- How the Earth was destroyed 66,000 years ago, personal theory.
Look carefully at the map of the Earth and you will see some evidence that points to what the Earth was like before the fall of meteorites, which brought the ice age? and the extinction of the dinosaurs, this is how I formulated my personal theory on how the Earth was created in the form it is today, the Earth was hit by a shower of meteorites, see also the 4 places where the 4 largest probably fell, these meteorites did not cause glaciers but huge tidal waves of hundreds of meters that completely covered the land with salt water and removed the tectonic plates and the land until then creating the continents, the extinction of the dinosaurs did not come from glaciers but from the continuous tidal waves caused by the meteor shower, which they destroyed almost everything living on earth, (kind of like a global tsunami) the size and density of meteorites are recorded on the moon (observe the lunar craters).
The problem of survival after the tsunamis was aggravated by the huge amounts of salt water that had flooded the land which destroyed everything plant life, so the few surviving creatures that survived in high altitudes soon faced a lack of plant food due to the salt that had burned the flora, in 90 % of life had been destroyed by the huge tidal waves, and the land areas were covered with huge amounts of sea water.
- The classical theory of the ice age does not convince me because it contradicts the laws of physics and the mechanics of the planet, the principle of conservation of energy and the laws of the planet's thermodynamic system, so I have sound theoretical indications and I believe that an ice age did not ever existed, but that is another matter, The following hypothetical map of the Earth shows what the earth might have been like before the meteor shower hit it.
Theories are over, let's go to work now because we are not subsidized researchers. Theodorakis Ioannis 5:53 AM Tuesday, September 24, 2024 (GMT+3) Time in Agios Nikolaos 721 00
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
ΚΑΤΑΡΙΨΗ ΤΗΣ ΘΕΟΡΙΑΣ ΤΗΣ ΕΠΟΧΗΣ ΤΩΝ ΠΑΓΕΤΟΝΩΝ- Πως καταστράφηκε η Γη πριν 66.000 χρόνια , προσωπική θεωρία.
Παρατηρήστε προσεκτικά τον χάρτη της Γης και θα δείτε κάποια στοιχεία που παραπέμπουν στο πως ήταν η Γη πριν την πτώση των μετεωριτών , που έφερε την εποχή των παγετώνων ? και την εξαφάνιση των δεινοσαύρων , ετσι διατύπωσα την προσωπική μου θεωρία για το πως δημιουργήθηκε η Γη με τη μορφή που είναι σήμερα , Την Γη λοιπόν την χτύπησε μια βροχή μετεωριτών δείτε και τα 4 σημεία που πιθανά έπεσαν οι 4 μεγαλύτεροι , οι μετεορήτες αυτοί δεν προκάλεσαν παγετώνες αλλά τεράστια παλιρροιακά κύματα εκατοντάδων μέτρων που κάλυψαν ολοκληρωτικά την στεριά με αλμυρό νερό και απομάκρυναν τις τεκτονικές πλάκες και τη μέχρι τότε στεριά δημιουργώντας τις ηπείρους , η εξαφάνιση των δεινοσαύρων δεν προήλθε από παγετώνες αλλά από τα συνεχή παλιρροιακά κύματα που προκάλεσε η βροχής μετεωριτών , που κατάστρεψαν σχεδόν οτιδήποτε ζωντανό πάνω στη γη , ( κάτι σαν παγκόσμιο τσουμάμι ) το μέγεθος και η πυκνότητα πτώσης των μετεωριτών είναι καταγεγραμμένοι στη σελήνη ( παρατηρήστε τους κρατήρες της σελήνης ).
Το πρόβλημα επιβίωσης μετά τα τουνάμι επιδεινώθηκε με τις τεράστιες ποσότητες αλμυρού νερού είχαν κατακλύσει τη στεριά που κατέστρεψε οτιδήποτε φυτικό , επομένως και τα λίγα επιζώντα πλάσματά που επιβίωσαν σε μεγάλα υψίπεδα αντιμετώπισαν σύντομα την έλλειψη φυτικής τροφής λόγο του αλατιού που είχε κάψει τη χλωρίδα , το 90% της ζωής είχε καταστραφεί από τα τεράστια παλιρροιακά κύματα , και οι εκτάσεις στεριάς ήταν καλυμμένες με τεράστιες ποσότητες θαλασσινό νερό.
- Η κλασική θεωρία της εποχής των παγετώνων δεν με πείθει γιατί αντιβαίνει στους νόμους της φυσικής , και της μηχανικής του πλανήτη , την αρχή της διατήρησης ενέργειας και τους νόμους του , θερμοδυναμικού συστήματος του πλανήτη , Ετσι εχω βάσιμες θεορητικές ενδείξεις και πιστεύω ότι εποχή παγετώνων δεν υπήρξε ποτέ , αλλά αυτό είναι μια άλλη υπόθεση , Στον παρακάτω υποθετικό χάρτη της Γης φαίνεται πως πιθανόν να ήταν η γη πριν τη χτυπήσει η βροχή μετεωριτών .
Θεωρίες τέλος πάμε στη δουλειά τώρα γιατί δεν είμαστε επιδοτούμενοι ερευνητές . Θεοδωράκης Ιωάννης 5:53 AM Tuesday, September 24, 2024 (GMT+3) Time in Agios Nikolaos 721 00
Η ανατομία του πλανήτη μας
Η Γη βρίσκεται 149,6 εκατομμύρια χιλιόμετρα από τον Ήλιο. Σχηματίστηκε πριν από 4,5 δις χρόνια περίπου. Είναι ο μόνος πλανήτης που ξέρουμε μέχρι σήμερα, ότι μπορεί να φιλοξενήσει ζωή. Δεν μοιάζει με κανέναν άλλο στο ηλιακό μας σύστημα.
Η εκπομπή Space και ο Τζέρεμι Γουίλκς βρίσκεται στην Ρώμη για να μας δώσει μια εικόνα για τον πλανήτη που κατοικούμε.
«Η Γη είναι πολύ ιδιαίτερος πλανήτης. Τη βλέπετε πίσω μου. Είναι ένας εντυπωσιακός πλανήτης. Το 70% της επιφάνειάς του καλύπτεται από νερό. Έχουμε τεκτονικές πλάκες που μετακινούνται πάνω στην επιφάνεια του πλανήτη. Η ατμόσφαιρα είναι πλούσια σε οξυγόνο και άζωτο και υδρατμούς. Όλα αυτά είναι αναγκαία για να έχουμε ζωή στον πλανήτη» εξηγεί ο Τζόζεφ Άσμπαχερ, διευθυντής του Κέντρου Παρατήρησης της Γης του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος.
Αντίθετα από τον Άρη και την Αφροδίτη, η Γη έχει τη σωστή θερμοκρασία και τη σωστή ατμοσφαιρική πίεση, ώστε να μπορεί να κυλά νερό στην επιφάνειά της.
Παράλληλα νερό κυλά και κάτω από τη γη. Εδώ στη βίλα των Μεδίκων, υπάρχει το μόνο υδραγωγείο, που είναι σε συνεχή χρήση από τη ρωμαϊκή εποχή. Το νερό που υπάρχει στην επιφάνεια είναι αναγκαίο για να υπάρξει ζωή. Παίζει όμως και ζωτικό ρόλο, όσον αφορά τη γεωλογία του πλανήτη.
«Είμαστε στο υδραγωγείο Aqua Virgo. Είναι μέρος ενός από τα σημαντικότερα υδραγωγεία που τροφοδοτούσαν τη Ρώμη από τον 1ο αιώνα π.Χ. Το νερό είναι πολύ σημαντικό συστατικό στοιχείο για τον σχηματισμό του μάγματος, αλλά και για το σχηματισμό ιζηματογενών, ηφαιστειογενών ή μεταμορφωμένων πετρωμάτων. Γι' αυτό το λόγο είναι πολύ σημαντικό για την εξέλιξη του πλανήτη μας» τόνισε ο Γκαμπριέλε Σκαράτσια-Μουνιόζα, καθηγητής γεωλογίας στο Πανεπιστήμιο Λα Σαπιέντζα στη Ρώμη.
Η Αιώνια Πόλη και τα μνημεία της έχουν φτιαχτεί από λιωμένα πετρώματα που έχουν προέλθει από τον φλοιό της Γης:
«Η Ρώμη έχει φτιαχτεί σε μεγάλο βαθμό από ηφαιστειογενή πετρώματα. Οι περίφημοι επτά λόφοι είναι φτιαγμένοι από τέτοια πετρώματα. Αυτό συγκεκριμένα ονομάζεται Tufo lionato, χάρις στο χρώμα του, που μοιάζει με το χρώμα της χαίτης του λιονταριού» επισημαίνει ο Γκαμπριέλε Σκαράτσια-Μουνιόζα και συμπληρώνει
«Ο πλανήτης μας είναι φτιαγμένος κυρίως από σίδηρο, πυρίτιο και οξυγόνο. Αυτά τα στοιχεία αποτελούν τα 3/4 της σύστασης της Γης».
Η διάμετρος της Γης είναι 12.742 χιλιόμετρα. Είναι λίγο μεγαλύτερη από της Αφροδίτης και διπλάσια από του Άρη.
Τα περισσότερα πράγματα που γνωρίζουμε για τον πλανήτη, τα ανακαλύψαμε πολύ πρόσφατα. Όταν αυτές οι υδρόγειες σφαίρες στο Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής της Ιταλίας φτιάχτηκαν πριν από 500 χρόνια, υπήρχε ακόμη διαμάχη αν ο Ήλιος γύριζε γύρω από τη Γη.
«Η κατανόηση του πώς λειτουργεί το ηλιακό μας σύστημα είναι εντελώς πρόσφατη. Μιλάμε για τον Γαλιλαίο και τον Νεύτωνα και μετά για όλους τους υπόλοιπους. Προφανώς όλα αυτά μας προσέφεραν μια εντελώς διαφορετική οπτική. Στην αρχαιότητα πιστεύαμε ότι η Γη ήταν το κέντρο του σύμπαντος. Τώρα αντίθετα, γνωρίζουμε ότι ο Ήλιος είναι στο κέντρο του πλανητικού μας συστήματος, που είναι στο άκρο ενός γαλαξία, που με τη σειρά του είναι στα άκρα ενός απομονωμένου μέρους του Σύμπαντος. Αυτό μας έδωσε μια εντελώς διαφορετική οπτική του που βρισκόμαστε και του ποιοι είμαστε» επισημαίνει ο Νίτσι ντ' Αμίκο, πρόεδρος του Εθνικού Ινστιτούτου Αστροφυσικής της Ιταλίας.
Η διαστημική τεχνολογία μας επιτρέπει να βελτιώνουμε τις γνώσεις μας καθημερινά. Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος έχει στη διάθεσή του 15 δορυφόρους για την παρατήρηση της Γης, που εφοδιάζουν με πληροφορίες αυτό το κέντρο κοντά στη Ρώμη.
Πέρα από τα δεδομένα καταγράφουν και μια μικρή μετατόπιση των μαγνητικών πόλων.
«Αυτή τη στιγμή ο μαγνητικός πόλος μετακινείται περίπου 40 χλμ τον χρόνο, οδηγώντας μας σε μια αντιστροφή των πόλων. Το περιμέναμε εδώ και καιρό. Δεν είχαμε αντιστροφή εδώ και πάνω από 700.000 χρόνια. Αυτή η μετατόπιση θα ολοκληρωθεί στα επόμενα χιλιάδες χρόνια» εξηγεί ο Μάικλ Ραστ, επικεφαλής του τμήματος επιστημονικής στρατηγικής του Κέντρου Παρατήρησης της Γης.
Ακόμη και οι πιο απομονωμένες περιοχές του πλανήτη μπορούν να έχουν τις απόλυτα ακριβείς συντεταγμένες τους από το διάστημα. Ο δορυφόρος Cryosat που εκτοξεύτηκε το 2010, δείχνει αυτή τη στιγμή τον πραγματικό αντίκτυπο της κλιματικής αλλαγής στις πολικές περιοχές.
«Είχαμε το πιο ζεστό πολικό καλοκαίρι στην Αρκτική φέτος. Χάνουμε με ταχείς ρυθμούς όγκους πάγου. Αυτή τη στιγμή χάνουμε στην Ανταρκτική 125 κυβικά χιλιόμετρα τον χρόνο και το τριπλάσιο στην Γροιλανδία» αναφέρει ο Μάικλ Ρατ.
Η Γη είναι ένας πλανήτης που έχει ένα δυναμικό κλίμα, εξαιτίας των φυσικών κύκλων, αλλά και της καταλυτικής παρουσίας των ανθρώπων τον τελευταίο αιώνα. Οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου έχουν αλλάξει το κλίμα.
«Αλλάξαμε τον πλανήτη. Αυτό είναι γεγονός. Το θέμα είναι πώς θα κατανοήσουμε καλύτερα τι συμβαίνει για να μπορέσουμε να αποφύγουμε τις μεγαλύτερες καταστροφές και για να μην τον καταστρέψουμε εντελώς» τόνισε ο Γιόζεφ Ασμπάχερ, διευθυντής του Κέντρου Παρατήρησης της Γης του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος.
Η διαρκής αλλαγή είναι στα «γονίδια» της Γης για δισεκατομμύρια χρόνια. Το θέμα είναι ποιος θα είναι ο ρόλος του ανθρώπου σ' αυτή την αλλαγή τα επόμενα χρόνια.
Θερμοδυναμική του κλιματικού συστήματος
Για να κατανοήσετε το κλίμα της Γης, σκεφτείτε το ως μια γιγάντια, πλανητικής κλίμακας θερμική μηχανή, που καθορίζει την κυκλοφορία των ωκεανών και της ατμόσφαιρας.
Κατά τη διάρκεια της ιστορίας της, η Γη έχει βιώσει πολύ διαφορετικά κλίματα, συμπεριλαμβανομένων του «Γη χιονοστιβάδας», κατά τη διάρκεια των οποίων ο πλανήτης πιστεύεται ότι ήταν εξ ολοκλήρου καλυμμένος με πάγο, και περιόδους θερμοκηπίου, κατά τις οποίες προϊστορικοί αλιγάτορες μπορεί να περιφέρονταν στην Αρκτική. Οι πρόσφατες ανθρωπογενείς εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου είναι η αιτία της σύγχρονης, ταχείας κλιματικής αλλαγής, η οποία αποτελεί αυξανόμενο κίνδυνο για τις κοινωνίες και τα οικοσυστήματα.
Το κλιματικό σύστημα περιλαμβάνει τα ρευστά περιβλήματα της Γης: την ατμόσφαιρα, τους ωκεανούς και την κρυόσφαιρα (σ.μ. τα παγωμένα μέρη της Γης). Αυτά τα συστατικά, μαζί με τις εξελισσόμενες επιφανειακές ιδιότητες της στερεάς λιθόσφαιρας, είναι υπεύθυνα για την ανάκλαση και την απορρόφηση της περισσότερης ακτινοβολίας που λαμβάνεται από τον Ήλιο. Το κλιματικό σύστημα είναι κοντά σε ένα ενεργειακό ισοζύγιο ανά πάσα στιγμή. Η συνολική ενέργεια δεν παρουσιάζει σημαντικές διακυμάνσεις στο χρόνο επειδή η επίγεια ακτινοβολία εκπέμπεται στο διάστημα με τον ίδιο περίπου ρυθμό με τον οποίο απορροφάται η ηλιακή ενέργεια.
Το ότι βρίσκεται σε σχεδόν ακριβή ενεργειακή ισορροπία με το σύμπαν επιτρέπει στη Γη να έχει ένα σχετικά οικείο κλίμα αύριο και σε έναν αιώνα από τώρα. Αλλά με την πάροδο του χρόνου, μικρές αποκλίσεις από ένα αυστηρό ενεργειακό ισοζύγιο μπορούν να προκαλέσουν στο κλίμα τεράστιες αλλαγές. Τέτοιες μικρές αποκλίσεις οφείλονται στους ημερήσιους και εποχιακούς κύκλους, στις τροχιακές διακυμάνσεις — στους κύκλους Milankovitch, για παράδειγμα (βλ. το άρθρο του Mark Maslin, Physics Today, Μάιος 2020, σελίδα 48)— και σε εσωτερικές δυνάμεις, όπως οι ανθρωπογενείς εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα .
Ένα άλλο χαρακτηριστικό του κλίματος της Γης – στην πραγματικότητα, οποιουδήποτε πλανητικού κλίματος – είναι ότι εξελίσσεται μη αναστρέψιμα. Φανταστείτε να παρακολουθείτε ένα βίντεο 10 δευτερολέπτων ενός χωραφιού με ένα φυλλώδες δέντρο μια ηλιόλουστη μέρα. Θα παρατηρούσατε αν αυτό το βίντεο είχε εμφανιστεί αντίστροφα; Μάλλον όχι. Τώρα φανταστείτε να παρακολουθείτε ένα κλιπ 10 δευτερολέπτων από το ίδιο χωράφι και δέντρο κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας. Θα μπορούσατε πιθανώς να αξιολογήσετε αμέσως εάν το κλιπ προβλήθηκε εγκαίρως προς τα εμπρός ή προς τα πίσω. Ξεχωρίζουν μερικές προφανείς ενδείξεις: Η βροχή πρέπει να πέφτει προς το έδαφος και τα φύλλα πρέπει να χωρίζονται από το δέντρο και να μην προσκολλώνται σε αυτό.
Το κλιματικό σύστημα περιέχει μυριάδες μη αναστρέψιμες διεργασίες και, τόσο σε μια ήρεμη όσο και σε μια θυελλώδη ημέρα, παράγουν εντροπία. Όπως η ενέργεια, η εντροπία είναι μια ιδιότητα οποιουδήποτε θερμοδυναμικού συστήματος και μπορεί να υπολογιστεί εάν κάποιος γνωρίζει την κατάσταση του συστήματος. Αλλά σε αντίθεση με την ενέργεια, η εντροπία δεν διατηρείται. Αντίθετα, παράγεται συνεχώς με μη αναστρέψιμες διαδικασίες. Αν και οι φυσικοί θεωρούν συχνά ιδανικές, αναστρέψιμες διεργασίες, όλες οι πραγματικές φυσικές διεργασίες είναι μη αναστρέψιμες και επομένως παράγουν εντροπία.
Σύμφωνα με τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, η μη αναστρεψιμότητα στο κλιματικό σύστημα αυξάνει μόνιμα τη συνολική εντροπία του σύμπαντος. Όπως και στην περίπτωση της συνολικής ενέργειας, ωστόσο, η συνολική εντροπία στο κλιματικό σύστημα είναι σχετικά σταθερή. Αυτό συμβαίνει επειδή το κλίμα είναι ένα ανοιχτό σύστημα που δέχεται πολύ λιγότερη εντροπία από τον Ήλιο από ό,τι εξάγει στο σύμπαν (βλ. πλαίσιο 1). Η διαφορά μεταξύ αυτού που εισάγεται και αυτού που εξάγεται παράγεται τοπικά, μέσω τριβής, ανάμειξης ή μη αναστρέψιμων αλλαγών φάσης.
Το κλιματικό σύστημα περιλαμβάνει τα ρευστά περιβλήματα της Γης: την ατμόσφαιρα, τους ωκεανούς και την κρυόσφαιρα (σ.μ. τα παγωμένα μέρη της Γης). Αυτά τα συστατικά, μαζί με τις εξελισσόμενες επιφανειακές ιδιότητες της στερεάς λιθόσφαιρας, είναι υπεύθυνα για την ανάκλαση και την απορρόφηση της περισσότερης ακτινοβολίας που λαμβάνεται από τον Ήλιο. Το κλιματικό σύστημα είναι κοντά σε ένα ενεργειακό ισοζύγιο ανά πάσα στιγμή. Η συνολική ενέργεια δεν παρουσιάζει σημαντικές διακυμάνσεις στο χρόνο επειδή η επίγεια ακτινοβολία εκπέμπεται στο διάστημα με τον ίδιο περίπου ρυθμό με τον οποίο απορροφάται η ηλιακή ενέργεια.
Το ότι βρίσκεται σε σχεδόν ακριβή ενεργειακή ισορροπία με το σύμπαν επιτρέπει στη Γη να έχει ένα σχετικά οικείο κλίμα αύριο και σε έναν αιώνα από τώρα. Αλλά με την πάροδο του χρόνου, μικρές αποκλίσεις από ένα αυστηρό ενεργειακό ισοζύγιο μπορούν να προκαλέσουν στο κλίμα τεράστιες αλλαγές. Τέτοιες μικρές αποκλίσεις οφείλονται στους ημερήσιους και εποχιακούς κύκλους, στις τροχιακές διακυμάνσεις — στους κύκλους Milankovitch, για παράδειγμα (βλ. το άρθρο του Mark Maslin, Physics Today, Μάιος 2020, σελίδα 48)— και σε εσωτερικές δυνάμεις, όπως οι ανθρωπογενείς εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα .
Ένα άλλο χαρακτηριστικό του κλίματος της Γης – στην πραγματικότητα, οποιουδήποτε πλανητικού κλίματος – είναι ότι εξελίσσεται μη αναστρέψιμα. Φανταστείτε να παρακολουθείτε ένα βίντεο 10 δευτερολέπτων ενός χωραφιού με ένα φυλλώδες δέντρο μια ηλιόλουστη μέρα. Θα παρατηρούσατε αν αυτό το βίντεο είχε εμφανιστεί αντίστροφα; Μάλλον όχι. Τώρα φανταστείτε να παρακολουθείτε ένα κλιπ 10 δευτερολέπτων από το ίδιο χωράφι και δέντρο κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας. Θα μπορούσατε πιθανώς να αξιολογήσετε αμέσως εάν το κλιπ προβλήθηκε εγκαίρως προς τα εμπρός ή προς τα πίσω. Ξεχωρίζουν μερικές προφανείς ενδείξεις: Η βροχή πρέπει να πέφτει προς το έδαφος και τα φύλλα πρέπει να χωρίζονται από το δέντρο και να μην προσκολλώνται σε αυτό.
Το κλιματικό σύστημα περιέχει μυριάδες μη αναστρέψιμες διεργασίες και, τόσο σε μια ήρεμη όσο και σε μια θυελλώδη ημέρα, παράγουν εντροπία. Όπως η ενέργεια, η εντροπία είναι μια ιδιότητα οποιουδήποτε θερμοδυναμικού συστήματος και μπορεί να υπολογιστεί εάν κάποιος γνωρίζει την κατάσταση του συστήματος. Αλλά σε αντίθεση με την ενέργεια, η εντροπία δεν διατηρείται. Αντίθετα, παράγεται συνεχώς με μη αναστρέψιμες διαδικασίες. Αν και οι φυσικοί θεωρούν συχνά ιδανικές, αναστρέψιμες διεργασίες, όλες οι πραγματικές φυσικές διεργασίες είναι μη αναστρέψιμες και επομένως παράγουν εντροπία.
Σύμφωνα με τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, η μη αναστρεψιμότητα στο κλιματικό σύστημα αυξάνει μόνιμα τη συνολική εντροπία του σύμπαντος. Όπως και στην περίπτωση της συνολικής ενέργειας, ωστόσο, η συνολική εντροπία στο κλιματικό σύστημα είναι σχετικά σταθερή. Αυτό συμβαίνει επειδή το κλίμα είναι ένα ανοιχτό σύστημα που δέχεται πολύ λιγότερη εντροπία από τον Ήλιο από ό,τι εξάγει στο σύμπαν (βλ. πλαίσιο 1). Η διαφορά μεταξύ αυτού που εισάγεται και αυτού που εξάγεται παράγεται τοπικά, μέσω τριβής, ανάμειξης ή μη αναστρέψιμων αλλαγών φάσης.
Όπως η ύλη, η ακτινοβολία υπακούει στον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο. Οι έννοιες της εντροπίας και της μη αναστρεψιμότητας είναι επομένως εξίσου σχετικές με τα φωτόνια όσο και με τα άτομα και τα μόρια. Όμως, παρόλο που ο δεύτερος νόμος αναπτύχθηκε για την ύλη χρησιμοποιώντας τις τεχνικές της κλασικής θερμοδυναμικής από τους Sadi Carnot, Rudolf Clausius και άλλους στα μέσα του 19ου αιώνα, μια πλήρης περιγραφή της εντροπίας της ακτινοβολίας έπρεπε να περιμένει τη θεωρία του Max Planck για την ακτινοβολία θερμότητας. Σύμφωνα με τον Planck, η εντροπία που μεταφέρεται από μια δέσμη ακτινοβολίας εξαρτάται από το φάσμα συχνοτήτων, τη γωνιακή κατανομή και την πόλωσή της. Μια δεδομένη ποσότητα ενέργειας ακτινοβολίας φέρει τη μεγαλύτερη ποσότητα εντροπίας όταν είναι χαμηλής συχνότητας, ισότροπη και μη πολωμένη.
Η Γη ανακατεύει μια εστιασμένη δέσμη ηλιακής ακτινοβολίας με μια διάχυτη δέσμη που αποτελείται από ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία και επίγεια ακτινοβολία σε πολύ χαμηλότερη συχνότητα. Ως εκ τούτου, οι αλληλεπιδράσεις ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανομένης της απορρόφησης, της εκπομπής και της ανάκλασης, είναι μη αναστρέψιμες στη Γη και συμβάλλουν στην παραγωγή εντροπίας του πλανήτη. Μια απλή ανάλυση αυτής της παραγωγής επιτρέπει σε κάποιον να απορρίψει γρήγορα την ιδέα – που μερικές φορές παρατηρείται σε σύγχρονες συζητήσεις για την υπερθέρμανση του πλανήτη – ότι το φαινόμενο του θερμοκηπίου παραβιάζει τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής (δείτε το άρθρο του Raymond Pierrehumbert, Physics Today, Ιανουάριος 2011, σελίδα 33).
Στην πραγματικότητα, η μη αναστρέψιμη παραγωγή εντροπίας από διαδικασίες ακτινοβολίας είναι η κυρίαρχη πηγή μη αναστρεψιμότητας στον πλανήτη. Ωστόσο, οι περισσότερες μελέτες του δεύτερου νόμου που εφαρμόζονται στη Γη θεωρούν μόνο την ύλη (άτομα και μόρια) ως μέρος του κλιματικού συστήματος, ενώ η ακτινοβολία (φωτόνια) θεωρείται μέρος του περιβάλλοντος. Από αυτή την άποψη, η ακτινοβολία αντιμετωπίζεται ως μια εξωτερική και αναστρέψιμη πηγή θερμότητας ή καταβόθρα και η μη αναστρέψιμη διαδικασία ακτινοβολίας δεν μπαίνει στις συζητήσεις για την πλανητική μηχανή θερμότητας.
Αν και το κλίμα είναι περίπου σταθερό, απέχει πολύ από τη θερμοδυναμική ισορροπία, η οποία θα ήταν μια πολύ ψυχρή και βαρετή κατάσταση χωρίς κίνηση. Αντίθετα, το κλιματικό σύστημα μπορεί να θεωρηθεί ως ένας κινητήρας, που τροφοδοτείται από την άνιση κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό. Είναι αυτές οι διαφορές στην ενέργεια, και οι προκύπτουσες διαφορές στη θερμοκρασία και την πίεση που παράγουν, που επιτρέπουν στον άνεμο να φυσά.
Το κλιματικό σύστημα ως θερμική μηχανή
Ηέννοια της θερμικής μηχανής είναι γνωστή σε μηχανικούς και φοιτητές θερμοδυναμικής. Μέσω της μεταφοράς θερμότητας από μια ζεστή δεξαμενή σε μια ψυχρή, μια θερμική μηχανή παράγει μηχανική ενέργεια, που μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για να εκτελέσει ωφέλιμο έργο. Παραδείγματα περιλαμβάνουν ατμομηχανές, κινητήρες εσωτερικής καύσης και σταθμούς παραγωγής ενέργειας. Όταν λειτουργεί αντίστροφα, ένας θερμικός κινητήρας γίνεται ψυγείο ή αντλία θερμότητας.
Η απόδοση του κινητήρα παρέχει πληροφορίες σχετικά με το πόσο έργο μπορεί να παράγει για μια δεδομένη εισροή θερμότητας. Μια αξιοσημείωτη συνέπεια του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής είναι ότι υπάρχει ένα θεωρητικό ανώτερο όριο σε αυτή την απόδοση και μπορεί να εκφραστεί ως απλή συνάρτηση των θερμοκρασιών Τh και Tc των θερμών και ψυχρών δεξαμενών:
nc=Th-Tc/Th
Ονομάστηκε απόδοση Carnot από τον επιστήμονα που την παρήγαγε για πρώτη φορά. Η n/c καθορίζει το μέγιστο δυνατό έργο που μπορεί να εκτελέσει κάθε θερμική μηχανή σε ένα εξωτερικό σώμα. Επιτυγχάνεται με έναν κλειστό, αναστρέψιμο (ιδανικό) κινητήρα, γνωστό ως κινητήρας Carnot (βλ. Εικ. 1a). Οι πραγματικές θερμικές μηχανές δεν μπορούν ποτέ να φτάσουν πραγματικά την απόδοση Carnot, επειδή η απόδοση του έργου τους περιορίζεται από μη αναστρέψιμες διαδικασίες (βλ. Εικ. 1b). Η ισχύς ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης περιορίζεται, για παράδειγμα, από απώλειες τριβής μεταξύ των εμβόλων και των κυλίνδρων και από τις απώλειες αγωγιμότητας προς το περιβάλλον.
Εικόνα 1. Το κλίμα ως θερμική μηχανή. Μια θερμική μηχανή παράγει μηχανική ενέργεια με τη μορφή έργου W απορροφώντας μια ποσότητα θερμότητας Qin από μια ζεστή δεξαμενή (την πηγή) και εναποθέτοντας μια μικρότερη ποσότητα Qοut σε μια ψυχρή δεξαμενή (την καταβόθρα). (a) Ένας ιδανικός θερμικός κινητήρας Carnot κάνει τη δουλειά με τη μέγιστη δυνατή απόδοση. (b) Οι πραγματικές θερμικές μηχανές είναι μη αναστρέψιμες και κάποιο έργο χάνεται μέσω της μη αναστρέψιμης παραγωγής εντροπίας T -δΣ (c) Για το κλιματικό σύστημα, η τελική πηγή είναι ο Ήλιος, με το διάστημα να λειτουργεί ως καταβόθρα. Το έργο εκτελείται εσωτερικά και παράγει ανέμους και ωκεάνια ρεύματα. Ως αποτέλεσμα, Qin = Qout
Το κλιματικό σύστημα είναι ουσιαστικά μια γιγάντια μηχανή θερμότητας πλανητικής κλίμακας. Θερμαίνεται από την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας και ψύχεται από την εκπομπή ακτινοβολίας στο διάστημα (βλ. Εικ. 1c). Η θέρμανση είναι μεγαλύτερη στη θερμή τροπική επιφάνεια, ενώ η ψύξη συμβαίνει κυρίως στην ψυχρότερη τροπόσφαιρα και σταθμίζεται προς μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη. Η πλανητική θερμική μηχανή μεταφέρει θερμότητα από την πηγή της θερμής επιφάνειας στην ψυχρότερη τροποσφαιρική καταβόθρα μέσω των ροών της ατμόσφαιρας και των ωκεανών.
Πώς όμως χαρακτηρίζουν οι επιστήμονες του κλίματος το έργο που εκτελεί η πλανητική θερμική μηχανή; Η Γη δεν μπορεί να πιέσει κανένα εξωτερικό σώμα και στο πλαίσιο μιας κλασικής θερμικής μηχανής, η απόδοση του έργου της είναι παντού μηδενική! Οι ωκεανοί και η ατμόσφαιρα, ωστόσο, εκτελούν έργο στον εαυτό τους και ο ένας στον άλλον, και αυτό το έργο δημιουργεί τους γνωστούς ανέμους και τα ωκεάνια ρεύματα που παρατηρούν οι επιστήμονες. Για τους επιστήμονες του κλίματος, ωφέλιμο έργο είναι αυτό που χρησιμοποιείται για την ατμοσφαιρική και ωκεάνια κυκλοφορία.
Επειδή το έργο που εκτελεί η πλανητική θερμική μηχανή είναι εσωτερικό στον ίδιο τον κινητήρα, η απόδοσή του δεν περιορίζεται από την απόδοση Carnot. Αντίθετα, το κλιματικό σύστημα μπορεί, κατ’ αρχήν, να ανακυκλώσει μέρος της θερμότητας που παράγεται από τη διάχυση με τριβή των ανέμων και των ωκεάνιων ρευμάτων και να αυξήσει τη μέγιστη απόδοσή του σε μια τιμή
η οποία είναι παρόμοια με την απόδοση Carnot, με τη διαφορά ότι η θερμοκρασία στον παρονομαστή αντικαθίσταται από αυτή του ψυχρής καταβόθρας. Η μέγιστη πλανητική απόδοση προκύπτει όταν χρησιμοποιείται όλη η διαθέσιμη ενέργεια για την κίνηση ατμοσφαιρικών και ωκεάνιων ρευμάτων και όταν η διάχυση αυτών των ρευμάτων είναι συγκεντρωμένη στη θερμή πηγή – για παράδειγμα, μέσω της τριβής με την επιφάνεια της Γης. Όπως θα καταστήσουμε σαφές, η θερμική μηχανή της Γης λειτουργεί μακριά από αυτό το όριο.
Μαζί με το έργο, η ατμοσφαιρική και η ωκεάνια κυκλοφορία είναι σημαντικές για τον καθορισμό του χωρικού νέφους και της κατανομής θερμοκρασίας στη Γη. Ως αποτέλεσμα, οι άνεμοι και τα ρεύματα που κινούνται από την πλανητική θερμική μηχανή επηρεάζουν τόσο την απόδοσή της όσο και την ποσότητα θερμότητας που μεταφέρει. Αυτές οι επιδράσεις οδηγούν σε μια σημαντική ανατροφοδότηση που ρυθμίζει το κλίμα: Το έργο που εκτελείται από την πλανητική θερμική μηχανή δρα για να μειώσει τη διαβάθμιση θερμοκρασίας που το προκαλεί.
Μια τέτοια συμπεριφορά περιπλέκει την ανάλυση της θερμικής μηχανής της Γης, αλλά εγείρει επίσης δελεαστικά ερωτήματα για τη δυναμική του πλανητικού κλίματος. Τι καθορίζει την απόδοση της πλανητικής θερμικής μηχανής; Έχει αλλάξει στο παρελθόν και θα αλλάξει στο μέλλον; Πώς η λειτουργία της πλανητικής θερμικής μηχανής επηρεάζει τον καθημερινό καιρό;
Μη αναστρέψιμες διεργασίες
Το έργο που εκτελείται από την πλανητική θερμική μηχανή παράγει στην ατμόσφαιρα και τους ωκεανούς δίνες πολύ διαφορετικής κλίμακας και έντασης, συμπεριλαμβανομένων μικροσκοπικών κυματισμών στην επιφάνεια του ωκεανού και βίαιων ανέμων σε έναν τροπικό κυκλώνα. Ο στροβιλισμός παραμορφώνει τέτοιες δίνες σε νέα σχήματα και μοτίβα έως ότου το ιξώδες διαχέει τελικά την κινητική τους ενέργεια σε θερμότητα. Ο προκύπτων κύκλος παραγωγής και διασποράς ενέργειας, που περιγράφηκε όμορφα το 1955 από τον Edward Lorenz, υποδηλώνει μια ισορροπία μεταξύ του έργου και της διασποράς τριβής στο κλιματικό σύστημα.
Η παρουσία τριβής δεν περιορίζει απαραίτητα την απόδοση της πλανητικής θερμικής μηχανής. Στην πραγματικότητα, ο θερμικός κινητήρας προσεγγίζει τη μέγιστη απόδοσή του όταν η τριβική διάχυση των ανέμων και των ρευμάτων των ωκεανών είναι η κυρίαρχη μη αναστρέψιμη διαδικασία. Αλλά άλλες μη αναστρέψιμες διεργασίες στο κλιματικό σύστημα ανταγωνίζονται για τη διαθέσιμη ενέργεια, όπως φαίνεται στην Εικ. 2. Για παράδειγμα, η αγωγιμότητα της θερμότητας – αυτή μεταξύ της επιφάνειας και της ατμόσφαιρας και αυτή που προκαλείται από τη μοριακή διάχυση στους ωκεανούς και την ατμόσφαιρα – μειώνει την πλανητική απόδοση ακριβώς όπως οι αγώγιμες απώλειες που γίνονται σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης. Η απορρόφηση, η ανάκλαση και η εκπομπή ακτινοβολίας είναι επίσης μη αναστρέψιμες διαδικασίες, αν και γενικά δεν λαμβάνονται υπόψη στις συζητήσεις για την πλανητική θερμική μηχανή (βλ. πλαίσιο 1).
Εικόνα 2. Μη αναστρέψιμες διεργασίες στην ατμόσφαιρα. Παραβλέποντας τις διεργασίες ακτινοβολίας (δεν φαίνονται εδώ), οι μεγαλύτερες πηγές μη αναστρεψιμότητας στην ατμόσφαιρα είναι αυτές που σχετίζονται με τον υδρολογικό κύκλο: εξάτμιση, ανάμειξη υγρού και ξηρού αέρα και ο κύκλος τήξης-πήξης (60-80% συλλογικά) και η πτώση των βροχοπτώσεων (5–15%). Αυτές οι συνεισφορές περιορίζουν την εντροπία που δημιουργείται από τη διάχυση τριβών των ανέμων (5–15%), η οποία τελικά θέτει ένα όριο στο έργο που εκτελεί η ατμοσφαιρική θερμική μηχανή στην παραγωγή των κυκλοφοριών. Τα ποσοστά υπολογίζονται με βάση προσομοιώσεις του παγκόσμιου κλίματος και εξιδανικευμένες προσομοιώσεις υψηλής ανάλυσης.
Στη Γη, μια πρόσθετη κατηγορία μη αναστρέψιμων διεργασιών αντιπροσωπεύει μακράν τον πιο σημαντικό έλεγχο στην πλανητική θερμική μηχανή. Αυτές οι διεργασίες υπάρχουν λόγω μιας πτυχής του κλίματος της Γης που την καθιστά κατοικήσιμη για ζωή: την παρουσία ενός ενεργού υδρολογικού κύκλου.
Εξετάστε τη διαδρομή ενός πακέτου νερού από την επιφάνεια του ωκεανού μέσω του υδρολογικού κύκλου της Γης. Θερμαινόμενο από τον Ήλιο, το πακέτο εισέρχεται αρχικά στην ατμόσφαιρα με εξάτμιση στον αέρα. Όπως το στέγνωμα ενός βρεγμένου πουκάμισου σε ένα άπλωμα, αυτή η διαδικασία εξάτμισης είναι μη αναστρέψιμη. Στην αέρια μορφή του, το πακέτο βρίσκεται στο έλεος των ανέμων, στροβιλίζεται στην ατμόσφαιρα και αναμιγνύεται με τον αέρα γύρω του. Τελικά το πακέτο τραβιέται σε ένα ανοδικό ρεύμα, ψυχόμενο καθώς ανεβαίνει, μέχρι να συμπυκνωθεί σε μικροσκοπικά σταγονίδια στον κορεσμένο πυρήνα ενός σύννεφου.
Εάν φτάσει σε αρκετά μεγάλο υψόμετρο, το πακέτο συναντά θερμοκρασίες υπόψυξης της ανώτερης ατμόσφαιρας και τα σταγονίδια παγώνουν αυθόρμητα και μη αναστρέψιμα. Καθώς τα παγωμένα σταγονίδια μεγαλώνουν, αρχίζουν να πέφτουν, πρώτα ως νιφάδες χιονιού και αργότερα ως σταγόνες βροχής. Καθώς πέφτουν, τα σταγονίδια χάνουν αμετάκλητα τη βαρυτική δυναμική ενέργεια και εξατμίζονται εν μέρει καθώς περνούν από υποκορεσμένο αέρα.
Οι διάφορες μη αναστρέψιμες διεργασίες στον υδρολογικό κύκλο περιορίζουν το έργο που εκτελεί η πλανητική θερμική μηχανή. Το αποτέλεσμα μπορεί να ποσοτικοποιηθεί λαμβάνοντας υπόψη τη συμβολή αυτών των διεργασιών στη μη αναστρέψιμη παραγωγή εντροπίας του κλιματικού συστήματος. Παρόλο που τέτοιες συνεισφορές είναι δύσκολο να περιοριστούν παρατηρητικά – μια εξαίρεση είναι η διασπορά που προκαλείται από την πτώση της βροχόπτωσης, η οποία μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας δορυφόρους, όπως φαίνεται στην Εικ. 3 – μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει μοντέλα του κλιματικού συστήματος για να εκτιμήσει το μέγεθός τους.
Εικόνα 3. Πτώση βροχόπτωσης. Μια από τις πιο σημαντικές πηγές διασποράς στην ατμόσφαιρα συμβαίνει όταν πέφτουν σταγόνες βροχής, μια διαδικασία που μειώνει τη βαρυτική δυναμική τους ενέργεια. Χρησιμοποιώντας δορυφορικές πληροφορίες από την αποστολή Global Precipitation Measurement της NASA, υπολογίσαμε τη διασπορά για τα έτη 2015–20. Οι μεγαλύτεροι ρυθμοί διασποράς εμφανίζονται εκεί όπου οι ίδιοι οι ρυθμοί βροχοπτώσεων είναι υψηλότεροι—στον τροπικό δυτικό Ειρηνικό Ωκεανό και σε μια ζώνη σε όλο τον κόσμο, γνωστή ως ζώνη διατροπικής σύγκλισης.
Το 2002, ο Olivier Pauluis και ο Isaac Held χρησιμοποίησαν μια τέτοια προσέγγιση για να αποδείξουν ότι οι μη αναστρέψιμες διεργασίες που σχετίζονται με τον υδρολογικό κύκλο, συμπεριλαμβανομένων των αλλαγών φάσης, της ανάμειξης και της κατακρήμνισης, ευθύνονται για το μεγαλύτερο μέρος της μη αναστρεψιμότητας στην ατμόσφαιρα και στο κλιματικό σύστημα της Γης ευρύτερα. (βλέπε Εικ. 2). Αυτές οι λεγόμενες υγρές διεργασίες περιορίζουν την παραγωγή εντροπίας που σχετίζεται με τη διάχυση τριβής και μειώνουν την απόδοση της πλανητικής θερμικής μηχανής. Πράγματι, οι υγρές διεργασίες ασκούν βαθιά επίδραση σε διάφορες ατμοσφαιρικές κυκλοφορίες, συμπεριλαμβανομένων των μεμονωμένων νεφών και της παγκόσμιας κυκλοφορίας.
Προγράμματα οδήγησης παγκόσμιας κυκλοφορίας
Φανταστείτε ότι είναι αργά το πρωί σε έναν τροπικό παράδεισο. Ο Ήλιος αρχίζει να θερμαίνει το έδαφος και να παράγει ζεστές, ανερχόμενες φυσαλίδες καθαρού αέρα γνωστές ως θερμικές. Αυτά τα θερμικά αντικαθίστανται από αέρα που βυθίζεται αργά και έχει χάσει ενέργεια λόγω της ψύξης με ακτινοβολία. Τέτοιες κάθετες ανταλλαγές ή κυκλοφορίες αέρα είναι μια τοπική εκδοχή της πλανητικής θερμικής μηχανής και οι επιστήμονες του κλίματος αναμένουν ότι η εργασία που γίνεται από τέτοια ξηρά θερμικά θα κλιμακωθεί ανάλογα με τον ρυθμό θέρμανσης της επιφάνειας.
Αργότερα μέσα στην ημέρα, η επιφάνεια έχει θερμανθεί αρκετά για να δημιουργήσει ισχυρότερα θερμικά. Μπορούν να φτάσουν και να υπερβούν το ανυψωμένο επίπεδο συμπύκνωσης, όπου οι υδρατμοί στον αέρα ψύχονται αρκετά ώστε να συμπυκνωθούν ως υγρό νερό. Αυτή η διαδικασία εισάγει μια αλλαγή φάσης. Η παρουσία ενός υδρολογικού κύκλου σημαίνει ότι ο ανερχόμενος αέρας μπορεί να φανεί καθώς σχηματίζει σύννεφα και τα ίδια τα σύννεφα υποδηλώνουν τοπική κυριαρχία της μη αναστρέψιμης παραγωγής εντροπίας από υγρές διεργασίες.
Εάν το σύστημα έχει οριστεί να περιλαμβάνει τόσο τα σύννεφα όσο και τον περιβάλλοντα αέρα που βυθίζεται αργά, το συνολικό έργο που είναι διαθέσιμο για την κίνηση μπορεί ενδεχομένως να είναι πολύ μικρότερο και να μην κλιμακώνεται πλέον με τον ρυθμό θέρμανσης της επιφάνειας. Αντίθετα, τα ανοδικά ρεύματα στα σύννεφα αποσυνδέονται από τον ρυθμό θέρμανσης και οι ιδιότητές τους εξαρτώνται από μικροσκοπικές λεπτομέρειες των διαδικασιών των σύννεφων, όπως η ταχύτητα με την οποία οι σταγόνες βροχής πέφτουν δια μέσου του αέρα και ο ρυθμός με τον οποίο ο υγρός, νεφελώδης αέρας αναμιγνύεται στο ξηρό περιβάλλον στην άκρη του σύννεφου.
Κάποιος μπορεί να σκεφτεί ένα αναπτυσσόμενο συσσωμάτωμα σύννεφου ως μια μηχανή θερμότητας που λειτουργεί για τον εαυτό του και στη γύρω ατμόσφαιρα. Αλλά δεν συμπεριφέρονται όλα τα σύννεφα σαν θερμική μηχανή. Φανταστείτε, για παράδειγμα, ένα λεπτό φύλλο κρυσταλλικού σύννεφου (ένα σύννεφο πάγου) ψηλά στην ατμόσφαιρα που απλώς μεταφέρεται από τον άνεμο. Δεν εκλύεται δυναμική ενέργεια για την εκτέλεση έργου στο περιβάλλον.
Η αναλογία της θερμικής μηχανής ενός μεμονωμένου νέφους, ωστόσο, μπορεί να εφαρμοστεί χρήσιμα σε οργανωμένα σμήνη συναγωγικών νεφών, τα οποία μπορούν να λάβουν τη μορφή καταιγίδων, καταιγίδων μεσαίου γεωγραφικού πλάτους και τροπικών κυκλώνων. Γνωστοί και ως τυφώνες, οι τροπικοί κυκλώνες ειδικότερα θεωρούνται από καιρό ως θερμικές μηχανές Carnot (βλ. Γρήγορη Μελέτη του Kerry Emanuel, Physics Today, Αύγουστος 2006, σελίδα 74). Στην πραγματικότητα, αυτές οι καταιγίδες είναι μη αναστρέψιμες και εξαιρετικά αναποτελεσματικές.
Σε παγκόσμια κλίμακα, η ατμοσφαιρική κυκλοφορία καθοδηγείται από τη διαφορική θέρμανση που σχετίζεται με τη γωνία του Ήλιου. Εκδηλώνεται ως μεγάλες κυψέλες ανατροπής και ροές πίδακα. Όλοι οι πλανήτες σε τροχιά γύρω από ένα αστέρι θερμαίνονται πιο έντονα σε κάθε δεδομένη στιγμή στο υποαστρικό σημείο, όπου η επιφάνεια του πλανήτη είναι άμεσα κάθετη στην ακτινοβολία του αστεριού. Επειδή η ημέρα της Γης είναι μικρή σε σχέση με την περίοδο της τροχιάς της γύρω από τον Ήλιο, ο πλανήτης θερμαίνεται κυρίως στους τροπικούς (±30° γεωγραφικό πλάτος) και αυτή η θερμότητα ανακατανέμεται από τους ωκεανούς και την ατμόσφαιρα προς τους πόλους. Επομένως, οι πολικές περιοχές χάνουν περισσότερη ακτινοβολία στο διάστημα από ό,τι λαμβάνουν από τον Ήλιο. Για την παγκόσμια κυκλοφορία, οι χαρακτηριστικές θερμοκρασίες εισόδου και εξόδου της πλανητικής θερμικής μηχανής ελέγχονται από δύο διαβαθμίσεις θερμοκρασίας: την κλίση επιφάνειας προς την ανώτερη ατμόσφαιρα και την κλίση από τον ισημερινό προς πόλο.
Οι επιστήμονες του κλίματος ποσοτικοποιούν την αποτελεσματικότητα της παγκόσμιας κυκλοφορίας, η οποία, όπως είδαμε, είναι μια ισχυρή συνάρτηση των υγρών, μη αναστρέψιμων διεργασιών που συμβαίνουν μέσα σε αυτήν. Μία από τις πιο ισχυρές θεωρητικές προβλέψεις της κλιματικής αλλαγής είναι ότι η συνολική ποσότητα υδρατμών στην ατμόσφαιρα θα αυξηθεί με την θέρμανση – κατά περίπου 7% ανά kelvin. Εάν το μέγεθος των υγρών διεργασιών αυξάνεται επίσης με την περιεκτικότητα σε ατμούς, οι επιστήμονες μπορεί να αναμένουν ότι η κλιματική θερμική μηχανή θα γίνει λιγότερο αποδοτική σε έναν θερμότερο πλανήτη. Μια μελέτη των παγκόσμιων κλιματικών μοντέλων δείχνει ότι, πράγματι, η μηχανική απόδοση των προσομοιωμένων μελλοντικών κλιματικών συνθηκών μπορεί να μειωθεί και να μειώσει την καθαρή ενέργεια που είναι διαθέσιμη για την κίνηση των ανέμων. Ωστόσο, η πιο λεπτομερής μοντελοποίηση σε τοπική κλίμακα δείχνει το αντίθετο. Ποιο έχει δίκιο; Και τι σημαίνει για το μελλοντικό κλίμα της Γης; Αυτά είναι εκκρεμή ερωτήματα στην επιστήμη του κλίματος. Η απάντηση σε αυτά απαιτεί θεμελιώδη πρόοδο στην ικανότητα των επιστημόνων να μοντελοποιούν τη μη αναστρέψιμη λειτουργία στο κλιματικό σύστημα.
Μη αναστρέψιμη μοντελοποίηση
Τα μοντέλα του κλιματικού συστήματος διατίθενται σε διάφορες μορφές, όπως μοντέλα γενικής κυκλοφορίας που προσομοιώνουν ολόκληρη την ατμόσφαιρα ή τον ωκεανό και λεπτομερή μοντέλα προσομοίωσης μεγάλων στροβιλισμών που καταγράφουν διεργασίες που σχετίζονται με μεμονωμένα σύννεφα (βλ. Εικ. 4). Τέτοια μοντέλα χρησιμοποιούνται με πολλούς τρόπους, όπως η πρόβλεψη του καιρού και η διερεύνηση του κλίματος των εξωγήινων κόσμων, όπως αναλύεται στο πλαίσιο 2. Ανεξάρτητα από την εφαρμογή τους, τα γενικά χαρακτηριστικά των κλιματικών μοντέλων παραμένουν τα ίδια. Η ατμόσφαιρα ή ο ωκεανός είναι διακριτά συστήματα και ένα σύνολο εξισώσεων που αντιπροσωπεύουν φυσικούς νόμους, όπως η διατήρηση της μάζας, η ορμή και η ενέργεια, επιλύεται αριθμητικά στο πλέγμα του μοντέλου.
Σχήμα 4. Τα αριθμητικά μοντέλα είναι ζωτικής σημασίας για τη διεξαγωγή κλιματικής έρευνας και την εκτίμηση των μη αναστρέψιμων διεργασιών στην ατμόσφαιρα και τους ωκεανούς. Αυτή η εικόνα είναι ένα στιγμιότυπο νεφών από μια εξιδανικευμένη προσομοίωση υψηλής ανάλυσης που έγινε με το System for Atmospheric Modeling. Η προσομοίωση εκτείνεται σε μια περιοχή ωκεανού 100 x 100 km2 χρησιμοποιώντας ένα οριζόντιο μέγεθος πλέγματος 250 m. Καταγράφει πολλές λεπτομέρειες της μορφολογίας των νεφών, συμπεριλαμβανομένων των μικροσκοπικών νεφών οριακής στιβάδας που σχηματίζουν έναν δακτύλιο στο προσκήνιο της εικόνας και των ιχνών κρυσταλλικών σύννεφων στο άκρο κάτω δεξιά. Διεργασίες που παράγουν εντροπία αμετάκλητα – όπως η ανάμειξη, η εξάτμιση και η πτώση σταγόνων βροχής – δεν επιλύονται και πρέπει να εκτιμηθούν μέσω υπομοντέλων που ονομάζονται παραμετροποιήσεις.
Πλαίσιο 2. Θερμικές μηχανές σε άλλους πλανήτες
Τα ακαθάριστα χαρακτηριστικά του κλίματος της Γης είναι μοναδικά ως προς τον ρυθμό περιστροφής, τις πλανητικές και τροχιακές ακτίνες, τη μέση θερμοκρασία και την περιεκτικότητα σε νερό. Άλλοι πλανήτες στο ηλιακό μας σύστημα ή σε τροχιά γύρω από άλλα αστέρια έχουν δραματικά διαφορετικό κλίμα. Η θερμική μηχανή της Γης είναι ένα παράδειγμα ενός ευρέος φάσματος δυνατοτήτων σε πλανήτες με ρευστούς φακέλους. Οι γιγάντιοι πλανήτες (Δίας, Κρόνος, Ουρανός και Ποσειδώνας), για παράδειγμα, θεωρείται ότι έχουν νέφη νερού, αλλά πιθανότατα έχουν επίσης αμμωνία, υδροσουλφίδιο αμμωνίου και νέφη υδρόθειου. Το φεγγάρι του Κρόνου, ο Τιτάνας, έχει έναν ενεργό υδρολογικό κύκλο με σύννεφα μεθανίου και βροχή (δείτε το άρθρο του Ralph Lorenz, Physics Today, Αύγουστος 2008, σελίδα 34). Η παρουσία εξωτικής συμπύκνωσης και εξάτμισης υποδηλώνει ότι αυτές οι πλανητικές θερμικές μηχανές είναι εξαιρετικά αναποτελεσματικές και παράγουν σημαντική εντροπία μέσω ολόκληρης της σειράς μη αναστρέψιμων διεργασιών.
Υπάρχουν και άλλες εκπληκτικές διαφορές μεταξύ του κλίματος της Γης και των γειτόνων της. Πάρτε για παράδειγμα τον Άρη. Εκτός από έναν κύκλο διοξειδίου του άνθρακα που εναποθέτει χιόνι στον χειμερινό πόλο και την εμφάνιση νεφών νερού-πάγου κοντά στον ισημερινό, η λεπτή ατμόσφαιρα του Άρη είναι εξαιρετικά ξηρή. Θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι έτσι πιθανόν να είναι σχετικά αποτελεσματικό, δεδομένης της έλλειψης υδρολογικού κύκλου πλανητικής κλίμακας. Ο Άρης, ωστόσο, έχει περιοδικές, πλανητικής κλίμακας καταιγίδες σκόνης, οι οποίες αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πηγή έλξης μέσα στην ατμόσφαιρα. Η καθίζηση της σκόνης μειώνει τη βαρυτική ενέργεια της ατμόσφαιρας και τη μετατρέπει απευθείας σε εσωτερική ενέργεια. Η διαδικασία μειώνει την απόδοση της Αρειανής θερμικής μηχανής.
Ένα άλλο αξιοπερίεργο είναι η έλλειψη ενός γνωστού, καλά καθορισμένου ορίου βυθού στους γιγάντιους πλανήτες. Σε βραχώδεις πλανήτες όπως η Γη, η επιφάνεια τριβής είναι η κύρια πηγή διάχυσης των ανέμων. Τι είναι αυτό που φρενάρει τους ανέμους των γιγάντιων πλανητών, εάν τα υγρά τους περιβλήματα γίνονται πιο πυκνά στη διαδρομή προς τα κάτω; Οι υποθέσεις περιλαμβάνουν θραύση κυμάτων και φαινόμενα μαγνητικού πεδίου.
Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι η Γη είναι κοντά ανά πάσα στιγμή σε ισοζύγιο εντροπίας και ενέργειας. Αυτό δεν χρειάζεται να ισχύει για άλλους πλανήτες. Ο Δίας, ο Κρόνος και ο Ποσειδώνας χάνουν όλοι περισσότερη θερμότητα στο διάστημα από ό,τι λαμβάνουν από τον Ήλιο, γεγονός που δείχνει ότι εξακολουθούν να ψύχονται και να συρρικνώνονται με την πάροδο του χρόνου. Ακριβώς όπως το ενεργειακό ισοζύγιο δεν είναι ένα αναπόφευκτο πλανητικό χαρακτηριστικό, το ίδιο ισχύει και για τον προϋπολογισμό της εντροπίας: Αυτοί οι γίγαντες αερίου θα μπορούσαν επίσης να χάνουν την καθαρή εντροπία τους στο διάστημα. Αυτό θα ήταν σύμφωνο με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, επειδή οι πλανήτες είναι ανοιχτά συστήματα.
Δεδομένου ότι τα μοντέλα καιρού και κλίματος βασίζονται στη θεμελιώδη φυσική, μπορούμε φυσικά να αναμένουμε ότι θα ικανοποιούν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Πράγματι, η ανάλυση του προϋπολογισμού της εντροπίας των κλιματικών μοντέλων επέτρεψε στους επιστήμονες να διερευνήσουν τη μη αναστρεψιμότητα του κλιματικού συστήματος πολύ πέρα από αυτό που θα επέτρεπαν μόνο οι παρατηρήσεις. Τέτοιες μελέτες έχουν ρίξει φως στον ρόλο που διαδραματίζουν οι υγρές διεργασίες στον έλεγχο του τρόπου με τον οποίο η πλανητική θερμική μηχανή της Γης μπορεί να ανταποκριθεί στην κλιματική αλλαγή.
Μια πρόκληση στη μοντελοποίηση του κλίματος είναι η αναπαράσταση διαδικασιών που ενεργούν σε κλίμακες μικρότερες από το μήκος του πλέγματος του μοντέλου. Για παράδειγμα, η προσομοίωση μεγάλων στροβιλισμών που απεικονίζεται στην Εικ. 4 έχει οριζόντια απόσταση πλέγματος 250 m. Μπορεί να επιλύσει τις κινήσεις του αέρα ενός δεδομένου νέφους, αλλά δεν μπορεί να επιλύσει διαδικασίες σε μικρότερη κλίμακα, για παράδειγμα, σε αναταράξεις που οδηγεί σε μη αναστρέψιμη ανάμειξη ή στο σχηματισμό μεμονωμένων σταγόνων βροχής. Το αποτέλεσμα αυτών των διαδικασιών υποδικτύου πρέπει να λογιστικοποιείται χρησιμοποιώντας υπομοντέλα που ονομάζονται παραμετροποιήσεις.
Πέρα από την κλασική θερμοδυναμική
Μέχρι στιγμής, έχουμε παραμείνει σε μεγάλο βαθμό στον κόσμο της κλασικής θερμοδυναμικής, έχοντας εξερευνήσει το εννοιολογικό μοντέλο του κλιματικού συστήματος ως μη αναστρέψιμη μηχανή θερμότητας. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής και η ιδέα της μη αναστρεψιμότητας, ωστόσο, μπορούν να ερμηνευθούν γενικότερα. Ο τομέας της στατιστικής μηχανικής, για παράδειγμα, έχει αποδειχθεί πολύτιμος για τη μελέτη ορισμένων μακρόβιων φαινομένων ροής στο ηλιακό μας σύστημα, όπως η περίφημη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα του Δία και οι στρατοσφαιρικές πολικές δίνες της Γης.
Τέτοια προβλήματα απαιτούν από τους ερευνητές να απορρίψουν εντελώς το μοντέλο της θερμικής μηχανής και να θεωρήσουν το σύστημα ενδιαφέροντος ως θερμοδυναμικά απομονωμένο και σε επαφή με μια ενιαία θερμική δεξαμενή αντί για δύο. Στη συνέχεια, μπορεί κανείς να γενικεύσει την έννοια της εντροπίας ως ένα μέτρο του αριθμού των διατάξεων μικροκλίμακας των σωματιδίων ρευστού που παράγουν μια δεδομένη συμπεριφορά ρευστού μεγάλης κλίμακας. Μεγιστοποιώντας αυτή την εντροπία Boltzmann, οι επιστήμονες βρίσκουν τις πιο πιθανές μακροπρόθεσμες δομές της ροής.
Αν και η εντροπία Boltzmann είναι ευρέως γνωστό ότι παρέχει την κατανομή ισορροπίας των μοριακών ταχυτήτων σε ένα ιδανικό αέριο, προβλέπει αντίθετη και εκπληκτικά όμορφη συμπεριφορά, όπως πίδακες και δίνες, όταν εφαρμόζεται σε περιβλήματα πλανητικών ρευστών. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ρευστά υψηλού αριθμού Reynolds στα οποία κυριαρχεί η διαστρωμάτωση και η περιστροφή, που χαρακτηρίζουν τα περισσότερα περιβλήματα πλανητικών ρευστών, παρουσιάζουν σχεδόν δισδιάστατη συμπεριφορά που οδηγεί σε έναν καταρράκτη ενέργειας υψηλής ποιότητας.
Αντί να παράγει όλο και μικρότερες δίνες που χάνονται λόγω του ιξώδους, οι 2D αναταράξεις παράγουν όλο και μεγαλύτερες δομές που επιμένουν στο χρόνο. Τα δισδιάστατα ρευστά αποτελούν μια ιδιαίτερη πρόκληση θεωρητικά επειδή διατηρούν έναν άπειρο αριθμό μεταβλητών, γεγονός που περιορίζει ουσιαστικά την εξέλιξή τους. Αυτή η τεχνική πρόκληση ξεπεράστηκε από τη θεωρία Robert-Sommeria-Miller (RSM).
Η θεωρία RSM και οι σχετικές στατιστικές μηχανικές επεξεργασίες της ροής ρευστού παρέχουν μια μέθοδο για την ανάκτηση των μακροχρόνιων σταθερών λύσεων για ένα μη ιξώδες ρευστό. Αλλά όλα τα πραγματικά ρευστά έχουν ιξώδες, και κάθε πραγματικός πίδακας ή δίνη σταθερής κατάστασης πρέπει να είναι τουλάχιστον ασθενώς εξαναγκασμένος επειδή είναι τουλάχιστον ασθενώς αποσβεσμένος από τη διάχυση. Είναι αξιοσημείωτο λοιπόν ότι ορισμένα παραδείγματα πραγματικών, μεγάλης κλίμακας στροβιλισμών στο ηλιακό σύστημα μπορούν να προβλεφθούν με τη θεωρία πληγμάτων για ροές σε θερμοδυναμική ισορροπία.
Πώς μπορούν οι επιστήμονες του κλίματος να συμβιβάσουν ένα εννοιολογικό μοντέλο μιας πλανητικής θερμικής μηχανής, η οποία απαιτεί μια διαβάθμιση θερμοκρασίας για να προκαλέσει μια ανατροπή κυκλοφορίας, με το γεγονός ότι οι παρατηρούμενες δίνες μεγάλης κλίμακας μπορούν να προβλεφθούν από μοντέλα που απαγορεύουν τις διαβαθμίσεις θερμοκρασίας; Οι τροπικοί κυκλώνες έχουν σίγουρα μια σημαντική ανατροπή κυκλοφορίας που ανταποκρίνεται στη θέρμανση της επιφάνειας και στην ψύξη του ανώτερου επιπέδου, αλλά η πολύ μεγαλύτερη πολική δίνη της στρατόσφαιρας δεν έχει: Είναι ένα φαινόμενο 2D που μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας την εντροπία Boltzmann. Η πιο χρήσιμη ερμηνεία του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής εξαρτάται προφανώς από τα χαρακτηριστικά του κλιματικού συστήματος.
Τα στροβιλιζόμενα, κυκλοφορούντα συστατικά ενός πλανητικού κλίματος συνεχίζουν να εμπνέουν και να μπερδεύουν. Η κατανόηση των οδηγών ενός κλίματος απαιτεί τη χρήση μιας ιεραρχίας εννοιολογικών, αναλυτικών και αριθμητικών μοντέλων. Οι επιστήμονες του κλίματος έπρεπε να είναι δημιουργικοί και να δανειστούν από τη στατιστική μηχανική, την οικονομία και άλλους τομείς για να κατανοήσουν έναν θεαματικά πολύπλοκο κινούμενο στόχο. Εν μέσω μιας περιόδου ταχείας ανθρωπογενούς κλιματικής αλλαγής, είναι πιο σημαντικό από ποτέ να διασφαλίσουμε ότι η κλιματική επιστήμη είναι προσβάσιμη στον ευρύτερο δυνατό συνασπισμό ερευνητών
Ο Γαλαξίας μας βρίσκεται τώρα στην άνοιξη της ζωής του, μια άνοιξη γεμάτη με τη δόξα και το μεγαλείο των λευκών και γαλάζιων άστρων σαν τον Σείριο και τον Βέγα αλλά και άστρων σαν τον Ήλιο μας. Η ενήλικη όμως ιστορία του Σύμπαντος θα αρχίσει σε αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια από σήμερα, όταν τα άστρα αυτά θα πάψουν να υπάρχουν. Και θα είναι μια ιστορία φωτισμένη μόνο από τα μικρά κόκκινα και υπέρυθρα άστρα, που είναι σχεδόν αόρατα στα μάτια μας. Και πάλι όμως θα πρόκειται για ένα όμορφο Σύμπαν για τα πλάσματα που θα το κατοικούν τότε. Πλάσματα που θα έχουν προσαρμοστεί στο ίδιο αλλά ταυτόχρονα και διαφορετικό με το δικό μας Σύμπαν.
Αυτού του είδους τα «Πλάσματα» θα μετρούν το χρόνο πίσω τους, όχι με τα εκατομμύρια χρόνια των γεωλογικών μας εποχών, ούτε με τα δισεκατομμύρια χρόνια της ζωής ενός άστρου, αλλά με χρόνια της τάξης των τρισεκατομμυρίων. Και τότε θα έχουν αρκετό χρόνο στη διάθεσή τους, στους ατέλειωτους αιώνες τους, για να ερευνήσουν και να μάθουν. Δεν θα είναι σαν θεοί, γιατί το μυαλό μας δεν θα μπορούσε να φανταστεί την ύπαρξη τέτοιων θεών που θα μπορούσαν να κατέχουν τη δύναμη που εκείνοι θα έχουν. Παρ’ όλα αυτά, όμως, θα μας ζηλεύουν! Θα μας ζηλεύουν γιατί γνωρίσαμε το Σύμπαν όταν ήταν ακόμη μωρό. Θα μας ζηλεύουν επειδή πράγματι ζούμε στην Άνοιξη του Σύμπαντος!
Το κλιματικό σύστημα είναι ουσιαστικά μια γιγάντια μηχανή θερμότητας πλανητικής κλίμακας. Θερμαίνεται από την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας και ψύχεται από την εκπομπή ακτινοβολίας στο διάστημα (βλ. Εικ. 1c). Η θέρμανση είναι μεγαλύτερη στη θερμή τροπική επιφάνεια, ενώ η ψύξη συμβαίνει κυρίως στην ψυχρότερη τροπόσφαιρα και σταθμίζεται προς μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη. Η πλανητική θερμική μηχανή μεταφέρει θερμότητα από την πηγή της θερμής επιφάνειας στην ψυχρότερη τροποσφαιρική καταβόθρα μέσω των ροών της ατμόσφαιρας και των ωκεανών.
Πώς όμως χαρακτηρίζουν οι επιστήμονες του κλίματος το έργο που εκτελεί η πλανητική θερμική μηχανή; Η Γη δεν μπορεί να πιέσει κανένα εξωτερικό σώμα και στο πλαίσιο μιας κλασικής θερμικής μηχανής, η απόδοση του έργου της είναι παντού μηδενική! Οι ωκεανοί και η ατμόσφαιρα, ωστόσο, εκτελούν έργο στον εαυτό τους και ο ένας στον άλλον, και αυτό το έργο δημιουργεί τους γνωστούς ανέμους και τα ωκεάνια ρεύματα που παρατηρούν οι επιστήμονες. Για τους επιστήμονες του κλίματος, ωφέλιμο έργο είναι αυτό που χρησιμοποιείται για την ατμοσφαιρική και ωκεάνια κυκλοφορία.
Επειδή το έργο που εκτελεί η πλανητική θερμική μηχανή είναι εσωτερικό στον ίδιο τον κινητήρα, η απόδοσή του δεν περιορίζεται από την απόδοση Carnot. Αντίθετα, το κλιματικό σύστημα μπορεί, κατ’ αρχήν, να ανακυκλώσει μέρος της θερμότητας που παράγεται από τη διάχυση με τριβή των ανέμων και των ωκεάνιων ρευμάτων και να αυξήσει τη μέγιστη απόδοσή του σε μια τιμή
η οποία είναι παρόμοια με την απόδοση Carnot, με τη διαφορά ότι η θερμοκρασία στον παρονομαστή αντικαθίσταται από αυτή του ψυχρής καταβόθρας. Η μέγιστη πλανητική απόδοση προκύπτει όταν χρησιμοποιείται όλη η διαθέσιμη ενέργεια για την κίνηση ατμοσφαιρικών και ωκεάνιων ρευμάτων και όταν η διάχυση αυτών των ρευμάτων είναι συγκεντρωμένη στη θερμή πηγή – για παράδειγμα, μέσω της τριβής με την επιφάνεια της Γης. Όπως θα καταστήσουμε σαφές, η θερμική μηχανή της Γης λειτουργεί μακριά από αυτό το όριο.
Μαζί με το έργο, η ατμοσφαιρική και η ωκεάνια κυκλοφορία είναι σημαντικές για τον καθορισμό του χωρικού νέφους και της κατανομής θερμοκρασίας στη Γη. Ως αποτέλεσμα, οι άνεμοι και τα ρεύματα που κινούνται από την πλανητική θερμική μηχανή επηρεάζουν τόσο την απόδοσή της όσο και την ποσότητα θερμότητας που μεταφέρει. Αυτές οι επιδράσεις οδηγούν σε μια σημαντική ανατροφοδότηση που ρυθμίζει το κλίμα: Το έργο που εκτελείται από την πλανητική θερμική μηχανή δρα για να μειώσει τη διαβάθμιση θερμοκρασίας που το προκαλεί.
Μια τέτοια συμπεριφορά περιπλέκει την ανάλυση της θερμικής μηχανής της Γης, αλλά εγείρει επίσης δελεαστικά ερωτήματα για τη δυναμική του πλανητικού κλίματος. Τι καθορίζει την απόδοση της πλανητικής θερμικής μηχανής; Έχει αλλάξει στο παρελθόν και θα αλλάξει στο μέλλον; Πώς η λειτουργία της πλανητικής θερμικής μηχανής επηρεάζει τον καθημερινό καιρό;
Μη αναστρέψιμες διεργασίες
Το έργο που εκτελείται από την πλανητική θερμική μηχανή παράγει στην ατμόσφαιρα και τους ωκεανούς δίνες πολύ διαφορετικής κλίμακας και έντασης, συμπεριλαμβανομένων μικροσκοπικών κυματισμών στην επιφάνεια του ωκεανού και βίαιων ανέμων σε έναν τροπικό κυκλώνα. Ο στροβιλισμός παραμορφώνει τέτοιες δίνες σε νέα σχήματα και μοτίβα έως ότου το ιξώδες διαχέει τελικά την κινητική τους ενέργεια σε θερμότητα. Ο προκύπτων κύκλος παραγωγής και διασποράς ενέργειας, που περιγράφηκε όμορφα το 1955 από τον Edward Lorenz, υποδηλώνει μια ισορροπία μεταξύ του έργου και της διασποράς τριβής στο κλιματικό σύστημα.
Η παρουσία τριβής δεν περιορίζει απαραίτητα την απόδοση της πλανητικής θερμικής μηχανής. Στην πραγματικότητα, ο θερμικός κινητήρας προσεγγίζει τη μέγιστη απόδοσή του όταν η τριβική διάχυση των ανέμων και των ρευμάτων των ωκεανών είναι η κυρίαρχη μη αναστρέψιμη διαδικασία. Αλλά άλλες μη αναστρέψιμες διεργασίες στο κλιματικό σύστημα ανταγωνίζονται για τη διαθέσιμη ενέργεια, όπως φαίνεται στην Εικ. 2. Για παράδειγμα, η αγωγιμότητα της θερμότητας – αυτή μεταξύ της επιφάνειας και της ατμόσφαιρας και αυτή που προκαλείται από τη μοριακή διάχυση στους ωκεανούς και την ατμόσφαιρα – μειώνει την πλανητική απόδοση ακριβώς όπως οι αγώγιμες απώλειες που γίνονται σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης. Η απορρόφηση, η ανάκλαση και η εκπομπή ακτινοβολίας είναι επίσης μη αναστρέψιμες διαδικασίες, αν και γενικά δεν λαμβάνονται υπόψη στις συζητήσεις για την πλανητική θερμική μηχανή (βλ. πλαίσιο 1).
Στη Γη, μια πρόσθετη κατηγορία μη αναστρέψιμων διεργασιών αντιπροσωπεύει μακράν τον πιο σημαντικό έλεγχο στην πλανητική θερμική μηχανή. Αυτές οι διεργασίες υπάρχουν λόγω μιας πτυχής του κλίματος της Γης που την καθιστά κατοικήσιμη για ζωή: την παρουσία ενός ενεργού υδρολογικού κύκλου.
Εξετάστε τη διαδρομή ενός πακέτου νερού από την επιφάνεια του ωκεανού μέσω του υδρολογικού κύκλου της Γης. Θερμαινόμενο από τον Ήλιο, το πακέτο εισέρχεται αρχικά στην ατμόσφαιρα με εξάτμιση στον αέρα. Όπως το στέγνωμα ενός βρεγμένου πουκάμισου σε ένα άπλωμα, αυτή η διαδικασία εξάτμισης είναι μη αναστρέψιμη. Στην αέρια μορφή του, το πακέτο βρίσκεται στο έλεος των ανέμων, στροβιλίζεται στην ατμόσφαιρα και αναμιγνύεται με τον αέρα γύρω του. Τελικά το πακέτο τραβιέται σε ένα ανοδικό ρεύμα, ψυχόμενο καθώς ανεβαίνει, μέχρι να συμπυκνωθεί σε μικροσκοπικά σταγονίδια στον κορεσμένο πυρήνα ενός σύννεφου.
Εάν φτάσει σε αρκετά μεγάλο υψόμετρο, το πακέτο συναντά θερμοκρασίες υπόψυξης της ανώτερης ατμόσφαιρας και τα σταγονίδια παγώνουν αυθόρμητα και μη αναστρέψιμα. Καθώς τα παγωμένα σταγονίδια μεγαλώνουν, αρχίζουν να πέφτουν, πρώτα ως νιφάδες χιονιού και αργότερα ως σταγόνες βροχής. Καθώς πέφτουν, τα σταγονίδια χάνουν αμετάκλητα τη βαρυτική δυναμική ενέργεια και εξατμίζονται εν μέρει καθώς περνούν από υποκορεσμένο αέρα.
Οι διάφορες μη αναστρέψιμες διεργασίες στον υδρολογικό κύκλο περιορίζουν το έργο που εκτελεί η πλανητική θερμική μηχανή. Το αποτέλεσμα μπορεί να ποσοτικοποιηθεί λαμβάνοντας υπόψη τη συμβολή αυτών των διεργασιών στη μη αναστρέψιμη παραγωγή εντροπίας του κλιματικού συστήματος. Παρόλο που τέτοιες συνεισφορές είναι δύσκολο να περιοριστούν παρατηρητικά – μια εξαίρεση είναι η διασπορά που προκαλείται από την πτώση της βροχόπτωσης, η οποία μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας δορυφόρους, όπως φαίνεται στην Εικ. 3 – μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει μοντέλα του κλιματικού συστήματος για να εκτιμήσει το μέγεθός τους.
Εικόνα 3. Πτώση βροχόπτωσης. Μια από τις πιο σημαντικές πηγές διασποράς στην ατμόσφαιρα συμβαίνει όταν πέφτουν σταγόνες βροχής, μια διαδικασία που μειώνει τη βαρυτική δυναμική τους ενέργεια. Χρησιμοποιώντας δορυφορικές πληροφορίες από την αποστολή Global Precipitation Measurement της NASA, υπολογίσαμε τη διασπορά για τα έτη 2015–20. Οι μεγαλύτεροι ρυθμοί διασποράς εμφανίζονται εκεί όπου οι ίδιοι οι ρυθμοί βροχοπτώσεων είναι υψηλότεροι—στον τροπικό δυτικό Ειρηνικό Ωκεανό και σε μια ζώνη σε όλο τον κόσμο, γνωστή ως ζώνη διατροπικής σύγκλισης.Το 2002, ο Olivier Pauluis και ο Isaac Held χρησιμοποίησαν μια τέτοια προσέγγιση για να αποδείξουν ότι οι μη αναστρέψιμες διεργασίες που σχετίζονται με τον υδρολογικό κύκλο, συμπεριλαμβανομένων των αλλαγών φάσης, της ανάμειξης και της κατακρήμνισης, ευθύνονται για το μεγαλύτερο μέρος της μη αναστρεψιμότητας στην ατμόσφαιρα και στο κλιματικό σύστημα της Γης ευρύτερα. (βλέπε Εικ. 2). Αυτές οι λεγόμενες υγρές διεργασίες περιορίζουν την παραγωγή εντροπίας που σχετίζεται με τη διάχυση τριβής και μειώνουν την απόδοση της πλανητικής θερμικής μηχανής. Πράγματι, οι υγρές διεργασίες ασκούν βαθιά επίδραση σε διάφορες ατμοσφαιρικές κυκλοφορίες, συμπεριλαμβανομένων των μεμονωμένων νεφών και της παγκόσμιας κυκλοφορίας.
Προγράμματα οδήγησης παγκόσμιας κυκλοφορίας
Φανταστείτε ότι είναι αργά το πρωί σε έναν τροπικό παράδεισο. Ο Ήλιος αρχίζει να θερμαίνει το έδαφος και να παράγει ζεστές, ανερχόμενες φυσαλίδες καθαρού αέρα γνωστές ως θερμικές. Αυτά τα θερμικά αντικαθίστανται από αέρα που βυθίζεται αργά και έχει χάσει ενέργεια λόγω της ψύξης με ακτινοβολία. Τέτοιες κάθετες ανταλλαγές ή κυκλοφορίες αέρα είναι μια τοπική εκδοχή της πλανητικής θερμικής μηχανής και οι επιστήμονες του κλίματος αναμένουν ότι η εργασία που γίνεται από τέτοια ξηρά θερμικά θα κλιμακωθεί ανάλογα με τον ρυθμό θέρμανσης της επιφάνειας.
Αργότερα μέσα στην ημέρα, η επιφάνεια έχει θερμανθεί αρκετά για να δημιουργήσει ισχυρότερα θερμικά. Μπορούν να φτάσουν και να υπερβούν το ανυψωμένο επίπεδο συμπύκνωσης, όπου οι υδρατμοί στον αέρα ψύχονται αρκετά ώστε να συμπυκνωθούν ως υγρό νερό. Αυτή η διαδικασία εισάγει μια αλλαγή φάσης. Η παρουσία ενός υδρολογικού κύκλου σημαίνει ότι ο ανερχόμενος αέρας μπορεί να φανεί καθώς σχηματίζει σύννεφα και τα ίδια τα σύννεφα υποδηλώνουν τοπική κυριαρχία της μη αναστρέψιμης παραγωγής εντροπίας από υγρές διεργασίες.
Εάν το σύστημα έχει οριστεί να περιλαμβάνει τόσο τα σύννεφα όσο και τον περιβάλλοντα αέρα που βυθίζεται αργά, το συνολικό έργο που είναι διαθέσιμο για την κίνηση μπορεί ενδεχομένως να είναι πολύ μικρότερο και να μην κλιμακώνεται πλέον με τον ρυθμό θέρμανσης της επιφάνειας. Αντίθετα, τα ανοδικά ρεύματα στα σύννεφα αποσυνδέονται από τον ρυθμό θέρμανσης και οι ιδιότητές τους εξαρτώνται από μικροσκοπικές λεπτομέρειες των διαδικασιών των σύννεφων, όπως η ταχύτητα με την οποία οι σταγόνες βροχής πέφτουν δια μέσου του αέρα και ο ρυθμός με τον οποίο ο υγρός, νεφελώδης αέρας αναμιγνύεται στο ξηρό περιβάλλον στην άκρη του σύννεφου.
Κάποιος μπορεί να σκεφτεί ένα αναπτυσσόμενο συσσωμάτωμα σύννεφου ως μια μηχανή θερμότητας που λειτουργεί για τον εαυτό του και στη γύρω ατμόσφαιρα. Αλλά δεν συμπεριφέρονται όλα τα σύννεφα σαν θερμική μηχανή. Φανταστείτε, για παράδειγμα, ένα λεπτό φύλλο κρυσταλλικού σύννεφου (ένα σύννεφο πάγου) ψηλά στην ατμόσφαιρα που απλώς μεταφέρεται από τον άνεμο. Δεν εκλύεται δυναμική ενέργεια για την εκτέλεση έργου στο περιβάλλον.
Η αναλογία της θερμικής μηχανής ενός μεμονωμένου νέφους, ωστόσο, μπορεί να εφαρμοστεί χρήσιμα σε οργανωμένα σμήνη συναγωγικών νεφών, τα οποία μπορούν να λάβουν τη μορφή καταιγίδων, καταιγίδων μεσαίου γεωγραφικού πλάτους και τροπικών κυκλώνων. Γνωστοί και ως τυφώνες, οι τροπικοί κυκλώνες ειδικότερα θεωρούνται από καιρό ως θερμικές μηχανές Carnot (βλ. Γρήγορη Μελέτη του Kerry Emanuel, Physics Today, Αύγουστος 2006, σελίδα 74). Στην πραγματικότητα, αυτές οι καταιγίδες είναι μη αναστρέψιμες και εξαιρετικά αναποτελεσματικές.
Σε παγκόσμια κλίμακα, η ατμοσφαιρική κυκλοφορία καθοδηγείται από τη διαφορική θέρμανση που σχετίζεται με τη γωνία του Ήλιου. Εκδηλώνεται ως μεγάλες κυψέλες ανατροπής και ροές πίδακα. Όλοι οι πλανήτες σε τροχιά γύρω από ένα αστέρι θερμαίνονται πιο έντονα σε κάθε δεδομένη στιγμή στο υποαστρικό σημείο, όπου η επιφάνεια του πλανήτη είναι άμεσα κάθετη στην ακτινοβολία του αστεριού. Επειδή η ημέρα της Γης είναι μικρή σε σχέση με την περίοδο της τροχιάς της γύρω από τον Ήλιο, ο πλανήτης θερμαίνεται κυρίως στους τροπικούς (±30° γεωγραφικό πλάτος) και αυτή η θερμότητα ανακατανέμεται από τους ωκεανούς και την ατμόσφαιρα προς τους πόλους. Επομένως, οι πολικές περιοχές χάνουν περισσότερη ακτινοβολία στο διάστημα από ό,τι λαμβάνουν από τον Ήλιο. Για την παγκόσμια κυκλοφορία, οι χαρακτηριστικές θερμοκρασίες εισόδου και εξόδου της πλανητικής θερμικής μηχανής ελέγχονται από δύο διαβαθμίσεις θερμοκρασίας: την κλίση επιφάνειας προς την ανώτερη ατμόσφαιρα και την κλίση από τον ισημερινό προς πόλο.
Οι επιστήμονες του κλίματος ποσοτικοποιούν την αποτελεσματικότητα της παγκόσμιας κυκλοφορίας, η οποία, όπως είδαμε, είναι μια ισχυρή συνάρτηση των υγρών, μη αναστρέψιμων διεργασιών που συμβαίνουν μέσα σε αυτήν. Μία από τις πιο ισχυρές θεωρητικές προβλέψεις της κλιματικής αλλαγής είναι ότι η συνολική ποσότητα υδρατμών στην ατμόσφαιρα θα αυξηθεί με την θέρμανση – κατά περίπου 7% ανά kelvin. Εάν το μέγεθος των υγρών διεργασιών αυξάνεται επίσης με την περιεκτικότητα σε ατμούς, οι επιστήμονες μπορεί να αναμένουν ότι η κλιματική θερμική μηχανή θα γίνει λιγότερο αποδοτική σε έναν θερμότερο πλανήτη. Μια μελέτη των παγκόσμιων κλιματικών μοντέλων δείχνει ότι, πράγματι, η μηχανική απόδοση των προσομοιωμένων μελλοντικών κλιματικών συνθηκών μπορεί να μειωθεί και να μειώσει την καθαρή ενέργεια που είναι διαθέσιμη για την κίνηση των ανέμων. Ωστόσο, η πιο λεπτομερής μοντελοποίηση σε τοπική κλίμακα δείχνει το αντίθετο. Ποιο έχει δίκιο; Και τι σημαίνει για το μελλοντικό κλίμα της Γης; Αυτά είναι εκκρεμή ερωτήματα στην επιστήμη του κλίματος. Η απάντηση σε αυτά απαιτεί θεμελιώδη πρόοδο στην ικανότητα των επιστημόνων να μοντελοποιούν τη μη αναστρέψιμη λειτουργία στο κλιματικό σύστημα.
Μη αναστρέψιμη μοντελοποίηση
Τα μοντέλα του κλιματικού συστήματος διατίθενται σε διάφορες μορφές, όπως μοντέλα γενικής κυκλοφορίας που προσομοιώνουν ολόκληρη την ατμόσφαιρα ή τον ωκεανό και λεπτομερή μοντέλα προσομοίωσης μεγάλων στροβιλισμών που καταγράφουν διεργασίες που σχετίζονται με μεμονωμένα σύννεφα (βλ. Εικ. 4). Τέτοια μοντέλα χρησιμοποιούνται με πολλούς τρόπους, όπως η πρόβλεψη του καιρού και η διερεύνηση του κλίματος των εξωγήινων κόσμων, όπως αναλύεται στο πλαίσιο 2. Ανεξάρτητα από την εφαρμογή τους, τα γενικά χαρακτηριστικά των κλιματικών μοντέλων παραμένουν τα ίδια. Η ατμόσφαιρα ή ο ωκεανός είναι διακριτά συστήματα και ένα σύνολο εξισώσεων που αντιπροσωπεύουν φυσικούς νόμους, όπως η διατήρηση της μάζας, η ορμή και η ενέργεια, επιλύεται αριθμητικά στο πλέγμα του μοντέλου.
Πλαίσιο 2. Θερμικές μηχανές σε άλλους πλανήτες
Τα ακαθάριστα χαρακτηριστικά του κλίματος της Γης είναι μοναδικά ως προς τον ρυθμό περιστροφής, τις πλανητικές και τροχιακές ακτίνες, τη μέση θερμοκρασία και την περιεκτικότητα σε νερό. Άλλοι πλανήτες στο ηλιακό μας σύστημα ή σε τροχιά γύρω από άλλα αστέρια έχουν δραματικά διαφορετικό κλίμα. Η θερμική μηχανή της Γης είναι ένα παράδειγμα ενός ευρέος φάσματος δυνατοτήτων σε πλανήτες με ρευστούς φακέλους. Οι γιγάντιοι πλανήτες (Δίας, Κρόνος, Ουρανός και Ποσειδώνας), για παράδειγμα, θεωρείται ότι έχουν νέφη νερού, αλλά πιθανότατα έχουν επίσης αμμωνία, υδροσουλφίδιο αμμωνίου και νέφη υδρόθειου. Το φεγγάρι του Κρόνου, ο Τιτάνας, έχει έναν ενεργό υδρολογικό κύκλο με σύννεφα μεθανίου και βροχή (δείτε το άρθρο του Ralph Lorenz, Physics Today, Αύγουστος 2008, σελίδα 34). Η παρουσία εξωτικής συμπύκνωσης και εξάτμισης υποδηλώνει ότι αυτές οι πλανητικές θερμικές μηχανές είναι εξαιρετικά αναποτελεσματικές και παράγουν σημαντική εντροπία μέσω ολόκληρης της σειράς μη αναστρέψιμων διεργασιών.
Υπάρχουν και άλλες εκπληκτικές διαφορές μεταξύ του κλίματος της Γης και των γειτόνων της. Πάρτε για παράδειγμα τον Άρη. Εκτός από έναν κύκλο διοξειδίου του άνθρακα που εναποθέτει χιόνι στον χειμερινό πόλο και την εμφάνιση νεφών νερού-πάγου κοντά στον ισημερινό, η λεπτή ατμόσφαιρα του Άρη είναι εξαιρετικά ξηρή. Θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι έτσι πιθανόν να είναι σχετικά αποτελεσματικό, δεδομένης της έλλειψης υδρολογικού κύκλου πλανητικής κλίμακας. Ο Άρης, ωστόσο, έχει περιοδικές, πλανητικής κλίμακας καταιγίδες σκόνης, οι οποίες αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πηγή έλξης μέσα στην ατμόσφαιρα. Η καθίζηση της σκόνης μειώνει τη βαρυτική ενέργεια της ατμόσφαιρας και τη μετατρέπει απευθείας σε εσωτερική ενέργεια. Η διαδικασία μειώνει την απόδοση της Αρειανής θερμικής μηχανής.
Ένα άλλο αξιοπερίεργο είναι η έλλειψη ενός γνωστού, καλά καθορισμένου ορίου βυθού στους γιγάντιους πλανήτες. Σε βραχώδεις πλανήτες όπως η Γη, η επιφάνεια τριβής είναι η κύρια πηγή διάχυσης των ανέμων. Τι είναι αυτό που φρενάρει τους ανέμους των γιγάντιων πλανητών, εάν τα υγρά τους περιβλήματα γίνονται πιο πυκνά στη διαδρομή προς τα κάτω; Οι υποθέσεις περιλαμβάνουν θραύση κυμάτων και φαινόμενα μαγνητικού πεδίου.
Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι η Γη είναι κοντά ανά πάσα στιγμή σε ισοζύγιο εντροπίας και ενέργειας. Αυτό δεν χρειάζεται να ισχύει για άλλους πλανήτες. Ο Δίας, ο Κρόνος και ο Ποσειδώνας χάνουν όλοι περισσότερη θερμότητα στο διάστημα από ό,τι λαμβάνουν από τον Ήλιο, γεγονός που δείχνει ότι εξακολουθούν να ψύχονται και να συρρικνώνονται με την πάροδο του χρόνου. Ακριβώς όπως το ενεργειακό ισοζύγιο δεν είναι ένα αναπόφευκτο πλανητικό χαρακτηριστικό, το ίδιο ισχύει και για τον προϋπολογισμό της εντροπίας: Αυτοί οι γίγαντες αερίου θα μπορούσαν επίσης να χάνουν την καθαρή εντροπία τους στο διάστημα. Αυτό θα ήταν σύμφωνο με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, επειδή οι πλανήτες είναι ανοιχτά συστήματα.
Δεδομένου ότι τα μοντέλα καιρού και κλίματος βασίζονται στη θεμελιώδη φυσική, μπορούμε φυσικά να αναμένουμε ότι θα ικανοποιούν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Πράγματι, η ανάλυση του προϋπολογισμού της εντροπίας των κλιματικών μοντέλων επέτρεψε στους επιστήμονες να διερευνήσουν τη μη αναστρεψιμότητα του κλιματικού συστήματος πολύ πέρα από αυτό που θα επέτρεπαν μόνο οι παρατηρήσεις. Τέτοιες μελέτες έχουν ρίξει φως στον ρόλο που διαδραματίζουν οι υγρές διεργασίες στον έλεγχο του τρόπου με τον οποίο η πλανητική θερμική μηχανή της Γης μπορεί να ανταποκριθεί στην κλιματική αλλαγή.
Μια πρόκληση στη μοντελοποίηση του κλίματος είναι η αναπαράσταση διαδικασιών που ενεργούν σε κλίμακες μικρότερες από το μήκος του πλέγματος του μοντέλου. Για παράδειγμα, η προσομοίωση μεγάλων στροβιλισμών που απεικονίζεται στην Εικ. 4 έχει οριζόντια απόσταση πλέγματος 250 m. Μπορεί να επιλύσει τις κινήσεις του αέρα ενός δεδομένου νέφους, αλλά δεν μπορεί να επιλύσει διαδικασίες σε μικρότερη κλίμακα, για παράδειγμα, σε αναταράξεις που οδηγεί σε μη αναστρέψιμη ανάμειξη ή στο σχηματισμό μεμονωμένων σταγόνων βροχής. Το αποτέλεσμα αυτών των διαδικασιών υποδικτύου πρέπει να λογιστικοποιείται χρησιμοποιώντας υπομοντέλα που ονομάζονται παραμετροποιήσεις.
Πέρα από την κλασική θερμοδυναμική
Μέχρι στιγμής, έχουμε παραμείνει σε μεγάλο βαθμό στον κόσμο της κλασικής θερμοδυναμικής, έχοντας εξερευνήσει το εννοιολογικό μοντέλο του κλιματικού συστήματος ως μη αναστρέψιμη μηχανή θερμότητας. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής και η ιδέα της μη αναστρεψιμότητας, ωστόσο, μπορούν να ερμηνευθούν γενικότερα. Ο τομέας της στατιστικής μηχανικής, για παράδειγμα, έχει αποδειχθεί πολύτιμος για τη μελέτη ορισμένων μακρόβιων φαινομένων ροής στο ηλιακό μας σύστημα, όπως η περίφημη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα του Δία και οι στρατοσφαιρικές πολικές δίνες της Γης.
Τέτοια προβλήματα απαιτούν από τους ερευνητές να απορρίψουν εντελώς το μοντέλο της θερμικής μηχανής και να θεωρήσουν το σύστημα ενδιαφέροντος ως θερμοδυναμικά απομονωμένο και σε επαφή με μια ενιαία θερμική δεξαμενή αντί για δύο. Στη συνέχεια, μπορεί κανείς να γενικεύσει την έννοια της εντροπίας ως ένα μέτρο του αριθμού των διατάξεων μικροκλίμακας των σωματιδίων ρευστού που παράγουν μια δεδομένη συμπεριφορά ρευστού μεγάλης κλίμακας. Μεγιστοποιώντας αυτή την εντροπία Boltzmann, οι επιστήμονες βρίσκουν τις πιο πιθανές μακροπρόθεσμες δομές της ροής.
Αν και η εντροπία Boltzmann είναι ευρέως γνωστό ότι παρέχει την κατανομή ισορροπίας των μοριακών ταχυτήτων σε ένα ιδανικό αέριο, προβλέπει αντίθετη και εκπληκτικά όμορφη συμπεριφορά, όπως πίδακες και δίνες, όταν εφαρμόζεται σε περιβλήματα πλανητικών ρευστών. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ρευστά υψηλού αριθμού Reynolds στα οποία κυριαρχεί η διαστρωμάτωση και η περιστροφή, που χαρακτηρίζουν τα περισσότερα περιβλήματα πλανητικών ρευστών, παρουσιάζουν σχεδόν δισδιάστατη συμπεριφορά που οδηγεί σε έναν καταρράκτη ενέργειας υψηλής ποιότητας.
Αντί να παράγει όλο και μικρότερες δίνες που χάνονται λόγω του ιξώδους, οι 2D αναταράξεις παράγουν όλο και μεγαλύτερες δομές που επιμένουν στο χρόνο. Τα δισδιάστατα ρευστά αποτελούν μια ιδιαίτερη πρόκληση θεωρητικά επειδή διατηρούν έναν άπειρο αριθμό μεταβλητών, γεγονός που περιορίζει ουσιαστικά την εξέλιξή τους. Αυτή η τεχνική πρόκληση ξεπεράστηκε από τη θεωρία Robert-Sommeria-Miller (RSM).
Η θεωρία RSM και οι σχετικές στατιστικές μηχανικές επεξεργασίες της ροής ρευστού παρέχουν μια μέθοδο για την ανάκτηση των μακροχρόνιων σταθερών λύσεων για ένα μη ιξώδες ρευστό. Αλλά όλα τα πραγματικά ρευστά έχουν ιξώδες, και κάθε πραγματικός πίδακας ή δίνη σταθερής κατάστασης πρέπει να είναι τουλάχιστον ασθενώς εξαναγκασμένος επειδή είναι τουλάχιστον ασθενώς αποσβεσμένος από τη διάχυση. Είναι αξιοσημείωτο λοιπόν ότι ορισμένα παραδείγματα πραγματικών, μεγάλης κλίμακας στροβιλισμών στο ηλιακό σύστημα μπορούν να προβλεφθούν με τη θεωρία πληγμάτων για ροές σε θερμοδυναμική ισορροπία.
Πώς μπορούν οι επιστήμονες του κλίματος να συμβιβάσουν ένα εννοιολογικό μοντέλο μιας πλανητικής θερμικής μηχανής, η οποία απαιτεί μια διαβάθμιση θερμοκρασίας για να προκαλέσει μια ανατροπή κυκλοφορίας, με το γεγονός ότι οι παρατηρούμενες δίνες μεγάλης κλίμακας μπορούν να προβλεφθούν από μοντέλα που απαγορεύουν τις διαβαθμίσεις θερμοκρασίας; Οι τροπικοί κυκλώνες έχουν σίγουρα μια σημαντική ανατροπή κυκλοφορίας που ανταποκρίνεται στη θέρμανση της επιφάνειας και στην ψύξη του ανώτερου επιπέδου, αλλά η πολύ μεγαλύτερη πολική δίνη της στρατόσφαιρας δεν έχει: Είναι ένα φαινόμενο 2D που μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας την εντροπία Boltzmann. Η πιο χρήσιμη ερμηνεία του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής εξαρτάται προφανώς από τα χαρακτηριστικά του κλιματικού συστήματος.
Τα στροβιλιζόμενα, κυκλοφορούντα συστατικά ενός πλανητικού κλίματος συνεχίζουν να εμπνέουν και να μπερδεύουν. Η κατανόηση των οδηγών ενός κλίματος απαιτεί τη χρήση μιας ιεραρχίας εννοιολογικών, αναλυτικών και αριθμητικών μοντέλων. Οι επιστήμονες του κλίματος έπρεπε να είναι δημιουργικοί και να δανειστούν από τη στατιστική μηχανική, την οικονομία και άλλους τομείς για να κατανοήσουν έναν θεαματικά πολύπλοκο κινούμενο στόχο. Εν μέσω μιας περιόδου ταχείας ανθρωπογενούς κλιματικής αλλαγής, είναι πιο σημαντικό από ποτέ να διασφαλίσουμε ότι η κλιματική επιστήμη είναι προσβάσιμη στον ευρύτερο δυνατό συνασπισμό ερευνητών
Ζούμε σε μιαν εποχή που θα μπορούσε κάλλιστα να θεωρηθεί ως η «Άνοιξη του Σύμπαντος». Μια εποχή κατά την οποία, σε καθημερινή σχεδόν βάση, τα αστρονομικά μας όργανα γίνονται μεγαλύτερα και τελειότερα ενώ οι γνώσεις μας για το Σύμπαν αυξάνουν με ταχύτατο ρυθμό δημιουργώντας συγχρόνως μεγάλα ερωτηματικά όχι μόνο για το μακρινό παρελθόν αλλά και για το απώτατο μέλλον του Σύμπαντος. Πρόκειται για την βάση της σύγχρονης επιστήμης της Κοσμολογίας η οποία εξετάζει την περιεκτικότητα της ύλης και της ενέργειας στο Σύμπαν, την μορφή και την δομή που έχει, την ηλικία και την ιστορία του καθώς και την μελλοντική του εξέλιξη. Οι ανακαλύψεις των τελευταίων μερικών χρόνων μας έχουν οδηγήσει στην διαπίστωση ότι όλα τα άστρα, τα νεφελώματα και οι γαλαξίες που υπάρχουν στο Σύμπαν αποτελούν το 5% μόνο των συστατικών του Σύμπαντος. Ανακαλύψαμε επίσης ότι διάχυτα στο Σύμπαν περιλαμβάνονται κι άλλα υλικά που είναι προς το παρόν «αόρατα». Η «σκοτεινή ύλη» (όπως ονομάζεται) που υπάρχει με κάποια μορφή αποτελεί το 27% περίπου των συστατικών του Σύμπαντος αν και δεν μπορούμε μέχρι τώρα να προσδιορίσουμε από τι αποτελείται.
Ακόμη όμως κι αν στην ύλη που βλέπουμε προσθέσουμε και όλα τα υλικά της «σκοτεινής ύλης» πάλι φαίνεται ότι χρειαζόμαστε μια διπλάσια επί πλέον ποσότητα «υλικών» ή «ενέργειας» (αφού ύλη και ενέργεια αποτελούν δύο όψεις του ιδίου αντικειμένου) για να εξηγηθούν οι παρατηρήσεις των κοσμολόγων που μας λένε ότι το Σύμπαν στο οποίο ζούμε είναι ένα «επίπεδο» Σύμπαν. Ένα Σύμπαν του οποίου η χωροχρονική διαστολή φαίνεται ότι δεν πρόκειται να σταματήσει ποτέ. Γιατί οι μετρήσεις που έγιναν εδώ και 20 περίπου χρόνια μας δείχνουν ότι η διαστολή του Σύμπαντος όχι μόνο δεν επιβραδύνεται λόγω της βαρύτητας των υλικών που περιλαμβάνει (ορατή και σκοτεινή ύλη) αλλά αντίθετα επιταχύνεται από τότε που το Σύμπαν είχε το ήμισυ της ηλικίας που έχει σήμερα.
Γι' αυτό όλο και πιο πολλοί κοσμολόγοι αντιμετωπίζουν σήμερα την επιτάχυνση αυτή σαν μια πέμπτη δύναμη, ένα απωθητικό είδος «αντιβαρύτητας», που είναι συνδεδεμένη με την ενεργειακή πυκνότητα του κενού και η οποία προβλέπεται από την σύγχρονη θεωρία πεδίων. Της έχουν μάλιστα δώσει κι ένα ιδιαίτερα ευφάνταστο όνομα αποκαλώντας την «σκοτεινή ενέργεια». Οι κοσμολόγοι υποστηρίζουν ότι η ενέργεια αυτή αποτελεί σήμερα το 68% της υλο-ενέργειας που απαιτείται για να γίνει το Σύμπαν επίπεδο όπως παρατηρείται ότι είναι. Αυτού του είδους η ενέργεια προέρχεται από την εμφάνιση «εικονικών σωματιδίων» τα οποία ξεπηδούν από το «τίποτα» και εξαφανίζονται (εξαϋλώνονται) στιγμιαία προτού προφτάσει κάποιος να τα παρατηρήσει. Αυτό, δηλαδή, που ονομάζουμε «τίποτα» είναι το μηδενικό αποτέλεσμα που βγαίνει από το άθροισμα θετικής και αρνητικής ενέργειας που υπάρχει στο «κενό».
Οι μελέτες αυτές μας έχουν δώσει τα εφόδια εκείνα με τα οποία μπορούμε να διατυπώσουμε σήμερα (με αρκετή μάλιστα βεβαιότητα) τα πρώτα βήματα της γέννησης του Σύμπαντος, την εξελικτική του έκτοτε πορεία, αλλά και τον τρόπο και τον χρόνο του θανάτου του. Γιατί τα πάντα στο Σύμπαν μεταβάλλονται συνεχώς, έστω κι αν αυτή η μεταβολή γίνεται με πολύ αργούς ρυθμούς. Στις επιφάνειες των πλανητών, για παράδειγμα, βουνά και θάλασσες εμφανίζονται και εξαφανίζονται στη διάρκεια χιλιάδων χιλιετιών, ενώ στους ουρανούς, άστρα και πλανήτες γεννιούνται, ζουν και πεθαίνουν στη διάρκεια εκατομμυρίων ή και δισεκατομμυρίων χρόνων. Το κάθε τι, πάντως, στο Σύμπαν έχει μιαν αρχή κι ένα τέλος. Το ίδιο συμβαίνει και με τον κόσμο που μας περιβάλλει, είτε αυτός είναι η Γη μας, είτε ολάκερο το Σύμπαν: τα πάντα είχαν μιαν αρχή και τα πάντα θα φτάσουν σ’ ένα τέλος.
Σήμερα το Σύμπαν έχει ηλικία 13,82 δισεκατομμυρίων ετών και τα γηρατειά του είναι ακόμη πολύ μακριά. Προς το παρόν, δηλαδή, το Σύμπαν βρίσκεται ακόμη στη νεανική του ηλικία κι ο ουρανός είναι γεμάτος με άστρα και γαλαξίες. Γι’ αυτό λεω ότι ζούμε στην Άνοιξη του Σύμπαντος, αφού σήμερα υπάρχουν τρισεκατομμύρια άστρα που λάμπουν στο Σύμπαν, αν και όλα τους θα σβήσουν κάποια στιγμή στο άμεσο μέλλον, και πρώτα απ’ όλα τα πιο γιγάντια και λαμπερά άστρα. Κι άλλα νέα άστρα θα δημιουργούνται στους σπειροειδείς βραχίονες των γαλαξιών και για ένα διάστημα θα λάμψουν κι αυτά όπως κι όσα άλλα προηγήθηκαν. Όμως κι αυτά κάποτε θα πεθάνουν. Κάποτε, κάποια μέρα, το αέριο υδρογόνο που υπάρχει διάχυτο στο Σύμπαν θα εξαντληθεί και η γέννηση νέων άστρων θα σταματήσει.
Αλλά το κοσμικό ρολόι αν και χτυπάει αργά, χτυπάει αμετάκλητα, και το γεγονός ότι όλα τα άστρα σήμερα λάμπουν σημαίνει ότι κάποτε όλα τα άστρα θα πεθάνουν. Θα πεθάνουν ακριβώς επειδή λάμπουν. Η τελική τους μορφή θα είναι πάντα ένα μικρό υπέρπυκνο αστρικό λείψανο: είτε πρόκειται για ένα λευκό νάνο που θα μετατραπεί κάποτε σε μαύρο νάνο, είτε ένα άστρο νετρονίων, ένα πάλσαρ δηλαδή ή, και το πιο παράξενο απ’ όλα, μια μαύρη τρύπα. Τα υλικά που αποτελούν τα αστρικά αυτά λείψανα απομονώνονται, και επειδή το Σύμπαν διαστέλλεται συνεχώς δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την δημιουργία νέων άστρων. Κι έτσι το μέλλον ολόκληρου του Σύμπαντος είναι ξεκάθαρο, αφού κάποια μέρα, στο πολύ μακρινό μέλλον, το τελευταίο άστρο θα σβήσει κι αυτό όπως κι όλα τα άλλα και μαζί του ολάκερο το Σύμπαν θα σκοτεινιάσει σημαδεύοντας έτσι το τέλος του Σύμπαντος.
Πότε, όμως, θα φτάσει το «περίφημο» αυτό τέλος του Σύμπαντος και με ποιόν τρόπο; Σύμφωνα με τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής το τέλος του Σύμπαντος θα έλθει όταν η «Εντροπία» φτάσει στο μέγιστό της. Τον όρο «Εντροπία» χρησιμοποίησε για πρώτη φορά ο Γερμανός Φυσικός Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888) το 1865, αφού σύμφωνα με τον νόμο αυτό όπου υπάρχει μια συνεχής απώλεια ενέργειας με τη μορφή θερμότητας, οι φυσικές διαδικασίες, είναι μη αναστρέψιμες. Μια τέτοια διαδικασία, ακολουθώντας πάντα το βέλος του χρόνου, δεν πάει ποτέ προς τα πίσω αλλά μόνο προς τα εμπρός. Έτσι, οποιαδήποτε φυσική διαδικασία συμβαίνει σε ένα απομονωμένο σύστημα θα πρέπει να συνοδεύεται και από την αύξηση της Εντροπίας, που είναι το μέτρο της τάξεως ενός συστήματος, αφού όσο μεγαλώνει η Εντροπία, τόσο μεγαλώνει και η αταξία του. Μ’ αυτή την έννοια, λοιπόν, όλα τα φυσικά συστήματα που επιδέχονται στατιστική περιγραφή, περιλαμβανομένου και του Σύμπαντος, οδεύουν φυσιολογικά προς την αταξία και το χάος. Έτσι, με την πάροδο του χρόνου, η Εντροπία θα αυξάνεται συνεχώς έως ότου κάποτε δεν θα υπάρχει πια άλλη ενέργεια για να μετατραπεί σε θερμότητα, η Εντροπία θα φτάσει στη μέγιστη τιμή της, το Σύμπαν θα βρίσκεται σε μία κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, οπότε θα επέλθει κι ο λεγόμενος «Θερμικός Θάνατος» του Σύμπαντος όταν η θερμοκρασία του θα έχει φτάσει στο απόλυτο μηδέν.
Η διαδικασία που θα οδηγήσει σ’ έναν τέτοιο θάνατο θα είναι, φυσικά, πάρα πολύ αργή και θα περάσει από διάφορες «Εποχές» ή «Περιόδους». Η Περίοδος του Εκφυλισμού, για παράδειγμα, θα αρχίσει στα 100 τρισεκατομμύρια χρόνια όταν η δημιουργία νέων άστρων και γαλαξιών θα σταματήσει, και θα διαρκέσει από την περίοδο 10 εις την 14 έως τα 10 εις την 40 χρόνια. Στη διάρκεια αυτής της περιόδου τα μόνα αντικείμενα που θα απομείνουν θα είναι τα λείψανα των άστρων: είτε πρόκειται για λευκούς νάνους (με υλικά μέχρι 1,4 ηλιακές μάζες), είτε άστρα νετρονίων (από 1,4 έως 3 ηλιακές μάζες), είτε για μαύρες τρύπες (με πάνω από 3 ηλιακές μάζες). Θα υπάρχουν, επίσης, και μεμονωμένοι πλανήτες, πλανητοειδείς, κομήτες και καφέ νάνοι, όλοι τους διασκορπισμένοι εδώ κι εκεί. Ακόμη, όμως, και οι λευκοί νάνοι θα μετατραπούν σε μαύρους νάνους καθώς με την πάροδο του χρόνου θα χάνουν συνεχώς την θερμότητά τους.
Στο μεταξύ, σε δέκα εκατομμύρια τρισεκατομμύρια χρόνια (10 εις την 19) όλοι οι γαλαξίες θα έχουν χάσει τα νεκρά τους άστρα που θα έχουν έτσι διασκορπιστεί στον διαγαλαξιακό χώρο, ενώ οι γιγάντιες μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών θα απορροφήσουν σιγά-σιγά όλα όσα θα έχουν απομείνει. Τελικά όλα τα σμήνη και τα υπερσμήνη των γαλαξιών που υπάρχουν σήμερα θα έχουν κυριολεκτικά διασκορπιστεί στους «πέντε ανέμους» σε περίπου 100 δισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων χρόνια από σήμερα (10 εις την 23). Στα επόμενα τρισεκατομμύρια χρόνια (10 εις την 31) τα μισά πρωτόνια θα έχουν διασπαστεί σε ακτινοβολία γάμα και λεπτόνια, ενώ στα 10 εις την 40 χρόνια θα έχουν διασπαστεί και τα υπόλοιπα. Η διάσπαση των πρωτονίων θα μεταβάλει τις υπολειπόμενες ποσότητες διαστρικού αερίου σε ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια τα οποία με τη σειρά τους θα μετατραπούν σε φωτόνια.
Οποιαδήποτε ποσότητα ύλης κι αν έχει απομείνει θα βρίσκεται φυλακισμένη στις μαύρες τρύπες, οπότε θα αρχίσει μία νέα περίοδος, η Εποχή των Μαύρων Τρυπών, που θα διαρκέσει μέχρι τα 10 εις την 100 χρόνια (η μονάδα ακολουθούμενη από 100 μηδενικά). Στο τέλος εκείνης της εποχής ακόμη και οι Μαύρες Τρύπες δεν θα υπάρχουν πια αφού όλες τους θα έχουν προ πολλού «εξατμιστεί». Γιατί ακόμη και οι μεγαλύτερες Μαύρες Τρύπες με μάζα όση κι ένας ολάκερος γαλαξίας θα «εξατμιστούν» λόγω της ακτινοβολίας «Hawking».
Στο μεταξύ το Σύμπαν θα συνεχίσει να διαστέλλεται εκθετικά αλλά η θερμοκρασία που θα επικρατεί τότε θα είναι μερικά τρισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού Κέλβιν, ελάχιστα δηλαδή πάνω από το απόλυτο μηδέν. Στο τέλος της επόμενης περιόδου (10 εις την 150) δεν θα έχει απομείνει ούτε μία μαύρη τρύπα και τα υλικά που ήσαν φυλακισμένα στο εσωτερικό τους θα έχουν όλα μετατραπεί σε φωτόνια και λεπτόνια. Μετά από την περίοδο αυτή τα πράγματα θα αργούν να εξελιχθούν όλο και πιο πολύ και σε μία χρονική περίοδο ενός αριθμού ετών που αρχίζει με την μονάδα ακολουθούμενη από 1.000 μηδενικά η θερμοκρασία του Σύμπαντος θα φτάσει σχεδόν στο απόλυτο μηδέν ποτέ όμως μέχρι εκείνο το απλησίαστο σημείο. Κι έτσι, αργά αλλά σταθερά, θα σημάνει και το τέλος του Σύμπαντος ενώ η εκθετική διαστολή του χώρου φαίνεται ότι θα συνεχιστεί απτόητη σε ένα Σύμπαν που θα είναι άδειο από οποιαδήποτε ενέργεια και με την Εντροπία στο μέγιστο της τιμής της!
Γι' αυτό όλο και πιο πολλοί κοσμολόγοι αντιμετωπίζουν σήμερα την επιτάχυνση αυτή σαν μια πέμπτη δύναμη, ένα απωθητικό είδος «αντιβαρύτητας», που είναι συνδεδεμένη με την ενεργειακή πυκνότητα του κενού και η οποία προβλέπεται από την σύγχρονη θεωρία πεδίων. Της έχουν μάλιστα δώσει κι ένα ιδιαίτερα ευφάνταστο όνομα αποκαλώντας την «σκοτεινή ενέργεια». Οι κοσμολόγοι υποστηρίζουν ότι η ενέργεια αυτή αποτελεί σήμερα το 68% της υλο-ενέργειας που απαιτείται για να γίνει το Σύμπαν επίπεδο όπως παρατηρείται ότι είναι. Αυτού του είδους η ενέργεια προέρχεται από την εμφάνιση «εικονικών σωματιδίων» τα οποία ξεπηδούν από το «τίποτα» και εξαφανίζονται (εξαϋλώνονται) στιγμιαία προτού προφτάσει κάποιος να τα παρατηρήσει. Αυτό, δηλαδή, που ονομάζουμε «τίποτα» είναι το μηδενικό αποτέλεσμα που βγαίνει από το άθροισμα θετικής και αρνητικής ενέργειας που υπάρχει στο «κενό».
Οι μελέτες αυτές μας έχουν δώσει τα εφόδια εκείνα με τα οποία μπορούμε να διατυπώσουμε σήμερα (με αρκετή μάλιστα βεβαιότητα) τα πρώτα βήματα της γέννησης του Σύμπαντος, την εξελικτική του έκτοτε πορεία, αλλά και τον τρόπο και τον χρόνο του θανάτου του. Γιατί τα πάντα στο Σύμπαν μεταβάλλονται συνεχώς, έστω κι αν αυτή η μεταβολή γίνεται με πολύ αργούς ρυθμούς. Στις επιφάνειες των πλανητών, για παράδειγμα, βουνά και θάλασσες εμφανίζονται και εξαφανίζονται στη διάρκεια χιλιάδων χιλιετιών, ενώ στους ουρανούς, άστρα και πλανήτες γεννιούνται, ζουν και πεθαίνουν στη διάρκεια εκατομμυρίων ή και δισεκατομμυρίων χρόνων. Το κάθε τι, πάντως, στο Σύμπαν έχει μιαν αρχή κι ένα τέλος. Το ίδιο συμβαίνει και με τον κόσμο που μας περιβάλλει, είτε αυτός είναι η Γη μας, είτε ολάκερο το Σύμπαν: τα πάντα είχαν μιαν αρχή και τα πάντα θα φτάσουν σ’ ένα τέλος.
Σήμερα το Σύμπαν έχει ηλικία 13,82 δισεκατομμυρίων ετών και τα γηρατειά του είναι ακόμη πολύ μακριά. Προς το παρόν, δηλαδή, το Σύμπαν βρίσκεται ακόμη στη νεανική του ηλικία κι ο ουρανός είναι γεμάτος με άστρα και γαλαξίες. Γι’ αυτό λεω ότι ζούμε στην Άνοιξη του Σύμπαντος, αφού σήμερα υπάρχουν τρισεκατομμύρια άστρα που λάμπουν στο Σύμπαν, αν και όλα τους θα σβήσουν κάποια στιγμή στο άμεσο μέλλον, και πρώτα απ’ όλα τα πιο γιγάντια και λαμπερά άστρα. Κι άλλα νέα άστρα θα δημιουργούνται στους σπειροειδείς βραχίονες των γαλαξιών και για ένα διάστημα θα λάμψουν κι αυτά όπως κι όσα άλλα προηγήθηκαν. Όμως κι αυτά κάποτε θα πεθάνουν. Κάποτε, κάποια μέρα, το αέριο υδρογόνο που υπάρχει διάχυτο στο Σύμπαν θα εξαντληθεί και η γέννηση νέων άστρων θα σταματήσει.
Αλλά το κοσμικό ρολόι αν και χτυπάει αργά, χτυπάει αμετάκλητα, και το γεγονός ότι όλα τα άστρα σήμερα λάμπουν σημαίνει ότι κάποτε όλα τα άστρα θα πεθάνουν. Θα πεθάνουν ακριβώς επειδή λάμπουν. Η τελική τους μορφή θα είναι πάντα ένα μικρό υπέρπυκνο αστρικό λείψανο: είτε πρόκειται για ένα λευκό νάνο που θα μετατραπεί κάποτε σε μαύρο νάνο, είτε ένα άστρο νετρονίων, ένα πάλσαρ δηλαδή ή, και το πιο παράξενο απ’ όλα, μια μαύρη τρύπα. Τα υλικά που αποτελούν τα αστρικά αυτά λείψανα απομονώνονται, και επειδή το Σύμπαν διαστέλλεται συνεχώς δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την δημιουργία νέων άστρων. Κι έτσι το μέλλον ολόκληρου του Σύμπαντος είναι ξεκάθαρο, αφού κάποια μέρα, στο πολύ μακρινό μέλλον, το τελευταίο άστρο θα σβήσει κι αυτό όπως κι όλα τα άλλα και μαζί του ολάκερο το Σύμπαν θα σκοτεινιάσει σημαδεύοντας έτσι το τέλος του Σύμπαντος.
Πότε, όμως, θα φτάσει το «περίφημο» αυτό τέλος του Σύμπαντος και με ποιόν τρόπο; Σύμφωνα με τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής το τέλος του Σύμπαντος θα έλθει όταν η «Εντροπία» φτάσει στο μέγιστό της. Τον όρο «Εντροπία» χρησιμοποίησε για πρώτη φορά ο Γερμανός Φυσικός Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888) το 1865, αφού σύμφωνα με τον νόμο αυτό όπου υπάρχει μια συνεχής απώλεια ενέργειας με τη μορφή θερμότητας, οι φυσικές διαδικασίες, είναι μη αναστρέψιμες. Μια τέτοια διαδικασία, ακολουθώντας πάντα το βέλος του χρόνου, δεν πάει ποτέ προς τα πίσω αλλά μόνο προς τα εμπρός. Έτσι, οποιαδήποτε φυσική διαδικασία συμβαίνει σε ένα απομονωμένο σύστημα θα πρέπει να συνοδεύεται και από την αύξηση της Εντροπίας, που είναι το μέτρο της τάξεως ενός συστήματος, αφού όσο μεγαλώνει η Εντροπία, τόσο μεγαλώνει και η αταξία του. Μ’ αυτή την έννοια, λοιπόν, όλα τα φυσικά συστήματα που επιδέχονται στατιστική περιγραφή, περιλαμβανομένου και του Σύμπαντος, οδεύουν φυσιολογικά προς την αταξία και το χάος. Έτσι, με την πάροδο του χρόνου, η Εντροπία θα αυξάνεται συνεχώς έως ότου κάποτε δεν θα υπάρχει πια άλλη ενέργεια για να μετατραπεί σε θερμότητα, η Εντροπία θα φτάσει στη μέγιστη τιμή της, το Σύμπαν θα βρίσκεται σε μία κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, οπότε θα επέλθει κι ο λεγόμενος «Θερμικός Θάνατος» του Σύμπαντος όταν η θερμοκρασία του θα έχει φτάσει στο απόλυτο μηδέν.
Η διαδικασία που θα οδηγήσει σ’ έναν τέτοιο θάνατο θα είναι, φυσικά, πάρα πολύ αργή και θα περάσει από διάφορες «Εποχές» ή «Περιόδους». Η Περίοδος του Εκφυλισμού, για παράδειγμα, θα αρχίσει στα 100 τρισεκατομμύρια χρόνια όταν η δημιουργία νέων άστρων και γαλαξιών θα σταματήσει, και θα διαρκέσει από την περίοδο 10 εις την 14 έως τα 10 εις την 40 χρόνια. Στη διάρκεια αυτής της περιόδου τα μόνα αντικείμενα που θα απομείνουν θα είναι τα λείψανα των άστρων: είτε πρόκειται για λευκούς νάνους (με υλικά μέχρι 1,4 ηλιακές μάζες), είτε άστρα νετρονίων (από 1,4 έως 3 ηλιακές μάζες), είτε για μαύρες τρύπες (με πάνω από 3 ηλιακές μάζες). Θα υπάρχουν, επίσης, και μεμονωμένοι πλανήτες, πλανητοειδείς, κομήτες και καφέ νάνοι, όλοι τους διασκορπισμένοι εδώ κι εκεί. Ακόμη, όμως, και οι λευκοί νάνοι θα μετατραπούν σε μαύρους νάνους καθώς με την πάροδο του χρόνου θα χάνουν συνεχώς την θερμότητά τους.
Στο μεταξύ, σε δέκα εκατομμύρια τρισεκατομμύρια χρόνια (10 εις την 19) όλοι οι γαλαξίες θα έχουν χάσει τα νεκρά τους άστρα που θα έχουν έτσι διασκορπιστεί στον διαγαλαξιακό χώρο, ενώ οι γιγάντιες μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών θα απορροφήσουν σιγά-σιγά όλα όσα θα έχουν απομείνει. Τελικά όλα τα σμήνη και τα υπερσμήνη των γαλαξιών που υπάρχουν σήμερα θα έχουν κυριολεκτικά διασκορπιστεί στους «πέντε ανέμους» σε περίπου 100 δισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων χρόνια από σήμερα (10 εις την 23). Στα επόμενα τρισεκατομμύρια χρόνια (10 εις την 31) τα μισά πρωτόνια θα έχουν διασπαστεί σε ακτινοβολία γάμα και λεπτόνια, ενώ στα 10 εις την 40 χρόνια θα έχουν διασπαστεί και τα υπόλοιπα. Η διάσπαση των πρωτονίων θα μεταβάλει τις υπολειπόμενες ποσότητες διαστρικού αερίου σε ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια τα οποία με τη σειρά τους θα μετατραπούν σε φωτόνια.
Οποιαδήποτε ποσότητα ύλης κι αν έχει απομείνει θα βρίσκεται φυλακισμένη στις μαύρες τρύπες, οπότε θα αρχίσει μία νέα περίοδος, η Εποχή των Μαύρων Τρυπών, που θα διαρκέσει μέχρι τα 10 εις την 100 χρόνια (η μονάδα ακολουθούμενη από 100 μηδενικά). Στο τέλος εκείνης της εποχής ακόμη και οι Μαύρες Τρύπες δεν θα υπάρχουν πια αφού όλες τους θα έχουν προ πολλού «εξατμιστεί». Γιατί ακόμη και οι μεγαλύτερες Μαύρες Τρύπες με μάζα όση κι ένας ολάκερος γαλαξίας θα «εξατμιστούν» λόγω της ακτινοβολίας «Hawking».
Στο μεταξύ το Σύμπαν θα συνεχίσει να διαστέλλεται εκθετικά αλλά η θερμοκρασία που θα επικρατεί τότε θα είναι μερικά τρισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού Κέλβιν, ελάχιστα δηλαδή πάνω από το απόλυτο μηδέν. Στο τέλος της επόμενης περιόδου (10 εις την 150) δεν θα έχει απομείνει ούτε μία μαύρη τρύπα και τα υλικά που ήσαν φυλακισμένα στο εσωτερικό τους θα έχουν όλα μετατραπεί σε φωτόνια και λεπτόνια. Μετά από την περίοδο αυτή τα πράγματα θα αργούν να εξελιχθούν όλο και πιο πολύ και σε μία χρονική περίοδο ενός αριθμού ετών που αρχίζει με την μονάδα ακολουθούμενη από 1.000 μηδενικά η θερμοκρασία του Σύμπαντος θα φτάσει σχεδόν στο απόλυτο μηδέν ποτέ όμως μέχρι εκείνο το απλησίαστο σημείο. Κι έτσι, αργά αλλά σταθερά, θα σημάνει και το τέλος του Σύμπαντος ενώ η εκθετική διαστολή του χώρου φαίνεται ότι θα συνεχιστεί απτόητη σε ένα Σύμπαν που θα είναι άδειο από οποιαδήποτε ενέργεια και με την Εντροπία στο μέγιστο της τιμής της!
Ο Γαλαξίας μας βρίσκεται τώρα στην άνοιξη της ζωής του, μια άνοιξη γεμάτη με τη δόξα και το μεγαλείο των λευκών και γαλάζιων άστρων σαν τον Σείριο και τον Βέγα αλλά και άστρων σαν τον Ήλιο μας. Η ενήλικη όμως ιστορία του Σύμπαντος θα αρχίσει σε αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια από σήμερα, όταν τα άστρα αυτά θα πάψουν να υπάρχουν. Και θα είναι μια ιστορία φωτισμένη μόνο από τα μικρά κόκκινα και υπέρυθρα άστρα, που είναι σχεδόν αόρατα στα μάτια μας. Και πάλι όμως θα πρόκειται για ένα όμορφο Σύμπαν για τα πλάσματα που θα το κατοικούν τότε. Πλάσματα που θα έχουν προσαρμοστεί στο ίδιο αλλά ταυτόχρονα και διαφορετικό με το δικό μας Σύμπαν.
Αυτού του είδους τα «Πλάσματα» θα μετρούν το χρόνο πίσω τους, όχι με τα εκατομμύρια χρόνια των γεωλογικών μας εποχών, ούτε με τα δισεκατομμύρια χρόνια της ζωής ενός άστρου, αλλά με χρόνια της τάξης των τρισεκατομμυρίων. Και τότε θα έχουν αρκετό χρόνο στη διάθεσή τους, στους ατέλειωτους αιώνες τους, για να ερευνήσουν και να μάθουν. Δεν θα είναι σαν θεοί, γιατί το μυαλό μας δεν θα μπορούσε να φανταστεί την ύπαρξη τέτοιων θεών που θα μπορούσαν να κατέχουν τη δύναμη που εκείνοι θα έχουν. Παρ’ όλα αυτά, όμως, θα μας ζηλεύουν! Θα μας ζηλεύουν γιατί γνωρίσαμε το Σύμπαν όταν ήταν ακόμη μωρό. Θα μας ζηλεύουν επειδή πράγματι ζούμε στην Άνοιξη του Σύμπαντος!
Links
Posts
