Cele lekcji:
1. Uświadamianie zagrożeń ekologicznych związanych ze zmianami klimatycznymi w skali globalnej.
2. Kształtowanie umiejętności dostrzegania zmian zachodzących w atmosferze pod wpływem działalności gospodarczej człowieka.
3. Rozwijanie umiejętności oceny tych zmian w kontekście życia na Ziemi i podejmowania przeciwdziałań w skali lokalnej i indywidualnej.
Osiągnięcia ucznia:
Metody i formy pracy:
Praca z tekstem źródłowym, dyskusja, burza mózgów, puzzle (jigsaw), praca w grupach, praca indywidualna.
Środki dydaktyczne:
▪ Artykuł - K. Kożuchowski „Globalne ocieplenie” (załącznik 1)
▪ Atlas geograficzny
▪ Karta pracy dla każdego ucznia (załącznik 2)
PRZEBIEG LEKCJI:
I Część wstępna:
1. Nauczyciel podaje temat lekcji i zapoznaje uczniów z jej celami.
2. Następnie „burzą mózgów” zbiera pomysły uczniów, kończące zdanie: Globalne ocieplanie klimatu to …
3. Zapisuje je na tablicy w postaci mapy skojarzeń.
4. Nauczyciel kieruje krótką dyskusją nt: Dlaczego klimat na Ziemi ociepla się?
W podsumowaniu dyskusji nauczyciel prosi uczniów o zapoznanie się treścią rozdz. Efekt cieplarniany artykułu K. Kożuchowskiego „Globalne ocieplenie”.
II Część zasadnicza:
Jak powstaje efekt cieplarniany?
2. Wypowiedzi uczniów uzupełnia wykorzystując ich wiedzę na temat.
Przyczyny i konsekwencje globalnego ocieplenia Ziemi
1. Nauczyciel dzieli klasę na 6 grup, ekspertów zadaniowych. Rozdaje tyle numerków, ilu jest uczniów w danej grupie, np. 1-5.
2. Uczniowie z numerem 1 siadają przy jednym stoliku i wspólnie wykonują swoje zadanie. Uczniowie z następnymi numerkami zasiadają do pozostałych stolików i pracują nad swoimi zadaniami.
3. Poszczególne grupy wspólnie opracowują zagadnienia. Każdy członek grupy zapisuje w odpowiednim miejscu swojej karty pracy krótką, wspólnie wypracowaną notatkę. Uczniowie korzystają z posiadanych już wiadomości, atlasu geograficznego i poszczególnych, niżej wymienionych rozdziałów artykułu K. Kożuchowskiego Globalne ocieplenie
Tematy zadaniowe:
A. Uczniowie - eksperci nr 1 – Naturalne przyczyny powstawania efektu
cieplarnianego
rozdz. Naturalne zmiany klimatu
B. Uczniowie - eksperci nr 2 – Antropogeniczne przyczyny ocieplania klimatu
rozdz. Klimat według IPCC
C. Uczniowie - eksperci nr 3 – Globalne skutki efektu cieplarnianego
rozdz. Współczesne ocieplenie
D. Uczniowie - eksperci nr 4 – Konsekwencje wzrostu temperatury powietrza dla
Polski
E. Uczniowie - eksperci nr 5 – Ochrona klimatu- działania w skali globalnej
F. Uczniowie - eksperci nr 6 – Ochrona klimatu- działania w skali lokalnej
4. Po opracowaniu przydzielonego zadania uczniowie wracają (po 10 min) do swoich grup wyjściowych. Jako eksperci w swoich dziedzinach przekazują wiadomości pozostałym kolegom w grupie. Każdy zapisuje je w odpowiednim miejscu na swoich kartach pracy (załącznik nr 2 ).
5. Nauczyciel czuwa nad poprawnością merytoryczną pracy poszczególnych ekspertów i pilnuje czasu ich pracy.
6. W podsumowaniu pracy uczniów nauczyciel przedstawia krótkie informacje nt:
„Współczesne zmiany temperatury powierzchni Ziemi, poziomu oceanu światowego i powierzchni pokrywy śnieżnej na półkuli północnej”,
III Część końcowa:
Własne sposoby ograniczania zanieczyszczeń atmosfery
Propozycja pracy domowej:
Odszukać w różnych źródłach informacji na temat: Skutki globalnego zagrożenia związanego ze zmianami klimatycznymi w wybranych obszarach świata.
ZAŁĄCZNIK 1
Krzysztof Kożuchowski
Po ogłoszeniu w lutym 2007 czwartego raportu IPCC (IPCC, 2007) na nowo ożyła dyskusja o globalnej zmianie współczesnego klimatu, o jej przyczynach i konsekwencjach, a także – o możliwości sterowania tym procesem. Okazuje się przy tym, że problem globalnego ocieplenia ma wiele odniesień, które wykraczają poza ramy klimatologii, ekologii i polityki ekologicznej. Być może równie istotna jak sama zmiana klimatu, jest różnica, która dzieli poglądy i opinie ludzkie na temat natury tej zmiany... Jak zwykle w takich sytuacjach, powstaje mieszanina wiedzy i emocji, kształtują się frazesy i hasła, podejrzenia o manipulacje faktami i używanie nierzetelnych danych. Oponenci w sporze o klimat uczestniczą w niejasnej grze, w której ignorancja przeplata się z interesami globalnej polityki; można też zauważyć, że z postawami uczestników dyskusji korelują przekonania polityczne, a nawet światopoglądowe. Nastąpiła ideologizacja klimatologii: antropocentrycy występują przeciwko naturalistom, ekolodzy przeciw realistom, demokraci przeciw republikanom... Padają oskarżenia o spisek przeciwko rozwojowi gospodarczemu lub o lekkomyślną ignorancję i konserwatyzm.
Ze zdumieniem i pewnym zażenowaniem stwierdzamy, że klimat stał się przedmiotem politycznych i ideologicznych sporów. Historia nauki przypomina jednak, że nie jest to osobliwość XXI wieku: warto tu wskazać na zdarzenie sprzed około 400 lat, gdy flamandzki chemik, Baptista van Helmont spalił 62 funty węgla drzewnego, otrzymując 1 funt popiołu, a resztę masy, uwalniającej się z węgla – nazwał „nieokiełznanym duchem”. Tworzenie „ducha” było jednak wówczas ryzykownym zajęciem – badaczem zajęli się inkwizytorzy, van Helmont resztę życia spędził w domowym areszcie, zaś w miejsce „ducha” wprowadził grecki termin „chaos”. Ponieważ jednak w języku flamandzkim „ch” czytano jak „g”, nazwą lotnej substancji został gaz. Ten sam gaz, dwutlenek węgla, w dzisiejszych okolicznościach, stał się przedmiotem kontrowersji w środowisku naukowym i nie tylko... Na czym ten spór polega i czy można go racjonalnie rozstrzygnąć? Poniższe uwagi pozwolą może Czytelnikowi odpowiedzieć na te pytania.
Jeszcze jeden fakt z historii nauki może stanowić wprowadzenie do dalszych wyjaśnień. Ponad sto lat temu, szwedzki fizyk, chemik i astrofizyk, laureat nagrody Nobla – profesor Swante August Arrhenius (1859-1927) badając wymianę energii promieniowania w atmosferze obliczył, że podwojenie zawartości dwutlenku węgla w powietrzu spowoduje podniesienie temperatury powierzchni Ziemi o 6 stopni C. Wynik ten, choć być może obarczony pewnym błędem, wskazuje jednak na rolę składu atmosfery w kształtowaniu bilansu energetycznego Ziemi. Atmosfera reguluje warunki dopływu i odpływu promieniowania z powierzchni Ziemi – jest to tzw. transfer promieniowania – i określa temperaturę, zapewniającą równowagę składowych tej wymiany. Cały ten mechanizm nazywa się efektem cieplarnianym. Funkcjonuje on nieprzerwanie i tak długo, jak istnieje atmosfera ziemska.
Efekt cieplarniany bywa czasem mylony z samym ociepleniem, zwłaszcza z obserwowanymi współcześnie zmianami temperatury. Nieraz oba terminy służą do opisu ewentualnych skutków działalności człowieka w środowisku przyrodniczym. Utrudnia to oczywiście rzetelną dyskusję na temat zmian klimatycznych.
EFEKT CIEPLARNIANY
Efekt cieplarniany powoduje, że temperatura powierzchni Ziemi, przykrytej atmosferą, jest wyższa od (teoretycznie wyznaczonej) temperatury Ziemi bez atmosfery. Od składu atmosfery, wpływającego na pochłanianie przenikającego przez nią promieniowania, zależy wymiar termiczny efektu cieplarnianego, tj. przyrost temperatury ponad poziom, odpowiadający temperaturze Ziemi bez atmosferycznej otoczki. Spróbujemy obliczyć temperaturę Ziemi bez atmosfery. Jest to tzw. temperatura efektywna, zapewniająca zrównoważenie dopływu energii promieniowania słonecznego do Ziemi z wypromieniowaniem własnym kuli ziemskiej.
Ziemia znajduje się w strumieniu promieniowania, emitowanego przez Słońce; strumień ten ma przekrój koła o promieniu, równym promieniowi kuli ziemskiej (R). Energia insolacji, zawarta w tym kole rozkłada się na powierzchnię kuli o takim samym promieniu. Jeśli więc na jednostkę powierzchni koła przypada energia słoneczna So, to na jednostkę powierzchni kuli pada ¼ So, bowiem pole kuli jest cztery razy większe od pola koła (rys. 1.). Energia So, a ściślej moc strumienia promieniowania, czyli tzw. stała słoneczna wynosi 1368 W/m2. Insolacja kuli ziemskiej (Sm) jest więc równa ¼ 1368, to jest 342 W/m2. Około 29% tej energii ulega odbiciu od Ziemi i „ucieka” w kosmos, nie wpływając na bilans promieniowania. Reszta, tj. 71% z 342 watów (Sa = około 243 W/m2) pochłania powierzchnia Ziemi, która ogrzewa się tak, by własne promieniowanie kuli ziemskiej mogło zrównoważyć insolację. To wypromieniowanie musi więc mieć moc 243 W/m2. Temperatura zapewniająca takie promieniowanie wynika z prawa Stefana-Boltzmanna, które mówi, że energia promieniowania ciała doskonale czarnego jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury bezwzględnej. Obie wielkości (tj. energię i temperaturę) łączy jeszcze tzw. stała Boltzmanna (5,6697 10 –8). Ponadto, Ziemia nie jest „doskonale czarna”; przyjmuje się, że „stopień czarności” kuli ziemskiej wynosi około 95%.
Mamy więc równanie:
243 = 0,95 5,6697 10 –8 T4
z którego możemy obliczyć T, tzn. temperaturę efektywną Ziemi bez atmosfery. Wynosi ona 255,9 stopni K czyli około –17 st. C. Różnica między temperaturą rzeczywistą (średnia dla kuli ziemskiej wynosi około +15 stopni C), a temperaturą efektywną (-17 stopni C) wskazuje jaki jest termiczny efekt istnienia atmosfery. To właśnie efekt cieplarniany; jego wymiar termiczny wynosi około 32 stopnie! Jak więc powstaje ten efekt? Dlaczego na Ziemi jest tak ciepło?
Wyjaśnieniem są tu radiacyjne właściwości składników atmosferycznych; są one różne w odniesieniu do promieniowania słonecznego (insolacji, promieniowania krótkofalowego) i promieniowania ziemskiego – podczerwonego. Atmosfera ma zdolność pochłaniania selektywnego. I tak, dla promieniowania słonecznego jest niemal przeźroczysta, natomiast promieniowanie podczerwone – pochłania bardzo skutecznie, niemal w całości. Pochłaniając uchodzące z powierzchni Ziemi promieniowanie długofalowe atmosfera nagrzewa się i staje się źródłem własnego promieniowania, które rozchodzi się zarówno ku górze, przenikając poza granicę atmosfery, jak i w dół, do powierzchni Ziemi. W ten sposób, poza promieniowaniem słonecznym, powierzchnia Ziemi zyskuje dodatkowy strumień promieniowania zwrotnego atmosfery. Jej bilans promieniowania powiększa się, temperatura wzrasta i rośnie wypromieniowanie, pochłaniane przez atmosferę. Temperaturę powierzchni Ziemi, przykrytej atmosferą można obliczyć, układając równanie bilansu atmosfery. Składa się na niego przychód promieniowania ziemskiego (Ez), promieniowanie zwrotne (Ea) oraz promieniowanie skierowane poza górna granicę atmosfery (Ea). To ostatnie ma energię równoważącą insolację i zapewniającą równowagę energetyczną układu Ziemia-atmosfera względem przestrzeni kosmicznej. Temperaturę efektywną atmosfery już więc znamy z poprzedniego modelu; wynosi ona około –17 stopni C (255,9 stopni K) i zapewnia wypromieniowanie w kosmos równe insolacji. Jeśli założyć, że taką samą energię niesie ku powierzchni Ziemi promieniowanie zwrotne, a oba strumienie czerpią energię z wypromieniowania powierzchni Ziemi, to równanie bilansu atmosfery będzie miało postać
(0,95 5,6697 10 –8 255,9 4) + (0,95 5,6697 10 –8 255,9 4) = 0,95 5,6697 10 –8 Tz 4
a temperatura powierzchni Ziemi Tz wyniesie 304,5 stopni K (około 31 stopni C).
Ten wynik odpowiada modelowi „idealnej szklarni” z szybą przepuszczającą bez strat promienie słoneczne i zatrzymującą całkowicie wypromieniowanie gruntu. Atmosfera nie jest w rzeczywistości tak doskonałą szybą. Niemniej, wyliczona temperatura 31 stopni C pokazuje jakie są możliwości efektu cieplarnianego.
Realna atmosfera pochłania i traci wskutek rozpraszania promieniowania w kosmos około 25% energii słonecznej. Natomiast pochłanianie w atmosferze promieniowania ziemskiego wynosi około 96% jego mocy. Sama atmosfera promieniuje więcej ku Ziemi niż w kosmos. W rezultacie powierzchnia Ziemi emituje promieniowanie podczerwone o mocy 408 W/m2, a więc znacznie większe od średniej insolacji kuli ziemskiej (243 W/m2). Emisji takiego promieniowania odpowiada temperatura 291 stopni K tzn. około 18 st. C. (zob. Kożuchowski K., 1998, str. 31-32). Jest to realna temperatura radiacyjna powierzchni Ziemi.
Jak widać, jest ona nieco wyższa od średniej obserwowanej temperatury na Ziemi (15 st. C). Różnica pochodzi stąd, że w wyliczeniach nie uwzględniamy innych, nieradiacyjnych strumieni energii. Z powierzchni Ziemi uchodzi nie tylko 408 W/m2 w postaci promieniowania – ponadto 16 W/m2 energii Ziemia przekazuje atmosferze drogą przewodzenia, a 81 W/m2 traci wskutek parowania. Dlatego temperatura, która panuje na powierzchni Ziemi jest nieco niższa od temperatury radiacyjnej.
Pochłanianie promieniowania w atmosferze, stanowiące pierwotną przyczynę podniesienia temperatury Ziemi ponad poziom temperatury efektywnej, czyli powstawania efektu cieplarnianego, zachodzi wskutek obecności w powietrzu substancji szklarniowych, absorbujących poszczególne pasma promieniowania podczerwonego, jak i ultrafioletowego. I tak np. tlen (O...
sampkk