STRÅLING

Det vi kjenner som ultrafiolett lys, synlig lys og varmestråling, er alt sammen elektromagnetisk stråling. Stråling representerer energi. På lignende måte som ved lyd, er strålingen er karakterisert ved bølgelengde eller ved frekvens – jo høyere frekvens desto mindre bølgelengde. Ultrafiolett lys har høy frekvens, synlig lys lavere frekvens, infrarød stråling og varmestråling enda lavere frekvens igjen.

På samme måte som en radio kan ta imot signaler fra en bestemt stasjon, kan et atom eller molekyl ta opp stråling på bestemte frekvenser. Vi sier atomet eller molekylet absorberer energi. De kan også gi fra seg denne energien, bl.a. som stråling. Molekylene vi finner i atmosfæren absorberer ikke særlig energi fra synlig lys, men absorberer mye bedre energi fra varmestråling. Lyset slipper som vi ser, ganske lett gjennom atmosfæren.

Som alle vet, så har den såkalte «drivhuseffekten» fått stor oppmerksomhet de siste årene. Det er de som mener at den bidrar merkbart til jordens temperatur. Flere mener også at det er skjedd en økning i jordens temperatur, og det er de som mener at det er «drivhuseffekten» som har forårsaket dette. Men hva er den såkalte «drivhuseffekten»? Få utenom fagfolk, har særlig kjennskap til hva den egentlig er. Saken er at den har pussig nok, lite å gjøre med det som skjer i et drivhus.

Men alle har merket «drivhuseffekten». Alle som har vært ute en vinternatt, har merket forskjellen på når det er klar himmel og når det er overskyet.

DRIVHUSEFFEKTEN – IKKE DET SOM SKJER I ET DRIVHUS

Når solen stråler inn på bakken, blir den varmet av solen. Luften over marken blir varmet på samme måte som vannet i kjelen på kokeplaten. Luften stiger til værs og ny luft strømmer inn. Energien fra solen blir derfor stadig transportert bort med oppvarmet luft, konveksjon, og lufttemperaturen over bakken blir omtrent konstant. Men vi skal merke oss at det også skjer noe annet, bakken sender nemlig ut varmestråling. Det merker vi om vi holder hånden over en varm stein en sommerdag.

I et drivhus vil varmestrålingen fra bakken varme luften. Siden luften er stengt inne, vil den ikke drive bort, og temperaturen stiger inntil drivhuset gir fra seg like mye varme som den mottar som solstråling.

Vi merker at temperaturen er høyere i drivhuset enn utenfor, men at temperaturen er høy. skyldes det at luften i drivhuset er stengt inne. I atmosfæren derimot skjer altså konveksjon, det at varm lufter stiger og transporterer energien oppover i atmosfæren. Uten denne konveksjon i atmosfæren ville vi hatt den samme situasjonen som i et drivhus, men da ville temperaturen på jorden vært 60 – 90 ℃ høyere. Det er altså ikke det som skjer i et drivhus som er «drivhuseffekten», men hva er den da?

Dersom vi ser på jorden og atmosfæren som et system, jordkloden, som mottar solstråling, vil noe av strålingen bli reflektert av skyer og jord. Noe av solstrålingen, varmestrålingen, vil bli absorbert av skyer og gasser. Lysstrålingen går nærmest uhindret igjennom atmosfæren og blir absorbert av jorden.

Denne energien jorden har mottatt blir sendt ut som fordampning og konveksjon, og spesielt varmestråling til atmosfæren. Men som vi skal se, jorden mottar mer og stråler ut mer, den mottar også varmestråling fra atmosfæren.

Energien atmosfæren har mottatt som solstråling, som konveksjon og fordampning og varmestråling fra jorden, stråler den både ut i verdensrommet og tilbake til jorden. I tillegg til den strålingen jorden har mottatt fra solen, mottar den også varmestråling fra atmosfæren. Det er denne tilbakestrålingen fra atmosfæren som er «drivhuseffekten». Jorden mottar derfor både stråling fra solen og varmestråling fra atmosfæren, mens månen til eksempel bare mottar solstråling. Det er denne «ekstra» varmestrålingen fra atmosfæren tilbake til jorden, «drivhuseffekten», som gjør at jorden er beboelig. Uten den ville jorden vært ca. 30 ℃ kaldere.

FYSIKK

For å gå videre må vi gjøre oss kjent med visse begreper i fysikk. Vi sier at en motor eller en ovn har en viss effekt. Vi måler denne i Watt. Det sier oss hvor mye energi motoren eller ovnen avgir per tidsenhet. For å varme en bestemt mengde vann til en bestemt temperatur trenger du en bestemt mengde energi. En ovn med lavere effekt bruker lengre tid på å varme vannet enn en med høyere.

Det neste begrepet vi trenger, er emittans. Med emittans mener vi effekt dividert på flate. Dersom vi har en liten kokeplate stående på 200 W, er den så varm at vi ikke kan ta på den. Dersom vi har en panelovn på 1 m² på 200 W, kan vi godt ta på den. Den er ikke så varm som kokeplaten. Er radien på kokeplaten 7 cm, har den en emittans på 13 000 W/m², mens panelovnen har en emittans på 200 W/m².

Vi ser at har vi samme effekt og øker flaten, blir emittansen lavere. Vi forstår at det er en sammenheng mellom emittans og temperatur. Den kan vi uttrykke i en formel. Kjenner vi emittansen, kan vi beregne temperaturen på flaten – og omvendt. Det er dette vi bruker for å regne på temperatur.

Det tredje begrepet vi bør kjenne litt til, er likevekt. Om vinteren varmer vi leiligheten med en ovn. Når det strømmer like mye elektrisk energi inn i leiligheten som det strømmer varme ut, er temperaturen konstant. Leiligheten er i likevekt. Vi kan øke eller minske strømmen. Men vi får alltid en konstant temperatur, høy eller lav. Systemet kan være i likevekt ved forskjellige temperaturer.

Systemet jord + atmosfære mottar energi i form av solstråling – samtidig sender systemet ut stråling i form av synlig lys ved refleksjon fra skyer og is –  og varmestråling fra jord og atmosfære. Systemet sender ut like mye som det mottar. Systemet er i likevekt. Temperaturen er konstant. Hva skjer når temperaturen øker eller faller? Systemet er ikke lenger i likevekt. Men dersom endringen i temperatur er liten, kan vi regne systemet i likevekt. Det er det vi skal gjøre her.

DRIVHUSEFFEKTEN – JORDKLODENS ENERGIBUDSJETT

Når vi skal se på jordens varmebalanse, er vi svært opptatt av emittans. Vi kan måle solstrålingens emittans inn mot jorden og ut fra jordens. Solstrålingen inn mot jordkloden har en strålingsemittans på 1 370 W/m² – som vi også kaller solarkonstanten. Hvor mye er dette? La oss si at kokeplaten vår har en flate på 0.015 m². Da måtte den ha stått på ca. 20 W for å ha samme emittans.

All stråling fra solen som treffer jordkloden passerer gjennom en sirkel med samme radius som jorden. Men denne strålingen skal fordeles på hele jordoverflaten. Det betyr at innstrålingen mot jordkloden i gjennomsnitt er 340 W/m².

Hva skjer når solstrålingen treffer jordkloden? Noe synlig lys blir reflektert av skyer, noe varmestråling blir absorbert av atmosfæren. Men synlig lys går gjennom atmosfæren uten å varme den særlig. Resten treffer jorden som da mottar energi fra solen. Denne energien gir jorden fra seg igjen i form av konveksjon, damp og varmestråling. Mens lysstrålingen fra solen gikk gjennom atmosfæren uten å bli absorbert – blir derimot mesteparten av varmestrålingen fra jorden absorbert i atmosfæren og varmer denne. Det er vanndamp og enkelte gasser som absorberer varmestrålingen. Disse gassene kalles gjerne «drivhusgasser».

Vi skal sette opp et energibudsjett for jordkloden, men da må vi først lage oss en modell. Vi tenker oss jorden som en kule og atmosfæren som en kuleskall omkring jorden. Dette er en svært grov modell, men den kan gi en illustrasjon av hva som skjer. Tallene vi setter inn, er omtrentlige og gjelder for Europa og for det varme halvåret.

Innstrålingen mot jordkloden regner vi som 340 W/m². Vi regner at 100 W/m² av innstrålingen blir reflektert fra jord og skyer. 70 W/m² blir absorbert i atmosfæren og varmer opp denne. Det vil igjen si at reststrålingen på 170 W/m² blir absorbert av jordoverflaten, dvs. 50 % av strålingen fra solen blir absorbert av jorden.

Vi måler varmestrålingen fra atmosfæren inn mot jordoverflaten. Vi setter den til 330 W/m². Det forbauser mange at den er så stor – nesten like stor som den totale innstrålingen fra solen.

Hvordan kan det ha seg at denne er så stor? Forklaringen er at atmosfæren mottar varmestråling fra jordoverflaten som har litt høyere temperatur enn atmosfæren, og i tillegg energi fra konveksjon og fordampning. Atmosfæren stråler tilbake både til jordoverflaten og ut til verdensrommet – men atmosfæren har lavere temperatur – slik at den stråler ikke like mye ut i verdensrommet som jordoverflaten ville ha gjort.

Jorden mottar da 170 W/m² fra solen og 330 W/m² fra atmosfæren. I alt mottar jorden 500 W/m². Siden systemet er i likevekt, må dette gå tilbake fra jorden. Det skjer som varmeoverføring ved fordampning og konveksjon, som varmestråling ut i verdensrommet og som varmestråling til atmosfæren. Et for konveksjon og fordampning er 100 W/m². Vi kan regne 40 W/m² for varme­strålingen ut i verdensrommet. Dermed blir resten utstrålingen fra jordoverflaten til atmosfæren 360 W/m².

På figuren ser vi hvordan vi tenker oss modellen pilene markerer energistrømmer. I tabellen nedenfor har vi angitt energistrømmene i prosent av solens totale innstråling på 340 W/ m²

1. Stråling fra solen absorbert av jorden          170 W/m²     dvs    50 %
2. Stråling fra solen absorbert i atmosfæren   70 W/m²    dvs    20 % 
3. Stråling fra solen reflektert fra skyer + jord 100 W/m²   dvs   30% 
4. Stråling fra jord til atmosfære 360 W/m²         dvs  105 % 
5. Varmeoverføring fra jord til atmosfære 100 W/m²     dvs    30 %
6. Varmestråling fra atmosfære til jord 320 W/m²     dvs     95% 
7. Varmestråling fra atmosfære til ytre rom      210 W/m²    dvs   60 % 
8. Varmestråling fra jord til ytre rom   40 W/m²         dvs  10 % 

Vi ser at jorden stråler til atmosfære og verdensrom med 340 W/m². Ut fra denne emittansen kan vi beregne hvilken temperatur denne strålingen svarer til. Det er 17 º C som er en typisk temperatur for jordens overflate. Varmestrålingen fra atmosfæren kan plantene ikke nyttiggjøre seg i fotosyntesen, til det trenger de sollys. Men varmestrålingen bidrar til en høy temperatur slik at livsprosessene kan foregå.

HVA PÅVIRKER JORDENS TEMPERATUR

Først og fremst er det solen. Aktiviteten på solen endrer seg i flere sykler som igjen styrer innstrålingen. I tillegg kommer at avstanden til solen endrer seg og at jordaksens helling endrer seg.

Ser vi på jordkloden, vil omfanget av skydannelsen spille stor rolle ved mengden av stråling som reflekteres. Utstrekningen av is og snø som reflekterer lys, spiller også rolle.

Det som har fått oppmerksomhet de siste årene, er varmestrålingen fra atmosfæren. Det er i hovedsak to komponenter som setter opp denne strålingen. Det er vanndamp som utgjør er ca. 0.25 % og karbondioksid, CO₂, som utgjør 0.04 %. Vi regner at vanndamp står for over 90 % av absorpsjonen.

Det er imidlertid den delen av CO₂ som stammer fra forbrenning av karbon, man har vært opptatt av. Denne delen utgjør da 4 % av totalen, slik at i atmosfæren utgjør mengden av CO₂ som stammer fra forbrenning ca. 1.5 ‰. Sammenligner man dette med vanndamp som utgjør 0.25 %, ser man at dette er svært lite. Endringer i den delen som stammer fra forbrenning, blir tilsvarende små. Selv en økning på 600 % som har vært anslått, skulle umiddelbart gi 0.01%. Men så kommer det til at en del av økningen blir absorbert bl.a. av hav.

Det er uenighet blant forskere i dag om denne delen av CO₂, har signifikant innflytelse på jordens temperatur. De første modellene som ble lansert har vist en temperaturøkning 3 – 5 ganger den målte. Også med tanke på data man har i dag, er det uenighet om samvariasjon mellom andel CO₂ og temperatur.

Det som har også vært innvendt mot at CO₂ skulle bidra signifikant, er at mye av strålingen som CO₂ kan absorbere, allerede er absorbert av vanndamp. Det er også alminnelig akseptert at man ikke har noen full forståelse av absorbsjon og stråling knyttet til skyer. Særlig fordi effekten av skyer er mange ganger større enn av CO₂, knytter det seg i dag uenighet til betydningen av vanndamp. Hva det også knytter seg uenighet til, er den såkalte forsterkningseffekten, dvs. at økende temperatur skulle øke mengden av vanndamp. Det virker umiddelbart å ha noe for seg, men målinger støtter ikke dette.

Siden vanndamp er en så aktiv gass som i tillegg utgjør en større del av atmosfæren, har det knyttet seg stor interesse til skydannelsen. Hva påvirker skydannelsen? Øker skydannelsen, vil refleksjonen øke. Men samtidig øker tilbakestrålingen til jorden. Det er imidlertid lett å se at det er refleksjonen som vil være avgjørende. Øker skydannelsen, vil jordens temperatur falle.

HVA VET VI OM JORDENS TEMPERATUR

Jordens temperatur beregnes dels som bakketemperatur registrert ved bakkestasjoner og siden1980 ved hjelp av satellitter dels som temperatur i troposfæren. Frem mot 1940 økte temperaturen jevnt. Et eksempel er den tyske krysseren Komet som i 1940 gikk gjennom Nordøstpassasjen. Men deretter faller temperaturen til omkring midten av 1980 tallet, for så å stige igjen. For de siste 20 årene har bakkemålingene vist en stigning på 0.2 ºC, mens satellittmålingene ikke har vist noen klar økning. Hele tiden har innholdet av CO₂ i atmosfæren økt.

Både de som er skeptiske til at CO₂ spiller så stor rolle som tidligere antatt og FNs klimapanel (siste hovedrapport)[1] mener at det siden 1998 ikke har vært signifikant temperaturstigning, men at det vært har vært en «varmepause», hiatus, der temperaturen ikke har steget nevneverdig.

I alle fall har temperaturen i denne perioden ikke utviklet seg som forutsagt av de mange modellene som i sin tid ble utarbeidet og som bygget på en forutsatt kobling mellom CO₂ og temperatur. Disse modellene predikerte en temperatur som er tre ganger større enn den observerte. Dette at «klimamodellene» ikke stemmer med observasjoner, har skapt stor diskusjon i forskermiljøene.

SOLEN SOM STYRER SYSTEMET

Parallelt med diskusjonen om CO₂ og «drivhuseffekten» har man hatt en diskusjon om hvordan solen virker inn på jordens temperatur. At den gjør det, er opplagt, men hvordan? Solens aktivitet har vært svakt avtagende i løpet av de siste to tiårene, og noen forskere har foreslått at det kan være årsaken til varmepausen, dette at temperaturøkningen har vært mindre enn forventet i denne perioden. Man har i mange år registrert solflekkene og sett at de varierer i hyppighet, og allerede for 150 år siden oppdaget man sykler i hyppigheten. Etter hvert har man oppdaget flere sykler. Mange mener at forandringer i klimaet har en sammenheng med solflekksyklusenes varighet.

Det som bl.a. har aktualisert diskusjonen om en sammenheng mellom solaktivitet og temperatur, er eat målinger synes å vise at varmestråling mot jord fra atmosfæren har gått ned de siste 15 år på tross av at CO₂ har økt. Denne observasjonen er vanskelig å forene med premissen om at det er tilbakestråling fra CO₂ som styrer temperaturen. Mange leter derfor etter andre forklaringer, og hevder at det til syvende og sist er solen som styrer klimaet.

Det er de forskere som mener at sammenhengen mellom variasjoner i kosmisk stråling og temperaturer gjennom mange tusen år er så gode at de er bedre enn for variasjoner i CO₂ og temperatur. En forklaring på dette som også har fått eksperimentell støtte, er at solsyklusene endrer solens og dermed jordens magnetfelt som skjermer mot kosmisk stråling. Lavere felt øker kosmisk stråling som igjen øker skydannelsen, noe som reduserer solinnstrålingen.

Den fremstående britiske astrofysikeren Piers Corbyn (bror av Jeremy Corbyn) går så langt som til å si at det kun er variasjoner i solens aktivitet som bestemmer jordens temperatur, og påstår at CO₂ overhodet ikke har betydning.

[1] WG1AR5, kap 9, side 769 «box 9.2»