Acest articol este destinat tuturor dar mai ales elevilor și profesorilor care doresc să predea interdisciplinar prin găsirea unor puncte de conexiune între fizică, chimie, matematică și educația pentru mediu. O analiză în profunzime a dioxidului de carbon se poate face la profilul real clasa a XII-a, deoarece înțelegerea spectrelor atomice necesită anumite cunoștințe care să cuprindă modelarea atomului din punct de vedere cuantic. Dar, și chiar în acest context prin explicații atent gândite și organizate pe nivel de cunoștințe, elevii vor fi fascinați și vor face legătura cu ceea ce se întâmplă în realitate.
Merg pe ideea ca este absolut necesar sa popularizăm știința de la vârste fragede pentru a-i motiva și provoca pe elevi să gândească și să înțeleagă natura pentru a găsi în viitor soluții la problemele de mediu cu care omenirea se confruntă în prezent, cu efecte care deja sunt măsurabile prin amploarea celor deja existente.
Ce este și unde întâlnim acest gaz? Dioxidul de carbon este, așa cum știm un compus chimic care se obține prin oxidarea carbonului, incolor, prezent în atmosfera terestră (troposfera), într-o concentrație medie de 0,04%, obligatoriu necesară pentru a menține echilibrul biosferei.
Pe lângă generarea naturală a acestui gaz, dioxidul de carbon este un produs secundar al activităților umane, cum ar fi: industria, agricultura, transporturile, activitățile casnice, producția de energie electrică prin arderea combustibililor fosili etc.
Legătura dintre efectul de seră și dioxidul de carbon își are originea în procesul de ardere a carbonului în oxigenul din aer. Carbonul care este o substanță organică se oxidează, adică arde în întregime, printr-o reacție cu degajare de căldură (reacție exotermă), dioxid de carbon și apă, apoi gazul obținut este eliberat în atmosferă, de aceea putem spune sigur ca acesta este primul responsabil de încălzirea globală.
Dar cum se explică această încălzire din punct de vedere științific? De ce se întâmplă așa?
Fizicienii au găsit explicația în modul în care se formează spectrul roșu al dioxidului de carbon în conexiune cu rolul fizicii cuantice, aplicată în acest caz. Deci, ajungem la structura discretă a substanței, adică ceea ce nu putem vedea la microscop. Dar dacă am vedea ce am observa?
Fizica a găsit o modelare în acest sens, plecând de la ceea ce cunoaștem ca fiind mișcarea de agitație termică pe baza căreia s-a putut explica o noțiune extrem de importantă și anume „căldura” și apoi folosind elemente de fizică cuantică s-a găsit o explicație intangibilă.
Unind cele amintite mai sus, acum știm că: viteza medie a moleculelor de dioxid de carbon este ca valoare aproximativ egală cu viteza sunetelor in gaze, la temperatura camerei (270 m/s), concentrația moleculelor de dioxid de carbon conținute în unitatea de volum crește odată cu creșterea presiunii ceea ce conduce la ciocniri cu o frecvență mai mare, pe lângă mișcările de translație ale moleculelor, majoritatea acestora au și o mișcare de rotație cuantificată, vibrează, se deformează cu cât temperatura crește.
Experimental, atunci când iradiem dioxidul de carbon cu lumină în infraroșu (spectroscopie în infraroșu), se constată că molecula de dioxid de carbon absoarbe fotoni specifici domeniului infraroșu (domeniul lungimilor de undă a spectrului infraroșu fiind: 700nm-1mm), inducând vibrații de deformare, întindere a moleculelor de dioxid de carbon cu efect fie în încetinirea acestora, fie în accelerarea acestora.
Ne-am putea imagina acest lucru gândindu-ne la mișcarea de rotație a unui tirbușon, unde fotonul este tirbușonul, iar molecula de dioxid este dopul de plută al unei sticle.
Tirbușonul, adică fotonul (care vine odată cu lumina Soarelui), are lungimea de undă de 10.000 de ori mai mare decât lungimea de undă a moleculei de dioxid de carbon și dacă fotonul se rotește pe aceeași direcție cu molecula atunci la nivel discret (cuantic), molecula se rotește mai repede, iar în caz contrar, încetinește.
Prin comparația spectrului la presiune normală de 1 atm. cu cel la o presiune de 0,1 atm. și o temperatură de 23 de grade Celsius, se observă în prima situație că liniile spectrale sunt mai largi, adică avem mult mai multe molecule într-un volum care se ciocnesc cu frecvență mai mare ceea ce conduce la creșterea temperaturii (distribuție Boltzmann).
Aerul atmosferic este greu și apasă asupra tuturor cu aproximativ 100.000 de Newtoni pe fiecare metru pătrat, iar în combinație cu faptul că reacția de oxidare a carbonului cedează căldură in mediul înconjurător și că de la Soare primim căldură sub formă de radiație în infraroșu, ne putem imagina de ce vorbim despre efectul de seră când vine vorba de dioxidul de carbon.
Atmosfera terestră blochează radiațiile nocive ce vin de la Soare dar nu poate opri energia ce vine sub formă de căldură pentru ca în caz contrar, planeta noastră ar fi fără viață. Soarele ne dă lumină și căldură, iar atmosfera terestră ne protejează de radiațiile care ar pârjoli Pământul; dar ce facem acum când echilibrul natural al planetei noastre este ireversibil influențat de căldura artificială pe care o producem prin activitățile noastre?
Iată că molecula de dioxid de carbon prezentând un spectru intens în infraroșu este principala vinovată, contribuind astfel la încălzirea globală, din cauză că absoarbe puternic radiația în infrarosu provenită de la Soare, reducând astfel emisia de căldură în spațiu. Dioxidul de carbon împreună și cu alte substanțe, reduce permeabilitatea biosferei, acoperind ca o „plapumă”, sub care temperatura crește mai mult, vaporii de apă se strâng în cantități mult mai mari (Pământul „transpira” mai mult), și sunt permise ajungerea pe suprafața terestră a unor cantități mai mari de radiații nocive, cum ar fi radiația ultravioletă.
În încheiere, vreau să adaug că procesele naturale sunt ireversibile, așadar, nu putem face altceva decât să diminuăm prin diverse metode, pe care știința le pune la dispoziție, menținerea unei variații constante a temperaturii la nivel global.
Bibliografie selectivă
wiki.anton-paar.com/fi-en/infrared-spectrum-of-carbon-dioxide/
ames.ro/ce-este-efectul-de-sera/
ro.wikipedia.org/wiki/Dioxid_de_carbon