1.5 Hur koldioxid fungerar som växthusgas
Utan växthusgaser en kall jord
Solstrålningen värmer upp jordens yta, men för att energibalans skall uppstå avger jordytan värmestrålning (värmestrålning = IR-strålning). Denna strålning har längre våglängd än solljuset. 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 +15 grader C.
Bilden 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 i alla riktningar och värmer upp atmosfären och 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.
Varför blir det varmare med växthusgaser?
Värmestrålningen (IR-strålningen) från jordytan avges i små energipaket, fotoner. Fotonerna kan beskrivas som vågor av olika våglängd. Omkring 10% av fotonerna som sänds ut från jordytan är av en våglängd som inte absorberas av växthusgasmolekylerna utan passerar direkt ut i universum.
Koldioxid, vattenånga och metan, som är de viktigaste växthusgaserna, absorberar fotoner inom vissa våglängdsområden och tillförs därmed fotonernas energi. Detta energitillskott gör att växthusgasernas molekyler börjar vibrera och rotera på olika sätt. De kommer emellertid att göra sig av med den tillförda energin genom att sända ut fotoner i alla riktningar eller genom att kollidera med andra molekyler. På så sätt sprids energin i atmosfären och mot jordytan i stället för att stråla direkt ut i universum, som vore fallet i en atmosfär utan växthusgaser. Detta bidrar till att atmosfären och jordytan får ett ökat energiinnehåll som så småningom omvandlas till värme. Om halten växthusgaser skulle vara konstant under en längre tid kommer det att uppstå en jämvikt där atmosfären och jordytan uppnår en stabil temperatur där mängden värme som strålar ut i universum är lika med den som strålar in från solen. Om halten växthusgaser ökar ytterligare uppstår så småningom en ny jämvikt där utstrålningen till universum är den samma som tidigare, men från en högre och kallare nivå medan jordytan och atmosfären har blivit varmare.
Som en effekt av uppvärmningen kan andra faktorer på jorden förändras och förstärka uppvärmningen, det som kallas positiv återkoppling.
Likheten med ett extra klädesplagg
För att bättre förstå växthusgasernas funktion kan man dra liknelsen med ett extra klädesplagg på kroppen. Det är emellertid viktigt att betona att de fysikaliska processerna bakom klädernas värmande effekt på kroppen är helt annorlunda än växthusgasernas funktion, men resultatet av ett eller flera extra klädesplagg har likheter med växthuseffekten.
Vi tänker oss att du går med bar överkropp utomhus när det är några minusgrader. Huden känns kall vilket beror på att värmestrålningen från kroppen, i form av fotoner, strålar direkt ut precis som på jorden utan växthusgaser. Om du tar på dig ett isolerande klädesplagg strålar kroppen fortfarande ut lika mycket värmestrålning, men till att börja med bromsas strålningen upp genom att den absorberas av plaggets innersta yta som värms upp och delvis strålar tillbaka och värmer huden. Under en kort stund kommer den mängd värme som strålar ut till omgivningen från plaggets utsida att vara mindre än den mängd värme som strålar ut från kroppen. Resultatet blir att både plaggets insida, huden och det mellanliggande luftskicket värms upp och det känns varmt och skönt.
En del värme kommer att ta sig genom plagget och stråla ut i omgivningen, och ju varmare huden, luften och insidan av plagget blir, desto mer värme kommer att läcka ut. Till slut kommer det att bli en jämvikt där det strålar ut lika mycket värme från plagget som det strålade ut från kroppen innan du tog på dig ett extra lager, men huden och området mellan huden och plaggets insida kommer att vara varmare. Tar du på dig ytterligare ett plagg kommer en ny jämvikt att inställa sig där det fortfarande strålar ut samma mängd värme från utsidan av plagget, men huden har blivit ännu lite varmare.
Här ser du likheten med växthuseffekten. Vid varje tillförsel av växthusgaser kommer jordytan och atmosfären att värmas upp en aning tills en ny jämvikt inställer sig, där samma mängd värme som tidigare strålar ut i universum, men medeltemperaturen på jorden har ökat.
Systemet strävar mot en jämvikt där samma mängd värme som strålar in mot jordytan från solen kommer att avges till universum i form av värmestrålning. Så länge som halten växthusgaser ökar kommer en sådan jämvikt inte att uppnås helt och hållet utan den mängd energi som strålar ut i form av värmestrålning kommer att vara en aning mindre än den solenergi som strålar in. Så länge detta förhållande pågår kommer jorden att värmas upp och vi har en fortsatt global uppvärmning.
Halten CO2 anges i volymdelar
Halterna av CO2 anges i enheten ”Parts Per Million” (PPM). 420 PPM, vilket är nära dagens värde, är detsamma som 0,0420 %. Dessa värden avser volymdelar CO2. i atmosfären. Värdena är låga i jämförelse med syrgas och kvävgas som har halter på 21 respektive 78 procent, men till skillnad från dessa gaser är CO2 en aktiv växthusgas.