Kafli A: Orka er líf

[Námsefnið ORKA, upphafssíða]

Byrjum á byrjuninni. Hvað er orka? Orka er getan til að framkvæma vinnu og hana er hægt að finna allsstaðar í heiminum. Við þurfum öll orku til að halda lífi, með sama hætti og við þurfum loft og vatn. Orka gerir okkur kleift að framkvæma daglegar athafnir, hún veitir plánetu okkar líf. Allar lífverur Jarðar þurfa orku til að vaxa og halda lífi. Reyndu að ímynda þér, eitt andartak, lífið án mestu grunn uppsprettu allrar orku: sólarinnar! Sólin hitar plánetuna okkar upp, veitir okkur dagsbirtu og gerir okkur kleift að rækta plöntur. Án hennar væri Jörðin dimm, frosin og líflaus. Já, sólin okkar er sannkölluð stjarna!

Veruleikinn er samt sá að við notum ekki einungis orku til að lifa af. Við reiðum okkur á hana til að lifa þægilegu lífi, mennta okkur og hafa gaman. Orka kemur í mismunandi formi: ljós, varmi, rafmagn, hljóð og hreyfing. Orka er notuð til að rækta og elda matinn okkar, færir okkur vatn, lýsir upp heimilin okkar, knýr bíla, strætisvagna og flugvélar og getur hjálpað okkur við að halda á okkur hita á vetrum og köldum sumrum. Líkaminn okkar brennir orku úr matnum sem við borðum til að ganga, hlaupa og leika. Lífgæði fólks og hagkerfi heilu þjóðanna eru háð orku.

Í ljósi þess hversu mikilvæg orka er okkur skaltu undirbúa þig undir smá áfall: heimurinn okkar stendur frammi fyrir tveimur stórum áskorunum varðandi orkumál:

• Um það bil 1,3 milljarðar manna hafa ekki aðgang að rafmagni og um 3 milljarðar nota við, viðarkol og kol til að lýsa og hita upp híbýli sín og elda mat. Þetta er orsök margra heilsufars- og félagslegra vandamála sem við munum kanna nánar í síðari hlutum.
• Í flestum löndum þar sem nútíma orkuþjónuta er fáanleg er rafmagn framleitt með leiðum sem skaða og menga umhverfið auk þess að vera skammlífar.

Hvað sem því líður getum við í sameiningu fundið leiðir til að fá og nota orku. Til þess að leysa þessar tvær áskoranir hafa Sameinuðu þjóðirnar hrundið af stað herferðinni „Áratugur sjálfbærrar orku fyrir alla“ (2014-2024) sem hefur það að markmiði að:

1. Tryggja aðgengi mannkyns að orku
2. Tvöfalda framfarir í orkunýtingu
3. Tvöfalda hlut endurnýjanlegrar orku í orkuvinnslu í heiminum.

Við kynnum okkur SE4ALL frumkvæðið síðar – nú skulum við bara hafa í huga að með því að gera þetta merki munt ÞÚ gera það sem í þínu valdi stendur til að stuðla að því að tekist verði á við þessar áskoranir.

Byrjum á byrjuninni. Hvaðan kemur orka? Á okkar plánetu eru tvær meginuppsprettur orku – orka sem kemur frá varma og ljósi sólar og orka sem kemur djúpt úr iðrum Jarðar. Lítum nánar á þessar tvær uppsprettur orku.

ORKA FRÁ SÓLINNI

Sólin okkar (sem myndaðist fyrir meira en fjórum og hálfum milljarði ára síðan, rétt áður en Jörðin varð til), veitir orku til að viðhalda lífi á Jörðinni. Orka hennar vermir plánetuna, sér okkur fyrir birtu og gerir plöntum kleift að vaxa. Orka frá sólinni veitir öllum vistkerfum Jarðar líf. Sólin stuðlar einnig að myndun vinda og alda sem eru aftur á móti líka mikilvægar auðlindir orku (meira um þær í kafla B). Lítum á nokkur dæmi um hvernig sólarorkan er notuð og henni breytt í önnur form orku á Jörðinni.

Ljóstillífun

Plöntur geta breytt ljósorku frá sólinni í efnaorku (fæðu). Þetta ferli kallast ljóstillífun. Á grísku þýðir „photo“ ljós og „synthesis“ þýðir að setja saman. Með ljóstillífun nýta plöntur orku úr sólarljósi til að tengja saman vatnsgufu og koldíoxíð við myndun kolvetna (t.d. sykur). Kolvetnasameindir eru eins og litlar rafhlöður sem geyma orku þangað til plantan þarfnast hennar til að vaxa.

Heimild myndar Zappys Technology Solutions. “Photosynthesis.” 7. október 2013. Mynd af netinu. Flickr. 1. júní 2018. <https://www.flickr.com/photos/102642344@N02/10187194256>

Fæðukeðja

Einföld fæðukeðja á landi annars vegar og í sjó hins vegar.
Heimild: Simplified food chain.svg – Wikimedia Commons. (Sótt 14. 4. 2018).

Hugtakið fæðukeðja gæti fengið þig til að sjá fyrir þér fæðu sem er fest saman þannig að hún myndi lengju en það er ekki merkingin. Orðið vísar til þess hvernig lífverur fá fæðu og hvernig orka berst frá einni lífveru til annarar. Þar sem plöntur mynda eigin fæðu með ljóstillífun, eru þær kallaðar frumframleiðendur. Plöntur ásamt plöntusvifi, þörungum og sumum bakteríum (gerlum) eru einu lífverurnar sem geta umbreytt ljósorku í efnaorku (t.d. sykur). Allar aðrar lífverur, við þar með talin, geta ekki útbúið sína eigin fæðu, þær fá orku annað hvort með því að éta plöntur eða með því að éta önnur dýr sem fá sína orku úr plöntum, þær kallast neytendur. Orka og næringarefni flæða í gegnum fæðukeðjuna þegar dýr éta önnur dýr eða plöntur. Allar lífverur bæta næringarefnum í jarðveginn með úrgangi sínum og þegar þær rotna eftir dauða sinn, þetta stuðlar að auknum vexti plantna. Með þessum hætti reiða plöntur og dýr sig á hvert annað í fæðukeðju!

Dæmi um einfalda fæðukeðju gæti byrjað á grasi sem er étið af kanínum. Kanínurnar eru svo étnar af refum.

Fæðuvefur sýnir flókið samhengi fæðukeðja. Mynd sótt á: https://www.visindavefur.is/svar.php?id=71232

Lærðu meira: www.exploringnature.org/db/detail_index.php?dbID=2&dbType=2t

Vindar og öldur

Hvort sem þú trúir því eða ekki getum við einnig þakkað sólinni fyrir vinda og öldur! Á meðan ljósorka sólar er upphaf fæðukeðju hitar varmaorka sólar upp yfirborð Jarðar og gefur þannig upphaf til vinda og alda. Mismunandi land- og vatnssvæði á yfirborði Jarðar (eins og skóglendi, jöklar, eyðimerkur þaktar sandi og hafið) drekka í sig varma í mismiklum mæli, sumir hlutar yfirborðs Jarðar hitna hraðar upp en aðrir. Þessi ójafna upphitun orsakar vinda. Hvernig hefur upphitun lands áhrif á loftið? Þegar landsvæði hitna hraðar en svæði þakin vatni, hitnar einnig loftið fyrir ofan þau. Þá stígur heitara loftið upp. Dettur þér í hug af hverju heita loftið rís? Hugsaðu um loftbelg – heita loftið inni í honum er eðlisléttara (vegur minna í hlutfalli við rúmmálið sem það fyllir) en kalda loftið fyrir utan belginn, og því rís belgurinn. Þegar heita loftið stígur

Mynd: https://need-media.smugmug.com/Graphics/Graphics/i-m5Wd3DR

upp í andrúmsloftið (loftið sem umlykur Jörðina), þrýstir það köldu lofti niður að yfirborði Jarðar. Loftið  sem hreyfist er vindur. Vindorka stuðlar að frjóvgun plantna og fuglar nýta vindorku til flugs. Þegar vindur fer yfir hafið ýtir hann vatninu upp á við, þegar vindinn hefur síðan lægt lækkar yfirborð vatnsins aftur. Þannig valda vindar öldugangi og sterkari vindar valda stærri öldum.

Hvernig myndast vindur?

1. Sólin skín á land og sjó (vatn).
2. Land hitnar hraðar en vatn.
3. Heitt loft yfir landi rís.
4. Kalt loft yfir vatni færist inn að landi.

Hver eru vindakerfi Jarðar?

Á hnattræna vísu orsakast vindur af mismun á loftþrýstingi sem aftur orsakast af mismun á hitastigi. Þar sem er kalt loft er háþrýstisvæði eða hæð en þar sem er heitt loft er lágþrýstisvæði eða lægð. Heitt loft vill stíga upp og á meðan ryður kalda loftið sér til rúms og kemur í stað þess heita, þetta orsakar vind.

• Sólin skín beint niður á Jörðina við miðbaug. Loftið hitnar og stígur og skilur eftir lágþrýstisvæði.
• Við u.þ.b. 30 gráður norður og suður af miðbaug byrjar heita loftið frá miðbaug að kólna og síga.
• Á milli þessara svæða, miðbaugs og 30 gráða frá miðbaug, færist mestur hluti kalda loftsins sem er að síga niður aftur til miðbaugs.
• Hinn hluti kalda loftsins flæðir í átt að pólunum.

Sjávarföll

Hafið er alltaf á hreyfingu. Alls staðar í heiminum er yfirborð sjávar að rísa eða hnigna vegna sjávarfalla. Sjávarföll orsakast af þyngdartogi tungls og sólar á Jörðina sem og af snúningi Jarðar. Hringrás sjávarfalla er ekki alltaf nákvæmlega eins sökum þess að tunglið snýst um Jörðina og afstaða þeirra, tungls og Jarðar, til sólar er breytileg. Sem dæmi þá eru flóð og fjara tvisvar á sólarhring (sums staðar þó bara einu sinni):

1. Sjávarmál rís
2. Flóði er náð (hæsta sjávarmál)
3. Sjávarmál hnignar
4. Fjöru er náð (lægsta sjávarmál)

Munurinn á flóði og fjöru (sjávarstöðu) kallast sjávarföll, þau fylgja tveggja vikna hringrás og munurinn er breytilegur innan hennar. Á opnu hafi eru sjávarföll almennt 60 cm, en nær ströndinni geta sjávarföllin verið meiri. Mestu sjávarföllin kallast stórstreymi og þau minnstu smástreymi.

Vissir þú að við getum nýtt okkur sjávarföll til að framleiða orku? Sjávarfallaorka er orka sem myndast við hreyfingu vatns, lestu meira í kafla B.

Þú getur lært meira um sjávarföll í Áskoranir um hafið (e. The Ocean Challenge Badge).

ORKA FRÁ JÖRÐINNI

Næst þegar þú kvartar undan því hversu kalt íslenska sumarið er, skaltu þakka fyrir að frá miðju Jarðar kemur orka sem við notum m.a. til að hita húsin okkar. Kjarni (miðja) Jarðar er heitasti hluti plánetunnar okkar, um 6 000 gráður á Celsius (10 830 gráður á Fahrenheit)! Kjarninn býr yfir varmaorku sem er leifar frá því að Jörðin myndaðist fyrir rúmum fjórum milljörðum ára síðan. Þessu til viðbótar eru einnig steinefni sem framleiða varma neðanjarðar. Það gerist við niðurbrot geislavirkra efnisagna.

Hefur þú séð eldfjall eða mynd af eldfjalli? Það er varmaorka sem kemur beint úr iðrum Jarðar. Þessi orka kallast einnig jarðvarmaorka, á ensku kallast hún geothermal energy. Orðið geothermal kemur úr grísku: geo (jörð) og therme (varmi).

Mynd: http://www.revision.co.zw/hot-springs-and-geysers/

Hvar finnum við jarðvarmaorku? Jarðvarmaforðar (e. Geothermal reservoirs) (jarðvarmageymar) eru djúpt undir yfirborði Jarðar og eru ekki auðfinnanlegir ofanjarðar, þó þrýstir jarðvarmaorka sér upp á yfirborð Jarðar í gegnum:

• Hveri: Heitt vatn sem er hitað upp af heitu bergi djúpt í iðrum Jarðar. Fólk (og sum dýr) njóta þess að baða sig í heitu hveravatninu.
• Goshveri: Hver sem gýs sjóðheitu vatni eða gufu. Vatn flæðir beint upp í loftið á jarðvarmasvæðum þar sem grunnvatnsstaða er há. Vatnið hvellsýður þegar vatnið yfirhitnar undir þrýstingi, rúmmál vatnsins margfaldast skyndilega þegar vatnið breytist í gufu.

Mynd: https://www.worldatlas.com/aatlas/infopage/ringfire.htm

Eitt af virkustu jarðvarmaorkusvæðum heims er umhverfis Kyrrahafið og kallast „eldhringurinn“.

Jarðvarmaorka hefur einnig önnur áhrif á yfirborð Jarðar (einnig nefnt jarðskorpa), þar sem við búum. Klettótt ytri skorpan er brotin upp í nokkra búta sem kallast jarðflekar (oft bara kallaðir „flekar“), þar á meðal eru sjö stórir flekar og margir minni flekar. Skoðaðu kortið af stóru flekunum hér fyrir ofan. Á hvaða fleka býrð þú?

Mynd: http://beforeitsnews.com/self-sufficiency/2016/04/what-tectonic-plates-earthquakes-volcanoes-ring-of-fire-new-maps-see-by-yourself-2503482.html

Varmaorka Jarðar veldur því að flekarnir eru á hreyfingu hver gagnvart öðrum. Flekarnir eru eins og stórir prammar sem fljóta um á mjúkri skel Jarðar. Flekarnir eru 80 til 400 km þykkir (50 til 250 mílur) og hreyfast venjulega um nokkra sentimetra á ári. Flekahreyfingarnar hafa stuðlað að myndun hæstu fjalla heims. Getur þú gískað á hvað annað gerist þegar flekarnir hreyfast? Jarðflekahreyfingarnar orsaka:

• Eldfjöll: Heitt, bráðið berg úr kjarna Jarðar, sem kallast kvika, slettist upp á yfirborð Jarðar (þar kallast það hraun). Þetta orsakast af hreyfingu flekanna og þrýstingu frá bráðnu bergi í iðrum Jarðar.
• Jarðskjálfta: Titringur og hristingur á yfirborði Jarðar. Þetta gerist þegar jarðflekarnir hreyfast í ólíkar áttir eða „nuddast“ saman.
• Flóðbylgjur: Öldur sem far hratt í sjónum og geta orsakast af neðansjávarjarðskjálftum, eldgosum eða flekahreyfingum.

Þessir náttúrulegu atburðir geta verið hættulegir mönnum, gróðri og dýrum. Hvað sem því líður er hægt að forðast hætturnar með góðu skipulagi og við getum þrátt fyrir þær notið lífs og umhverfis í nálægð við hveri og eldfjöll.

Lærðu meira: www.geology.sdsu.edu/how_volcanoes_work/index.html

http://kids.discovery.com/tell-me/curiosity-corner/earth/natural-disasters

KOLEFNISHRINGRÁSIN

Allar lífverur Jarðar, meira að segja mannslíkaminn, samanstanda af kolefni og reiða sig á það sem orkugjafa, til að lifa, með einum eða öðrum hætti. Kolefni finnst í höfum, lofti og bergi. Kolefni er í eilífri hringrás. Í andrúmsloftinu er kolefni tengt súrefni og kallast þá koldíoxíð (CO₂).

1. Plöntur nota koldíoxíð, vatn úr jarðvegi og sólarljós í ferli sem kallast ljóstillífun til að framleiða fæðu og orku. Kolefnið sem þær taka upp í andrúmsloftinu verður hluti af plöntunni.
2. Dýr sem neyta plantna flytja kolefnissamböndin eftir fæðukeðjunni.
3. Mestum hluta þess kolefnis sem dýrin neyta er breytt í koldíoxíð við öndun þeirra og er losað aftur út í andrúmsloftið.
4. Þegar dýrin og plönturnar deyja eru dauðu lífverurnar étnar af sundrendum í jarðvegi og kolefninu í vefjum þeirra er skilað aftur út í andrúmsloftið eða jarðveginn á formi koldíoxíðs.
5. Í sumum tilfellum grafast dauðar plöntur djúpt í jörðu og geta á milljónum ára breyst í jarðefnaeldsneyti líkt og kol og olíu. Þegar fólk brennir jarðefnaeldsneyti er kolefninu aftur sleppt út í andrúmsloftið á formi koldíoxíðs.

Myndi fengin úr Áskoranir um jarðveg (e. Soils challenge badge), bls. 48

AÐ BÚA Í GRÓÐURHÚSI

Hefur þú einhvern tímann komið inn í gróðurhús? Þá veistu e.t.v. að það getur orðið ansi heitt þar inni. Ákveðnar gastegundir í andrúmslofti Jarðar eru þekktar sem gróðurhúsalofttegundir sökum þess að þær virka nokkurn veginn eins og gegnsætt gler eða plast í gróðurhúsi: þær hleypa varma frá sólinni inn en koma í veg fyrir að hann komist allur út aftur. Þetta kallast gróðurhúsaáhrif. Þetta er gott upp að vissu marki: án gróðurhúsaáhrifanna væri meðalhiti Jarðar vera í kringum -18 gráður á Celsius (0 gráður á Fahrenheit). Það er allt of kalt fyrir okkur! Þökk sé gróðurhúsaáhrifunum er meðalhitastig á plánetunni í kringum 14 gráður á Celsius (57 gráður Fahrenheit). Gróðurhúsalofttegundir eru meðal annarra vatnsgufa, koldíoxíð, metan, nituroxíð og óson.

Mynd: https://howweseetheenvironment.files.wordpress.com/2015/02/greenhouse-effect.jpg

Hægt er að hafa of mikið af hinu góða og það er það sem er að gerast með koldíoxíðið. Styrkur koldíoxíðs í andrúmslofti er með því hæsta sem gerst hefur í fjórar milljónir ára, þetta veldur hlýnun Jarðar og þar með loftslagsbreytingum. Maðurinn hefur bein áhrif á magn koldíoxíðs í andrúmsloftinu: Þrír fjórðu hlutar koma frá bruna jarðefnaeldsneytis þegar við ökum bílum, starfrækjum verksmiðjur, o.s.frv., og restin er af öðrum uppruna, þ.m.t. vegna skógeyðingar, með þeim afleiðingum að færri tré taka upp koldíoxíð (Heimild: IPCC, 2007). Fólk ern nú þegar farið að finna fyrir áhrifum loftslagsbreytinga en þær hafa valdið aukningu á öfgakenndu veðri og hamförum af völdum þess á síðustu árum, þ.m.t. þurrkar, flóð, fellibyljir og hitabeltisstormar.

Ef þú vilt læra meira um loftslagsbreytingar skaltu kíkja á bæklinginn Áskoranir um loftslagsbreytingar (e. Climate Change Challenge Badge)!