Hvordan jordens temperatur opstår, og påvirkningen af temperaturer over tid
Her følger en gennemgang af kapitel 2 i Steven Koonins bog: “Unsettled”. Kapitel 1 blev omtalt her:
En forbemærkning: Det centrale omdrejningspunkt i dette kapitel er at give læseren indblik i fysikken bag drivhuseffekten gennem Stefan-Boltzmanns lov. Formålet er at bibringe læseren en forståelse af, hvordan ”strålingsbalancen” fungerer i mange klimamodeller. Koonin forholder sig ikke til spørgsmålet om Stefan-Boltzmanns anvendelighed på Jorden som sort legeme. I og med at uenigheden om klimamodellernes beregning af jordens gennemsnitstemperatur med og uden drivhusgasser er lige så gammel og lige så intens som diskussionen om hønen og ægget, tillader jeg mig en henvisning til en (i mine øjne neutral) redegørelse for nogle af de modelgivne antagelser, som man er nødt til at gøre, for overhovedet at kunne bruge Stefan-Boltzmanns lov: Applying the Stefan-Boltzmann law to Earth.
Jordens temperatur er et resultat af balancen mellem opvarmning fra sollys, og afkøling fra varme der udstråles tilbage til rummet. Solens indkommende energi absorberes, og idet planeten bliver varmere, emitteres der infrarød stråling tilbage til rummet, dvs. raten af afkøling stiger med opvarmningen, så der altid opstår en ”strålingsbalance”.
De østrigske videnskabsmænd Jožef Štefan og Ludwig Boltzmann (en professor og hans studerende) opdagede omkring 1880, at den infrarøde stråling, et objekt udsender, stiger med objektets temperatur på en meget forudsigelig måde – Stefan-Boltzmanns lov var født. Stiger Jordens temperatur pga. absorbering af den indkommende stråling, så stiger også afkølingen i form af infrarød tilbagestråling til rummet, indtil der opstår en energimæssig ligevægt. Koonin beskriver ligevægten som en slags ”termostat”.
Ikke alt sollys, der når jordens overflade, bliver absorberet. Det er fordi Jorden netop ikke er helt sort; en del af lyset reflekteres og bidrager ikke til opvarmningen. ”Albedo” kalder man målet for jordoverfladens evne til at reflektere lys. Jordens albedo ligger omkring de 30 procent, men der er forskel mellem land og hav, isdækkede sletter og skovområder, årstidernes påvirkning af albedo, osv.
Her følger der i kapitlet en yderst interessant lille udflugt til en alternativ, billig, og overraskende præcis måde at måle Jordens albedo på, der ikke kræver meget mere end et teleskop: “jordskin” (på engelsk: earthshine) er et udtryk, der refererer til, når sollys reflekteres af Jorden og oplyser månens overflade. At bruge den til at beregne Jordens albedo er en metode udtænkt af den franske astronom André Danjon i 1930’erne. Koonin og hans kolleger validerede Danjon’s metode ved at sammenligne med satellitmålinger, og kunne bekræfte metodens korrekthed.
Ved at kende Jordens albedo (taget som gennemsnitsværdi over kloden og daglige og sæsonbestemte cyklusser), kan vi bestemme dens ligevægtstemperatur ved at balancere det absorberede sollys mod den infrarøde afkøling og får -18°C som resultat. Atmosfærens drivhusgasser ”fanger og slipper” den udgående infrarøde varmestråling, hvilket har samme effekt som et isolerende tæppe (selvom der ikke er tale om en mekanisk barriere); varmestrålingen spredes i alle retninger og bidrager til ”mere” varme og en højere temperatur på jorden. Dette kaldes atmosfærens drivhuseffekt. I sidste ende vil dog al stråling forlade atmosfæren, så der opstår ligevægt mellem ind- og udstråling.
De relevante drivhusgasser er vanddamp, kuldioxid, metan, nitrogenoxid og ozon, som tilsammen ”fanger og spreder” 83% af den infrarøde varmestråling. Vanddamp er den vigtigste drivhusgas. Kun gennemsnitligt 0,4% af alle atmosfæriske molekyler er vandmolekyler – men vanddamp står for mere end 90% af drivhuseffekten (mere end 90% af de 83% infrarød varmestråling, der fanges og slippes).
Kuldioxid står for 7% af drivhuseffekten. I modsætning til vanddamp er den atmosfæriske kuldioxidkoncentration nogenlunde den samme overalt på jorden. Selvom den største del af kuldioxiden er naturligt opstået, hersker der ikke nogen tvivl om, at menneskelig aktivitet øger kuldioxidkoncentrationen, primært pga. afbrænding af fossile brændstoffer. Siden 1750 er koncentrationen steget fra 0,0280% (280 parts per million eller ppm) til i dag 0,0420% (420 ppm). Denne stigning har medført en forøgelse af varmestrålingen, der fanges og spredes, fra 82,1% til 82,7%. En fordobling af 1750 værdien til 560 ppm ville øge andelen til 83,2% under skyfrie betingelser.
Hvordan kan en sådan koncentrationsstigning på kun 2,8 molekyler per 10.000 have en så stor effekt? Svaret ligger i, at varmestrålingen har et spektrum over flere bølgelængder (se fig. 2), som drivhusgassernes molekyler modificerer forskelligt! Helt uden drivhusgasser ville strålingen til rummet have et spektrum som vist af den blå kurve i fig. 2 – det svarer til Stefan-Boltzmann-lovens fysik. Vanddamp spreder kun bestemte bølgelængder – men det gør den med meget høj effekt! Netop derfor vil en højere koncentration af vanddamp ikke udløse en større effekt. Tænk på en sortmalet vinduesrude. Maler du mere sort farve over ruden, blokerer den heller ikke mere lys end før.
Det samme gælder dog ikke kuldioxid. Den ”spreder” andre spektrumsbølgelængder end vanddamp, hvor få molekyler udvikler en stor effekt (tænk det som den første sortovermaling af ruden). I Fig. 2 ses hvor stor en effekt den ”første sorte overmaling” har, nemlig arealet mellem den grønne kurve (uden CO2) og den sorte kurve (CO2-koncentration 400 ppm). Tilsammen reducerer alle drivhusgasser uden CO2 afkølingen i strålingsbalancen med 12,1%. (grøn kurve i fig. 2). Men med CO2reduceres afkølingen yderligere med 7,6%, som vist i fig. 2 (sort kurve, svarende til en koncentration på 400 ppm). Ved en fordobling til 800 ppm i kuldioxidkoncentrationen kan der lægges 0,8% til i reduceret afkøling (rød kurve i fig. 2). Det svarer igen til at male sort farve over en allerede sortmalet vinduesrude – det gør næsten ingen forskel. Sammenhængen mellem koncentration og effekt er altså nonlineær.
At forudsige noget med sikkerhed om kuldioxidkoncentrationen og dens påvirkning af klimaet er desværre ikke så ligetil, fordi der spiller mange andre faktorer ind – både naturlige og menneskelige. Blandt de menneskelige faktorer kan udledning af metan nævnes. Metan er også en potent drivhusgas på lige fod med kuldioxid.
Ikke alle industrielle udledninger fører til opvarmning. Aerosoler er små partikler i luften, der stammer fra afbrænding af kul af mindre kvalitet eller fra forbrændingsanlæg uden tilstrækkelig filtrering. Aerosoler reflekterer sollyset og bidrager til skydannelse. Sammen med ændringer i landbrug (såsom skov omdannet til landbrugsjord) er nettoeffekten af aerosoler en forøget albedo, der fører til en afkøling som ca. halverer opvarmningseffekten fra den menneskelige udledning af drivhusgasser.
Aerosoler kan også stamme fra vulkanudbrud, hvor partikler der bliver katapulteret op i stratosfæren, kan reflektere sollyset i flere år. Da Mt. Pinatubo gik i udbrud i 1991 faldt jordens gennemsnitstemperatur med ca. 0,6°C i de efterfølgende 15 måneder.
Og så varierer også selve sollysets energi – endnu en naturlig faktor, som vi skal kende og tage højde for.
Energien der absorberes (og udstråles igen) er på ca. 239 W/m2 (watt pr. kvadratmeter). Den menneske-producerede del af udstrålingen er 2 W/m2. Jordvarmen fra, for eksempel, undersøiske vulkaner eller varme kilder, bidrager kun med 0,09 W/m2, selvom smeltning af havis og gletsjere pga. vulkanisme kunne udøve en indirekte effekt på varmeudstrålingen.
Al varme, der genereres fra forbrænding af fossile brændstoffer og nukleart materiale, beløber sig kun til 0,03 W/m2, dvs. 10.000 gange mindre end den naturlige varmeudstråling, og 100 gange mindre end alle andre menneskelige indflydelser.
Summen over de menneskelige og naturlige indflydelser på klimaet er vist i fig. 3. Vi kan se væksten i drivhusgasopvarmningen (grøn kurve), og at denne delvist er blevet opvejet af voksende aerosolafkøling. Den episodiske afkøling ved store vulkanudbrud er tydelig. Vi kan også se, at den samlede menneskelige påvirkning før 1950, var mindre end en femtedel af, hvad den er i dag.
Det faktum, at menneskelig påvirkning i øjeblikket kun udgør 1 procent af den energi, der strømmer gennem klimasystemet, har vigtige konsekvenser, og betyder, at der er meget at forstå. For brugbart at måle den menneskelige påvirkning og dens virkninger er vi nødt til at observere og forstå de større dele af klimasystemet (de øvrige 99 procent) med en præcision på bedre end 1 procent. Små naturlige påvirkninger skal også forstås med den samme præcision, og vi skal være sikre på, at der tages højde for dem alle sammen.
Danish
Tak for en spændende artikel, men det er vigtigt at være så korrekt og fuldstændig som muligt i informationen om klimaet.
1. Der står i et af de første afsnit. ”Jordens temperatur er et resultat af balancen mellem opvarmning fra sollys, og afkøling fra varme der udstråles tilbage til rummet.” Det er meget forenklet fysik. Udover at opvarme bruges en del af solenergien til fotosyntesen. I biosfæren er der utallige naturlige energiforbrugende og energiproducerende processer, der må tælles med i jordens energibalance og et vældigt energireservoir i oceanerne. Menneskers teknologiske aktiviteter, inklusive aktivering af fossile energiforekomster, bebyggelser, infrastrukturer, erhverv bruger og producerer el og varme, der naturligvis især skaber lokale temperaturstigninger i luft- og vandmiljøet. Med mere, med mere… aerosoler er nævnt!
2. En bagatel måske: Der listes en række drivhusgasser, som anses relevante, bl.a. ”kuldioxid”, der er ukorrekt fagsprog. I stedet skulle det have været ”carbondioxid”. Den populære danske betegnelse for grundstoffet carbon er på dansk ikke ”kul”, men ”kulstof”. Carbondioxid er i overensstemmelse med Dansk Standard, Kemisk Forenings- og den internationale nomenklatur og samtidig forklarer det korrekte navn udenforstående, hvorfor molekylformlen er CO2 og ikke KO2. Der listes også metan, CH4, dinitrogenoxid, N2O, eller menes der nitrogenoxider? Man savner de meget potente og langt-levende fluorcarboner, som ikke bruges så meget mere, men bl.a. emitteres fra aluminiumindustrien og forbrænding af fluorholdigt affald. Det fremgår heller ikke af artiklen, hvordan drivhusgassernes forskellige levetider er inkluderet, og attribution%er er udregnet.
Kuldioxid kan man dog finde som hovedopslagsord for CO2 i Den store Danske.
https://denstoredanske.lex.dk/kuldioxid
“Energien der absorberes (og udstråles igen) er på ca. 239 W/m2”
Det er jo netop et af de problemer som bl.a. astrofysikeren Joseph Postma har bemærket. Energien fra solen kan nemt regnes ud og er faktisk 1360 W/m2 men i forklaringen på drivhusgasteorien dividerer man den med 4 som om al energi fordeles ud over planeten med det samme, hvilket jo ikke er, hvad der sker i virkeligheden. Desuden svarer de 239 W/m2 til -18 grader C, hvilket ikke er i stand til at skabe vejr som fx cumulusnimbusskyer om sommeren o.s.v.
Udstrålingen kan måles og er blevet målt. Indstrålingen (og spektrum) af sollyset måles også, desuden med høj præcision. Kuldioxidmolekylernes (+ andre drivhusgassers) evne til at interagere med infrarød varmestråling kan måles. Albedo kan måles. Så vidt så godt. Resten er anvendelsen af en model – og her er SB-modellen simpel at bruge. Men som alle modeller er der modelantagelser, hvilke kan føre til, at resultatet bliver mere usikkert. En antagelse er, for eksempel, at behandle jordoverfladen samt atmosfæren som en “pandekage”, hvor tilbagestrålingen i virkelighed foregår fra mange forskellige lag, en pandekagestabel, hvis du vil. En anden antagelse er, at sollysets intensitet og spektrum altid er det samme – hvilket de ikke er. Skyfri himmel, endnu en antagelse.
Der findes også helt andre modeller. Postma har udviklet en model, og der findes fysikere, der arbejder med modificerede SB-modeller der har flere lag indbygget.
Koonin går egentlig ikke så meget i forsvar for strålingsbalancen – han viser os de ting, vi faktisk kan måle, og gør opmærksom på, hvor stor en indflydelse de andre faktorer kan have, som vi ikke er gode nok til at estimere.
At dividere med 4 er jo bare i overensstemmelse med at planeten ikke er ‘flad’, men en kugle