2.5 Hur koldioxid fungerar som växthusgas
Nästa viktiga fråga är: Har de stigande halterna av CO2 och vissa andra gaser påverkat klimatet? För att få svar på den frågan krävs att man vetenskapligt kan bevisa att det finns ett orsakssamband mellan halten av gaserna och temperaturen vid jordytan och i atmosfären.
För CO2, metan och vattenånga har sådana samband bevisats och mekanismerna på molekylnivå är väl kända. Det är kunskap som vuxit fram och stegvis fördjupats under nästan 200 år av vetenskapliga framsteg.
Lite historik
I början av 1800-talet började forskare fundera över varför större delen av jorden hade ett så behagligt klimat. Fourier, en stor fransk matematiker, lade omkring 1820 fram en hypotes om att luften innehöll ämnen som kunde absorbera värmestrålning (IR-strålning) från jordytan och sedan sända ut den i alla riktningar så att en del åter träffade jordytan och värmde upp den ytterligare. Ett starkt stöd för denna idé visade en irländsk fysiker, Tyndall, när han i mitten av 1800-talet upptäckte att CO2 och vattenånga absorberade IR-strålning men släppte igenom solljus. När s.k. spektralanalys utvecklades i slutet av 1800-talet kunde forskare visa att vattenånga och CO2 absorberade vissa våglängder i IR-strålningen och sände ut strålning av samma våglängder igen.
Svante Arrhenius, en svensk kemist och fysiker, utgick från de data som då var kända för vattenånga och koldioxid och ägnade några år av intensivt arbete med att beräkna vilken betydelse som koldioxidhalten kunde ha för jordytans och atmosfärens temperatur. Han kom bl.a. fram till att en fördubbling av CO2-halten skulle öka medeltemperaturen i tropiska områden med c:a 5 grader, vilket är ett par grader högre än vad klimatforskare kommit fram till idag. Utsläppen var så låga vid den tiden så det påstås att han gjort en kommentar om att det kommer att ta tusentals år innan mänskligheten orsakat någon betydelsefull påverkan på klimatet. Han anade inte vilken fossil explosion som skulle starta några decennier senare.
Under 1900-talet utvecklades kvantfysiken och teknik skapades för att studera molekyler i detalj. Det ledde till att mekanismen för absorption av IR-strålning hos CO2, vattenånga och metan kunde förstås i ända ner på molekylnivå.
Inkommande och avgiven strålning
Solen tillför jordytan energi genom ljusstrålning. Strålarna har olika våglängd, vilket motsvarar de synliga färgerna från blått till rött. Solstrålarna utgörs också till viss del av osynlig kortvågigare (UV) och långvågigare (IR) strålning.
Solstrålningen värmer upp jordens yta, men för att energibalans skall uppstå avger jordytan strålning. Denna strålning har längre våglängd än solljuset (värmestrålning = IR-strålning). Om temperaturbalansen på jorden är stabil är den sammanlagda energimängden i inkommande solljus lika med energin i den värmestrålning som avges. Hade det inte funnits någon atmosfär, eller om atmosfären enbart bestått av syrgas och kvävgas, skulle en sådan balans inneburit att jordytans temperatur i genomsnitt varit -18 grader C. Växthusgaserna, främst vattenånga, CO2 och metan, gör att vi i stället får en medeltemperatur som idag är omkring +12 grader C.
Figur 2.5:2 illustrerar växthusgasernas funktion. De har förmåga att absorbera den IR-strålning som avges från jordytan. Energin i den absorberade strålningen sänds emellertid snabbt ut igen och strålar i alla riktningar , varvid en del kommer att återstråla mot jordytan. IR-strålningen ”fördröjs” därmed innan den till slut strålar tillbaka till universum. Detta innebär att den nedre atmosfären och jordytan får ett högre energiinnehåll och därmed en högre temperatur.
Om halten av växthusgaser är oförändrade under en längre tid kommer temperaturen i atmosfären och jordytan att stabiliseras och inkommande energi från solljus blir lika med energin i den IR-strålning som lämnar systemet. Då får vi, under ett mänskligt tidsperspektiv, en stabil temperatur på jorden.
Ett annat sätt att förklara växthuseffekten hittar du i avsnitt 1.5.
Om halten av växthusgaser ökar, vilket de gör idag, kommer jordens medeltemperatur att stiga och detta kommer att fortsätta ända tills vi får en konstant halt av växthusgaser och en ny jämvikt i energiflödena hinner ställa in sig. Förhoppningarna idag är att CO2-halten kommer att stabiliseras på en nivå som gör att jordens medeltemperatur inte kommer att öka med mer än 1,5–2 grader Celsius. Vid en ökning av CO2-halten i atmosfären kommer den nivå över jordytan där värmestrålning fritt kan passera ut i universum att förskjutas uppåt. En effekt av detta är att temperaturen i atmosfären och jordytan kommer att stiga.
Bilderna illustrerar växthusgasernas funktion. De har förmåga att absorbera den IR-strålning som avges från jordytan. Energin i den absorberade strålningen sänds emellertid snabbt ut igen alla riktningar och värmer upp atmosfären och jordytan. Detta innebär att den nedre atmosfären och jordytan får ett högre energiinnehåll och därmed en högre temperatur.
I tidsskalor på hundratusentals år kommer det med säkerhet att ske periodiska temperaturväxlingar beroende på förändringar i jordens rotation runt sin axel och förändringar i jordens bana runt solen. Däri ligger förklaringarna till att det förekommer istider.
Kunskaperna om växthusgasernas inverkan på jordens temperatur är idag så stora att om vi inte hade kunnat påvisa en global uppvärmning skulle forskarna blivit mycket förbryllade.
Vi har detaljerade kunskaper om vad som händer på molekylnivå när växthusgaser absorberar IR-strålning. Bilden visar en förenklad modell av vad som kan hända med en CO2-molekyl när den tar emot energi i form av IR-strålning. Den tillförda energin kan, som bilden visar, åter sänds ut i alla riktningar. Den vibrerande koldioxidmolekylen kan också kollidera med gasmolekyler i sin omgivning och på så sätt föra över energi till dessa.
1 Comment
Hej
Var hittar jag det experiment som visar hur Co2 molekylerna absorberar eller reflekterar värme
Då menar jag ett modernt sådant försök och inte ett gjort för 200 år sedan.Jag har svårt att se att 400 molekyler av en miljon skulle orsaka denna effekt.
Alla jag talar med hänvisar till att detta är fakta men ingen kan hänvisa till bevis.
Någon som vet ?
Kanske skulle man ha Co2 i solfångare så skulle de bli mycket mer effektiva.