5. A Vårt strålingsmiljø – synlig og usynlig energi

Stråling = energi som sendes ut fra en strålingskilde i form av bølger eller partikler.

Vi er omgitt av stråling overalt. Noe kan vi se, andre er usynlig.

 

5. B Elektromagnetisk stråling – er enn bare lys

 

Bølger = transport av energi

Svingning – bevegelse ut fra en likeveksttilstand

o  Fra topp til tå er det en svingning

Frekvensen til en bølge er et mål på hvor fort bølgen svinger opp og ned. Denne kan skrives på formelen:

 

Hz = mål på antall svingninger per sekund.

T = tiden svingningen tar.

 

Fotoner = bølgepakkene energien i lyset var delt inn i av Albert Einstein (1879 – 1955).

 

Lys er elektromagnetisk stråling

Ladde partikler som svinger frem og tilbake sender ut elektromagnetisk stråling.

 

Lysfart, bølgelengde og frekvens

Elektromagnetisk stråling trenger ikke vann, luft eller noe annet stoff for å kunne spre seg. I et tomt rom sprer de elektromagnetiske strålene seg med en fart på 300.000 km/s.

Lysfart = frekvens * bølgelengde (landa)

C        =         f *

 

Det elektromagnetiske spekteret – vi bader i et hav av elektromagnetiske bølger

De elektromagnetiske bølgene er små ”bølgepakker” som kalles fotoner. Fotonene med kortest bølgelengde har mest energi. Grunnen til at vi ikke kan se alle de elektromagnetiske bølgene er fordi sansene våre er bare i stand til å registrere de vi ser som synlig lys. Altså de med bølgelengde mellom 400 nm og 800 nm.

 

Radiobølger – brukes til mye mer enn radioprogrammer

 

Radiobølger =

- mikrobølger

- radarbølger

- FM, Tv

- Kortbølger

- Mellombølger

- Langbølger

 

Infrarød stråling – varmestråling

Vi kan ikke se infrarødstråling, men vi kan kjenne den (holde armen nær en varm ovn). Desto høyere temperatur gjenstanden har, desto mer energirike fotoner sender den ut, og desto kortere er bølgelengden. Bølgelengden kan bli så kort (temperaturen så høy) at vi kan oppfatte dem som synlig lys (kokeplaten lyser rødt).

 

Synlig lys (elektromagnetisk stråling) som sansene våre kan registrere. Rødt lys har lengst bølgelende, mens fiolett lys har kortest bølgelengde (mer energirike fotoner).

 

Det hvite sollyset er satt sammen av alle fargene i regnbuen.

 

Ultrafiolett stråling – usynlig stråling som bruner

Solen sender ut elektromagnetisk stråling i forskjellige bølgelengder. Den korteste er UV-strålingen og er skadelig for oss på grunn av den høye energien til fotonene.

 

Røntgenstråling – røntgenfotonene har høy energi og kan trenge gjennom gjenstander ugjennomtrengelige for synlig lys.

 

5. C Spektre – når vi ser fargene hver for seg

Regnbuen er et spekter (sollyset blir brutt på vei gjennom regndråpene og skiller de forskjellige bølgelengdene fra hverandre). I et spektroskop blir lyset bøyd eller brutt som i vanndråpene og spredt ut på forskjellige bølgelengder slik at vi kan se hvilke bølgelengder lyskilden sender ut.

 

Spektrene til forskjellige strålingskilder

Sammenhengende spekter = Spekteret inneholder alle bølgelengdene fra synlig lys.

 

Emisjonsspekter = stråling fra gass

De lysende linjene i et spektroskop kalles spektrallinjer. Forskjellige grunnstoff gir forskjellige spektre. Siden gassen sender ut lys ved helt bestemte bølgelengder, kaller vi det et linjespekter.

 

 

Det kalles et emisjonsspekter fordi spektrallinjene er lyset fra utsendte fotoner.

 

Elektromagnetisk stråling – når elektroner faller…

Atomene kan bare eksistere i bestemte energitilstander og elektronene beveger seg rundt atomkjernen i bestemte baner/skall.

 

 

Hvis vi sender strøm gjennom gass får elektronene stor fart og kolliderer med atomer i gassen. Dermed får atomene større energi. Denne energien gjør at elektrontilførselen springer ut til et elektronskall lengre unna kjernen. Etter dette faller elektronet tilbake til et skall nærmere kjernen igjen. Da mister atomet energi. Denne energiforskjellen sender atomet ut som elektromagnetisk stråling – et foton.

 

Disse elektronsprangene kan bare foregå mellom elektronskallene (energinivåene). Det er derfor gassen sender ut bestemte farger (fotoner) og resultater er et emisjonsspekter.

 

Alle gasser viser et emisjonsspekter så lenge trykket i gassen ikke blir for høy. Hvis trykket blir for høyt vil de forskjellige energinivåene ligge så tett at vi vil se et sammenhengende spekter.

 

Absorpsjonsspekter – mørke linjer i solspekteret

Et glødende stoff, væske eller gass med stort trykk gir et sammenhengende spekter. Men spektroskopet vil vise at det er mørke linjer i spekteret. Eksempel fra solspekteret:

Lyset fra solen passerer gjennom et lag med kjølig gass (solatmosfæren). Atomene i gassen absorberer fotoner som har nok energi til at elektronene kan hoppe til et skall lenger ute. Elektronene faller umiddelbart tilbake igjen og sender ut fotoner med samme energien, men fotonene sendes i alle retninger. Dette resulterer i at det er mindre lys som når øynene våre på grunn av bølgelengdene disse fotonene har. Vi ser mørke linjer – et absorpsjonsspekter.

 

 

Grunnstoffenes fingeravtrykk = Linjespekteret avslører hvilke grunnstoffer det er til stede i en gass.

 

5. D Verdensrommet – avslørt av stråling

 

Stjernefargen – et temperaturmål

 

Stjernene har litt forskjellig farge. Den mest lyssterke fargen i spekteret forteller oss om overflatetemperaturen til stjernen. Desto kortere bølgelengde på farge, desto høyere overflatetemperatur.

 

Spektrallinjene avslører stjernenes kjemiske sammensetning

 

Stjernespektre forteller oss hvilke kjemiske stoffer stjernen består av, og styrken til de forskjellige linjene forteller hvor mye det er av de ulike stoffene. De svarte linjene i spektrene viser at det eksisterer molekyler pga. temperaturen. Desto høyere temperatur, desto mindre svarte streker.

 

Stjernens bevegelse – avslørt av dopplereffekten

 

Stjerner beveger sin egne akse eller går i en bane med flere stjerner. Vi kan undersøke bevegelsen ved å se på bølgelengdene til spektrallinjene – de endres når stjernen beveger på seg.

 

Dopplereffekten – når bølgelengden blir kortere eler lengre fordi kilden beveger seg i forhold til deg.

Dette kan forklares ved hjelp av lyd. En lys tone har kortere bølgelengde enn en mørk. Når lydkilden kommer mot deg registrerer du den som kortere og tonen er lys. Når lyden beveger seg fra deg registrerer du den som mørkere – bølgelenden er lengre, mens egentlig ligger bølgelengden et sted midt i mellom de to verdiene ørene registrerer. Det er dette fenomenet som kalles dopplereffekten. Vi får den samme effekten hvis lysskilder beveger seg i forhold med oss. Da er det bølgelengdene til de ulike spektrallinjene som blir kortere eller lengre.

 

 

Stjerner som kommer og stjerner som går

Når lyskilden er i ro i forhold til oss observerer vi laboratoriebølgelengdene til spektrallinjene. Hvis spektrallinjene til en stjerne har kortere bølgelengder enn normalt sier vi at linjene er blåforskjøvet. Da er stjernen på vei mot oss. Rødforskyvning er når stjernen beveger seg fra oss. Da er spektrallinjene lengre. Stjernens hastighet i forhold til oss vises av bølgelengdeforskyvningen i spektrallinjene.

 

Dopplereffekten kan avsløre stjernerotasjon og dobbeltstjerner. En stjerne som roterer får bredere spektrallinjer enn i laboratoriet. En stjerne som er en del av et dobbeltstjernesystem, får oppsplittede spektrallinjer.

 

 

5. E Solen – vår egen stjerne

 

Energikilden i stjernene = i en stjerne er temperaturen så høy at atomkjerner kan fusjonere (sammensmeltning av to lette atomkjerner til en tyngre under frigjøring av betydelige mengder energi) og frigjøre energi.

Stjerner – når masse blir til energi

Inne i solen blir det produsert energi ved fusjon (fire hydrogenkjerner (protoner) og to elektroner blir til en heliumkjerne). Heliumkjernen har mindre masse enn de fire hydrogenkjernene og de to elektronene har til sammen. Massen går deretter over til strålingsenergi.

 

Energi kan bli til masse. Masse kan bli til energi. E (energi) = M(masse)C(lysfarten)^2.

Siden solenergien kommer fra fusjoner i sentrum av solen (masse blir til energi) blir solen lettere hele tiden.

 

Solen – aktiv og livgivende

 

Solen sender ut elektromagnetisk stråling fra mange lag med forskjellige temperaturer. Det synlige lyset kommer fra fotosfæren (5500 grader C). Tar man bildet av fotosfæren vil man se solflekker (mørke flekker på solen). Solflekker oppstår i områder med sterke magnetfelt.

 

 

Solstormer og solvind

Solen sender ikke bare ut elektromagnetisk stråling, men også energirik partikkelstråling.

 

Solvind = Solen sender ut en strøm av ladde partikler.

Solstorm = Partiklene klemmer jordens magnetfelt sammen på den siden som vender mot solen. Noen ganger oppstår det plutselige og kortvarige utbrudd hvor store energimengder slipper ut i from av energirikepartikler. Den består av for det meste elektroner og protoner med stor hastighet, pluss elektromagnetisk stråling. Deretter farer partiklene mot jorden som en solstorm. Solstormer påvirker jordens magnetfelt og lager nordlys.

Mange solflekker på solen skaper de mest energirike fenomenene og de kraftigste solstormene.

 

5. F Nordlys – fra mystikk til fysikk

 

Hansteen – grunnleggeren av naturvitenskapen i Norge. Han hevdet at nordlysovalen hadde sitt sentrum over de magnetiske polene, ikke de geografiske, og jobbet for å kartlegge dem.

 

Birkeland og terrellaen

 

Birkeland laget en modell av jordens magnetfelt. Birkelands hypotese = nordlyset oppsto når ladde partikler fra solen kom inn i jordens magnetfelt.

Han testet hypotesen ved å lage en modell av jorden som han kalte terrella (liten jord). Denne laget han et magnetfelt rundt og plasserte den midt i en kasse hvor han pumpet ut nesten all luften. Deretter sendte han negative ladde elektroner (siden terrellaen er positiv ladet), og skapte kunstig nordlys omkring de magnetiske polene.

 

Nordlysforskning – Vi fant ingen observasjoner av nordlysovalen før i romalderen hvor vi kunne observere større områder av jordatmosfæren ved hjelp av satellitter.

 

Nordlys – vinternatthimmelens skuespill

 

Ladde partikler fra solvinden treffer jordens magnetfelt. Samspillet mellom elektriske og magnetiske krefter får partiklene til å gå i spiralbevegelse ned gjennom atmosfæren. Partiklene kolliderer med de ulike gassene i jordatmosfæren og avgir energi. Da får vi se nordlys.

 

Nordlys = oppstår når ladde partikler fra solvinden kolliderer med molekyler i jordatmosfæren og får molekylene til å sende ut lys.

 

Jordkloden vår er som en gigantisk stavmagnet, feltlinjene ser annerledes ut. Dette er fordi solvinden trykker feltet sammen på den siden som er nærmest solen og strekker feltet ut på den andre. Ladde partikler fra solvinden (elektroner og protoner) kommer på skrå inn mot magnetfeltet, og beveger seg i en spiralbane ned mot de magnetiske polene. De ladde partiklene kan gi både nordlys (aurora borealis) og sørlys (aurora australis).

 

Elektronene og protonene som farer mot polen har stor bevegelsesenergi. I jordatmosfæren kolliderer de med atomer og molekyler og deler av bevegelsesenergien blir overført til atomene og molekylene i luften. Disse sender ut lys.

 

Hvert atom har sine bestemte energitilstander. Denne gjør at det blir forskjellige lys avhengig av hva slags molekyler partiklene i solen kolliderer med. Grønn = oksygen i atmosfæren. Rødt og blått = nitrogen.

 

Nordlysovalen – forskjell mellom dag og natt

Nordlysovalen er det området i atmosfæren der nordlyset forekommer. Det er i dette området de ladde partiklene treffer jordatmosfæren og avgir energi i kollisjon med molekyler atomer i atmosfæren. Nordlysovalen har forskjellig plassering om natten og om dagen. Om natten er nordlysovalen rett over Nord-Norge, mens om dagen ligger den over Svalbard. Om dagen er sollyset så sterkt at vi ikke kan se nordlyset bortsett fra når det er mørketid i nord.

 

 

5. G Drivhuseffekten

 

Atmosfæren = grunnlaget for alt liv.

Energibalanse = energibalanse har vi når jorden mottar like mye energi fra solen i form av solstråling som den selv sender ut i form av varmestråling. Hvis energibalansen blir forskjøvet, vil temperaturen på jorden endre seg slik at balansen gjenopprettes.

Atmosfæren ligger som et beskyttende lag rundt sfæren og opprettholder strålingsbalansen på jorden. Atmosfæren bestemmer hvilke strålingstyper som slipper inn, og hvilke strålingstyper som slipper ut.

 

Energibalanse – når innstrålingen og utstrålingen er like stor!

Jorden mottar energi fra solen i form av solstråling. Jorden sender ut energi i form av varmestråling

Det er en balanse mellom innstråling og utstråling hvis denne kommer i ubalanse øker eller synker temperaturen på jorden.

 

Temperaturen på jorden øker hvis den mottar mer solenergi enn den sender ut igjen som varmestråling. Så for å holde en balanse øker varmestrålingen sammen med solstrålingen og dermed øker temperaturen på jorden.

 

Temperaturen kan synke hvis vi sender ut mer energi enn den vi mottar fra solen. Da sender jorden ut mindre varmestråling. Temperaturen stabiliserer seg når jorden er blitt så avkjølt at det igjen er strålingsbalanse.

 

Drivhuseffekten = drivhusgassene i atmosfæren slipper solstrålene inn, men virker som en barriere mot varmestråling fra jorden.

 

Atmosfæren absorberer varmestråling fra joden

På grunn av bølgelengden på varmestrålingen fra jorden har den vanskeligere for å komme gjennom atmosfæren enn solstråling. Varmestrålingen er langbølget og på vei fra jorden blir denne absorbert av gasser i jordatmosfæren. Deretter sender gassen ut varmestrålingen igjen, men i alle mulige retninger. Dermed blir noe rettet tilbake til jorden, mens noen går opp gjennom atmosfæren. Dette gjør at jordoverflaten varmes opp av både solen og atmosfæren. Det er dette fenomenet som kalles drivhuseffekten.

 

 

Drivhusgasser – gasser som absorberer varmestråling

 

Det er flere drivhusgasser i atmosfæren. De viktigste av dem er: vanndamp (H2O), karbondioksid (CO2), Metan (CH4) og lystgass (N2O).

 

CO2 er den viktigste menneske skapte drivhusgassen

• Vanndamp --> absorberer den største delen av varmestråling
• Karbondioksidgass i atmosfæren har steget med 30 % siden 1750

 

Det finnes mange andre drivhusgasser – bla. KFK-gasser og Ozon (O3). Ozon er av det gode høyt opp i atmosfæren, men har en negativ effekt nede på bakken. Ozonlaget brytes ned av KFK-gasser, men er også skadelig med tanke på drivhuseffekten.

 

 

Jorden blir varmere, men hva skyldes det?

 

Karbondioksid innholdet i atmosfæren har økt med tanke på økt bruk av fossilt brensel. Fossile energikilder er rester av planter og dyr som er lagret ned berggrunnen som et kjempestort reservoar for karbon. Når den fossile energikilden frigjøres karbonet og øker mengden karbondioksid i atmosfæren.

 

Det globale gjennomsnittstemperaturen har økt

Den globale gjennomsnittstemperaturen har økt med ca 0,6 grader i løpet av de siste 100 årene.

FNs Klimapanel – regner med at i løpet av tidsrommet 1990-2100 vil gjennomsnittstemperaturen øke mellom 1,4-5,8 grader som følge av menneskelig påvirkning.

Havnivået har steget 10-25 cm de siste hundre årene

 

Konsekvenser på Arktis

Permafrost = frost på bakken hele året.

Permafrosten trekker seg tilbake som et resultat av at temperaturen øker.

Det ligger karbon lagret i bakken på Arktis og når permafrosten blir frigjort vil CO2 innholdet i atmosfæren øke enda mer.

Forandring i permafrost påvirker økosystemer ved at det blir med våtmark. Et varmere Arktis gir endrede levevilkår for dyrearter. Konkurransen om beiteområder og hekkeplasser blir hardere for de artene som var opprinnelig på Arktis. Dette er fordi fremmede arter vil bevege seg nordover når tregrensen flytter seg oppover i nordlige områder.

 

Tiltak – hvordan redusere utslippene av drivhusgasser?

Klimakonvensjonen = ble vedtatt av FN som en avtale om at de industrerte landene må gå foran arbeidet for å redusere utslippet av CO2.

Kyotoavtalen = her ble det tallfestet hvor mye hvert av de enkelte landene skulle redusere utslippet. Det er mange land som ikke holder seg til avtalen.

 

Føre-var eller vente-og-se? – Holdningen til dette spørsmålet var todelt. Økonomi er en viktig faktor – det er dyrt å måtte redusere utslipp og noen hevder at det ikke er godt nok dokumentert om en reduksjon i utslippene påvirke klimaet på jorden.

 

5. H Ozonlaget

 

Ozonlaget = beskytter oss mot det meste av UV-strålingen fra solen. Den ligger 15 – 30 km over bakkenivå, i den delen av atmosfæren som heter stratosfæren.

 

Formel: Ozonlaget dannes: 3O2 <bilde> 2O3 Ozonlaget spaltes: 2O3 <bilde> 3O2

 

Er det hull i Ozonlaget?

Ozonlaget = ozonmolekyler som er bygget opp av tre oksygenmolekyler. Ozon dannes og spaltes ved hjelp av sollys.

 

 

Det er balansegangen mellom dannelse og nedbryting av ozon som er avgjørende for ozonlagets tykkelse.

 

Dobsonenheter (DU / Dobson Units) = mådhlenhet for ozonlagets tykkelse

 

Ozonlaget og drivhuseffekt = Mange blander begrepene ozonlag og drivhuseffekt, men det er to helt forskjellige ting. Ozonlaget hindrer UV-stråler i å slippe ned til jordoverflaten. Drivhusgassene hindrer varmestråling i å slippe ut fra jorden.

 

Ozonlaget tar opp det meste av den skadelige UV-strålingen. Utslipp av KFK.gasser til atmosfæren kan bryte ned ozonlaget slik at mer UV-stråling slipper gjennom.

 

Nedbryting av ozonlaget – nedbryting av ozonlaget finner sted når det er kaldt og stabilt vært, sollys g klorforbindelse (KFK-gasser) i stratosfæren. Stratosfæren = den delen av atmosfæren hvor ozonlaget ligger.