בשנות השמונים התנהל ויכוח על התחממות כדור הארץ ועל השפעת אפקט החממה שנגרם על ידי CO2 באטמוספירה של כדור הארץ. אבל למעשה, התקיימו שני דיונים. האחד התקיים בכתבי עת מדעיים ובפגישות מקצועיות, שבהן הוצגו כל נקודות החוזקה והמגבלות של השיטה המדעית. הראיות להתחממות כדור הארץ היו מרשימות אך לא מדהימות. מדענים לא יכלו להסיק מסקנות נחרצות בשל נתונים לא מלאים ומגבלות המודלים הממוחשבים של האטמוספירה. הדיון השני התנהל בציבור, והוא כלל היבטים פוליטיים ומדעים. כמה אידיאולוגים טענו כי האפשרות של התחממות כדור הארץ היא הונאה שהמציאו מדענים ואנשי סביבה כדי למשוך יותר מימון למחקר. אבל אפקט החממה של נוגה הנובע מהצטברות של CO2 הוא אמיתי ונצפה באופן ישיר.
באדיבות NASA
בעזרת עקרונות שיווי המשקל התרמי ושימור אנרגיה, אנו יכולים לבצע את הניסוי מחשבתי הבא: איזו טמפרטורה תהיה לנוגה, אם לא היה מתקיים אפקט החממה? ראשית, ניתן לדמיין כי כדור הארץ דילג אל המקום שבו נמצאת הנוגה במרחק 0.72 יחידות אסטרונומיות מהשמש. בכמה תגדל אנרגית קרינה המגיעה לפלנטה מהשמש? חוק הריבוע ההופכי אומר שאם כדור הארץ היה רחוק פי 0.72 מהשמש, הקרינה תהיה 2(1/0.72) – פי 1.93 פעמים חזקה יותר.
בכמה תעלה קרינה זו את הטמפרטורה של הנוגה? אם נניח כי בנקודה אופיינית על פני כדור הארץ הטמפרטורה היא C 200, ניתן לשאול כמה חם יהיה על נוגה, כאשר הקרינה הנקלטת היא 1.93 פעמים מהקרינה המגיעה אל הארץ. זהו חישוב מסובך למדי, אבל אנחנו יכולים לבצע קרוב על ידי חשיבה על עקרון שיווי המשקל: הטמפרטורה תעלה עד שהאנרגיה הכוללת שתקרין מפני השטח תשווה לאנרגיה המגיעה מן השמש. אובייקטים חמים פולטים יותר קרינה ליחידת שטח של פניהם. בהתאם לחוק קרינה ע"ש סטפן-בולצמן. החוק קובע כי גופים הפולטים קרינה תרמית, האנרגיה הכוללת שק הקרינה ליחידת שטח נמצאת ביחס ישר ל- T4 או טמפרטורת החומר T בחזקת ארבע.
לדוגמה, אנו יכולים לומר כי הקרינה הנפלטת על ידי סנטימטר מרובע של פני כדור הארץ, אשר אנו מייצגים SEarth יהיה ביחס ישר לטמפרטורת פני כדור הארץ TEarth :בחזקת ארבע.
SEarth ∝ (TEarth)4
באופן דומה, עבור נוגה :
SVenus ∝ (TVenus)4
טריק שימושי בסוג זה של חישוב הוא לחלק את המשוואה השנייה בראשונה, כך שאנו עוסקים רק ביחסים של כמויות המשתנות, ניתן לבטל את הקבועים. נקבל:
SVenus / SEarth = (TVenus / TEarth)4
מהדיון לעיל, אנו יודעים שהכמות בצד שמאל, כלומר היחס בין הקרינה המגיעה (ונפלטת) של שני כוכבי הלכת, הוא 1.93. הצבה של 1.93 ופתרון עבור TVenus, אנו למדים כי TVenus יהיה שווה ל- 1/4(1.93), או 1.18, פעמים גבוה יותר מאשרTEarth . בכל החישובים הפיזיים הקשורים לטמפרטורה, עלינו תמיד להשתמש בסולם הטמפרטורה המוחלט, הנמדד בקלווין (K) . סולם קלווין מוגדר כך שאפס מתאים למצב חסר אנרגיה וחסר קרינה תרמית. אין זה נכון לגבי הסולם של צלזיוס או פרנהייט. אם אנו משתמשים ב- 20 מעלות צלזיוס, כטמפרטורה אופיינית על פני כדור הארץ, TEarth שווה ל- 293K. הכפלת 293K על ידי קבוע 1.18, אנו מקבלים שטמפרטורת הנוגה תהיה 346K או בערך 73 מעלות צלזיוס. זה אם כן ההבדלי הטמפרטורה בין כוכבי הלכת נובעים רק ממרחק השמש. חישוב זה מאושש למעשה על ידי הטמפרטורות של חלליות הטסות לעבר השמש ומגיעות לנוגה .
באדיבות NASA
נבחן את המצב בזהירות רבה יותר, ניתן להבין כי פני השטח של נוגה מוצלים למעשה על ידי עננים לבנים צפופים המחזירים את רוב אור השמש בחזרה לחלל. אזי, הקרינה המגיעה אל פני השטח של נוגה אפילו קטנה ממה שחישבנו לעיל. מדידת ההחזרה הגבוהה של שכבת עננים הקבועה של נוגה, מצביע כי נוגה סופג רק כ 41% מאור השמש המגיע אליו, בעוד שכדור הארץ קולט כ 61% מהקרינה. מאחר ונוגה קולט כל כך מעט אור שמש, נוגה צריך להיות אפילו דומה יותר לכדור הארץ מאשר מהחושבים לעיל. בהתאם לכמות ענני הכיסוי, הטמפרטורה עשויה להיות נמוכה בכ- 100 מעלות צלזיוס, לא חם יותר מאשר יום קיץ באזורים מסוימים של כדור הארץ.
אבל הטמפרטורה נמדדת של נוגה היא כמעט 500 מעלות צלזיוס! למה נוגה חמה הרבה יותר מהצפוי? אולי לנוגה יש יותר חום פנימי מאשר כדור הארץ, אשר מוביל להתחממות שטח הפנים. אבל ההסבר הזה נכשל, כי לנוגה אין פעילות גיאולוגית רבה יותר מזו שבכדור הארץ. ההבדל יכול להיות רק בגלל אפקט החממה, בשל גז חממה CO2 הנמצא בכמות גדולה באטמוספירה של נוגה . כאשר מוסיפים את השפעת CO2 לחישוב (קבוצה הרבה יותר קשה של משוואות), אזי החישוב התיאורטי נותן סוף סוף את הטמפרטורה הנצפית.
אז אנחנו יכולים להסיק כי חום הנוגה נשמר בשל אפקט החממה. אם לא היה אפקט חממה, ההבדל העיקרי והיחיד בין חימום כדור הארץ והנוגה היה נובע מהעובדה שנוגה קרובה יותר לשמש. טמפרטורה בכוכב לכת הנמצא במקום של נוגה, ללא אפקט החממה, היה בטווח שבין 50 ל- 80 מעלות צלזיוס, בהתאם לשכבת עננים, אבל לא 500 מעלות צלזיוס! נוגה מעניק לנו הזדמנות ללמוד על שינויי האקלים בהשפעת פחמן דו חמצני. כמובן, כל התחממות צפויה בכדור הארץ יהיה רק בכמה מעלות, מפני שכמות CO2 באטמוספירה הארצית קטנה במידה ניכרת מזו שבנוגה. אבל, העקרונות הפיזיים מובנים, ונוגה מוכיחה שהם עובדים היטב. בפעם הבאה שמישהו מנסה להגיד לך אין דבר כזה שינוי אקלים בשל גזי החממה, תוכל לשאול אותם מדוע לנוגה יש טמפרטורה של 500 מעלות צלזיוס?
אפקט החממה הוא דוגמה טובה כיצד המחקר של כוכבי לכת האחרים מחדד את ההבנה בנוגע לפלנטה שלנו. נוגה הוא סוג של "ניסוי מעבדה טבעית" המציג מה היה קורה לפלנטה בגודל כדור הארץ כאשר האטמוספירה שלה משתנה. נוגה מאפשרת לנו לבדוק את התיאוריות שלנו. אם לא היינו חוקרים את היקום סביבנו, לא היינו מקבלים תמונה כה ברורה לדרך שבה האקלים של כוכבי הלכת יכול להתפתח בתנאים שונים במקצת, כך שהפלנטה תהיה שונה להפליא.
Author: Chris Impey