The Living Earth Notes.docx

58 Pages
Unlock Document

Boston College
Earth & Environmental Sciences
EESC 1180
Michael Barnett

The Living Earth Book: Physics and Technology for Future Presidents Class 1: January 14 Science is fun! • Twinkies turn gray after 24 years • Donut stays the same for 2 years • The Smoking Fry o Different menu options­ fries stay the same 5 years later Politics of Science • Airport Security Air Quality­ Air quality sensors in Boston, Waltham­ what pollutants are in the air? Touchfoils­ Mayor’s office in Boston, bookstore, grocery store, etc. Ecologial Footprint of Agriculture: Designing research on • Types of lights • Nutrients • Crops, etc…  • Cost effectiveness • Finance….  • Ecological impacts • CO2, etc… emissions “Science” is curiosity, is a way of “knowing”, finding patterns • Science—systematic inquiry into natural phenomenon; • Goals of a Scientific Inquiry o Describing o Predicting o Understanding/Explaining o Applying Curiosity! Curiosity! Current Paradigm Scientific Community Critique Observations (experiences data, phenomena, systems and events in the world) Patterns in observations (generalizations, laws, graphs, tables, formulas) Models (hypotheses, models, theories) What was the impact of Hurricane Katrina? • What made it tough? Storm surge! BIG hurricane Category 1 storm: Hurricane Sandy­ why it was so destructive­ because of storm surge  (25­30 ft.) Ocean levels 20 ft. above normal Tree cover in Mississippi during Katrina: Green: tree Gray: something urban *a lot fewer trees! After the fact What happened to all of the trees? Some still there • Salt water o Native trees made it (used to salt water), imported trees died o Wasn’t wind or damage but was salt water o Salt water takes water away from roots and tree cant get enough water o Native species trees stayed o Maples and oaks that weren’t native to area  o Boston 40% maples are not native What is the value of green space? Green Buildings Fukuoka Building, Japan • Each floor just trees Chicago housing developments • One side of complex Dreary (no green space), one side with trees • Good urban planning can be beneficial and cities don’t always consider • Women: if you were on the green side of the building, you weren’t as mentally  tired and in better health & there was less violence  • Green space matters a lot! • Hospitals: you get better if you can see a tree out the window 2 days faster Baltimore Schools • People on the green side can focus better and get longer attention spans • Baltimore has a lot of pavement around schools • 40% of Baltimore schools have no schools around them How about income and biodiversity? • Impact of climate change around fisheries and coral reefs • Coral reefs: as carbon dioxide builds up in the atmosphere, we are increasing  acidity in the ocean, high acidity dissolves calcium • Study in US: how has ecology shifted? o Now focus on studying cities­ largest footprint on the planet as far as  ecological cost and income levels.  o Biodiversity (amount of life in an area)  As income levels go up, biodiversity goes up. • House with big yard around­ more space  In a city, not as much. *Public policy decision People who live in high biodiversity, have better health Correlates more than income levels! Social Connectedness? 1995 heat wave in Chicago: • 106 degrees for several days in a row, high humidity • became a state of emergency o 23 hospitals had to stop accepting patients o 739 deaths directly attributable to the heat • wasn’t about heat as it was about something else • Men were twice as likely to die as women, African Americans and Latios as well  (2­3x likely!) o Experts assumed that female victims and the poor would outnumber male  victims in the heat wave deaths o Women more likely to be elderly and live alone o Not afford air conditioning • Determining condition! • If you had a park nearby and if you knew your neighbors • A social Autopsy of Disaster in Chicago: Heat Wave – Eric Klinenberg o 1999 – similar heat – city sent people to check on groups…  110 people  died – far below typical during heat waves o only 6 people died in green space Climate • If all the ice melted… • 216 foot sea level, average global temperature 80 degrees Light color: current borders CO2 levels and temperature 2 stories: temperature follows CO2, or CO2 follows temperature • From patterns, scientists develop theories and models that explain the patterns  seen in the experiences (observations).  • Explanations answer the “how” and “why” questions of science; they account for  many patterns that are seen in a greater number of observations. • Scientific explanations are supported by a large evidence base and explain a  diversity of phenomena.   • Temperature drives CO2 Article Arctic Sea Ice • Polar ice cap over 20 years • Getting smaller and smaller each year • White area: older ice­ been around longer, thicker, so takes longer to melt • Gets small • Cold snap­ directly correlated • What drives weather is temperature differences o Hot at equator, cold at poles o Air likes to go hot to cold  Refrigerator­ cold air sinks down, warm air goes in o Ice is a good reflector, when it goes away, left with water­ water absorbs  hear  Ex. Wear ski goggles o Big temperature deviations in warmth at north pole because ice is going  away o Recently hit arctic ice minimums­ changes temperature gradient for whole  planet because warmer at north pole o Equator hasn’t changed much o Melting Arctic Ocean ice ­> darker surface ­> more solar radiation  absorbed ­> excess heat released especially in Autumn  o This decreases the temperature gradient and pressure gradient across the  jet stream boundary of the Polar Cell between the Arctic and middle  latitudes o With all of ice up there­ wind patterns start up – whirling around, polar  vortex  It is trapped up there because its cold  End up creating a low pressure center circulating  As it starts to warm up, the north pole, the wind pattern shifts  The jet stream drives our temperature,  o This diminished north/south pressure gradient is linked to a weakening of  the winds associated with the polar vortex (Polar cell) and polar jet stream.  o This weakened polar jet stream has larger loops in it, and it is the loops  especially which cause large storms. o The loops also are longer­lived, and as the southern ends can extend  further south now, they make for more frequent slow­moving intense  winter storms, and at the same time, longer and more extreme heat waves,  depending on where you are in these meandering loops o The larger “loops” in the polar jet stream also mean that storms move  slower, delivering more energy to any given location. Wind patterns shift as North pole warms up Negative Arctic Oscillation conditions are associated with higher pressure in the Arctic  and a weakened polar vortex (yellow arrows). A weakened jet stream (black arrows) is  characterized by larger­amplitude meanders in its trajectory and a reduction in the wave  speed of those meanders.  As temperature difference decreases, jet stream meanders. North of black line, cold, south= warm Recently, Polar Vortex became lopsided and diffused The Polar Jet Stream and Weather Dr. Jennifer Francis Beijing Air Quality Hazardous* 1400 in Beijing Olympic runners were concerned in China Past outbreak beat 755 EPA Air Quality Index Good: 0­50 Moderate: 51­100 Unhealthy for Sensitive Groups: 101­150 Unhealthy: 151­200 Very Unhealthy: 201­300 Hazardous: 301­500 The readings in Beijing topped out at 755. What does that do for your lungs? 8 Volunteers • 20 hours • Air filter through a breathing simulator • low 40 micrograms per cubic meter of particulate matter is safe • 3 times as much! • 122 micrograms per cubic meter. A ton of particulate matter!! o Increase risk of cardiovascular disease significantly o If you live in China, you will live 5 years less  Matters on neighborhood and quality of air US air quality overall good Who breathes in the most? Taxi drivers *Most polluted all in developing countries Cuyahoga River… Pittsburgh, 1969 • 3 rivers that come together, this event sparked the Clean Water Act • river caught on fire, not a lot of regulation in massive steel town • • Coal production and consumption have tripled since 2000 • steel output is expected to have reached around 720 million tons (793.66 million  tons) in 2012 o over five times the 2000 rate. Country size relative to population Fruit Imports: Class 2: January 16 Growth of Walmart & Sam’s Club, • Started in AK and grew slow • At peak 133 stores a year • 35% of retail market in US­ they are everywhere! • 4393 stores 2008  ▯will use for air quality labs Dot Map of 2010 census • see where people live • Mineappolis • City sprawl, impact urban sprawl • Most “Sprawliest” in SouthEast • least in SouthWest Map of UC Berkeley­ mapped by zip codes of carbon emissions • pattern: major cities have ring around it of high levels of CO2­ from traffic • cities produce much less pollution/ carbon dioxide emission as opposed to  surroundings • ex. Atlanta­ core, highest population density,   o breaks down on where theyre using fuels • ex. Boston­ wealthiest and least wealthiest o as income levels go up, the amount of CO2 emissions go up o inversely proportionate to population­ wealthier cities have less  population­ have to travel more driving, generally no public transportation Worldmapper­ take geographic area of company and changes with variable you’re  exploring • country size relative to population, also imports  o ex. Germany imports lots of fruit, China imports little • a lot of people­ country enlarges • China, enlarges; India, enlarges; US stays relatively same 40% of U.S. public couldn’t find US on a map • 70% couldn’t find France • ways of visualizing data in ways that make sense • 7,114,000 world population • over time, every time you see a blink • every time it changes color, emitted 1000 tons of carbon dioxide, a gas • also when people are born and when they die o US  dies every 12 sec. born every 7.4 seconds  population in US should be decreasing but is going up due to  immigration o India  Person dies every 3.6 seconds, person born every 1.3 seconds  More than enough to hasten population growth  * China is similar o European countries are similar to US Scientific Literacy: Role of Popular Media All great visuals that science produces­ many of them get twisted in media ex. Code in movies Visual power • One of the major aspects of scientific literacy was the ability to understand and  critique reports and discussions of science that appear in the popular media  (DeBoer, 2000).  • An increasing proliferation of images and symbols via hi­tech­driven media  entertainment that is deliberately designed to meet the public imagination about  science • the blurring of fact and fiction by visual media has corroded the public’s critical  thinking skills and has hindered the development of a scientific literate citizenry  (NSF, 2000) Movies get people excited about science, ex. StarTrek, Gravity But it can also alter views Movie, Twister, science is awful Fictional depictions of science in film and television encompass more than just  entertainment  • focus on the production presentation of a plausible and realistic image of science  (Kirby, 2003) The Core­ analyzing can tell who sees movie­ can reverse 2 weeks of lessons Watch film: 10.5 Apocalypse, Jurassic Park  ▯fault lines Earthquakes­ 2 big plates hit and collide, well done in movie • MidWest was under water at some point, no icecaps = more water on planet • Found fossils Research on the production of modern science fiction visual media • film makers strive to ensure that their depictions of scientific phenomena have a  basis in reality • If it is not based in reality the audience tunes out – too fantastical • It is film’s ability to create plausible scientific phenomena that captures the  imagination  • to achieve plausibility many film makers design images, even unreal images, to  correspond to ‘cues’ with which viewers have seen. Fault moving • go in straight lines, get really big • plate tectonics, move at length of fingernails growth per year, ~2 in. per year The Core • talking about Earth’s magnetic field • everything in clip is really good as far as description goes until microwave part­  sun does throw particles at us, solar flares, astronauts must be careful, magnetic  field accelerates • microwaves­ almost none­ sun is yellow because it gives off all energy in  spectrum o microwaves have low energy­ they excite water molecules/ vapor to dry  things out ex. Microwave will blow up and then get very hard o why coffee gets hot and mug doesn’t • People think sun is bad and gives microwave­ everything wrong with science o If you can fit in a microwave, you would not get sunburned o Ultraviolet rays burn your skin o Same material as glass­ cant get sunburned through glass­ glass absorbs o Low energy compared to ultraviolet beam­ lot of energy to heat up water o Tin foil in microwave­  Inconvenient Truth Movie Creating Realism: In Jurassic Park the viewer sees unreal animals (i.e., dinosaurs) that match the  movement, appearance, and sounds of animals with which audience members have  interacted. • “realism” of such images audience members tend to perceive these images as  realistic even though they are not actually real (Frank, 2003).  • Then these “unreal” images have plausibility and explanatory power which can  influence their ideas and understandings of scientific phenomena (Dubeck,  Moshier, & Boss, 2004). Creating Credibility: • Heroes in many movies have scientific expertise • Often explain ideas correctly that the audience probably understands o Lays foundation for future “non”science • “non”science explanations have predictive power In Review: Movies influence one’s ideas by: • Creating Plausibility o Grounded in accurate science • Creating Realistic­like images o Interact with or look correct  • Creating Believability o Explanations that have predictive power The Day After Tomorrow • Rapid climate change? o Possible? o Based in reality? o Real or “Reel” science? • Is this true? Or even possible? o Nuts, no­way, bad science o Sort of true o Mostly true (oh, say about 80% true) o 100% right, no doubt about it Global Warming: February 18th A Nor’easter What “Nemo” looked like from space Hurricane Sandy­ 800+ miles in diameter, looks like a “comma”, characteristics of  hurricane and Nor’easter Top 7 snow storms for Boston: Biggest snow storms have happened mostly in last decade 2003: biggest storm around 28­29 in. HUGE 1978: 2 blizzards in a row 27 in 2005: 22.5 2013: 24.9 in. massive snow storms!! All recent in past 30 years Climate Change predicts more heavy precipitation events Includes snowfall, rainfall= all winter events Goes through a cycle like everything else Weather is a pattern Trend has been a bit upwards Steady through 70s­80s but BIG jump recently Every precipitation event produced a lot of precip Typical Nor’easter _____ 3 Jet Stream…moves the storm _____ The Perfect storm­ category 3 pressure storm Problem is that jet stream is messed up (high level winds) energy and motion are basically the same thing­ if you move really fast you have energy Storms can pick up energy in jet stream­ energy means precipitation How a Nor’easter forms: ____ 2 competing currents: jet stream pulls up until England from the North there is another cooler water current from ice melting, current flow down­ cold water denser than warm water  if something is more dense and hits something less dense= mass issue warm water comes up the coast, cold water comes down where they hit is a perfect spot for storms to strengthen gain energy from a temperature difference cold fronts= synonymous  climate change comes in Warm water…means energy source blue= cold red= warm darker red= hotter in last 9­10 yrs, blue current has been getting further south ice melts, 34­35 degrees, denser= comes down further south to intersect redder water to  bend jet stream which makes it weaker problems: for the last few years, more turtles have to be saved (cold shocked) in  hibernation mode,  Winter Nor’easter Formation impacts where nor’easters will initially strengthen 1. storms miss us and heads out to sea 2. gets stronger and gets entire east coast infinitely cold area= massive amounts of snow and ice 60% of US now has snow on the ground heading out to sea a bit but more snow on East Coast ideal snow storm:   low pressure center moving across country (Appalachians)  storms don’t like mountains­ moisture gets squeezed out of storm Appalachians not as tall as Rockies­ hitting temp. difference feeds storms, they develop  and become a great big storm.  Characteristics of a bomb cycle Bomb cyclones breed ferocious storms Jet stream can be predicted Right picture is storm Typical Damage caused Great damage with huge level winds Beach erosion at high tide *Billions of dollars for massive storms **Damage will get significantly worse in the next 20­30 years Storms like Nemo will start happening every 5­10 years Nor’easters and hurricanes are not the same Hurricane is a warm­core Nor’easters is a cold­core (winter time) cold air Driven by temperature differences Hurricane driven by evaporation­ water releases energy Mostly summer Hard to predict Nor’easter driven by temperature difference Mostly winter Can predict up to 3 days in advance As polar ice caps finish melting, likelihood of bad nor’easters is low? Tricky to determine Comparing hurricane to nor’easter Climate change­ we don’t know what it is really going to do **Sandy is an exception to everything Class 3: January 21 Airport Security • The smog has become so thick in Beijing that the city's natural light­starved  masses have begun flocking to huge digital commercial television screens across  the city to observe virtual sunrises. • The futuristic screens installed in the Chinese capital usually advertise tourist  destinations, Travelling through the airport: How do the Scanners work? Popcorn and cellphones: • 730 million people travel on passenger jets every year throughout the world • 700 million pieces of their baggage are screened for explosives and other  dangerous items In the United States • Hartsfield–Jackson (Atlanta) held its ranking as the world's busiest airport in 2012  and 2013 • ~88 million passengers (~250,000 passengers daily)  • 970,235 flights  • About 2500 flights/day • That is about 2 flights per minute Different Types of Detectors • PI detectors sends powerful, short bursts (pulses) of current through the coil of  wire (25 – 1000/s).  – Each pulse generates a brief magnetic field. • Use the fact that moving electric currents generate magnetic fields – Magnetic fields induce currents and hence a new magnetic field in a  metallic object • If it hits metal the receiver “sees” the magnetic field pulse induces a current in the  metal Electricity and Magnetism • The magnetic field generates a force on  the electrons in metal in your pocket  causing them to move • Generates a current – Generates a counter­magnetic field – Lenz’s law In 1819, Hans Christian Oersted – A compass needle near a wire through which he could make electric  current flow • Moving charge (electricity) generates a magnetic fields The Earth is a huge magnet • The nickel iron core of the earth gives the earth a magnetic field much like a bar  magnet. • Earth’s magnetic field is flipping • Magnetic north will soon be magnetic south • Not sure why this happens • Happens about every 250,000 years, last flip was 800,000 years ago  Look inside a magnet: • Magnetic substances like iron, cobalt, and nickel are composed of small areas  where the groups of atoms are aligned like the poles of a magnet.  • These regions are called domains.  • All of the domains of a magnetic substance tend to align themselves in the same  direction when placed in a magnetic field. These domains are typically composed  of billions of atoms. What is an electromagnet? • When an electric current is passed through a coil of wire wrapped around a metal  core, a very strong magnetic field is produced. This is called an electromagnet. • Magnetic Levitation (Maglev) Trains – Induced surface (“eddy”) currents produce field in opposite direction   3à Repels magnet     à Levitates train – Maglev trains today can travel up to 310 mph à Twice the speed of Amtrak’s fastest conventional train! Why aren’t there more Mag Levs • Not compatible with existing track….. • Tracks have to be wider than those of conventional trains – provide enough surface area for the repulsive force to support the train • Very expensive to build – High power magnets are needed… January 23, 2014 Chinese pollution reaches USA LA experiences at least one extra day of smog per year because of nitrogen oxides and  carbon monoxide emitted by Chinese factories making goods for export Winds blow westerly Due to all pollution being blown across the ocean It distributes up North (in cold) pushed out of atmosphere due to rain Black carbon is an exception­ dust particles filtered out of atmosphere­ can be distributed  widely Sut has evidence that cardiovascular disease can increase up to 33% Boston has no control over things in air China’s good exports to the USA resulted: ­ 7.4% increase in sulfur dioxide (what smog is called) ­ 5.7 nitrogen oxide­ precursor to ozone formation ­ 3.6 percent for black carbon ­ 4.6 percent for carbon monoxide­ can kill you in high level, replaces oxygen in  your blood *all due to exports for the US Generally for the US they found a positive health benefit because the East US has a much  higher population than the Western states despite the China pollution ­ Manufacturing area of lower costs, reduction *Article NYT­ Chinese Air pollution reaches the US Airport Security Metal detectors­ very good at detecting anything that has iron in it Body scanners ­ detect all other items, using millimeters as opposed to exray frequencies ­ millimeter energy is a small enough wavelength that it wont hurt skin but can go  through clothes ­ people worry about radiation buildup o big Uproar­ airports are removing them ­ different type of detector in use ­ Pilots are especially worries about it because they go through so often x­rays have limitations­ ie. If something is very dense­ like batteries are something very  dense­ you can hide something in something dense, swabs­ detect ions 3D printing­ preprint someone’s skull, weapons, food The advanced imaging tenchology (AIT) screens passengers for metallic and nonmetallic  threats including weapons, explosives, and other objects conceals under layers of clothing  without physical contace.  2 types of scanners: millimeter wave and backscatter Millimeter wave machines: use electromagnetic waves that bounce off the body to create  a black and white 3D image This has a privacy filter that blurs facial features.  2 types of millimeter wave scanners: ­ active type – direct millimeter wave energy at the subject and then interpret the  reflected energy, throws beams of radiation at you ­ passive type­ read only the raw energy that is naturally emitted from the human  body or objects concealed on the body. No energy is directed at the subject and is  as safe as a digital camera for both the screener and the subject, reading radiation  as if comes off of you­ slower has a coil inside that generates electromagnetic pulses to generate the millimeter  wavelengths. Penetrates your skin, and it gets a reflection back­ how much radiation is sent and how  much comes back. If it is an anomaly, you get flagged. Millimeter machines, how? ­ Send radio waves over a person and produce a 3D image by measuring the energy  reflected back ­ Human skin is all they want to show up and anything that is not human skin is  cause for alarm o People worried about privacy, the people looking at images in other room,  now blurs faces ­ Because the panels move around you, this scan can take up to 40 seconds (usually  less) and there is a zoom option o Software designed to blur your face ­ These are the ones that give you these images Backscatter: these machines use low level X­ray beans over the body to create a  reflection of the body These images resembles a chalky drawing with facial features blotted out in their  negative format ­ Passive ­ Detecting particles, not sending anything back at you ­ Lots of information available on these Where is the energy at on the spectrum? Blue indicates region of millimeter wave energy. Red indicates X­ray BackScatter. Xrays penetrate well Why the energy levels matter ­ As the energy gets higher in frequency and shorter in wavelength, the energy  eventually “changes” in the effect that it has on it’s targer. ­ This effect is called ionizing and it consists of subatomic particles or  electromagnetic waves energetic enough to detach electrons from atams or  molecules. X­rays scans, hits electron, electron either gets to a higher orbit or gets completely  knocked out Energetic photons can create tissue damage to skin Millimeter energy, a lot of energy, millimeter radiation Controversies: Safety and Privacy ­ Security advisors insist that the radiation exposure is equal to what passengers get  in a plane for two minutes at 30,000 feet than walking through detectors, sun  exposes radiation ­ Scientists fear the volume of radiation may be safe for the entire body but not  directed at a small area ­ Kids, elderly, frequent travelers, etc. Safety issue: Health Physics Society (HPS): A person undergoing a backscatter scan receives  approximately 0.005 millirems Mrem, a unite of absorbed radiation American Science and Engineering, Inc. puts it slightly higher in the area of .009 mrem.  Still really low Is it safe? ­ 1 mrem per year is a negligible dose of radiation ­ 25 mrem per year from a single source is the upper limit of safe radiation  exposure, in a single shock Using the HPS numbers, it would take ­ 200 backscatter scans in a year to reach a negligible dose ­ 1 mrem­ of radiation­ generally get less than 1 mrem a year ­ You receive 1 mrem from: o Three hours on an airplane o From two days in Denver or from three days in Atlanta o It would take 5,000 scans in a year to reach the upper limit of safety  This is the concern that pilots have  May need to go through a scanner several times/day for much of  the year o A typical traveler would have to get 100 backscatter scans per week, every  week, for a year, in order to reach the lower end of safety limits. Full­body scanners deliver a radiation dose equivalent to what a standard man receives  every 1.8 minutes on the ground, or every 12 seconds during an airplane flight. An individual would have to receive more than 22,500 scans in a year to reach the  standard maximum safe yearly dose New Ion detectors Explosive Detection Portals ­ Explosive materials often release gases/particles ­ Trace Particles o Ion Mobility Spectrometry o Mass Spectrometry o Chemiluminescence’s ­ Vapor detection ­ Cost $125,000 each, metal detectors very cheap o Can detect almost anything w potential for an explosive o ~10 years Cargo Screening Systems ­ large x­Ray units with wide openings and heavy palletized capacity (3000 kgs) ­ fixed vehicle/container x­ray systems ­ vehicle/container portal systems ­ mobile truck­mounted systems ­ explosive detection, fixed and mobile Technology & Equipment Handful of products: Rapiscan most used for baggage, large items in airports Same technology for buses, subways, starting to be used  ▯don’t want to slow train down,  detector is like a tunnel to detect particles and radiation of anything that could be  explosive Highways­ archways­ fast lane, there’s a sensor, you pass through radiation  ­ many false positives ­ high density things­ ion detectors are good Mostly x­ray machines but have built in radiation The Electromagnetic Spectrum ROYGBIV January 28, 2014 Energy, Work, and Forces  Energy cuts across all fields  Physics 2  E = mc  How stars shine  Electricity  Heat  Roller Coasters What is energy? Energy is the ability to do work (= force x the distance an object moves under the influence of the force) or, energy is anything that can be turned into heat. Heat is the energy due to the microscopic motion of individual molecules in an object,  measured by its temperature. Heat (energy) is measured in Calories, calories, joules, kilowatt­hours, watt­hrs ­ Anytime you have motion, you have energy, anytime you have energy you have  temperature, temperature means there’s heat Power  A.    Power is the rate of doing work    B.   POWER= WORK/ TIME  power is how fast you do work         P=W/T      P=FD/TIME                C.   JOULES/SECOND=watt (joule= energy/s)  D.   FT LB/ SECOND=horsepower (A)A horsepower is defined as a power rating of 550 ft­lb/s. 1 horsepower is equivalent to 746 watts Bat speed decreasing  (B) A watt is defined as a Newton­meter per second, or joule per second. A Newton: This is lifting a medium sized apple 1 meter (about 3.3 feet) why cars have been going to more plastics­ lighter/don’t need as much power Energy Units  Small units  Calorie, ft­lb, joule (J)  Moderate physical activity, small electrical appliances  Medium units  Kwh, kcal, Btu  Food, home heating/cooling  Large units  Quad, Mtoe (mega­tonne oil equivalent), Mbbl (millions of barrels)  National and world usage – nuclear bombs… Energy: Climate & Weather Energy cuts across every discipline­ weather, tornados, etc.  Climate/Weather  Hurricanes­ getting stronger but don’t have as much of them  If we could harvest all that energy, it generates enough  power to power half the planet­ that many watts!  Lightning  Global warming – redistribution of energy across the globe  Storms are the result of energy absorption and release  A category 1 hurricane with 90 mph winds produces  1.5 x 10 Watts.  This is equivalent to about half the world­wide electrical generating  capacity  Energy: Chemistry – Air quality Worse in summertime when its hotter and drives chemical reaction  Energy cuts across all fields  Chemistry  Activation energy­ with a lot of energy, reactions happen;  something hot­ things are more likely to happen­ things moving  around and run into each other  Atlanta in particular has bad air quality  2­3 degrees in temperature difference has huge impact on  ozone  Energy needed for a reaction to occur  Heat and temperature is important  Photochemical smog Energy: Food  Food  Average American 2700 Calories (recommended 2200)  Note the big C!  kilocalories  Really means 250,000 calories Ex. Coke experiments ­ 42 grams of sugar in a can of Coke­ 10.5 teaspoons  ­ kids in school­ almost that much sugar in milk to get kids to drink it ­ which has more energy? Cherry coke or diet coke? o You can starve to death with 0 calories of Diet Coke o Diet Coke floats, Cherry Coke sinks ­ Aluminum cans don’t rust ­ “C”alories must be multiplied by 1000 which calories are actually injested energy ­ calories are actual calories How much food will get you so many miles  Nutrition labels tell you about the energy content of food  Conversions:  Fat:       9 Cal/g Carbs:   4 Cal/g Protein: 4 Cal/g  This product has 72 Cal from fat, 48 Cal from carbohydrates, and 32 Cal from  protein  sum is 152 Calories: compare to label  152 Cal = 636 kJ:   enough to climb about 1000 meters (64 kg person)  1 Cal = 4.134 Jules Energy & Food  Average American 2700 calories (recommended 2000 ­ 2200)  7 acres to support one American  uneven! We consume more calories  1.5 acres to support one African  The world appears to have enough carrying capacity to support around 10  billion people  Current population  7,059,589,96  maple trees gradually shifting up to Canada­ maple syrup in trouble  croplands shrurk in some areas, grew in others  if we don’t do something with food supplies, will planet be able to get back up to  10­12 Mil. People? Chocolate­ bacteria in intestines Energy can be stored as potential energy  Batteries  Gasoline  Natural Gas  Food  Water Towers  A wound up alarm clock  Toyota Prius battery Gravitational Potential Energy ie. Roller coasters­ lost energy in lots of places Gravitational Potential Energy is the energy an object has because of its position relative  to the earth. Potential energy­ how high you are above the ground, lowest point in a system grav. PE = weight x (height above ground) ex. Glen Canyon Dam in Utah uses the potential energy of  the Colorado River water to   produce more than a 1200 MegaWatts or power. We can produce a ton of power with water! Dam it up, let it flow, a lot of mass falls, get a  lot of potential energy, and kinetic energy which turns turbines and you get power! Kinetic Energy A sliding box is moving, therefore we say it has motion energy or Kinetic Energy. Other examples of Kinetic Energy: Moving car Moving water Moving wheel In roller coaster, ball moves and spins (rotational energy) if ball spins, no friction Not losing energy when it spins Conservation of Energy  Energy is not destroyed.  Energy is transferred between objects. (Energy in my body is used to slide a box across the table.)  Energy is converted from one form to another. (Energy in the box is converted to heat as the table heats up from the sliding box.)  Why this matters?  Climate is warming up… Energy has to go somewhere…  Hurricanes, storms, etc….  Adding energy to the plant­ energy has to go somewhere Energy & Power Global human energy use could be supplied by covering approximately this area of a  tropical desert with solar cells converting 10% of sunlight to electricity. ­how do you distribute energy? Cant run high voltage areas everywhere Why is it that chocolate chip cookies have 8 times as much energy as the same weight of  TNT? Why do we use oil? Problem with energy production: batteries Have to store energy somewhere in a chemical form Solar energy­ convert to electricity­ where does that go? TNT: per gram ~0.6 calories out of TNT  per gram Choc chip cookies: 5 calories per gram, a lot more energy per mass than TNT ­ 8x more energetic than TNT gasoline­ 6 calories, 15 times more energetic­ why it powers cars Why Blow up something with TNT and not a cookie?  In both cases, the energy stored is the chemical energy stored in the atoms, as if  it’s stored in compressed atomic springs.  We can blow up a building better with TNT than with chocolate chip cookies   TNT can release its atomic springs much, much faster.   It generates heat, and the TNT immediately becomes a hot, high pressure  gas that expands and drives everything out of its way.   A gram of TNT typically releases its energy in a microsecond. A cookie is full of loose springs­ releases energy slowly over time TNT does it very very quickly Power= energy/ time so faster you release energy, you get more power The cookies have more energy, but the TNT releases much more power –       Power = rate of energy release: Joules/second Faster you do it, more power you get  I could feed all of you choc. chip cookies and give you sledgehammers, and  you could all eventually bring a building down –  But it would take time for the food to mix with the acid in your stomach and  enzymes in your intestines, and then the digested food would mix with oxygen  you breathe in and store in the red blood cells in your blood.   By contrast, TNT contains all the chemicals it needs to explode, so it goes off all  at once. Gasoline has 1.5 ­ 2 times more energy per gram than cookies, alcohol, or coal • That’s what makes it so valuable, particular for cars!! Gasoline: 10x more calories, even more than cookie! Uranium (nuclear fuel): 30 million times greater than TNT January 30, 2014 Why do lakes freeze top down? 40% ice covered Lake Michigan, up to 70% by next week The temperature at bottom of lake Michigan will always be 40 degrees Fehrenheit unless  it is completely frozen, why? Water is most dense at 4 degrees Celsius  Water freezes it expands when it gets colder (expands­ turns to ice)  Water heats up it expands when it gets warmer (turns to steam­ expands out)  At 4 degrees Celsius, 40 degrees Fahrenheit, water is most dense and sinks Water is the only liquid that does this! Lakes freeze from top down because when you get done to 0 degrees Celsius, water is  less dense and floats to the top, if lakes froze bottom up, fish would have tough time Ice further insulates the water Cork­ similar property, expands when you squeeze it Climate Change in 15 seconds Why does global warming exist because its so cold? NASA video­ temperature anomalies over past 50 years Blue: temperatures below planets historic average; yellow= above 80s/90s gets warmer but still has cold spots, might end up being less or more pronounced Have you seen memories form…  The team put fluorescent tags on messenger RNA (mRNA) molecules that code  for beta­actin, a protein believed to be crucial for the formation of memories  Track molecules in a mouse’s brain­ see them moving, when they part  themselves= memory formation  This process allows beta­actin protein to be synthesized at specific times and  places and in specific amounts  Done in mice… though similar in basic brain structure to humans Electric cars have gotten a lot of press…so why not use them? Batteries! Batteries are fast and reliable, good for starting car but don’t have the energy content of  gasoline to drive the r. Batteries: .03 calories Gasoline: 10 calories Gasoline stores so much energy Can release it very quickly Can let car run for 2 min. after its dead to charge up  Very quiet Battery stores the energy and can release over time, rechargeable  Gasoline has 340 times more energy per weight than battery. But a battery can be  more efficient: 85% vs 20% for a gasoline engine.  So factor of 340 è 80.  A gallon of gas weighs 6 lbs, so 16 gal ~ 100 lbs in a typical gas tank. At 20 mpg,  range is 320 miles. Say you’re only going to use the car to go short distances, and  are content with a   range of 60 miles.   Then the necessary battery weight would be  100 lbs x 80 x 60/320 = 1500 lbs ~ 8 people  batterys are heavy­ still cant make batteries light and more expensive  oil is relatively cheap How about costs? Electric Wins right?  Pb­acid battery costs $50 for 50 lbs   $1/lb ~ 10¢/kW­hr     If electricity costs 15¢/kW­hr    25¢/kW­hr including battery costs  If gasoline costs $3.50/gallon = 56¢/kW­hr   Batteries are cheaper per kW­hr as long as the price of oil stays high.  A good computer battery holds much more energy $100/lb è $4/kW­hr, 8 x cost of gasoline batteries can hold a lot of energy Electric cars can cut down on gasoline exhaust and need to deal with unfriendly foreign  governments but they make sense economically only if we are willing to  carry around a lot of weight and  not go very far.  Hence the concept behind the Chevy Volt  There are also ecological costs  No emissions out of the tailpipe  Emissions shifted to powerplants   Talk more about this when we get to climate change Electric car­ no emissions, all running on battery Problems: energy needs to come from somewhere­ depends on where you get that energy  and ecological footprint. Energy in MidWest comes from coal power plants Here in East, electric cars are better with energy coming from windmills, etc. Ads for electric cars say zero emissions­ but its “out of the tailpipe” How about hybrid cars? Best of both worlds right?  Inefficiency in standard cars comes from changing speeds. Car engine running at  constant speed is 2­3 x more efficient.  Why cars get better gas mileage on highways than in city driving….  Hybrid uses a gasoline eng
More Less

Related notes for EESC 1180

Log In


Don't have an account?

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.