obecnej nie jest
możliwe stworzenie modelu klimatu, dzięki któremu bylibyśmy w stanie przewidzieć
wzrost temperatury za 100 lat.
IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change czyli Międzyrządowy Zespół do
spraw Zmian Klimatu.
Neutrino 3
Przewidywania wzrostu temperatury otrzymywane dzięki modelom matematycznym
IPCC okazały się trzykrotnie zawyżone w stosunku do tego, co później mierzono! Te
modele nie są też m.in. w stanie wyjaśnić niespodziewanego ocieplenia, które wystąpiło
w latach 1920–1940, ani późniejszego ochłodzenia trwającego do 1975 r. oraz wzrostu
temperatury, który zaczął się cztery lata później. Co więcej, badania osadów i lodów arktycznych dowodzą, że w przeszłości, kiedy nie było jeszcze cywilizacji i przemysłu, mieli-
Powyżej oryginalna słynna „krzywa hokejowa”. Nazwę wzięła od tego, że jej prawy
koniec zadziera ku górze, a sama krzywa przypomina kij hokejowy.
Na osi poziomej odłożone są lata od roku 1000, czyli od średniowiecza. Są to już
czasy historyczne, posiadamy zapisy dotyczące tego okresu naszych dziejów. Nie ma
jednak w nich oczywiście danych o pomiarach temperatury. Dlatego też na osi pionowej, choć odłożone są odstępstwa od średniej temperatury atmosfery z lat 1961–
–1990, to przedstawiają one jedynie nasze oszacowania. Prosta przerywana oznacza
tendencję z ostatniego tysiąclecia, obserwujemy lekki spadek. Ten spadek jest pod
koniec XX wieku zahamowany i zauważamy dziob do góry. W XX wieku wykonywano już pomiary temperatury w wielu miejscach na świecie. Widzimy, że wykres jest
poszarpany, a to oznacza zmiany w małej skali czasowej, czyli że np. jeden rok jest
wyjątkowo ciepły, ale następny z kolei jest zimny. Ważne są wartości wyśredniowane
po dłuższym czasie. Jeden rok w skali zmian klimatu, to tyle co nic, właśnie dlatego
na ilustracji widzimy fluktuacje.
Neutrino 3
śmy do czynienia z krótszymi bądź dłuższymi okresami zmian, których nie można wyjaśnić za pomocą żadnego z proponowanych modeli komputerowych klimatu (patrz artykuł
o Polskiej Stacji Polarnej na Spitsbergenie).
Jednym z głównych argumentów IPCC jest pewien wykres, tzw. „krzywa hokejowa”.
Krzywa ta, jak i analaogiczna dla stężenia CO2, pokazuje zarówno gwałtowny wzrost temperatury jak i stężenia CO2 w XX w., a zwłaszcza w jego ostatnich dekadach, co ma dowodzić zgubnego wpływu cywilizacji na atmosferę Ziemi. Jest ona jednak rezultatem błędnych pomiarów, błędnych wniosków albo wręcz celowego naginania wyników do z góry
przyjętej tezy.
Grupa uczonych wieszcząca globalne ocieplenie spowodowane działalnością ludzi
jest bardzo liczna i hałaśliwa. A nic się tak dobrze nie sprzedaje w mediach, jak katastroficzne wizje przyszłości. Grupa ta zdołała przekonać do swojej wizji polityków. To nie na
konferencji naukowej, czyli tam gdzie to ewentualnie powinno mieć miejsce, ale na tzw.
Szczycie Ziemi w Rio de Janeiro w 1992 r. przyjęto, że zjawisko globalnego ocieplenia
jako efekt działalności człowieka należy uznać za naukowo udowodniony fakt. Stwierdzenie to było wówczas i jest nadal fałszywe. Na podstawie analizy literatury na
temat globalnego ocieplenia można jasno stwierdzić, że wpływ człowieka na klimat
wcale nie został udowodniony. Należy pamiętać, że istnieje grupa naukowców bardzo
sceptycznych wobec wyników publikowanych przez IPCC. To są także wybitni specjaliści,
wśród których nie brak noblistów.
Protokół z Kioto nakazuje, że za redukcję emisji CO2 trzeba płacić i to miliardy dolarów.
Między innymi zobowiązuje on sygnatariuszy, aby do 2012 r. zmniejszyć emisję dwutlenku
węgla do poziomu o 5,2 proc. niższego niż w 1990 r. A to jest po prostu niemożliwe.
Produkcja energii elektrycznej z węgla i gazu, powodująca emisję CO2 do atmosfery,
podwoi się do 2030 r. I nie pomogą odnawialne źródła energii, bo nie będą w stanie zaspokoić popytu. Z powodu antyatomowej histerii Zielonych nie propaguje się również rozwoju
energetyki jądrowej, która nie wytwarza dwutlenku węgla. Więc jak zaspokoić zapotrzebowanie świata na energię? Spełnienie żądań Protokołu z Kioto oznaczałoby zmniejszenie
produkcji energii elektrycznej, czyli globalny krach cywilizacyjny. A tego chyba nikt, poza
grupą Zielonych radykałów, nie chce.
Na podst. wypowiedzi prof. Zygmunta Kolendy z AGH w Krakowie
w tygodniku „Polityka” 48/2006
Od Redakcji:
Redakcja Neutrina zachęca do lektury artykułu profesora Kazimierza Bodka O Czarnobylu, wiatrakach i ociepleniu klimatu – bez emocji... w Fotonie 103.
Polecamy też artykuł w „Przekroju” nr 49 (5 grudnia 2008) pt. Bardzo, bardzo sceptyczny ekolog. Jest to wywiad z uczonym Bjørnem Lomborgiem.
„Rzeczpospolita” zamieściła artykuł profesora Zbigniewa Jaworowskiego (9 grudnia
2008) Człowiek nie ma nic do klimatu.
Redakcja Neutrina podkreśla jednak, że apele o redukcję CO2 mają głęboki sens. Odwołują się do oszczędności i gospodarnego zarządzania zasobami kopalnymi. Z CO2 uwalniane są często do atmosfery gazy trujące, szkodliwe dla zdrowia, zatruwające atmosferę
i glebę. Niebezpieczne są np. dioksyny wydzielane przy spalaniu opon.
A zatem: ochrona środowiska – tak, ekologia – tak, ale zawsze rozumna z kalkulatorem w ręku.
Z.G-M
Neutrino 3
Polska Stacja Polarna w Hornsundzie na Spitsbergenie
w krainie białych niedźwiedzi
Polska Stacja Polarna położona jest nad Zatoką Białego Niedźwiedzia, będącą częścią
fiordu Hornsund. W latach trzydziestych ubiegłego stulecia Polacy zorganizowali trzy wyprawy na Spitsbergen (pozostałością po nich są polskie nazwy geograficzne, które na stałe zagościły na mapach wyspy, m.in. góry Kopernika, Piłsudskiego czy Staszica, Lodowiec
Polaków i wiele innych).
Latem 1978 roku stacja została zmodernizowana i przystosowana do ciągłej pracy całorocznej. Od tej pory
polscy polarnicy mogą w niej także zimować. Obecnie rozpoczęła się XXXI
ekspedycja polarna Polskiej Akademii
Nauk kierowana przez Marka Szymochę. Można zadać pytanie, po co Polsce potrzebna jest taka placówka jak
ta w Hornsundzie? W Polskiej Stacji
Polarnej wykonuje się wiele, nieraz
bardzo skomplikowanych badań naukowych, które między innymi prowadzą do lepszego zrozumienia ewentualnych zmian klimatu. Przez cały rok dokonywane
są niezliczone ilości różnego rodzaju obserwacji i pomiarów. Polacy badają między innymi
lodowce i ich topnienie, prowadzą rutynowe obserwacje pogody.
Polarnicy nie są ani bohaterami walczącymi z przeciwnościami przyrody, ani turystami
na atrakcyjnej wycieczce. Po prostu wykonują swoje zadania naukowe. Dobierani są starannie podczas procesu rekrutacyjnego, organizowanego przez Zakład Badań Polarnych
i Morskich Instytutu Geofizyki Polskiej Akademii Nauk.
XXXI wyprawa polarna, która obecnie zimuje na Spitsbergenie, ma w swojej załodze
dwie kobiety: 24-letnią Elżbietę Machrowską – meteorolożkę i 33-letnią Małgorzatę Błaszczyk – glacjolożkę, czyli specjalistkę od lodowców.
Naukowcy ze stacji zrobili odwiert w lodowcu i znaleźli w nim szczątki roślin sprzed
1000 lat, co oznacza, że nie było tam wtedy lodowca. Uważa się nawet, że w okolicach
Spitsbergenu mogło wówczas w ogóle nie być lodowców. Na Grenlandii po ustąpieniu
lodowca znaleziono szczątki drzewa z pełnym systemem korzeniowym, też datowane na
około 1000 lat temu, w dodatku na
wysokości około 300 m n.p.m i na
środkowo-wschodnim wybrzeżu,
gdzie teraz jest bardzo zimno. Widać, że we wczesnym średniowieczu
było znacznie cieplej niż obecnie,
a to przecież nie przemysł był powodem tamtego ocieplenia. Nie ulega
wątpliwości, że obecnie obserwujemy pewne ocieplenie klimatu, jednakże jego przyczyny do tej pory nie
są jednoznacznie wyjaśnione.
Neutrino 3
Hornsund uchodzi za jedno z najpiękniejszych miejsc na Spitsbergenie; wchodzi
w skład rejonu Parku Narodowego Południowego Spitsbergenu ze względu na niezwykle
bogatą bioróżnorodność. Królem Spitsbergenu jest niedźwiedź polarny, groźny drapieżnik, który osiąga wysokość do 3 m i wagę do 800 kg. Żywi się on głównie fokami, ale
zgłodniały potrafi zaatakować człowieka. Z tego powodu polarnicy mają obowiązek noszenia broni; oczywiście wolno je zabić
jedynie w obronie koniecznej. Polską
stację odwiedza co roku około 200
niedźwiedzi. Misie polarne nie zasypiają na noc. Wtedy mają najwięcej
pożywienia i wtedy jest dla nich żniwo. Pojawia się ich w okolicy stacji
coraz więcej.
Misie, jak wiemy, mają białe futro.
Włosy futra mają własności światłowodów. Skóra niedźwiedzi jest czarna. Dzięki temu maksymalna ilość
światła może być pochłaniana przez
zwierzę.
Z.G-M
Energie małe, wielkie i takie sobie
W Międzynarodowym Układzie Jednostek (w skrócie SI, od franc. Système International
d’Unités) jednostką energii jest 1 J (dżul). W przyrodzie występują zjawiska, w których
energia może być bardzo mała, znacznie mniejsza od 1 J, lub też bardzo duża, wiele
milionów dżuli. Zobaczcie sami:
1. Najmniejszą porcją światła jest foton. Każdy foton ma pewną energię,
która zależy od barwy światła, np. foton światła zielonego ma energię
około 4·10–19 J, czyli 0,000 000 000 000 000 000 4 J. Mimo tego, padające na Ziemię światło nagrzewa ją, patrz dalej pkt. 13.
2. W wyniku rozszczepienia jednego jądra uranu wydziela się energia około
3·10–11 J, czyli 0,000 000 000 03 J. Energia ta jest kilkadziesiąt milionów razy większa
od energii jednego fotonu światła, nadal jest to jednak bardzo mała część 1 dżula – nie
wystarczy nawet na podniesienie jednego ziarenka piasku na wysokość 1 cm. Ale już
z rozpadu 1 g uranu można uzyskać niebywałą energię (patrz pkt. 10).
3. Każde ciało będące w ruchu ma energię, zwaną energią kinetyczną. Na przykład
lecąca mucha posiada energię około 0,001 J, a idący człowiek – ok. 10 J.
Atakując swoją ofiarę tygrys o masie 200 kg może biec
z szybkością ok. 200 km/h – ma wtedy energię kinetyczną
ok. 25 000 J. Natomiast samochód Formuły 1 jadący z szybkością
300 km/h posiada energię kinetyczną ponad 2 000 000 J.
4. Podniesienie ciała o masie 1 kg na wysokość 1 m wymaga ok. 10 J
energii. Człowiek o masie 50 kg wychodząc na piętro zużywa 1,5 kJ, czyli 1500 J energii.
5. Jednostką energii, często używaną przez specjalistów od żywienia, jest kaloria (1 cal)
oraz jej wielokrotność, 1 kilokaloria (1 kcal). Początkowo jednostka ta dotyczyła ilości
Neutrino 3
ciepła, mianowicie: 1 kaloria wystarcza na podgrzanie 1 grama wody o 1°C (a 1 kcal
na ogrzanie 1 kg wody o 1°C). Osobą, która jako pierwsza wykazała, że 1 kaloria odpowiada 4,2 J był angielski fizyk James Prescott Joule (czyt. dżul). To właśnie na jego
cześć jednostkę energii nazwano dżulem. Zagotowanie (podgrzanie od temperatury
pokojowej ok. 20°C do temperatury wrzenia, czyli 100°C) jednego litra wody wymaga
dostarczenia ponad 300 000 J energii.
6. Żarówka 100-watowa, czyli tzw. „setka”, w ciągu każdej sekundy działania
zamienia 100 J energii elektrycznej na energię cieplną i światło, czyli tyle
ile, idąc po schodach, potrzeba na pokonanie jednego stopnia.
7. Każdy żywy organizm zużywa energię. Jest ona niezbędna do przebiegu
procesów życiowych. Najwięcej energii potrzeba na utrzymanie stałej temperatury ciała. Np. człowiek dziennie zużywa około 2000 kcal, czyli ponad 8 MJ (8 milionów dżuli) energii. Jest to prawie tyle samo ile zużywa świecąca całą dobę żarówka
100-watowa.
8. Podczas spalania 1 kg węgla kamiennego wydziela się energia około 20 MJ (megadżuli), czyli 20 000 000 J. Energia ta wystarczyłaby do zagotowania ponad 60 litrów
wody.
9. Energia związana z uderzeniem pioruna może wynosić nawet 109 J (1 000 000 000 J
czyli miliard dżuli). Taka ilość energii wystarczyłaby, aby 100-watowa żarówka świeciła
bez przerwy przez 2 miesiące.
10.Z każdego grama uranu zużytego w elektrowni jądrowej można uzyskać
ponad 80 GJ energii (80 miliardów dżuli), czyli tyle, ile ze spalenia kilku
ton węgla!
11.Podczas wybuchu jądrowego wydziela się energia prawie 1014 J, czyli
100 000 000 000 000 J. To tyle, ile w ciągu jednego dnia zużywają wszystkie gospodarstwa w całej Polsce.
12.W ciągu jednego roku na Ziemię dopływa ze Słońca ponad 1043 fotonów, których łączna energia osiąga ok. 5·1024 J.
13.Energia kinetyczna Ziemi poruszającej się po orbicie wokół Słońca wynosi około
3·1033 J. Ta energia kinetyczna jest „bezużyteczna”. Jej niszczące własności mogą się
ujawnić przy zderzeniu z obiektem kosmicznym.
14.Energia wybuchu supernowej wynosi około 1044 J. Przy obecnym zużyciu energii przez
wszystkich mieszkańców Ziemi taka ilość energii wystarczyłaby na kilkadziesiąt trylionów lat.
WZ
Ziemianie atakują
Minęło 50 lat od powstania Narodowej Agencji Aeronautyki i Prze­
strzeni Kosmicznej – NASA (ang. National Aeronautics and Space Administration). Nie wszyscy zdają sobie sprawę, jak wyglądałoby nasze
codzienne życie bez osiągnięć NASA. Trudno sobie też wy­obrazić,
czym Agencja będzie się zajmować przez kolejne półwie­cze.
NASA przez pół wieku była pionierem badań przestrzeni kos­
micznej. Wysłała człowieka na Księżyc oraz sondy na inne planety
Układu Słonecznego. Budowała stacje kosmiczne, wynosiła na orbitę satelity komunikacyjne, meteorologiczne, GPS czy wreszcie kosmiczny teleskop Hubble’a. A to jedynie
część wielkich sukcesów NASA.
Neutrino 3
Na wyścigi do gwiazd
Gdy 4 października 1957 r. Związek Radziecki wystrzelił pierwszego sztucznego satelitę
Ziemi, Amerykanie przeżyli szok. Nie tyle z powodu faktu, że mała metalowa kulka co
półtorej godziny obiega Ziemię, lecz dlatego, że okazało się, iż ich największy wróg dysponuje rakietami zdolnymi przenieść ładunki nuklearne w dowolne miejsce na globie.
Amerykanie wystrzelili swojego pierwszego satelitę, Explorer 1, dopiero w lutym następnego roku. W atmosferze paniki prezydent Dwight D. Eisenhower powołał do życia
NASA 29 lipca 1958 r. Agencja zaczęła prace 1 października, a jedenaście dni później
odbył się pierwszy start Pioneer 1. Tak zaczęła się rywalizacja w eksploracji Kosmosu
pomiędzy dwoma supermocarstwami.
Początkowo Amerykanie przegrywali wyścig. Pierwsze loty bezzałogowe NASA nie
kończyły się pełnym sukcesem. Pioneer 1 nie wszedł na orbitę okołoksiężycową z powodu
błędu w programie. Gdy 16 kwietnia 1961 r. Rosjanom udało się wysłać na orbitę okołoziemską pierwszego człowieka, Jurija Gagarina, Amerykanie eksperymentowali jedynie z lotami w górne warstwy atmosfery. Pierwszym Amerykaninem w Kosmosie był Alan
Shepard, którego lot miał miejsce 5 maja 1961 r., zaś pierwszym, który okrążył Ziemię na
orbicie – John Glenn (20 lutego 1962 r.).
Z czasem jednak ogromne pieniądze i przewaga technologiczna pozwoliły NASA wysunąć się na prowadzenie. Jak dotąd, największym sukcesem w dziedzinie astronautyki
było załogowe lądowanie na Księżycu 20 lipca 1969 r. Powiodły się również loty bezzałogowe misji Pioneer, Mariner i Voyager czy późniejsze – sondy Galileo, Cassini oraz misje
na Marsa, które dostarczyły bezcennych danych o planetach Układu Słonecznego. Niestety, nie obyło się bez tragicznych wypadków. Załoga Apollo 1 zginęła w pożarze kapsuły
podczas testu przedstartowego w 1967 r.
W latach 90., w związku z zakończeniem zimnej wojny, budżet NASA drastycznie
zmniejszono. Agencja musiała zrezygnować z wielu ambitnych projektów, takich jak wznowienie lotów na Księżyc czy wyprawa na Marsa. Mimo to NASA jednak realizowała dalej
wiele projektów naukowo-badawczych, które dotyczyły zarówno przestrzeni kosmicznej,
jak i samej Ziemi.
10
Neutrino 3
Początek XXI wieku stawia przed NASA nowe wyzwania. Dziś mierzy się ona z poważnym problemem wymiany floty wahadłowców. Mimo wielu sukcesów, osławione promy kosmiczne okazały się bowiem zbyt drogie w eksploatacji, a co gorsza – nie były niezawodne. Dowiodły tego katastrofy Challengera 28 stycznia 1986 r. i Columbii 1 lutego
2003 r. NASA planuje więc wycofanie wahadłowców do 2010 r. i zastąpienie ich nową
generacją statków kosmicznych.
Przystanek Księżyc, Stacja Mars
W 2004 r. prezydent George W. Bush ogłosił rozpoczęcie programu Orion. Zakłada on budowę statków kosmicznych podobnych do tych z misji Apollo. Taki pojazd miałby się składać z kapsuły dla sześciu członków załogi, modułu awaryjnego przerwania startu, modułu
serwisowego do dokowania i modułu łączącego statek z rakietą nośną. Budowa takiego
pojazdu oznacza, że Agencja odchodzi od polityki budowy samolotów kosmicznych wielokrotnego użytku. Co prawda NASA pracuje nad nowymi, bezzałogowymi wahadłowcami
zdolnymi przenosić duże ładunki, lecz ich przyszłość nie jest jasna. Orion, w przeciwieństwie do promów kosmicznych, do powrotu na Ziemię będzie używał spadochronów. Docelowo pojazd ma być wykorzystywany do kontynuacji budowy Międzyna­rodowej Stacji
Kosmicznej, a także lotów załogowych na Księżyc i Marsa oraz lotów komercyjnych.
Pierwszy start Oriona planuje się na rok 2014, a załogowy lot na Księżyc przewidywany jest przed rokiem 2020. Wtedy też ma się rozpocząć budowa stacji kosmicznej na
Srebrnym Globie. Po co? Bowiem w przeciwieństwie do wciąż budowanej Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, baza księżycowa mogłaby wykorzystywać minerały znajdujące
się na miejscu, służyć w przyszłości jako stacja paliw, a dzięki mniejszej grawitacji niż na
Ziemi znacznie łatwiejszy byłby tam start statków kosmicznych. W planach jest również
budowa księżycowego obserwatorium astronomicznego. Naukowcy rozważają również
możliwość budowy kopalni. Najbardziej kusząca wydaje się dziś możliwość pozyskiwania
izotopu 3He, występującego znacznie częściej na Księżycu niż na Ziemi. Izotop ten można
by wykorzystywać do pozyskiwania energii z tzw. zimnej fuzji.
Neutrino 3
11
Kolejnym wielkim krokiem NASA miałoby być lądowanie ludzi na Marsie około roku
2037. Przedtem jednak trzeba lepiej zbadać tę planetę. W 2009 r. ma zostać wystrzelony pojazd będący jednocześnie laboratorium przeznaczonym do badań powierzchni tego
globu (ang. Mars Science Laboratory). Po raz pierwszy ma nastąpić precyzyjne lądowanie
na Czerwonej Planecie. Wyposażony w specjalistyczną aparaturę na pokładzie, po­jazd
będzie mógł przeprowadzić szereg analiz marsjańskiej gleby i skał. Ma także zbadać, czy
obecnie na Marsie panują warunki zdolne podtrzymywać życie, choćby w najprymitywniejszej postaci. Agencja planuje również wysłanie bezzałogowej sondy, która ma pobrać
próbkę marsjańskiego gruntu i przesłać ją z powrotem na Ziemię.
Czy kiedyś na Czerwonej Planecie powstanie stacja kosmiczna? Jej budowa to na
razie bardzo odległa przyszłość. Ale gdyby powstała, miałaby wiele zalet. Mars posiada
bardzo rzadką atmosferę oraz pewne ilości wody. Można byłoby więc pozyskiwać tlen
potrzebny do oddychania, a stacja byłaby znacznie bardziej samodzielna niż wspomniana
baza księżycowa.
Jednym z najważniejszych zadań NASA na następne lata będzie wciąż bezzałogowe
badanie Układu Słonecznego. Do roku 2006 astronomowie uważali Plutona za najbardziej
odległą planetę naszego układu. Obserwacje pokazały jednak, że jest znacznie mniejszy od innych planet, a w dodatku zaczęto odkrywać inne obiekty, niewiele od Plutona
mniejsze. Wprowadzono nową kategorię tzw. planet karłowatych – obiektów mniejszych
od ośmiu dużych planet, lecz znacznie większych od wielu planetoid. W 2006 r. NASA
rozpoczęła misję kosmiczną Nowe Horyzonty, mającą na celu zbadanie Plutona oraz jego
księżyców Charona i Nixa. Po jego minięciu około 2015 r. misja będzie badać pas Kuipera,
będący zewnętrznym pasem planetoid Układu Słonecznego. Inna sonda, Dawn, podąża
w kierunku planetoidy Vesta, koło której ma przelecieć w 2011 r., a rok później powinna minąć Ceres – pierwszą odkrytą planetę karłowatą. Ceres ma lodowy płaszcz, który – jak się
ocenia – zawiera więcej wody, niż znajduje się na Ziemi. Czyni to Ceres kolejnym ważnym
kandydatem do badań nad życiem pozaziemskim i ewentualnej przyszłej kolonizacji.
Kosmiczne gadżety i obrona Ziemi
Przez pół wieku lotów kosmicznych zmieniło się prawie wszystko. Prawie, ponieważ rakiety czy wahadłowce napędzane są wciąż przy użyciu energii chemicznej. Tymczasem
ogromne nadzieje pokłada się dziś w nowych rodzajach napędu. Najbardziej zaawansowany z nich to projekt VASIMR. Tu jako paliwo wykorzystywana ma być plazma wytworzona przy pomocy fal radiowych. Pole elektryczne, podgrzewając plazmę, równocześnie
by ją przyspieszało, a nadprzewodzące magnesy miałyby kierować strumieniem ciągu.
Paliwem mógłby być wodór, łatwo dostępny praktycznie w całym Układzie Słonecznym.
Docelowo źródłem energii mógłby być też reaktor jądrowy (zajmuje się tym program
Prometeusz). Pierwsze naziemne testy mają się odbyć już w tym roku, a pierwsze w przestrzeni kosmicznej – na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w roku 2012.
Pozostaje jednak pytanie: czy warto wydawać co roku miliardy dolarów na badanie
przestrzeni kosmicznej oraz loty załogowe, gdy na Ziemi pozostaje wiele innych nierozwiązanych i ważniejszych problemów? O ile wysyłanie satelitów telekomunikacyjnych
czy meteorologicznych przynosi oczywiste korzyści, o tyle wysyłanie ludzi na Marsa wraz
z wielomiliardowym budżetem może już nie być tak jednoznacznie opłacalne. Jednak prace nad technologiami kosmicznymi okazały się niezwykle korzystne dla zwykłych Ziemian.
Otóż w trakcie tak wielkich przedsięwzięć powstaje mnóstwo nowych technologii, które
w inny sposób nie miałyby szans zaistnieć. Wiele z takich kosmicznych technologii, które
powstały w przeszłości, dziś wykorzystuje się w różnych dziedzinach życia codziennego:
telekomunikacji, medycynie, sporcie czy elektronice.
12
Neutrino 3
Wreszcie, zadania czekają na NASA nie tylko w dalekim Kosmosie. Nie można bowiem wykluczyć, że w przyszłości spełni się jeden z ulubionych hollywoodzkich scenariuszy: „planetoida rozmiaru Wyoming zbliża się do Ziemi”. Co prawda większość ciał niebieskich w okolicach Ziemi, które mają rozmiary większe niż 1 km, znajduje się pod stałym
monitoringiem i w najbliższej przyszłości nie grozi nam z ich powodu zagłada. Jednak
istnieje – znikome, choć niezerowe – prawdopodobieństwo, że z odległych rubieży Układu
Słonecznego nadleci jakaś planetoida lub kometa, kierując się wprost na Ziemię.
Dzięki rozwojowi badań kosmicznych mamy szansę być na to przygotowani. Na okoliczność zagrożenia taką kolizją rozważa się użycie broni jądrowej, aby zniszczyć grożący nam obiekt, lub też serią mniejszych eksplozji zmienić jego kurs. Innym sposobem
mogłoby być zderzenie jej ze statkiem kosmicznym, który zepchnąłby grożące nam ciało
niebieskie z kursu kolizyjnego. Jeszcze inne metody na szarżującą w stronę Ziemi planetoidę zakładają przyczepienie do niej małych silników rakietowych lub użycie zwierciadeł
spychających ją z kursu dzięki ciśnieniu promieniowania Słońca.
Ale groźne mogą być także i mniejsze ciała niebieskie. Ocenia się, że Meteoryt Tunguski z 1908 r. miał siłę wybuchu około 600 razy większą niż bomba zrzucona na Hiro­shimę.
Tymczasem jego rozmiar nie przekraczał 50 m. Jak trudno wykryć takie zagrożenie, Ziemianie przekonali się w 2002 r., kiedy to odkryto asteroidę o średnicy około 100 m, która
minęła Ziemię w 1/3 odległości między naszą planetą a Księżycem. Asteroidę odkryto
dopiero trzy dni po jej największym zbliżeniu.
* * *
Wszystko to zadania na następne półwiecze dla NASA. Ale czy tylko dla niej?
Mimo że kosmiczny wyścig pomiędzy Stanami Zjednoczonymi a Związkiem Radzieckim dawno już się zakończył, NASA wciąż musi się bardzo starać, aby utrzymać pozycję lidera w dziedzinie badań przestrzeni kosmicznej. Dzisiaj największym konkurentem
Agencji, a jednocześnie jej partnerem jest Europejska Agencja Kosmiczna – ESA. Przez
wiele lat współpracowała ona z NASA (np. przy teleskopie Hubble’a i budowie Między-
Neutrino 3
13
narodowej Stacji Kosmicznej), jednak obecnie większość projektów realizuje już samodzielnie. Najodważniejsze z nich zakładają wysłanie ludzi na Księżyc w 2024 r. i na Marsa
w roku 2033.
W dodatku nie wolno nie doceniać w tej dziedzinie Rosji, a i Chiny mają ogromne kosmiczne ambicje. Państwo Środka w 2003 r. zostało trzecim – i jak na razie ostatnim – krajem zdolnym wysyłać ludzi w przestrzeń kosmiczną.
Historia pokazuje, że ani NASA, ani ESA nie mogą zbytnio liczyć na finansową stabilność i poparcie dla swoich wieloletnich projektów. Częste zmiany rządów oraz różne
kryzysy gospodarcze nie sprzyjają bowiem realizacji długofalowych planów. Jeśli wzrost
gospodarczy oraz determinacja w Chinach i Rosji się utrzyma, za być może dwadzieścia–
–trzydzieści lat państwa te mogą wyprzedzić zarówno ESA, jak i NASA. Chińscy naukowcy zapowiedzieli już, że pierwszy załogowy lot na Księżyc ma odbyć się w 2022 r.
Dziś nie ma odwrotu – ludzkość musi poświęcać coraz większe fundusze na badanie przestrzeni kosmicznej. Bez względu jednak na to, czy pionierem tych badań będzie
NASA, czy jakakolwiek inna agencja kosmiczna, czeka nas pasjonująca przyszłość.
Komunikat NASA z grudnia 2008 roku
Teleskop Hubble’a wykrył dwutlenek węgla w planecie HD 189733b orbitującej wokół pewnej gwiazdy. Planeta jest rozmiarów Jupitera i zbyt gorąca by mogło być na niej życie.
Uprzednio już stwierdzono w atmosferze planety parę wodną i metan.
Gwiazda, wokół której orbituje planeta, jest odległa od nas 63 lata świetlne. Teleskop
Hubble’a do obserwacji planet ma zamontowany spektrometr i kamery do rejestrowania
obrazów w bliskiej podczerwieni. Naukowcy dążą do wykonania analizy chemicznej atmosfery. Poszukuje się, rzecz jasna, śladów życia.
Tomasz Romańczukiewicz
http://swiat-jaktodziala.blog.onet.pl (przedruk za zgodą „Tygodnika Powszechnego”)
Metan na Marsie
Jedno z ostatnich doniesień NASA (z dnia 15.01.2009) brzmi:
Mars nie jest martwą planetą. Chodzi o kolejne potwierdzenie obecności metanu (CH4).
Znalezienie metanu (a także znalezionej wcześniej wody) może świadczyć o obecności
pewnych form życia. Może też być świadectwem pewnych procesów geologicznych na
Marsie.
Po raz pierwszy metan w atmosferze Marsa odkryto pięć lat temu. Na metan na Marsie wskazywały wyniki obserwacji astro­
nomicznych w Chile i na Hawajach oraz da­
ne zebrane przez sondę NASA.
Wprawdzie obecnie Mars to świat zim­
nych i samotnych pustyń, istnieją jednak
argumenty świadczące o cieplejszej i bar­
dziej wilgotnej przeszłości tej planety. Suge­
rują to struktury przypominające wyschnięte
łożyska rzek, które można zaobserwować
na jej powierzchni. Obecność wody na Mar­
sie potwierdziły marsjańskie sondy, które
znalazły tam minerały powstające tylko Zestawienie Ziemi i Marsa w identycznej skali
(źródło: Wikipedia)
w obecności życiodajnej cieczy.
14
Neutrino 3
Od wielu lat naukowcy zadają sobie pytanie, czy teraz lub kiedykolwiek wcześniej na
Marsie istniało życie lub czy może się ono pojawić na tej planecie w przyszłości.
Metan – CH4, czyli cztery atomy wodoru związane z atomem węgla – jest głównym
składnikiem gazu ziemnego na Ziemi. W przyrodzie powstaje w wyniku beztlenowego
rozkładu szczątek roślinnych, na przykład w wyniku rozkładu krowich odchodów. Ten najprostszy węglowodór jest niezwykle interesujący dla astrobiologów poszukujących śladów
życia.
Naukowcy przypuszczają, że formy żywe, odpowiedzialne za produkcję metanu na
Marsie mogą znajdować się głęboko pod powierzchnią planety, gdzie może występować
także ciepła woda, dzięki której formy te mogłyby funkcjonować. Podobna sytuacja występuje na Ziemi, gdzie mikroorganizmy rozkwitają do 3 kilometrów pod jej powierzchnią.
Metan bardzo szybko w różny sposób ginie w marsjańskiej atmosferze. Dlatego odkrycie z 2003 roku, kiedy dostrzeżono znaczne obłoki tego gazu w północnej hemisferze
Marsa, wskazuje na ciągły proces uwalniania się metanu.
Metan może powstawać także w procesach czysto geologicznych, takich jak oksydacja żelaza pod powierzchnią planety. Podziemna woda, dwutlenek węgla i wewnętrzna
temperatura Marsa również mogą sprzyjać tworzeniu metanu.
Gazy, takie jak metan, zgromadzone pod powierzchnią, mogą być uwalniane do atmosfery dzięki porom, jakimi są pęknięcia powstające podczas cieplejszych pór roku.
Kolejne badania mające wyjaśnić pochodzenie metanu w atmosferze Marsa będą realizowane w ramach misji zaplanowanych już przez Agencję.
Z.G-M
Spotkanie z amerykańskim astronautą Georgem Zamką
Dnia 6 listopada 2008, w wypełnionej po brzegi sali konferencyjnej Politechniki Krakowskiej, miało miejsce bardzo sympatyczne spotkanie z amerykańskim astronautą Georgem Zamką. Zaproszony gość to czynny pilot
wojskowy (Marines Corps), który ma za sobą kilkadziesiąt misji bojowych (m.in. w Iraku), tysiące wylatanych
w powietrzu godzin za sterami najnowocześniejszych
samolotów armii USA. George Zamka był także pilotem
tygodniowej misji kosmicznej Discovery (oznaczonej
skrótem STS-120) w roku 2007.
George okazał się bardzo miłym i bezpośrednim
rozmówcą. Jest bardzo „normalnym” czterdziestoparoletnim mężczyzną, który kiedyś był „normalnym” studentem. Zanim zainteresował się lotnictwem, ukończył
studia z matematyki w stopniu licencjata. George w jasny sposób przedstawił problematykę lotów załogowych
w Kosmos. Pokazał fantastyczne symulacje komputerowe i filmiki, dzięki którym słuchacze
mogli zapoznać się szczegółowo z każdym etapem podroży kosmicznej oraz poprzedzających ją przygotowań. Astronauta omówił również zagadnienia związane z przyszłością
lotów kosmicznych do tak odległych miejsc jak Mars.
Po półgodzinnym wystąpieniu był czas na zadawanie pytań przez publiczność. George Zamka opowiadał m.in. o zużyciu paliwa, o materiałach używanych do produkcji ra-
Neutrino 3
15
kiet kosmicznych, a także o tym czy wierzy w UFO. Opowiadał jak radzi sobie ze strachem
i o swoich polskich korzeniach. Należy podkreślić, że uczniowie szkół średnich radzili sobie znacznie lepiej z językiem angielskim niż ich starsi koledzy ze studiów. Na koniec
uśmiechnięty George Zamka pozował do zdjęć i rozdawał autografy.
George Zamka z uczniami spotkał się również w Niepołomicach, a także w konsulacie
USA w Krakowie.
Stanisław Kwieciński
George Zamka rozdaje autografy po spotkaniu z uczniami; po prawej od G. Zamki Stanisław
Kwieciński
W wywiadzie udzielonym Tomaszowi Ulanowskiemu (GW) George Zamka wspominał,
jak to w czasie misji astronauci dokonywali naprawy jednego z paneli słonecznych.
„Panel jest delikatny i podczas tej operacji niestety się rozerwał. Bez niego stacja nie
mogła pracować. Ci na Ziemi musieli szybko wymyślić, co zrobić. My tylko mieliśmy wprowadzić ich plan w życie. Zwykle wszystkie zadania ćwiczymy „na mokro” na Ziemi. Nawet
po siedem razy powtarzamy wszystkie czynności w basenie symulującym warunki otwartej przestrzeni kosmicznej. Tym razem musieliśmy od razu trafić w dziesiątkę.
Plan naprawy wymyślił jeden z inżynierów, który sobie przypomniał, że panele słoneczne mają w niektórych miejscach małe otwory. Wymyślił, żeby przeciągnąć przez nie
drut i po prostu zacerować rozdarty panel.
Każdy z astronautów dostał zadanie do wykonania: »Idź tam, weź to i przenieś w tamto miejsce«. Wyglądało to trochę jak lista zakupów od mamy. Wiesz, że coś masz kupić,
ale nie wiesz, co mama z tego upichci.
Żeby dosięgnąć do rozerwanego panelu, musieliśmy odłączyć ramię dźwigu zainstalowanego na promie i przyczepić je do żurawia na stacji. Na czubku całej konstrukcji stanął
Scott Parazynski, najwyższy z nas, ale i tak ledwie sięgał rozdarcia. Żurawie były maksymalnie rozciągnięte, bardzo trudno było nimi manewrować. No, ale udało się! Czuliśmy
się wspaniale.
Miło było lądować po takim sukcesie. Nawiasem mówiąc, to dla mnie niezwykłe, że
z Kosmosu można dokładnie trafić w maleńkie lądowisko na Florydzie i to bez użycia sil-
16
Neutrino 3
ników, bo prom ląduje przecież lotem szybowcowym. I naprawdę ciężko nim manewrować
bo, ze względu na specyficzną budowę, w porównaniu ze zwykłym samolotem reaguje
bardzo wolno. Kiedyś niecierpliwy dowódca – bo to dowódca pilotuje podczas lądowania,
a pilot tylko go wspomaga – przesadnie manewrując sterami tak rozhuśtał dziób promu
w górę i w dół, że miał potem problem, żeby go ustabilizować. Trzeba być bardzo delikatnym i wszystko robić na czas.
Do mnie należało opuszczenie podwozia. Niby mała rzecz, ale ten przeklęty guzik
musiałem nacisnąć dokładnie 15 sekund przed przyziemieniem. Gdybym się pospieszył,
wahadłowiec za bardzo by wyhamował. Gdybym się spóźnił – katastrofa.
Trzeba wylądować za pierwszym razem. Drugiej szansy prom nie dostaje. Proszę mi
uwierzyć, możliwość ludzkiego błędu podczas lądowania spędza sen z powiek wielu ludziom w NASA.”
http://www.nasa.gov/audience/forkids/kidsclub/flash/index.html
Mikrograwitacja
Doświadczenia na pokładzie stacji kosmicznej udostępnione na YouTube
Na pokładzie stacji kosmicznej może istnieć stan nieważkości, a dokładniej – mogą panować warunki mikrograwitacji. Stanu tego doświadcza się, gdy stacja znajduje się na orbicie okołoziemskiej i nie jest napędzana silnikami. Takie same warunki panują (tylko krótko)
w przysłowiowej windzie Einsteina, w czasie tzw. lotu parabolicznego (nazwa od kształtu
toru po którym opada swobodnie samolot), oraz w opadających rozrywkowych windach,
które opisywaliśmy w Fotonie,
Wartość przyspieszenia odśrodkowego stacji orbitalnej jest równa wartości przyspieszenia grawitacyjnego w punktach, w których się znajdują. Wektory tych przyspieszeń są
przeciwnie zwrócone.
Czasami interpretuje się ten stan mówiąc, że siła bezwładność działająca w układzie
nieinercjalnym (a takim jest spadająca winda, opadający samolot i orbitująca stacja kosmiczna) równoważą siłę grawitacji. W tym sensie można usłyszeć wyrażenie, że grawitacja znika. W praktyce mamy do czynienia z mikrograwitacją.
Uczestnicy lotu parabolicznego w samolocie w stanie nieważkości
Neutrino 3
17
Można wtedy obserwować zjawiska, których w zjawiskach ziemskich nie widać, i na
odwrót, nie zaobserwuje się zjawisk „normalnych” na Ziemi.
Woda nie będzie się wylewać z dziurawego garnka, nie będzie też działać prawo Archimedesa. Pukle loków nie będą wdzięcznie spływać wzdłuż twarzy. Zachęcamy do oglądnięcia filmików nakręconych przez astronautów i umieszczonych na YouTube. Na własne
oczy można zobaczyć, jak kosmonauci piją herbatę pałeczkami, można zaobserwować
zjawisko napięcia powierzchniowego w warunkach mikrogarwitacji (tabletka musująca
w wielkiej kropli) lub zobaczyć, w jaki sposób kosmonauci radzą sobie ze stabilizacją odtwarzacza płyt (giroskop jest tu użyteczny). Kosmonauci wykonują rozmaite doświadczenia. Na przykład wkładają musującą tabletkę w bąbel wody.
Polecamy stronę Wikipedii dotyczącą nieważkości oraz NASA filmy na YouTube:
http://www.youtube.com/watch?v=gdAmEEAiJWo.
Astronauci, po wyłączeniu silników pojazdu startowego, zaczynają odczuwać brak ciężaru. Reakcje organizmu na takie zjawisko są różne, ale bardzo często dochodzi do tzw.
choroby kosmicznej – mdłości wywołanych przez zaburzenia pracy błędnika w warunkach
braku ciążenia.
Z.G-M
Doświadczenia
Wyścigi jajek
Stocz dwa jajka – jedno surowe, a drugie ugotowane – po równi pochyłej.
Niech zaczną się toczyć równocześnie. Jak myślisz, które jajko wyścig
wygra?
a) jajko surowe
b) jajko ugotowane
c) oba dotrą do podstawy równi równocześnie.
Każdy z nas wie, jak rozróżnić jajko ugotowane od jajka surowego. Oba jajka trzeba „rozkręcić” na stole. Ugotowane rozkręca się łatwo i szybko wiruje, a surowe
kiwa się, chyboce i nim się „zbierze” do kręcenia – wyhamowuje. To zachowanie jajek sugeruje odpowiedź, że być może jajko na twardo stoczy się
szybciej. Zróbmy eksperyment.
Gładką deskę oparliśmy o szufladę i z takiej równi staczaliśmy dwa jajka
(ciemne było ugotowane na twardo). Jak widać na zdjęciu jajko surowe stoczyło się szybciej.
Doświadczenie wykonali Anna, Marcin i Tomasz Dohnalik (Foton 85, Lato 2004).
18
Neutrino 3
Kluczem do rozwiązania jest fakt, że jajko, składa się z żółtka i białka, różniących się
konsystencją w stanie surowym i po ugotowaniu. Wnętrze surowego jajka jest płynne, zaś
ugotowane jajko stanowi razem ze skorupką sztywną całość. Takie sztywne jajko, jak się
wprawnie rozkręci, to wiruje bez przeszkód. Jajko surowe trudniej wprawić w ruch wirowy,
bo wnętrze ślizga się po skorupce i chlupoce we wnętrzu jajka.
A jak sytuacja wygląda przy staczaniu z równi pochyłej? Nasza równia,
jak widać, nie jest zbyt długa. Ugotowane jajko stacza się jak każde inne
sztywne ciało. Stosując zasadę zachowanie energii mechanicznej potrafimy nawet łatwo obliczyć, jaką szybkość będzie miało jajko u pod­nóża równi. Początkowa energia potencjalna jajka zostanie zamieniona na energię
kinetyczną ruchu postępowego i energię kinetyczną ruchu obrotowego.
Jajko osiągnie mniejszą szybkość niż klocek prostokątny o tej samej masie co jajko, zsuwający się z równi bez tarcia (klocek nie nabywa energii ruchu obrotowego, cała energia
potencjalna jest zamieniona w kinetyczną ruchu postępowego).
A co z naszym surowym jajkiem? W tym wypadku sztywna skorupka wykonuje oba
ruchy, zarówno postępowy jak i obrotowy. A wnętrze? Ono się powoli rozkręca, a nim
osiągnie podstawę równi, może nawet nie zdąży się rozkręcić. Jajko jako całość będzie
miało mniejszą energię kinetyczną ruchu obrotowego. Więcej energii zostanie przekazane
na ruch postępowy.
Wyścig puszek
Stocz dwie identyczne puszki z gazowanym napojem po
równi pochyłej. Nie zdziwi cię, jeśli stoczą się tak samo
szybko. Na­stępnie jedną z puszek porządnie wstrząśnij,
tak by we wnętrzu wytworzyły się pęcherzyki gazu. Co się
wówczas stanie?
a) wyścig wygra puszka wstrząśnięta;
b) wyścig przegra puszka wstrząśnięta;
c) obie dotrą do mety równocześnie.
Paul Hewitt (The Physics Teacher 39, grudzień 2001, s. 539)
Doświadczenie pokazuje, że prawidłowa odpowiedź to b). Puszka wstrząśnięta przegrywa. Dlaczego tak jest?
Jeśli praktycznie nie ma tarcia pomiędzy płynem a puszką, wtedy puszka się
toczy, a płyn ześlizguje (tak jak w surowym jajku). Płyn uzyskuje wyłącznie
energię kinetyczną ruchu postępowego.
Skoro wstrząśnięta puszka stacza się wolniej to znaczy, że coś spowalnia
wstrząśnięty płyn. Muszą to być pęcherzyki dwutlenku węgla. Te osadzone na ściankach
puszki, mogą zwiększyć tarcie pomiędzy puszką a cieczą w porównaniu z cieczą niewstrząśniętą. Płyn zacznie się obracać i tym samym uzyska energię kinetyczną ruchu
obrotowego, co zmniejszy energię ruchu postępowego.
Z.G-M
Testujemy prawo Archimedesa. Zanurzanie w kąpieli perełkowej
Zachęcamy do samodzielnego przeprowadzenia eksperymentu.
Pomysł doświadczenia pojawił się w związku z rozważaniami na temat tajemniczych
zatonięć statków w rejonie Trójkąta Bermudzkiego. W naszym doświadczeniu sprawdzamy, czy gazy wydobywające się z dna oceanu mogą poprzez zmniejszenie gęstości wody
wpłynąć na wartość siły wyporu i być przyczyną zatonięcia statku.
Neutrino 3
19
Na zdjęciu pierwszym znajduje się pływający w wannie słoik obciążony u dołu nakrętką dla utrzymania pionowej pozycji, na zdjęciu drugim – ten sam słoik po uruchomieniu
tzw. kąpieli perełkowej, w której z maty umieszczonej na dnie wanny wydobywają się bąbelki powietrza. Wyraźnie widoczne jest większe zanurzenie słoika. Oszacowana gęstość
wody z bąbelkami 0,89g/cm3.
Andrzej Rolewicz
Pomyśl i odpowiedz
Promieniowanie termiczne
Który z poniższych przedmiotów wysyła stale promieniowanie
elektromagnetyczne?
a)
b)
c)
d)
e)
nieświecąca żarówka
gorący kaloryfer
porcja lodów
żaden
wszystkie.
Paul Hewitt (The Physics Teacher 40, kwiecień 2002, s. 252)
Prawidłowa odpowiedź e). Wszystkie przedmioty o dowolnej temperaturze wysyłają (i pochłaniają) promieniowanie elektromagnetyczne.
Częstość tego promieniowania zależy od temperatury. Z prawa fizyki wynika (patrz artykuł o globalnym ociepleniu) zależność ƒ̄ ~ T , gdzie ƒ̄ jest częstością, przy której przypada
maksimum emitowanej energii, a T jest temperaturą bezwzględną (czyli wyrażoną w kelwinach) emitującego ciała.
Wymienione ciała mają stosunkowo niewielką temperaturę, a zatem emitują głównie
promieniowanie o małych częstościach – niewidoczne, podczerwone. Gdyby ich temperatura wzrosła, emitowane promieniowanie mogłoby stać się widocznym światłem.
Czy zastanawiałeś się w jaki sposób mierzy się temperaturę bardzo gorących obiektów,
np. surówki w hucie czy Słońca? Temperaturę ciała można wyznaczyć bardzo dokładnie
na podstawie widma promieniowania, jakie to ciało wysyła. Termometry zbudowane na tej
zasadzie nazywają się bolometrami. Są używane w hutnictwie, w wojsku i w astronomii.
20
Neutrino 3
Astronauci na Księżycu
Oto tarcza Księżyca w pierwszej kwadrze, widocznego z Polski wieczorem, nad
południowym horyzontem. Strzałka pokazuje miejsce, gdzie akurat przebywają
ziemscy astronauci. Widzą oni oświetloną Słońcem Ziemię nad księżycowym
horyzontem tak:
d) Nie widzą oświetlonej Słońcem Ziemi, ponieważ Ziemia jest dla nich w nowiu;
e) Nie widzą Ziemi, ponieważ jest u nich dzień.
Zadanie konkursowe z Lwiątka
Prawidłowa odpowiedź: B. Odległość pomiędzy Ziemią a Księżycem jest znacznie mniejsza (około 400 razy) od odległości Ziemia – Słońce. Tak więc wtedy gdy Księżyc jest
w kwadrze, trójkąt Ziemia – Księżyc – Słońce jest w przybliżeniu równoramienny. Zatem
i Ziemia jest w kwadrze, gdy patrzeć z Księżyca. Jeśli, patrząc z Ziemi, widzimy oświetloną prawą część Księżyca, to patrząc z Księżyca astronauci powinni widzieć oświetloną
lewą część Ziemi. Ale Ziemianie są w Polsce, na półkuli północnej, a astronauci znajdują
się na południowej półkuli Księżyca, są więc „do góry nogami” i oświetlona część Ziemi
jest dla nich stroną prawą.
„Zajączek”
Słońce jest okrągłe, a lusterko kwadratowe. Jaki jest zajączek?
a)
b)
c)
d)
e)
Czworokątny.
Owalny.
Jeśli ściana jest daleko, to owalny, jeśli blisko, czworokątny.
Jeśli ściana jest daleko, to czworokątny, jeśli blisko, owalny.
Jeśli lusterko jest małe, to czworokątny, jeśli duże, owalny.
Zadanie konkursowe z Lwiątka
Prawidłowa odpowiedź: C. Wytłumaczenie: Każdy punkt lusterka odbija wiązkę promieni
tworzącą stożek (rysunek). Kąt rozwarcia stożka jest taki, jak kątowa średnica Słońca widzianego z Ziemi (około 0,5°). Brzeg zajączka na ścianie jest obwiednią wszystkich takich
stożków. Blisko lusterka obwiednia ta zachowuje jeszcze czworokątny kształt lusterka.
Jednak stożki te przenikają się i rozszerzają, dlatego im dalej od lusterka, tym obwiednia
przybiera owalny kształt przekroju stożka.
WZ
Chcesz wiedzieć więcej – czytaj Foton
http://www.if.uj.edu.pl/Foton/
Pod tym adresem znajdziesz
Neutrino 1 i Neutrino 2
Neutrino 3
21
Unikalna nano-biżuteria
Tuż przed Bożym Narodzeniem, 3 XII 2008 r. Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki
Stosowanej UJ odwiedził pan Premier Donald Tusk. Dostojnego gościa szczególnie interesowały prace badawcze prowadzone w Zakładzie Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii,
kierowanym przez pana Prof. Marka Szymońskiego. Badanie nanostruktur jest fascynujące głównie ze względu na fakt, iż w małej skali (nano oznacza 10–9) własności materiałów
stają się zupełnie odmienne od ich własności makroskopowych (czyli w dużej skali). Nowoczesne technologie to przyszłość nie tylko nauki, ale i przemysłu – już teraz nanotechnologia wkracza w dziedziny życia codziennego (choć, trzeba podkreślić, że przedrostek
„nano-” jest w wielu przypadkach zdecydowanie nadużywany).
Wydział FAIS chcąc uhonorować Pana Premiera
postanowił mu wręczyć całkiem praktyczny prezent
związany z nanotechnologią, a mianowicie „nanospinkę” do krawata. „Czy obdarowany mógł ją w ogóle
doj­rzeć?” – pytano w kuluarach. Oczywiście, że tak
– była to bowiem spinka normalnych rozmiarów, tyle
tylko, że wygrawerowano na niej niewielki herb Uniwersytetu Jagiellońskiego metodami używanymi do
tworzenia i badania nanostruktur.
Znak został wykonany na powierzchni monokryształu krzemu za pomocą ostrza diamentowego o promieniu krzywizny mniejszym niż 30 nm. Ostrze zostało przyłączone do
ruchomej dźwigni mikroskopu sił atomowych – szczególnego mikroskopu nieoptycznego (czyli nie wykorzystującego promieni światła widzialnego). Ostrze takiego mikroskopu może pełnić dwojaką funkcję. Po pierwsze, może być sondą skanującą, umożliwiającą uzyskanie obrazów powierzchni, na której za jej pomocą można rozróżnić obiekty
o rozmiarach pojedynczych nanometrów. Sonda rejestruje wówczas wartości siły oddziaływania pomiędzy ostrzem a powierzchnią badanego materiału, a komputer przetwarza dane na obraz struktury tej powierzchni. Po drugie, ostrze może służyć do pomiaru
twardości próbek, modułu sprężystości podłużnej oraz do grawerowania rysunków na
twardych powierzchniach (tę funkcję ostrza wykorzystano podczas wykonania nano-spinki).
Wygrawerowany na spince Premiera herb UJ miał długość 700 nm i szerokość 500 nm,
a same linie wygrawerowanego rysunku – szerokość poniżej 30 nm (odpowiada to szerokości linii tylko około 120 atomów!) i głębokość 5 nm. Rozmiary te są kompromisem
pomiędzy jakością obrazu a jego trwałością.
Nano-spinka Premiera Tuska jest prawdopodobnie pierwszym na świecie przykładem nano-biżuterii. Czy Premier mógł
zobaczyć wygrawerowany rysunek gołym okiem? Oczywiście
– nie! Do jego podziwiania potrzebny jest mikroskop powiększający co najmniej 100 000 razy i nie może to być zwykły
mikroskop optyczny, w którym powiększenia nie przekraczają
kilkusetkrotności, ale np. mikroskop sił atomowych, w którym
ostrze użyte zostanie jako sonda. Na zdjęciu obok obraz herbu
został powięk­szony 40 000 razy.
DS