Fagstoff

Drivhuseffekten

Publisert: 30.09.2010
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Vi skal nå diskutere den globale energibalanse ved omtale av drivhuseffekten. Drivhuseffekten har fått stor oppmerksomhet i massemedia den senere tid, men debatten har vært lite nyansert fordi prognoser og modellberegninger fremføres som absolutte sannheter. Andre hevder at påstandene om menneskeskapte klimaendringer ikke er påvist. Det er viktig å påpeke at drivhuseffekten er et naturlig fenomen; ja en forutsetning for livet på jorda. Uten drivhuseffekt ville vi ha temperaturforhold som på månen. Spørsmålet er hvor store endringene kan bli før miljøet på jorda forandres. Derfor er det viktig å kjenne de naturlige prosessene som påvirker energibalansen.

Den franske matematiker og fysiker Jean Baptiste Fourier (1767–1830) fant i 1824 at visse gasser i atmosfæren “holdt tilbake” noe av jordvarmen. Dette kunne sammenlignes med virkningen av et drivhustak. 100 år senere ble det vist at klimaendringer kunne skyldes atmosfærens innhold av karbondioksid (CO2). CO2 har evne til absorpsjon av termisk stråling fra jorda. Den svenske kjemikeren Svante Arrhenius (1859–1927) konkluderte at hvis en økte CO2 innholdet til det dobbelte, ville temperaturen på jorda øke med ca. 5 til 6 °C.

Omkring 1940 ble det dokumentert at innholdet av karbondioksid i atmosfæren vil øke fordi vi brenner kull, olje og gass. Skog og planter tar opp CO2 gjennom fotosyntesen. Ved å hugge ned skogen uten at en plantet ny skog samtidig, vil CO2 øke. Avskoging kan derfor få store konsekvenser for klimaet.

Hva er drivhuseffekten?

To forhold fører til at temperaturen øker i et drivhus eller i et gatetorg med glasstak.

  1. Sollyset varmer opp bakken og det nederste luftlaget. Varm luft stiger til værs. Glasstaket utgjør en mekanisk hindring for at disse luftstrømmene skal unnslippe; dvs taket reduserer varmetapet.
  2. En annen oppvarmingsmulighet er knyttet til glasstakets evne til å slippe gjennom solstrålingen, mens det hindrer varmestrålingen fra bakken - pga. forskjellige bølgelengder, å gå motsatt vei.

Det er punkt 2 som tilsvarer drivhuseffekten i atmosfæren.

Et enkelt bilde av drivhuseffekten

Vi skal først regne ut middeltemperaturen på jorda uten å ta hensyn til atmosfæren.

Tilnærmet all energi som når jordoverflaten, kommer fra sola. Den totale effekten er gitt ved solarkonstanten S (≈1380 W/m2). (I romalderen er solarkonstanten blitt målt med satellitter.) Ca. tre tideler av solstrålingen som treffer jordas atmosfære absorberes og reflekteres tilbake til verdensrommet. Jordas "albedo" (betegnes med A) er dermed ≈0,3.
Varmestrålingen fra jorda er gitt ved Stefan-Boltzmanns ligning. Ved jordas overflate har vi: Energien inn mot jorda er lik den energi som sendes ut. Følgende ligning beskriver denne situasjonen:

$$(1 - A) \cdot \frac{S}{4} = \sigma \cdot T_B^4$$

hvor A = jordas albedo, σ = Stefan-Bolzmanns konstant og TB er bakketemperaturen som vi kan beregne fra denne ligningen.

StrålingsbalanseStrålingsbalanse

 

En enkel fremstilling av strålingsbalansen når vi ser bort fra atmosfære rundt jorda. S er solarkonstanten, A er albedo, TB er bakketemperatur og σ er Stefan-Boltzmanns konstant.


Faktoren 4 i nevneren har følgende forklaring. Den absorberte solenergi er proporsjonal med jordas tverrsnitt (gitt ved π · Rj2). På grunn av jordrotasjon fordeles den absorberte energi over hele jordoverflaten (gitt ved 4π · Rj2). Vi fordeler den absorberte energien over hele jorda ved å multiplisere med π · Rj2/4π · Rj2. I middel er det derfor bare 1/4 av solarkonstanten som treffer jordoverflaten til enhver tid.

Eneste ukjente i ligningen over er temperaturen. Om vi setter S=1380 W/m2, A=0,3 og videre σ = 5,67 · 10-8 W/m2K4 og regner ut, blir bakketemperatur 255 K eller minus 18 °C. Dette samsvarer med den midlere temperatur på månen.

Vi skal nå ta hensyn til jordas atmosfære, som vi fysisk beskriver som et "drivhustak". Atmosfæren slipper gjennom synlig lys fra sola, men absorberer mye av varmestrålingen fra bakken. Legg merke til at også "taket" (dvs atmosfæren) stråler. Hvis den absorberte strålingsdelen er e, vil taket sende ut brøkdelen e som stråling. Alle legemer som har en temperatur stråler i hht. Stefans-Boltzmanns lov. Strålingsforholdene endres som vist i figuren under. Med disse forutsetninger kan vi sette opp et energiregnskap for både bakken og drivhustaket.

 

EnergibalanseEnergibalanse

Energibalansen for jorda med atmosfæren som er komprimert og ligner et drivhustak (prikket). Drivhustaket har en temperatur, Tg, og stråler ut energi både oppover og nedover. Det er den mengden som går nedover som øker temperaturen på jorda.

For bakken får vi følgende ligning:

$$(1 - A) \cdot \frac{S}{4} = \sigma (T_B^4 - e \cdot T_g^4)$$

For drivhustaket får vi følgende bidrag:

$$e \cdot \sigma T_B^4 = 2e \cdot \sigma T_g^4$$

 

Her kjenner vi A, S og σ. Størrelsen e må vi velge slik at resultatet stemmer med observasjonene, mens TB og Tg er ukjente. Vi kan da beregne TB når vi har valgt e. Velger vi e=1, dvs. at taket absorberer all stråling fra bakken får vi TB = 303 K (3 °C). Hvis vi velger e=0,77, dvs. at 77 % av strålingen fra bakken blir stoppet i taket får vi en bakketemperatur på TB = 288 K = 15 °C.

Dette er samme verdi som den observerte, globale, midlere temperatur. Tilbakespredt solstråling fra taket bidrar da med 107 W/m2 til oppvarming av jorda.

Drivhustaket fører til en dramatisk øking av temperaturen fra -18 °C til +15 °C, dvs en økning på 33 °C. Forutsetningen er at atmosfæren slipper gjennom all solstråling, mens den absorberer 77 % av varmestrålingen fra jorda.

Modellen beskrevet over viser hva som skjer. Atmosfæren fører til at den termiske strålingen til verdensrommet blir redusert. Vi har strålingsbalanse. Derfor må temperaturen ved bakken øke slik at utstrålingen blir lik innstrålingen. De gassene i atmosfæren som absorberer strålingen fra bakken, kalt drivhusgasser, er derfor meget viktige.

Det er drivhuseffekten som gjør det levelig på jorda. Dette kan vi konkludere ved å sammenligne med temperaturforholdene på månen. Den har i middel samme avstand fra sola som jorda, slik at innstrålingen pr. flateenhet er den samme. Men månen har ingen atmosfære som påvirker strålingen. Middeltemperaturen på månen er minus 18 °C, mens vi på jorda har en middeltemperatur på omkring pluss 15 °C. Forskjellen er 33 °C, en forskjell som er svært viktig for livet på jorda.

Absorpsjon av solstrålingen i atmosfæren

 

Strålingsspektrene fra sola ved jordoverflaten og fra jorda som funksjon av bølgelengde.Strålingsspektrene fra sola ved jordoverflaten og fra jorda som funksjon av bølgelengde.
Forfatter: Narom

 


Gassene i atmosfæren har forskjellige absorpsjonsegenskaper; fordi absorpsjonen varierer med bølgelengden til strålingen. Enkelte gasser absorberer UV-stråling (for eksempel ozon), andre gasser absorberer synlig lys, mens noen absorberer i det infrarøde området, dvs. varmestråling. En drivhusgass er pr. definisjon en gass som absorberer varmestrålingen, infrarød stråling, fra jorda.

Den elektromagnetiske strålingen fra sola er vist i figuren over sammen med spekteret fra jorda. Stråling med bølgelengde mindre enn ca. 300 nm absorberes fullstendig av atmosfæren (hovedsakelig pga. ozon). I den infrarøde delen er det noen “søkk” i spekteret som viser at mye av strålingen er absorbert. Her er vanndamp viktig. Flere detaljer om hvilke gasser som absorberer stråling ser du i figuren under.

Absorpsjonsevnen til de viktigste gassene i atmosfæren, gitt i prosent av total absorpsjonAbsorpsjonsevnen til de viktigste gassene i atmosfæren, gitt i prosent av total absorpsjonJorda stråler som et svart legeme med en "effektiv" temperatur på 255 K. Formen på spektret er gitt ved strålingsloven, og er derfor lik formen på solspekteret. Spektrene er forskjøvet i forhold til hverandre fordi temperaturen er så forskjellig. Sollyset har maksimum ved ca. 500 nm, mens spektret fra jorda har maksimum ved ca. 11.300 nm eller 11,3 μm. Disse to viktige strålingsspektrene er vist i figurene over. Som vi ser er det ingen overlapping mellom spektrene.

Fordypning: "Atmosfærens vindu"

 

Noen gasser absorberer stråling fra sola, mens andre absorberer jordstrålingen. Ozon, vanndamp og CO2 absorberer stråling både fra sola og jorda. Absorpsjonsspektrene til de viktigste drivhusgassene er vist til høyre for stiplet linje i figuren over. Det samlede resultat av alle drivhusgassene er vist øverst i figuren.

 

Området 8 til 13 μm kalles “atmosfærens vindu” fordi termisk stråling i dette området slipper ut i verdensrommet. I vår modell gikk ca. 23 % av strålingen rett ut i verdensrommet.

 

Oksygen og nitrogen absorberer lite av solstrålingen. Utenfor det atmosfæriske vinduet absorberes strålingen fra jorda ganske effektivt av vanndamp, karbondioksid, ozon, lystgass og metan. I nyere tid er det kommet til andre gasser som også absorberer termisk stråling fra jorda. De viktigste er klor-fluor-karbongassene, forkortet KFK-gassene, som menneskene har sluppet ut i atmosfæren siden 1930-årene. Det som er særlig betenkelig ved KFK-gassene er at de absorberer i området omkring 11 mm, det vil si i atmosfærens vindu. Dette gjelder både CFCl3 (F-11) og CF2Cl2 (F-12). Det at de absorberer i et område der de naturlige drivhusgassene ikke absorberer, gjør dem svært effektive.

 

Vil drivhuseffekten øke?

Drivhuseffekten fører til at temperaturen på jorda er ca. 33 °C høyere enn den ville vært om jorda var uten atmosfære. Dette skyldes i hovedsak vanndamp, men også CO2 er viktig. Vanndampen kommer stort sett fra fordampning av havene. Den kan bare indirekte påvirkes av menneskene ved at vår aktivitet fører til globale variasjoner i temperaturen. Vanndampinnholdet i atmosfæren er derfor praktisk talt bestemt av naturen selv.

Når det gjelder CO2, er forholdene litt annerledes. Store mengder karbon er lagret i olje og kullreservoarene. Ved å bruke fossilt brensel, frigjøres karbondioksid som slippes ut i atmosfæren. CO2-innholdet i atmosfæren har økt med ca. 25 % siden starten av den industrielle revolusjon. Denne økningen vil forsterke drivhuseffekten, selv om vi ikke kan angi nøyaktig hvor mye.

Om CO2-innholdet i atmosfæren fordobles vil vi få nye strålingsbetingelser. Solstrålingen inn mot atmosfæren vil forbli uforandret. Økingen i CO2-mengde ville føre til en ubalanse i strålingsbudsjettet på omtrent 4 W/m2. For å opprettholde likevekten ved atmosfærens ytterkant måtte temperaturen på jorda øke. Beregning av temperaturøkningen fra modeller gir en økning på 1 til 2 °C.

Fordypning: Tilbakekopling ved temperaturøkning

 

Hvis temperaturen på jorda øker, vil sannsynligvis også fordampningen fra havene øke. Dette kan igjen påvirke skydannelsen som i sin tur vil påvirke drivhuseffekten. Vi kaller det en “tilbakekopling”. Så lenge konsentrasjonen av drivhusgasser er liten, vil absorpsjonen øker med kvadratroten av konsentrasjonen. Ved en ytterligere økning av konsentrasjonen, vil stadig større deler av båndet være total absorbert. En økning i absorpsjonen vil derfor bare finne sted ute på vingene av kurven, der absorpsjonsevnen er svak. Dette er tilfelle med CO2-konsentrasjonen i atmosfæren i dag.

 

Kan vi i dag med sikkerhet slå fast at drivhuseffekten har ført til økt temperatur?  Svaret er nei. Mange forskere mener at vi ennå må vente et tiår eller to. Dette skyldes i høy grad de store naturlige variasjoner. Selv om vi ikke kan identifisere virkningen av antropogene utslipp, er de fysiske prosessene forstått.

Oppsummering

Atmosfæren inneholder gasser med absorpsjonsegenskaper som kan sammenlignes med et drivhustak. Det som er viktig er at den naturlige drivhuseffekten har ført til at temperaturen på jorda er omkring 33 °C høyere enn den ville ha vært uten en atmosfære.

Gassene som absorberer den termiske strålingen fra jorda kalles for drivhithusgasser. Noen av disse er naturlig tilstede i atmosfæren mens andre er sluppet ut av mennesker, de er såkalte antropogene. På grunn av menneskelig aktivitet øker mengden av både naturlige og antropogene drivhusgasser. Det er virkningen av disse som skaper bekymring. Det er verdt å merke seg at nitrogen, oksygen og argon, som utgjør 99,96 volumprosent av atmosfæren, ikke tar del i disse strålingsprosessene, fordi deres absorpsjonsspektre ligger i et annet bølgelengdeområde.

Vår enkle modell gir en god illustrasjon av drivhuseffekten, men den har store svakheter. Vi har antatt at all energitransport skjer ved stråling. Varme transporteres også ved at varm luft beveger seg vertikalt (konveksjon). Transporten av varme skjer dessuten ved turbulente (uordnede) bevegelser. For å forstå energibalansen må denne transporten tas med i tillegg til strålingseffekten. I tillegg er det andre viktige effekter som f eks skyer, havstrømmer, luftforurensninger osv., som er viktig for jordas energibalanse.

Jordoverflaten varmes opp ved at den absorberer sollys. Luften nær bakken varmes så ved varmeledning og begynner å stige. Etter som luften stiger, vil den utvide seg fordi trykket faller. Luftens avkjøles. Når den varme luften stiger, vil kaldere luft synke ned for å fylle "tomrommet". På den måten får vi en kontinuerlig luftbevegelse som gir en balanse, vi kaller det konvektiv likevekt.

I vår drivhusmodell er det balanse mellom solstrålingen som kommer inn og strålingen som forlater toppen av atmosfæren. Figuren under viser de forskjellige komponentene av strålingen som ankommer og forlater atmosfæren. I middel blir 67+168=235 W/m2 av solstrålingen absorbert av atmosfæren og bakken. Vi har ikke tatt hensyn til skyer. Skyene reflekterer en del av solstrålingen tilbake til verdensrommet. Dessuten absorberer og emitterer skyene infrarød stråling. På den måte bidrar de til den naturlige drivhuseffekten. Vi vet at temperaturen er høyere når det er skyer sammenlignet med en klar vinternatt.

De forskjellige bidragene til strålingsbalansenDe forskjellige bidragene til strålingsbalansen

Fordypning: Drivhuseffekten på planeten Mars

 

Mars er mindre enn jorda, og har en mye tynnere atmosfære. Lufttrykket på Mars er mindre enn 1 % av trykket ved jordoverflaten. Atmosfæren består i hovedsak av CO2, som er en viktig drivhusgass. Den midlere avstand mellom sola og Mars er 1,52 AU, dvs. ca. 1,5 ganger jordas avstand til sola. Da strålingsfluksen avtar med kvadratet av radien, finner vi at solfluksen (solarkonstanten) ved Mars er (1/1,5)2 er lik ≈610 W/m2. Vi antar at albedoen er lik jordas albedo. Fra dette får vi temperaturen på Mars uten atmosfære lik 206 K eller −67°C. Den observerte temperatur på Mars er ca. −47 °C. Det betyr at den tynne atmosfæren på Mars gir en drivhuseffekt som øker temperaturen med omkring 20 °C.