Soarele este sursa principală de energie pentru sistemul climatic al Pământului.

Energia Soarelui conduce sistemul climatic

Soarele încălzește planeta, conduce ciclul hidrologic și face posibilă viața pe Pământ. Cantitatea de lumină solară primită pe suprafața Pământului este afectată de reflectivitatea suprafeței, de unghiul soarelui, de randamentul soarelui și de variațiile ciclice ale orbitei Pământului în jurul soarelui.

Știința de bază a energiei solare și rolul pe care aceasta îl joacă pentru clima Pământului pot fi înțelese de elevii de gimnaziu, dar complexitatea echilibrului energetic al Pământului rămâne un domeniu de cercetare științifică activă. Astfel, acest subiect este atât elementar, cât și complex.

Acest principiu este legat de Principiul 2 al alfabetizării energetice: Procesele fizice de pe Pământ sunt rezultatul fluxului de energie prin sistemul Pământului.

Să le arătăm elevilor mecanica de bază a sistemului climatic

Înțelegerea rolului radiației solare în sistemul climatic al Pământului ne poate ajuta să înțelegem concepte importante precum:

Cauzele anotimpurilor.

×

Această figură arată înclinarea axei Pământului, care provoacă anotimpurile. (Notă: Distanța și diametrul NU sunt la scară.)

Anotimpurile sunt cauzate de înclinarea axei Pământului. Înclinarea axei înseamnă că părțile nordice și sudice ale Pământului nu primesc cantități egale de radiații solare (energie pe unitatea de suprafață). Atunci când emisfera sudică este înclinată spre Soare, este vară în emisfera sudică și iarnă în emisfera nordică. (Principiul 1c)

Motive pentru care apar ere glaciare.

Epocile glaciare au fost cauzate de schimbări în distribuția radiației solare primite pe suprafața Pământului. Traiectoria orbitei Pământului nu este constantă. Variațiile în traiectoria orbitală a Pământului determină modificarea radiației solare care ajunge în orice punct de pe suprafața Pământului. (Principiul 1d)

Cum se modifică în timp cantitatea de energie emisă de Soare (luminozitatea Soarelui).

Emisia soarelui nu este constantă. Luminozitatea sa (energia totală emisă de soare) a crescut de-a lungul timpului geologic și variază ușor pe scări de timp mai scurte.

De ce încălzirea recentă a climei nu a fost cauzată de creșterea producției de energie a soarelui.

Producția de energie a soarelui nu s-a schimbat suficient de mult în ultimele decenii pentru a explica creșterile de temperatură care au fost observate în același timp. (Principiul 1e)

Majoritatea formelor de energie pe care le utilizează oamenii sunt derivate din energia solară.

Multe forme de energie pe care oamenii le folosesc derivă în cele din urmă din radiația solară, cum ar fi alimentele, hidrocarburile (cum ar fi petrolul și gazele naturale), energia eoliană, energia hidroelectrică și, bineînțeles, energia solară.

Ajutându-i pe elevi să înțeleagă aceste idei

×

Această figură prezintă o perspectivă de 1.000.000 de ani a variațiilor orbitei Pământului (numite cicluri Milankovitch) și efectul rezultat asupra forțării solare. Curba de jos arată ciclurile erelor glaciare recente.

În cadrul majorității programelor și standardelor de educație științifică, rolul Soarelui în furnizarea de energie pentru sistemul Pământului este inclus, dar adesea într-un mod dezarticulat. Anotimpurile și importanța lor în determinarea modelelor meteorologice sezoniere și a migrației animalelor pot fi predate în școala primară și apoi nu sunt revizuite timp de mulți ani, dacă nu chiar deloc.

În plus, elevii de toate vârstele, inclusiv studenții de la facultate și adulții, au dificultăți în a înțelege care sunt cauzele anotimpurilor. Pe lângă înclinarea axială, printre factorii care intervin în modelele mentale ale oamenilor se numără credința că Pământul orbitează în jurul Soarelui pe o traiectorie eliptică alungită; confuzia cu privire la dimensiunea relativă, mișcarea și distanța Pământului față de Soare; modul în care călătorește lumina; durata revoluției Pământului în jurul Soarelui; și chiar perioada de rotație. O strategie pentru a atenua această concepție greșită comună este de a se asigura că „motivele anotimpurilor” sunt abordate în mod adecvat în liceu, atunci când elevii au un bagaj suficient de cunoștințe de geometrie și fizică pentru a înțelege conceptele (McCaffrey & Buhr, 2008).

×

Cantitatea de energie solară primită de Pământ a urmat ciclul natural de 11 ani al Soarelui, cu mici suișuri și coborâșuri, fără o creștere netă începând cu anii 1950. În aceeași perioadă, temperatura globală a crescut simțitor. Prin urmare, este extrem de puțin probabil ca Soarele să fi cauzat tendința de încălzire a temperaturii globale observată în ultima jumătate de secol. Imagine de la NASA.

O concepție greșită persistentă este aceea că încălzirea recentă a climei noastre se datorează schimbărilor în energia primită de la Soare, mai degrabă decât creșterii emisiilor de gaze cu efect de seră. Acest aspect poate fi abordat prin examinarea înregistrărilor producției solare și compararea acestora cu înregistrările temperaturii globale. Datele arată în mod clar că iradierea soarelui nu este corelată cu temperatura Pământului.

Explicații excelente pentru acest lucru pot fi găsite la Skeptical Science: Soarele și clima: Moving in Opposite Directions și cu un grafic de la Bloomberg: What’s Really Warming the World? Acest grafic atrăgător este realizat cu date NASA și rezultate ale modelelor.

Aducerea acestor idei în clasă

Radiația solară este energia fundamentală care conduce sistemul nostru climatic și aproape toate procesele climatice și biologice de pe Pământ sunt dependente de aportul solar. Energia de la soare este esențială pentru multe procese de pe Pământ, inclusiv încălzirea suprafeței, evaporarea, fotosinteza și circulația atmosferică. Astfel, examinarea modului în care soarele alimentează diferite procese de pe Pământ poate face parte din multe tipuri de cursuri de științe. Multe dintre conceptele științifice legate de acest principiu pot fi abordate prin încurajarea observațiilor sezoniere, prin participarea cu elevii la programe științifice cetățenești (cum ar fi GLOBE) și prin reexaminarea periodică a noțiunilor de bază privind modul în care cantitatea și intensitatea energiei solare afectează clima Pământului.

Modalitățile prin care energia Soarelui influențează sistemul climatic pot fi predate de la un nivel foarte elementar în sus până la cele mai sofisticate abordări științifice.

Integrarea soluțiilor – Conceptele științifice care se referă la radiația solară pot fi extinse pentru a include ingineria și tehnologia energiei solare, inclusiv cuptoarele solare, proiectarea solară pasivă, energia termică solară și electricitatea solară. Acest lucru poate contribui la creșterea gradului de conștientizare pentru alternative la utilizarea combustibililor fosili și la crearea unui forum de discuții despre soluțiile la schimbările climatice pe care societatea noastră le poate adopta.

Materiale didactice din colecția CLEAN

×

Această figură arată cum gheața albă reflectă lumina solară, în timp ce apa oceanică mai întunecată absoarbe lumina solară. Acest lucru se numește albedo, sau reflexivitate.

Școala gimnazială

• Globii și alte modele fizice pot fi folosite pentru a arăta înclinarea axei Pământului și modul în care aceasta afectează distribuția luminii solare în timpul diferitelor anotimpuri, cum ar fi în My Angle on Cooling: Efectele distanței și ale înclinației.
• Introducere în clima Pământului – Această lecție este o introducere în clima Pământului și acoperă principiile cheie referitoare la clima unică a Pământului, la atmosferă și la diferențele climatice regionale și temporale.
• Vă simțiți aventuros? Amazing Albedo (Albedo uimitor) este o activitate practică care implică măsurarea temperaturii unor suprafețe de culori diferite.

Școala secundară

• Climatul: A Balancing Act applet permite elevilor să ajusteze parametrii care afectează echilibrul energetic al Pământului: radiația solară de intrare, efectul de albedo, efectul de seră și radiația de ieșire.
• Elevii pot învăța cum ciclurile orbitale și erele glaciare sunt bine corelate cu ajutorul applet-ului Climate Milankovitch Cycles.
• Acest instrument de vizualizare interactivă a anotimpurilor poate deveni baza pentru o explorare deschisă a modului în care radiația solară variază în funcție de locație și anotimp.
• Influența solară: Climate Change (Schimbări climatice) video de la Academiile Naționale poate contribui la consolidarea dovezilor că activitatea solară nu este cauza încălzirii globale.

Colegiul

• Earth’s Heat Budget este o activitate practică de laborator care investighează efectele distanței și ale unghiului asupra aportului de radiații solare, albedo, capacitatea termică a pământului și a apei și modul în care acestea determină anotimpurile.
• Laboratorul Motions of the Sun folosește un simulator animat pentru a permite elevilor să manipuleze variabilele pentru a înțelege mișcarea aparentă a soarelui pe cer.
• Observați schimbările de pe orbita Pământului care contribuie la schimbările climatice – Această vizualizare animată a ciclurilor Milankovitch poate pregăti terenul pentru o discuție mai avansată despre forțările climatice.
• O abordare cantitativă poate fi folosită cu această introducere pas cu pas a unui model STELLA simplu: Modelarea echilibrului energetic al Pământului.
• Modelarea climei timpurii a Pământului cu GEEBITT îi ajută pe elevi să se familiarizeze mai bine cu procesele fizice care au făcut ca clima timpurie a Pământului să fie atât de diferită de cea de astăzi.