1. Czynniki fizyczne kształtujące zewnętrzne środowisko roślin.

Agrofizyka:

1. wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w produkcji rolnej;

2. zanieczyszczenie środowiska: efekt cieplarniany, kwaśne deszcze;

3. procesy zachodzące w organizmach żywych;

4. geologiczna budowa ziemi:

- procesy zachodzące w wierzchniej warstwie gleby: woda w glebie, składniki pokarmowe;

- klimatyczne właściwości gleby: ruch powietrza a gleba i rośliny; zmiany temperatury a gleba; zjawiska meteorologiczne

Fizyczne czynniki determinujące żywotność roślin i zwierząt:

1. środowisko jako źródło energii promieniowania;

2. środowisko jako źródło wody, azotu, minerałów i pierwiastków śladowych;

3. Temperatura i długość dnia;

4. Regulacja ilości organizmów pasożytniczych i patologicznych;

5. Światło jako takie: słoneczne sztuczne, proces regulacji zegara biologicznego roślin i zwierząt;

6. Przyciąganie ziemskie.

3. Zjawiska przenoszenia: dyfuzja, lepkość, przewodnictwo cieplne. Zależności między współczynnikami transportu.

Lepkość-Lepkością albo tarciem zewnętrznym w cieczy nazywamy zjawisko wzajemnego hamowania ruchu cząsteczek.

Wskutek oddziaływań międzycząsteczkowych poruszającą się cząsteczka pociąga za sobą cząsteczki sąsiednie. Jednakże mają one swoją bezwładność, która musi zostać pokonana podczas ich ruchu. Przeciwstawiają się więc one ruchowi. Mówimy, że występuje tarcie wewnętrzne w cieczy.

Podobnie, spoczywająca cząsteczka hamuje ruch czaszeczek sąsiednich.

Współczynnik lepkości -Wskutek tarcia wewnętrznego- lepkości - przepływ cieczy przez rurę będzie możliwy, jeżeli na jej końcach wystąpi różnica ciśnień p= ( p 2- p 1 )

Współczynnik n nazywa się dynamicznym współczynnikiem lepkości lub współczynnikiem tarcia wewnętrznego . Jego wymiarem jest [ n] = ] N/ sm ²

Współczynnik lepkości wynosi 1, jeśli przy przepływie wywołanym różnicą ciśnień 1 N/ m²

Dwie warstwy cieczy ( gazu ) odległe o 1 m poruszają się z prędkościami różniącymi się

o 1m/ s.

Przewodnictwo cieplne -Energia wewnętrzna ciała pod wpływem różnicy temperatur przenosi się z miejsca na miejsce : ta przenosząca się energia nazywana jest ciepłem.

Często jednak nazywany ruch egerii wewnętrznej pod wpływem różnicy temperatur nazywamy ruchem ciepła.

W tym sensie mówimy o rożnych sposobach przenoszenia się ciepła.

Na ogół wyróżnia się trzy sposoby przenoszenia ciepła : przez przewodnictwo, konwekcję i promieniowanie.

Przewodnictwo cieplne jest procesem przenoszenia energii wewnętrznej miedzy częściami układu o różnych temperaturach, polegającym na przekazywaniu energii ruchu bezwładnego jednym grupom cząsteczek przez inne i nie związanym z makroskopowymi przemieszczeniami w układzie.

Jeśli temperatura pewnego elementu ciała jest wyższa od temperatury innego elementu

Tego samego ciała, to oznacza, to że średnia energie kinetyczne cząsteczek w tych dwóch elementach także różnią się między sobą. W wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych dochodzi do przekazywania energii przez cząsteczki o wyższej energii wewnętrznej. Jako przykład może służyć ogrzewany z jednej strony pręt. Strumień ciepła q (czyli liczbowo ilość ciepła przechodząca przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu) jest, zgodnie z prawem Fouriera, związany z gradientem temperatury :

Q = - λ d T / dx

Gdzie d x jest odległość między dwoma nieskończenie bliskimi przekrojami λ - współczynnikiem proporcjonalności, zwanym współczynnikiem przewodnictwa cieplnego przejmuje postać

q = - λ T ₂ - T ₁ / l

Współczynnik λ przyjmuje rożne wartości w zależności od rodzaju substancji.

Dyfuzja -jest to zdolność przemieszania się cząsteczek danej substancji z jednego miejsca do innego w wyniku jej przypadkowych, kinetycznych drgań, mających charakter cieplny

Każdy z dwóch składników takiego układu ma własna cząsteczkową energię swobodną

(tkz . potencjał chemiczny). W przypadku wzrostu temperatury zwiększa się cieplny ruch cząsteczek substancji, z zjawisko dyfuzji będzie przebiegać intensywniej i szybciej i szybciej nastąpi wyrównanie się potencjałów chemicznych obu składników w całej objętości układu.

Gdzie D jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym współczynnikiem dyfuzji. Współczynnik dyfuzji dla przypadku roztworów dostatecznie rozcieńczonym i w stałej temperaturze ma wartość stałą.

4. Falowa i kwantowa natura promieniowania słonecznego . Absorpcja światła - zmiana stanu energetycznego cząsteczki.

a) Falowa i kwantowa natura promieniowania słonecznego

KORPUSKULARNO-FALOWA NATURA ŚWIATŁA-Natura światła interesowała już starożytnych Greków. Jednak przez stulecia pozostawała ona tajemnicą. W XVII wieku ścierały się dwa, zasadniczo różnią­ce się poglądy na temat natury światła. Isaac Newton (czyt.: Niuton) twierdził że światło składa się z bardzo szybko poruszających się korpuskuł (tac. corpu-sculum). Natomiast Christiaan Huygens (czyt.: Krystian Hojhens) starał się udo­wodnić, że światło jest falą. Obie te teorie znalazły wśród uczonych swoich zwolenników. Przez długi czas spór między nimi pozostawał nierozstrzygnięty. Ważkiego argumentu dostarczył na początku XIX wieku Thomas Young (czyt. Tomas Jang), kiedy przeprowadził słynne doświadczenie - dziś nazywane do­świadczeniem Younga - w którym światło ulega dyfrakcji, czyli ugięciu, co moż­na wytłumaczyć tylko jego falową naturą. W drugiej połowie XIX wieku James Clerk Maxwell, który sformułował podstawy elektromagnetyzmu, przedstawił koncepcję, iż światło jest falą elektromagnetyczną. Na początku XX wieku nastąpił kolejny przełom - Max Planck opracował kwantową teorię promieniowania, według której światło jest strumieniem cząstek, zwanych fotonami. W ten spo­sób zostały pogodzone dwa przeciwstawne poglądy na naturę światła. Często w języku fizyki używa się sformułowań: promieniowanie świetlne lub promieniowanie widzialne, mając na myśli po prostu światło. W szerszym znaczeniu promieniowaniem nazywa się wytwarzanie przez ciało fal elektro­magnetycznych (w ujęciu falowym) lub (w ujęciu korpuskularnym) wytwarza­nie strumienia cząstek, zwanych fotonami. Światło ma dwoistą naturę: zarówno falową, jak i korpuskularną (cząstecz­kową). Oznacza to, że jest jednocześnie falą oraz strumieniem fotonów. Fala elektromagnetyczna o długości X zawartej w przedziale od 380 nm (nanometrów) do 770 nm jest falą odbieraną przez zmysł wzroku, czyli po pro­stu światłem. Światło ma nie tylko naturę falową, lecz również korpuskular­ną, kwantową. Oznacza to, że źródła światła wysyłają promieniowanie w po­staci strumienia falocząstek, zwanych fotonami. Foton to cząstka będącą kwan­tem (czyli porcją) energii promieniowania świetlnego. Fotony nie mają masy spoczynkowej, co oznacza, że istnieją tylko wtedy, gdy się poruszają. Ich pręd­kość jest równa prędkości światła. Nie mają żadnego ładunku elektrycznego. Potwierdzeniem korpuskularnej natury światła jest zjawisko fotoelektryczne, którego nie można wyjaśnić, opierając się na założeniu o falowej naturze światła. W zaciemnionym pomieszczeniu nie można było by wykonywać obliczeń na kal­kulatorze zasilanym ogniwem fotoelektrycznym. Dopiero po oświetleniu ekranu kalkulator zadziałał. Pod wpływem światła w ogniwie kalkulatora pojawia się napięcie zasilające obwód kalkulatora. Zachodzi zjawisko fotoelektryczne. Zjawisko to polega na tym, że gdy światło pada na powierzchnię metalu, fotony wnikają do środka i zderzając się z elektronami, przekazują im część swojej energii. Elektrony, mając teraz większą energię kinetyczną, mogą wydostać się na zewnątrz me­talu bądź oderwać się od swoich atomów i przejść do gazu elektronowego, po­zostając wewnątrz metalu. W pierwszym przypadku masz do czynienia ze zja­wiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym, a w drugim - ze zjawiskiem foto­elektrycznym wewnętrznym
b) Absorpcja - polega na oddziaływaniu światła z substancją. Światło pada na określoną substancję, która pochłania - absorbuje część energii promieniowania.

Światło ulega zazwyczaj osłabieniu podczas przejścia przez substancję.

Wiązka światła I ₀ pada na substancję to część energii ulega odbiciu ( natężenie I ₁ )

Rozproszeniu ( natężeni I ₂ ) i absorpcji ( natężenie I ₃ ) pozostała zaś część przechodzi przez substancję.

Natężenie światła przechodzącego przez roztwór substancji absorbującej zależy od natężenia światła padającego ( I ₀ ) , stężenia roztworu (c) i grubości warstwy (l )oraz od współczynnika absorpcji substancji rozpuszczonej (μ) .

Zmiana stanu energetycznego elektronów.

Najniższa wartość energii elektronów odpowiada poziom E ₀, czyli elektronowy poziom podstawowy. Charakteryzuje on energię elektronów cząsteczki w stanie stacjonarnym. Poziomy E ₀ i E _{2 i} dalsze charakteryzują energię jaką ma cząsteczka po pochłonięciu kwantu energii, czyli cząsteczką w tzw. stanie wzbudzonym. Zmiana energii cząsteczki wywołują przejścia między dowolnymi stanami energetycznymi.

Jeżeli cząsteczka pochłonęła kwant hν tzn. jej energia E ₁ = E _{0 +} hν to przechodzi ona z poziomu podstawowego E ₁ .

Doświadczalnie stwierdzono, że podczas pochłaniania światła przez cząsteczki zachodzą energii elektronów, energii oscylacji i rotacji. Zmiany energii rotacji są mniejsze od zmian energii elektron ∆ E rot. < ∆E osc < ∆ E el

5. Promieniowanie temperaturowe. Ciało doskonale czarne, zdolność emisyjna i absorpcyjna. Prawo Stefana Boltzmana. Prawo Wiena. Widmo emisyjne Słońca.

Promieniowanie temperaturowe uzyskuje energię z ruchów cieplnych (termicznych) atomów i cząsteczek danego ciała. Ciało emitujące promieniowanie traci energie i oziębia się, jeśli nie zostaje mu dostarczona energia z innych źródeł. Stan równowagi następuje wtedy, kiedy ilość energii wypromieniowanej przez ciało w danym czasie równa się ilość energii promieniowania pochłanianego przez to ciało w tym samym czasie. W takiej sytuacji temperatura ciała nie ulega zmianie, a promieniowanie nazywamy wówczas zrównoważonym.

Podstawowymi wielkościami, które charakteryzują ciała ze względu na promieniowanie temperaturowe są: zdolność emisyjna R_e i zdolność absorpcyjna R_a.

Zdolność emisyjna określa ilość energii wypromieniowanej przez jednostkę powierzchni ciała w ciągu jednostki czasu.

Zdolność absorpcyjna określa stosunek energii pochłoniętej przez ciało do energii padającej na nie.

Obydwie wielkości zależą od długości λ fali emitowanej lub pochłanianej oraz od temperatury bezwzględnej T ciała.

Wśród ciał o różnorodnych właściwościach termicznych szczególną rolę odgrywają ciała doskonale czarne. Wszelkie ciała doskonałe czarne mają mianowicie takie same właściwości termiczne. Dla ciała doskonale czarnego można ponadto na drodze teoretycznej określić ilość energii emitowane przez to ciało. Zgodnie z prawem Stefana - Boltzmanna, ta ilość energii jest wprost proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury bezwzględnej ciała. Jeśli temperatura ciała doskonale czarnego wynosi T, a temperatura bezwzględna otoczenia T_o, to ilość ciepła emitowana przez jednostkę powierzchni tego ciała w jednostce czasu ( zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego, zwana też emisją energetyczną promieniowania R, mierzona w J*m^-2*s^-1 lub W*m^-2) wynosi

R=σ (T⁴-T_o⁴),

Gdzie σ=5,7*10^-8 W*m^-2*K^-4 jest współczynnikiem zwanym stałą Stefana. Gdy T_o=0K, ostatnie równanie przyjmuje postać R=σ T⁴

Prawo Stefana Boltzmanna można stosować również do ciał niedoskonale czarnych. Wprowadza się wtedy współczynnik A, wskazujący w jakim stopniu ciała to różni się od ciała doskonale czarnego:

R= Aσ(T⁴-T₀⁴)

Dla ciała doskonale czarnego współczynnik A=1 a dla ciał rzeczywistych A< 1. Wartość A zależy od temperatury ciała, od stanu jego powierzchni i barwy.

Ciało doskonale białe nie pochłania energii promienistej dla takiego ciała A=0. Im bardziej powierzchnia ciała upodabnia się do powierzchni ciała doskonale czarnego, tym większą ilość energii pochłania i tym większą ma jego współczynnik A.

Prawo Wiena mówi nam że długość fali odpowiadająca maksimum promieniowania ciała doskonale czarnego jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury bezwzględnej tego ciała.

λ_m=b/T , gdzie b jest stałą Wiena, a więc im wyższa temperatura tym mniejsza jest długość λ_m.

6. Energia promieniowania słonecznego. Fotometria energetyczna i wizualna - podstawowe wielkości fotometryczne oraz ich jednostki

Energia promieniowania słonecznego jest podstawowym źródłem energii na Ziemi. Promieniowanie słoneczne wykorzystywane jest bezpośrednio do produkcji energii elektrycznej oraz cieplnej. Trzeba jednak pamiętać, że jest ono również wykorzystywane w procesie fotosyntezy przez rośliny, które następnie tworzą rezerwy biomasy. Energia paliw kopalnych, stanowiących obecnie główny surowiec energetyczny jest także energią pochodzącą od Słońca. Przed milionami lat została ona uwięziona w biomasie, a następnie uległa przekształceniu w procesach biochemicznych i fizykochemicznych w węgiel, ropę naftową i gaz ziemny. Także energia wiatru i fal morskich powstaje dzięki promieniowaniu słonecznemu.

Fotometria - dział optyki zajmujący się ilościowym opisem światła jako procesu przenoszenia energii. Wielkości fizyczne wprowadzane w tym celu, tzn. stanowiące język fotometrii, nazywa się wielkościami fotometrycznymi. Fotometria zajmuje się także metodą pomiarów wielkości fotometrycznych. Rozróżnia się fotometrię energetyczną (obiektywną) i fotometrię wizualną (świetlną, porównawczą). Fotometria energetyczna zajmuje się całym

zakresem widma fal elektromagnetycznych, a fotometria wizualna tylko jego częścią widzialną.

Zadaniem fotometrii energetycznej jest obiektywny, ilościowy opis światła jako proces przenoszenia energii, przy czym przez opis obiektywny należy tu rozumieć opis relacji energetycznych niezależny od właściwości odbiorników światła służących do pomiarów energii promieniowania. Zasadniczą wielkością fotometryczną fotometrii energetycznej jest strumień energii promieniowania(s.e.p.).Przez s.e.p. przepływający przez daną powierzchnię rozumiemy ilość energii promieniowania przepływającej przez tę powierzchnię w jednostce czasu. Jednostką miary s.e.p. jest Wat (W).

Natomiast fotometria wizualna traktuje światło jako proces przenoszenia energii nie z punktu widzenia obiektywnych relacji energetycznych, ale z punktu widzenia oka ludzkiego. Innymi słowy, dla fotometrii wizualnej, nie jest interesująca całkowita energia promieniowania, lecz tylko ta jej część, która odpowiada relacji oka. Fotometria wizualna zajmuje się więc tylko światłem widzialnym, badając ilościowo raczej subiektywnie wrażenia, jakie doznaje oko ludzkie pod wpływem światła.

Wielkością fotometryczną, zarówno w fotometrii energetycznej jak i wizualnej, jest natężenie oświetlenia (E_en i E_vis), które w fotome­trii wizualnej informuje o jasności oświetlonej powierzchni, natomiast w fotometrii energetycznej informuje o całkowitej energii promieniowania padającej na daną powierzchnię w ciągu jednej sekundy. Nie informuje o jasności tej powierzchni, gdyż padające promieniowanie może leżeć w podczerwieni lub w ultrafiolecie, a więc nie daje żadnych wizualnych efektów.

Jednostką miary energetycznego natężenia oświetlenia (E_en) jest wat na metr kwadratowy [E] = W/m², natomiast jednostką miary wizualnego, czyli świetlnego natężenia oświetlenia (E_vis) jest luks (Ix).

Lumen (lm) jest to strumień świetlny wysyłany w kącie bryłowym 1 sr (steradian) przez punktowe źródło światła o światłości (natężeniu źró­dła światła) 1 cd (kandela).

1 lm = 1 cd . 1 sr

Z kolei kandela jest jedną z siedmiu jednostek podstawowych układu SI. Kandela (cd) jest to światłość, jaką ma w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 540* 10¹² Hz i którego natężenie w tym kierunku jest równe 1/683 (W/sr) .

Luks (Ix) jest to natężenie oświetlenia wytworzone przez strumień świetlny jednego lumena (l lm), równomiernie rozłożony na powierzchni 1 m².

11x= 1lm/1m^2.

7.Fizyczne własności układu Słońce - Ziemia jako czynnik warunkujący temperaturę Ziemi.

Temperatura powietrza Słońca wynosi T=5800K, Widmo emisyjne tego promieniowania na materiał przy λ=500nm. Dla tej długości promieniowania E=hγ =2,48eV

Odległość Ziemia-Słońce Rzs=1,49*10¹¹m, promień Ziemi Rz=6,4*10⁶, 0,46*10^-9 całkowitej energii słonecznej pada na Ziemię

Promień Słońca Rs=6,96*10⁸m, T=5800K, Obliczamy strumień energii E=1399W/m², stała słoneczna zmierzona S=1370 W/m²

Tz=288K temperatura średnia Ziemi ok.15stC

Masa Ziemi M=6*10²⁴kg i jej promień umożliwiają utrzymanie atmosfery

(1-a)S=4δT⁴ - równanie energii. Energia otrzymana od Słońca powinna być równa energii, którą Ziemia wypromieniuje. Część promieniowania, zostaje odbita od Ziemi, albedo i dla Ziemi wynosi a=0,3. σ - stała Boltzmana σ=5,67*10^-8 W/m²K. Temperatura zmierzona z kosmosu wynosi T=255K, temperatura atmosfery, która ją otacza T=288K-temperatura Ziemi. Przyczyną takiego zjawiska jest obecność gazów cieplnych:H20,CO2, O3, N2O, CH4 np. szklarnie ogrodnicze. Szkło jest przepuszczalne dla ciepła słonecznego, a nieprzepuszczalne dla promieniowania podczerwonego. Wzrost gazów cieplarnianych powoduje wzrost temperatury powietrza.

Wraz z wysokością zmienia się w atmosferze temperatura, a powietrze ulega rozrzedzeniu.
Zróżnicowanie cech fizycznych atmosfery pozwala wyróżnić w niej 5 warstw. Są to:
Troposfera, warstwa przylegająca do powierzchni Ziemi, sięgająca od około 7 km nad biegunami do 17-18 km nad równikiem. Odznacza się ona spadkiem temperatury i wilgotności wraz z wysokością, co następuje wraz z oddalaniem się od głównych źródeł ciepła i wilgoci, jakimi są dla atmosfery powierzchnie lądowe i wodne Ziemi. Temperatura spada tu średnio o 0,6°C na każde 100 m i na górnej granicy troposfery nad obszarami międzyzwrotnikowymi wynosi około -70 - -80°C.

Stratosfera, sięgająca do około 50 - 55 km, w której w górnej części temperatura powietrza wzrasta do 0°C. Na wysokości 20-30 km występuje ozonosfera, warstwa o podwyższonej zawartości ozonu.
Mezosfera, w której ponownie następuje spadek temperatury do około -80 °C. Warstwa ta sięga do około 85 km wysokości. Termosfera, warstwa, w której następuje wzrost temperatury do wartości ponad 1000°C. W termosferze pod wpływem promieniowania ultrafioletowego dochodzi do silnej jonizacji gazów. Tę część atmosfery określa się często mianem jonosfery. Występują tu zorze polarne.

Egzosfera, rozciągającą się jeszcze powyżej 600 km. Następuje tu ucieczka gazów atmosferycznych w przestrzeń międzyplanetarną.

Źródłem ciepła na Ziemi jest promieniowanie słoneczne. Powierzchnia Ziemi pochłania je i ogrzewa się, by stać się wtórnym źródłem promieniowania. O temperaturze powietrza, szczególnie w dolnej części atmosfery, decyduje głównie wymiana ciepła z powierzchnią Ziemi. Średnia temperatura powietrza przy powierzchni Ziemi wynosi 15°C, ale rzeczywista wartość temperatury zmienia się wraz z szerokością geograficzną.

Do najważniejszych czynników warunkujących temperaturę powietrza na Ziemi należą:
szerokość geograficzna, wysokość nad poziomem morza, rozkład lądów i mórz, rodzaj podłoża i pokrycie terenu i inne. Wiatr, prądy wstępujące i zstępujące tworzą ogólne krążenie powietrza atmosferycznego nad powierzchnią Ziemi, nazywane cyrkulacją atmosfery. Jego przyczyną jest nierównomierny dopływ energii do powierzchni Ziemi, powodujący duże różnice temperatury między równikiem i biegunami. Te wywołują różnice ciśnienia atmosferycznego, uruchamiające przemieszczanie się powietrza.

8 Absorpcja światła UV przez biocząsteczki. Filtr ozonowy. Powstawanie i niszczenie ozonu.Absorpcja - w optyce proces całkowitego bądź częściowego pochłaniania energii fali elektromagnetycznych np. światła lub promieniowania przez ciało (ang. photo-absorption). W procesie absorpcji (także emisji) światło zachowuje się jak cząstka elementarna i może być pochłaniane tylko w porcjach zależnych od częstotliwości światła. Kwant energii fali przenoszony jest przez foton, który zderza się z cząstką elementarną (np. elektronem) lub jądrem atomowym. Cząstka pochłania zawsze całą energię fotonu i tylko wtedy, gdy pozwalają jej na to jej dopuszczalne stany kwantowe. W wyniku absorpcji światła przechodzącego przez substancje (np. gaz) z widma światła padającego zostają usunięte częstotliwości, które zostały pochłonięte. Na tej podstawie można stwierdzić, przez jakie substancje przechodziło światło. Zjawisko to służy do badania składu chemicznego mieszanin związków chemicznych, gazów otaczających gwiazdy, obłoków gazowych we wszechświecie, jest to spektroskopia absorpcyjna. Ilościową miarą wielkości absorpcji są transmitancja i absorbancja promieniowania. Wielkość absorpcji światła można obliczyć na podstawie prawa Lamberta-Beera.

Czasami nazywana transmitancją, z reguły wyrażana w %:

• I_o - natężenie światła padającego

• I - natężenie światła po przejściu przez absorbujący ośrodek

Transmitancja wskazuje, jaka część promieniowania padającego została przepuszczona przez roztwór.

Absorbancja oznaczana ABS lub ε lub A jest miarą absorpcji promieniowania i wyraża się wzorem

Ozon w atmosferze spełnia funkcję filtra pochłaniającego promieniowanie ultrafioletowe, które emitowane jest przez Słońce. Pochłanianie to polega na reakcji rozszczepienia cząsteczki ozonu na tlen i rodnik tlenowy, która jest odwróceniem reakcji syntezy ozonu. Przerzedzenie warstwy ozonowej nazywa się dziurą ozonową.

W stanie wolnym występuje w atmosferze, powstaje w górnych warstwach atmosfery pod wpływem promieniowania ultrafioletowego w wyniku rozpadu cząsteczek O₂ pod wpływem światła i dalszego łączenia się ich, wg równań:

λ=240nm, O₂+ hγ=O+O, O+O₂→O₃+M (M - cząsteczka, która powoduje, że reakcja jest nieodwracalna np. O₂)

Niszczenie ozonu: O₃+O₃→3O₂, O+O₃→ 2O₂, Ozon powstaje nad równikiem. Warstwa ozonu jest bardzo cienka - średnia warstwa ozonu ma ok. 5mm, nad biegunami ok. 4 mm. Ozon musi cały czas być. Stężenie O3 zależy od pory roku i pory dnia. Najwięcej O3 jest pod koniec Ziemi i wczesną wiosną. Co jest odpowiedzialne za niszczenie ozonu? Obecność w atmosferze rodników Clono niszczą ozon. Najgorszy rodnik Cl - cząstka bardzo reaktywna.

9. Równowaga energetyczna roślin. Bilans energii strumienia promieniowania padającego oraz emitowanego przez liść.

Przepływem wody w roślinie rządzą potencjały. Woda przepływa od potencjału większego do potencjału mniejszego.

Transpiracja - czynne parowanie wody z nadziemnych części roślin. Parowanie zachodzi tym szybciej, im większa jest różnica stężenia pary wodnej między powierzchnią parującą i powietrzem, tzn. im większy jest gradient prężności pary).

Współczynnik T - to ilość wyparowanej (wytranspirowanej) wody na powstanie suchej masy roślinnej. Im mniej roślina pobiera wody tym mniej wody transpiruje.

Intensywność transpiracji mierzymy w mili molach pary wodnej na m2 powierzchni liścia na sekundę

Poprzez transpirację następuje wyparowanie wody i roślina się ochładza.

Gdy w wodzie są rozpuszczone różne substancje zmniejsza się jej aktywność i zmniejsza się parowanie.

Czynniki zewnętrzne wpływające na transpiracje:

• temperaturę - od której zależy niedosyt wilgotności powietrza (im wyższa temp., tym niższa wilgotność względna atmosfery, czyli wyższa T. (transpiracja)

• ilość pary wodnej w powietrzu ,im więcej pary wodnej w powietrzu tym T. niższa
  im większy niedosyt tym wyższa T.

Stan równowagi dynamicznej - następuje gdy parowanie i przyjmowanie wody ( w postaci pary) przez roślinę w tej samej jednostce czasu wynosi tyle samo jednostek.

P_0­ - para

P przyjmowanie

Maksymalna aktywność = 1

Prawo Routa - woda która ma rozpuszczone substancje jej parowanie jest mniejsze

a=

Gdzie:

N - aktywność wody N<1

N_w- aktywność wody chemicznie czystej N_w = 1

P - ciśnienie pary

P₀ - ciśnienie pary nasyconej

Potencjał w liściach osiąga wartość Ψ=-0,3 do -3MPa

Dla sałaty wynosi -0,5MPa

Ogólny bilans energii w liściu

a(I_s +I_a+I_ch)+ar(I_s +I_a+I_ch)=a(1+r)I

I - promieniowanie całkowite

Promieniowanie podczerwone emitowane przez liść

I_ire= e_irБ(T_L)⁴

Różnica między promieniowaniem pobranym i wyemitowanym przez jednostkę liścia:

a(1+r)I+a_irБ[(T_o)⁴+(T_A)⁴]-2e_irБ(T_L)⁴=I_w

Temperatura liścia zależy od zachmurzenia.

Pozbycie się energii przez rośliny.

• Przewodnictwo cieplne
  IQ= 2k
  
  k - współczynnik przewodnictwa cieplnego
  ΔT - różnica temperatur
  ΔX - odległość na pewnym odcinku gdzie jest spadek temperatury
  ΔX=δ tzw.warstwa graniczna - warstwa powietrza nieruchoma wokół liścia.
  stąd: IQ=2k
  

10. Czynniki determinujące temperaturę liścia. Warstwa graniczna. Powstawanie rosy i szadzi.

Na temperaturę liścia wpływa:

-transpiracja

-temperatura otoczenia

-wilgotność

-nasłonecznienie

Na temperaturę liścia w roślinie wpływają również trzy grupy czynników energetycznych:

Energia która została dostarczona do liścia (energia pobrana przez liść), a w tym:

-absorpcja promieniowania słonecznego

-absorpcja promieniowania z otoczenia

Energia która została wykorzystana przez liść

-w postaci fotosyntezy i innych procesów metabolicznych

Energia która została wyemitowana z liścia (energia oddana), a w tym:

-wysłanie promieniowania podczerwonego

-przewodzenie energii cieplnej

-konwekcja energii cieplnej

-strata energii podczas parowania

Za emisję energii z liścia odpowiedzialne jest przewodnictwo cieplne.

W gorącym klimacie sprzężenie między temperaturą liścia i otoczenia utrzymuje Temperaturę na poziomie najlepszym dla fotosyntezy.

Warstwa graniczna

Wokół każdego liścia tworzy się warstwa graniczna, nieruchoma, utrzymująca się dzięki oddziaływaniu międzycząsteczkowemu. Warstwa graniczna zależy od wielkości liścia, oraz od prędkości wiatru ( im większy tym mniejsza warstwa graniczna)

Szadź (też: sadź) - osad lodu powstający przy zamarzaniu małych, przechłodzonych kropelek wody (mgły lub chmury) w momencie zetknięcia kropelki z powierzchnią przedmiotu lub już narosłej szadzi. Składa się ze zlepionych kryształków lodu narastając niekiedy do stosunkowo znacznych grubości, powodując łamanie się pod jej ciężarem gałęzi drzew.

Szadź jest często mylona ze szronem. Różnica polega na tym, że szron składa się z igiełek lodu, mogą być one rozgałęzione, ale nie tworzą zwartej bryły. Szadź zawiera kryształki lodu pozlepiane (igiełek nie ma lub jest ich niewiele).
Rosa - osad w postaci kropel wody powstających na powierzchni skał, roślin i innych przedmiotów w wyniku skraplania się pary wodnej zawartej w powietrzu. Powstaje w warunkach bezdeszczowej pogody, szczególnie gdy jest ona także bezwietrzna, gdy następuje intensywne wypromieniowanie ciepła z powierzchni ziemi (najczęściej jest to wieczorem). Jeżeli wówczas temperatura przedmiotów spadnie poniżej punktu rosy, to na tych przedmiotach będzie tworzyć się rosa, czyli dojdzie do kondensacji pary wodnej. Takie intensywne różnice temperatur pomiędzy powietrzem a powierzchnią przedmiotów występują przy bezchmurnej pogodzie, gdy przedmioty wypromieniowują do atmosfery ciepło w postaci promieniowania podczerwonego. Chmury odbijają to promieniowanie i nie dochodzi do oziębiania przedmiotów.
Miejscami, które najszybciej tracą temperaturę, są powierzchnie przedmiotów oddalonych od powierzchni ziemi, drobnych lub cienkich (o niewielkiej pojemności cieplnej) lub łatwo oddających ciepło (o dużym przewodnictwie cieplnym), natomiast w przypadku dużych obiektów najłatwiej ochładzają się powierzchnie dobrych izolatorów cieplnych. Stąd najpierw rosa pojawia się na roślinach, konstrukcjach metalowych, drutach energetycznych i telefonicznych, ogrodzeniach, poręczach itp. oraz na drewnianych domach, a dopiero później na budynkach murowanych i na odkrytym podłożu (drogi, grunty).
Rosa występuje też, gdy zimne przedmioty zostaną przyniesione do cieplejszych pomieszczeń, lub gdy ciepłe i wilgotne powietrze przepływa w stronę zimniejszych przedmiotów (np. w izolacjach cieplnych ścian), powodując ich zawilgocenie.
Rosa nie występuje na powierzchni przedmiotów wchłaniających wodę, a na przedmiotach o bardzo małym napięciu powierzchniowym nie obserwujemy kropelek, lecz jednorodną warstwę wody.

Resublimacja - przejście wody ze stanu pary w stan stały (lodu); w czasie tego procesu wydziela się ciepło

Sublimacja - Przejście lodu w parę; ciepło jest pobierane w czasie tego procesu

11. Bilans energii promieniowania padającego na glebę:

Bilans energii promieniowania padającego na glebę: a_G (1 +r_G )(I_S+ I _A + I _ch ) + a_irG σ(T_o⁴ + T_A⁴) - e_irG σ(T_G )⁴= Jw ; a_G - współczynnik absorpcji dla gleby, I_S - strumień energii płynącej ze słońca, I _ch - strumienia chmury, I_A - strumień energii rozproszonej w górnych warstwach atmosfery, r_G - współczynnik odbicia, e_irG- wspołczynnik emisji promieniowania podczerwonego, T_G- temperatura gleby, T_O- temperatura otoczenia, Jw - stumień energii zgromadzony przez zewnętrzną warstwę gleby. Ten strumień zostaje przenoszony w głąb atmosfery wraz z wodą.

12. Czynniki powodujące ruch wody w glebie. Potencjał wody w glebie. Inne mechanizmy m igracji wody w glebie. Prawo Darcy'ego.

Czynniki powodujące ruch wody w glebie: ruch wody w glebie uzależniony jest od różnorodnych czynników. W szczególności zależy on od rodzaju i struktury gleby, od stanu wody glebowej, od występujących gradientów ciśnień, temperatur, od stopnia nasycenia gleby wodą i od jej lepkości. Przemieszczanie się wody w glebie może odbywać się w wyniku przepływu pod wpływem gradientów ciśnień hydrostatycznych, pod wpływem gradientów elektrochemicznych (a więc w rezultacie dyfuzji) i w efekcie parowania w jednym miejscu wewnątrz gleby, a skraplania się w innym miejscu.

Inne mechanizmy migracji wody: Z praktyki wiadomo, że przez kapilary glebowe (w przypadku gleb wilgotnych) woda wydostaje się z głębszych warstw na powierzchnię. Zmniejszając promienie kapilar w warstwie powierzchniowej gleby przez jej ubijanie, można wzmocnić przepływ wody do warstwy powierzchniowej tzn. w rejon parowania, i tym samym przyspieszyć wysychanie. Odwrotnie, przez spulchnianie gleby (pod wpływem np. bronowania) przerywa się układ kapilar glebowych i tym samym następuje wstrzyma­nie dopływu wody. Efekty kapilarne mogą być nie tylko od­powiedzialne, za ruch wody w glebie, lecz mogą również doprowadzić do jej unieruchomienia. W pewnych sytuacjach mogą powstać izolowane skupiska wody (tzw. woda stykowa lub pendularna) w punktach styku cząstek gleby. Wokół punktu zetknięcia dwóch cząstek kulistych tworzy się utwór wodny przypominający kształtem soczewkę dwuwklęsłą. Ciśnienia pod zakrzywionymi powierzchniami sprzyjają utrzymywaniu pierścienia wodnego w pobliżu punktu styku cząstek.

Prawo Darcy'ego wykazuje, że strumień przepływu wody przez glebę jest wprost proporcjonalny do gradientu ciśnienia wywołującego przepływ. J=K* Δph/l, gdzie J - stosunek objętości przepływającej wody do powierzchni przekroju poprzecznego i do czasu, Δp_h/l - gradient ciśnienia hydrostatycznego, Δp_h- ciśnienie hydrostatyczne równe iloczynowi wysokości słupa cieczy i jej ciężaru właściwego, K - współczynnik proporcjonalności zwany współczynnikiem przewodności wodnej. Współczynnik ten jest uzależniony od rodzaju gleby, a w szczególności od jej struktury i w każdym przypadku musi być wyznaczany doświadczalnie. Prawo Darcy'ego jest słuszne dla gleb, w których woda może przepływać laminarnie przez glebowe kanaliki kapilarne. Prawo to przestaje być słuszne dla gleb składających się z dużych elementów, co prowadzi do wniosku, że przepływ przez takie gleby nie jest laminarny i że pory mają znaczne przekroje, nie można ich traktować jako naczynia kapilarne.

13. Właściwości cieplne gleby. Przewodnictwo temperaturowe.

Właściwości cieplne gleby - Jeżeli woda w glebie się porusza to zmieniają się właściwości gleby: pojemność cieplna gleby, przewodnictwo cieplne. Konsekwencją dużej pojemności cieplnej gleby jest magazynowanie energii cieplnej przez glebę. To magazynowanie energii cieplnej to jest magazynowanie w głąb gleby w dzień. W nocy jest odwrotnie ciepło przepływa ze środka warstwy na zewnątrz.

Przewodnictwo temperaturowe- w przypadku gleby mówi się o przewodnictwie temperaturowym, zależy od :ciepła właściwego gleby, gęstości gleby, od tego czy gleba jest sucha czy mokra. λ=X/g*c

14. Gradient potencjału dla przepływu wody w roślinie. Potencjał wody w układzie gleba-roślina-atmosfera. Dobowe zmiany potencjału wody

Gradient potencjału dla przepływu wody w roślinie- przepływ odbywa się od wyższego potencjału do niższego. Џ=RTl_na_W+PV+mgh Aktywność wody zależy od tego co w tej wodzie jest rozpuszczone. Dla wody chemiczne czystej a_W=1, dlatego substancje rozpuszczalne zmniejszają aktywność wody. Mniej cząstek przechodzi w stan pary- mniej cząstek wyparowuje, Stan równowagi - gdy para jest nasycona. Jeżeli potencjał wody w liściu równoważy się z parą wokół liścia to przepływy wody powinny ustać. Wartość potencjału zależy od: temperatury otoczenia, wilgotności. W liściach roślin potencjał wody zawiera się średnio -0,3MPa do -3MPa

Potencjał wody w układzie gleba-roślina-atmosfera: W układzie gleba-roślina-atmosfera woda przemieszcza się zgodnie z ujemnym gradientem swego potencjału chemicznego, jest on zdetermino­wany przez ciśnienie hydrostatyczne zakrzywionych powierzchni granicznych.

Dobowe zmiany potencjału wody-Potencjał wody w układzie gleba-roślina-atmosfera podlega cyklicznym zmianom dobowym. W nocy, gdy aparaty szparkowe są zamknięte, potencjał wody w glebie, korzeniach i liściach jest równy zeru. Rano szparki liścia otwierają się, transpiracja usuwa wodę z liści, których potencjał ΨL obniża się. Trochę później obniża się również potencjał korzeni Ψk, ale tylko do wartości -0,3 MPa, dlatego że jest dużo wody znajduje się w glebie. Powsta­jące w ciągu dnia zmiany zawartości wody w roślinie kompensowane są nocą. Dobowe zmiany potencjału wody stanowią konsekwencję zmian strumienia pro­mieniowania słonecznego. Jego wzrost sprawia, że zwiększa się transpiracja, a wraz z nią zwiększa się także przepływ wody. Transpiracja obniża temperaturę liścia. Tak więc liście roślin słabo transpirujących mają zbyt wysoką temperaturę. Ale tempera­tura liścia podwyższa się także, gdy wilgotność gleby maleje. Temperatura liści roślin rosnących na glebach suchych jest wyższa średnio o 3 K. W roślinach przegrzanych, gdy temperatura liści przekracza wartość 313 K, następuje degradacja chlorofilu, co blokuje fotosyntezę. Z reguły rośliny ujawniają chorobę przez podwyższenie tempe­ratury swoich liści.

15. Fotosynteza

Fotosynteza to proces, w którym rośliny zielone, a także niektóre bakterie są w stanie przekształcić energię słoneczną w energię chemiczną.

Fotosynteza oksygeniczna - to proces syntezy prostych związków organicznych (węglowodanów), z CO₂ i najczęściej wody, z równoczesnym wydzieleniem tlenu cząsteczkowego. Fotosynteza jest procesem anabolicznym, czyli z prostych substancji pobranych z otoczenia pod wpływem energii syntetyzowane są złożone związki organiczne.

Proces fotosyntezy można zapisać równaniem:

Gdzie (CH₂O) oznacza związek organiczny na poziomie cukru.

Produktami fotosyntezy są najczęściej cukry proste, ulegające kondensacji do wielocukrów(skrobia asymilacyjna), bądź tworzy związki organiczne takie jak kwasy tłuszczowe, aminokwasy, białka i inne.

Barwniki uczestniczące w fotosyntezie:

- chlorofil a

- chlorofil b

- karetonoidy

- ksantofile

Każdy barwnik absorbuje światło o innej długości fali. Oprócz barwników w procesie fotosyntezy uczestniczy kilkaset różnych związków chemicznych.

W formie sumarycznej proces fotosyntezy można zapisać jako:

Na proces fotosyntezy składają się 2 etapy:

- faza świetlna zależna od światła

- faza ciemna niezależna od światła

Chloroplasty występują w komórkach mezofilu liścia, korze pierwotnej łodygi roślin zielonych i nielicznie w innych tkankach roślinnych.

W stromie chloroplastu znajdują się niewielkie ilości DNA oraz tylakoidy

Foto układ:

- antena fotosyntetyczna (chlorofil a i b, karoten, ksantofil)

- centrum reakcji fotochemicznej.

D- donor, A- akceptor, *- cząsteczka wzbudzona

ATP - adenozylotrifosforan - pełni funkcję akumulatora i przenośnika energii.

NADPH - dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy.

680(PsII) i 700(PsI) to maksima absorpcji

ATP powstaje z udziałem kompleksu syntezy ATP

Fosforylacja - przepływ elektronów od Ps II do Ps I przez kompleks cytochrom b₆f, prowadzący do transportu elektronów od cząsteczki H₂O do NADP⁺(z wydzieleniem tlenu) i równoczesnej równowagi gradientów protonów, koniecznego warunku utworzenia ATP.

Faza ciemna fotosyntezy - cykl Calvina zachodzi w stromnie. Faza ciemna polega na cyklicznym procesie asymilacji CO₂ z udziałem ATP i NADPH, które zostały wytworzone w reakcjach świetlnych fotosyntezy. Jest to proces cykliczny odkryty przez Calvina. W cyklu Calvina wyróżnia się trzy fazy:

- karboksylację - wbudowanie CO₂

- redukcję - wykorzystanie ATP i NADPH

- regenerację - odtworzenie akceptora CO₂

Czynniki ograniczające fotosyntezę:

Wewnętrzne: struktura liścia, układ chloroplastów i zawartość chlorofilu, nagromadzenie w chloroplaście produktów fotosyntezy, wpływ enzymów, wiek komórki

Zewnętrzne: rodzaj światła, natężenie światła docierające do liścia lub glonu, temperatura otoczenia, stężenie CO₂ i O₂ w najbliższym otoczeniu, dostępność wody i składników pokarmowych.

Punkt kompensacyjny procesu fotosyntezy brutto jest równoważny przez oddychanie i zależy on od temperatury.

PROCES FOTOSYNTEZY. 1. odłączenie wodoru od jego donora. W roślinach zielnych następuje w tej części procesu wydzielenie tlenu cząsteczkowego. 2 przeprowadzenie na koszt energii świetlnej wodoru ze stanu odpowiadającego bardziej. 3. synteza węglowodanów z CO2 i H2 dostarczonego z poprzednich części procesu. Pr. ten zachodzi bez obecności światła ale przy wykorzystaniu energii chem. Powstałej na jego koszt.

16. ZASTOSOWANIE IZOTOPÓW PROMIENIOTWÓRCZYCH W BADANIACH NAUKOWYCH

Izotopy promieniotwórcze, radioizotopy - pierwiastki lub odmiany pierwiastków (izotopy), których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. W wyniku tej przemiany powstają inne atomy, cząstki elementarne, a także uwalniana jest energia w postaci promieniowania gamma i energii kinetycznej produktów przemiany.

Izotopy promieniotwórcze charakteryzuje czas połowicznego rozpadu, tj. średni czas, po którym połowa jąder danego pierwiastka (izotopu) ulegnie przemianie. Czas połowicznego rozpadu nie zależy od otoczenia chemicznego atomu izotopu

Niektóre izotopy (np. ¹⁴C) są tworzone podczas zderzeń wysokoenergetycznych cząstek pochodzących z kosmosu (promieniowania kosmicznego) z cząsteczkamii atmosfery ziemskiej.

Wskaźniki izotopowe - pierwiastki, które emitują promieniowanie kiedy w cząstce nie ma równowagi między elektronami a neutronami.

Zastosowanie.
Rolnictwo

• Napromieniowanie artykułów żywnościowych w celu wydłużenia ich trwałości.

• Tworzenie mutantów za pośrednictwem promieniowania w celu wytworzenia nowych odmian roślin uprawnych.

• Do ustalenia za pomocą atomów znaczonych warunków najlepszego wykorzystania składników odżywczych i nawozów przez rośliny.

• Do zwalczania szkodników.

Odmiany roślin uszlachetnione metodą promieniotwórczą: pszenica, ryż, jęczmień, owies, rośliny strączkowe.

Cechy jakie zmodyfikowano.

• Zwiększono odporność na wylęganie.

• Zwiększono odporność na choroby

• Większy plon

• Rośliny szybciej wschodzą.

• Wysokość roślin

• Poprawa jakości

• Zwiększono odporność na niską temperaturę

• Zwiększono ilość białka, skrobi, cukru

• Piękne kolory w kwiatach

• Raduryzacja - zmniejszenie ilości drobnoustrojów poprzez hamowanie rozmnażania i przyspieszania obumierania żywych komórek.

• Zalety:

• Duża prostota i skuteczność

• Technologia i czas zabiegu dość krótki

• Niezależny od temperatury

• Szkodniki nie tworzą diaspor

• Wady:

• Wysoki koszt budowy radiatora

• Śmiertelność szkodników nie jest natychmiastowa

• Żywność po zabiegu może ponownie ulec zarażeniu

Pytania na egzamin gr2

1. Czynniki fizyczne kształtujące zewnętrzne środowisko roślin.Jednośtk i z nimi związane (czy coś taiego)

2. Powstanie i niszczenie ozonu

3.Czynniki hamujące fotosynteze

4. Przewodnicwo cieplne i temperaturowe gleby

5 Promieniowanie temperaturowe Słońca. Prawo Boltzmana i

---