Drivhuseffekten for viderekomne

CO₂ konsentrasjonen i atmosfæren øker og har økt med over 40 prosent siden førindustriell tid. Økningen skyldes i hovedsak forbrenning av fossilt brennstoff (olje, kull og gass). Brenner du 1 kilo med bensin, så slippes det faktisk ut mer enn 1 kilo med CO₂(!). Når bensinen brenner i motoren binder karbonet i drivstoffet seg til to oksygenatomer fra lufta.

Gjør det noe da?

Denne artikkelen gir en mer detaljert forklaring på drivhuseffekten og hvorfor CO₂ er en drivhusgass enn hva som vanligvis fremstilles.

Drivhuseffekten

Den naturlige drivhuseffekten gjør det levelig på jorda. På månen varierer temperaturen fra 100 grader på solsiden til minus 170 grader på skyggesiden. På jorda er temperaturforskjellene mellom dag og natt mye mindre, og gjennomsnittstemperaturen er på komfortable 15 grader. I motsetning til månen har jorda en atmosfære. Heldigvis.

Jorda mottar energi fra sola, solstråling. Solstrålingen består av synlig lys, men også ultrafiolett (UV) stråling som har kortere bølgelengde enn synlig lys (se faktaboks). Atmosfæren stenger ute de mest energiintense strålene fra sola. Ozonlaget høyt oppe i atmosfæren beskytter oss mot skadelig UV-stråling fra sola. Noe av det synlige lyset fra sola reflekteres av skyer og fra bakken. Solstrålene som ikke reflekteres, varmer opp jordoverflaten.

Jorden sender ut varmestråling – både om dagen og om natten, men atmosfæren holder på varmen og sender varmestråling tilbake mot jordoverflaten igjen. Det er de såkalte drivhusgassene i atmosfæren (i hovedsak vanndamp og CO₂) og skyene som hindrer varmetapet fra jordoverflaten og fører til levelige temperaturer på jorda. At skyer hjelper med å holde jordoverflaten varm merker vi godt – en stjerneklar høstnatt er mye kaldere enn en natt med overskyet vær.

CO₂ – absorberer varmestråling

Felles for drivhusgassene er at de kan absorbere stråling i det infrarøde spekteret, såkalt varmestråling. At CO₂ absorberer varmestråling vet man fra laboratorieforsøk. Men hvorfor absorberer CO₂ varmestråling? Forklaringen ligger i kvantefysikk.

CO₂-molekylet består av ett karbonatom og to oksygenatomer. Infrarød stråling ved enkelte bølgelengder får CO₂- molekylet til å vibrere. Strålingen ved disse bølgelengdene har akkurat den energien som skal til for at molekylet vibrerer. Strålingen som får CO₂-molekylet til å vibrere blir altså absorbert av molekylet. Alle molekyler som absorberer stråling, sender ut stråling igjen med den samme bølgelengden, men i en vilkårlig retning.

Animasjonen nedenfor viser hvordan CO₂-molekylet vibrerer når det absorberer stråling ved tre forskjellige bølgelengder. For et enkelt CO₂-molekyl er det bare stråling med akkurat disse bølgelengdene som får molekylet til å vibrere. Men for absorbsjon i atmosfæren må man ta hensyn til at atmosfæren består av molekyler som ikke er i ro, som bumper inn i hverandre, roterer og vibrerer. CO₂-molekyler i atmosfæren absorberer derfor stråling i bredere bølgelengdebånd, såkalte absorbsjonsbånd. Jo høyere trykket er jo bredere blir absorbsjonsbåndet. For absorbsjon av CO₂ i atmosfæren er det absorbsjonsbåndet rundt 15 mikrometer som er viktigst, fra cirka 13 til 17 mikrometer.

CO₂ i atmosfæren

Mesteparten av tørr luft består av oksygen (O2) og nitrogen (N2), henholdsvis 21 og 78 prosent. Disse gassene absorberer ikke varmestråling. Mengden av CO₂ i atmosfæren på 400 ppm eller 0.04 prosent høres derfor veldig lite ut. Men tar vi all CO₂ i atmosfæren og flytter det ned til jordoverflaten, vil laget av CO₂-gass være ca. 3 meter tykt. Varmestråling fra jorda vil derfor stort sett treffe CO₂-molekyler i atmosfæren på sin vei ut mot verdensrommet.

Ved hjelp av satellitter kan vi «se» absorbsjonen av varmestrålingen fra jorda. Figuren under viser varmestråling fra Sahara sett fra en satellitt en klarværsdag. Hadde det ikke vært gasser som absorberer varmestråling i atmosfæren ville satellitten vist oss den røde linjen. Denne linjen kan beregnes ved den fysiske loven for svartlegemestråling. Alt som har en temperatur sender ut stråling. Svartlegemestråling betyr at energien ved ulike bølgelengder er avhengig av temperaturen. I dette tilfellet var temperaturen ved bakken om lag 45 grader. Fordi det er gasser som absorberer, er det derimot ikke den røde, men den blå linjen som satellitten registrerte. I det viktigste absorbsjonsbåndet til CO₂, mellom 13-17 mikrometer, er det mye av strålingen fra jordoverflaten som ikke når satellitten, det vil si at varmestrålingen er absorbert i atmosfæren. De andre gassene som absorberer i ulike bølgelengdeområder er også markert i figuren.

Vesentlig for drivhuseffekten er at temperaturen avtar med høyden i atmosfæren. La oss ta et lag i atmosfæren der temperaturen er lavere enn temperaturen ved bakken. Et CO₂-molekyl i dette laget absorberer stråling, og sender ut stråling i en vilkårlig retning. Den energien som blir sendt videre fra laget i atmosfæren er avhengig av temperaturen i laget. Så, jo høyere opp varmestrålingen treffer det siste CO₂-molekylet før det går ut i verdensrommet, jo mindre energi forlater jord-atmosfæresystemet fordi lag høyere oppe er kaldere. Forskjellen mellom den røde og den blå linja i figuren viser mengden energi som blir holdt igjen i jord-atmosfæresystemet på grunn av drivhusgassene. Som nevnt over er det vesentlig for drivhuseffekten at temperaturen avtar med høyden. Hadde temperaturen i hele atmosfæren vært lik temperaturen ved bakken hadde satellitten registrert den røde linjen, selv om det var drivhusgasser i atmosfæren. Så faktisk, hadde atmosfæren hatt samme temperatur som jordoverflaten hadde vi ikke hatt drivhuseffekten!

Ser vi nærmere på absorbsjonsbåndet til CO₂ i figuren så registrerer satellitten strålingsenergi som tilsvarer en temperatur på rundt minus 50 grader i sentrum av båndet. Minus 50 grader er temperaturen ved den såkalte tropopausen. Tropopausen er toppen av den delen av atmosfæren der alt været foregår, og over tropopausen øker temperaturen med høyden igjen. Økt CO₂-konsentrasjon i atmosfæren kan ikke hindre mer energi i å forlate jord-atmosfæresystemet ved bølgelengdene i sentrum av absorbsjonsbåndet, siden CO₂-molekyler ved tropopausen allerede absorberer de bølgelengdene. Derimot, lengre ut på kantene av absorbsjonsbåndet vil mer energi bli holdt tilbake når CO₂-konsentrasjonen øker. CO₂ er derfor ikke en veldig kraftig drivhusgass, -heldigvis-, og økningen i drivhuseffekten er vist å følge CO₂-konsentrasjon logaritmisk. Verre er det for menneskeskapte gasser som klorfluorkarboner (KFKer), som også ødelegger ozonlaget, og visse erstatningsstoffer for KFKene. De absorberer varmestråling i det såkalte atmosfæriske vinduet der ingen naturlige drivhusgasser absorberer stråling.

Endring i energibalansen

Hvis jord-atmosfæresystemet mottar like mye energi som den sender ut, vil den globale bakketemperaturen på jorda variere lite. I dag har vi en situasjon der jorda mottar mer stråling enn det den sender ut, fordi konsentrasjonen til en av de viktigste drivhusgassene CO₂ øker. Siden førindustriell tid har mengden CO₂ i atmosfæren økt med over 40 prosent. Det tilsvarer at en lyspære på 1.8 Watt står på både dag og natt på hver eneste kvadratmeter over hele jorda. Dermed øker den globale bakketemperaturen. Hvis konsentrasjonen av CO₂ stabiliseres, vil temperaturen øke helt til jord-atmosfæresystemet har kommet i en ny energibalanse, det vil si til jorda sender ut like mye energi som den mottar.

Siden varm luft kan holde på mer vanndamp enn kald luft vil økt temperatur på grunn av økt CO₂ også gi mer vanndamp. Vanndamp er den viktigste drivhusgassen i atmosfæren, så det vil gi en ytterligere oppvarming. Dette kaller vi en tilbakekoblingsmekanisme: Lyspærene byttes ut med sterkere pærer. Det finnes flere såkalte tilbakekoblingsmekanismer. Den mest usikre av disse tilbakekoblingsmekanismene er hvordan skyene påvirkes når klimaet endres. Det er derfor ikke så lett å si nøyaktig hvor varmt det kommer til å bli fremover. Men så lenge vi fortsetter å slippe ut CO₂, og mengden CO₂ i atmosfæren ikke går ned, vil temperaturen øke.

Redigert 27.03 - Oppdatert figurtekst, oppdatert animasjon