Drivhuseffekt
Grundbeskrivelse
Drivhuseffekten virker ligesom et isolerende lag, der medfører, at atmosfæren holder på varmen, som kommer fra Solens energi. Drivhuseffekten forårsages af særlige luftarter (drivhusgasser, såsom vanddamp, CO2, metan), skyer (bestående af mikroskopiske vanddråber og iskrystaller) og aerosoler (partikler) i de nederste 15-20 km af atmosfæren.
Uden drivhuseffekten ville temperaturen på Jordens overflade være -19°C eller endnu koldere. Energien fra Solen alene er altså ikke stor nok til at gøre Jorden beboelig uden drivhuseffekt. Fastholdelsen af energien som bevirkes af drivhuseffekten er ansvarlig for, at den globale middeltemperatur er ca. 14°C, hvilket er med til at sikre, at vores planet er beboelig for blandt andet os mennesker.
Et forenklet billede af, hvordan Jorden og dens atmosfære modtager energi fra Solens stråler. Omkring 30 procent af sollyset reflekteres. Resten af energien opvarmer overfladen og atmosfæren. Jorden kommer af med varme ved at udstråle infrarød stråling mod rummet, men drivhusgasserne fanger en god del af den infrarøde stråling og sender den tilbage mod jordoverfladen. Derved opstår en drivhuseffekt. (Illustration: Marie Dyekjær Eriksen)
Jorden modtager energi fra Solens stråler, men omkring 30% af sollyset reflekteres tilbage til verdensrummet af Jordens overflade og af oversiden af skyerne. Resten af energien absorberes af Jorden, der opvarmes. Jorden afgiver varme ved at udstråle infrarød stråling mod verdensrummet. Men en stor del af strålingen indfanges af drivhusgasserne, der sender det meste af den ned mod jordoverfladen igen, mens resten undslipper til verdensrummet.
Planeten er i strålingsbalance, dvs. at mængden af energien, der modtages og afgives, er lige stor (se dog nedenfor, radioaktive stoffer, tidevand). Fastholdes en større del af den indstrålede energi bevirker det opvarmning af jorden og dette forøger så udstrålingen, altså igen balance. Men den menneskelige påvirkning igennem stigende udledninger af drivhusgasser som CO2 og metan har flyttet systemets balanceværdi, så energien på jorden øges med ca. 0,3% af det tidligere modtagne niveau. Denne ekstra energi er årsagen til det, vi kalder ”global opvarmning” med en række klimaforandringer til følge.
Uddybende beskrivelse
Planeten er i termodynamisk ligevægt. dvs. at Jorden udsender omtrent den samme mængde energi, som den modtager fra Solen. Der er dog en mindre energitilførsel i form af henfalds energi fra radioaktive stoffer, desuden energi fra tidevandet fra månen (både i den faste jord og i vandet). Disse sidste er dog en konstant baggrund.
Indstrålingen fra Solen er synligt lys. 30% af lyset vil blive reflekteret af Jordens overflade og af skyerne. Resten af sollyset vil opvarme jordoverfladen og oceanerne samt for en mindre dels vedkommende også selve atmosfæren. Den opvarmede Jord udstråler varmeenergi i form af infrarød stråling, hvor en lille del ryger direkte ud i rummet, mens resten bliver fanget af drivhusgasser og skyer i atmosfæren.
Drivhusgasser og skyer udsender selv infrarød stråling både opad og nedad, så man ved, at overfladen modtager både den oprindelige stråling fra Solen samt strålingen oppe fra atmosfæren.
Et stærkt forenklet billede af energien i systemet. Jorden modtager energi fra Solen i form af synligt lys. En del af det bliver reflekteret af skyer og overfladen, mens resten opvarmer Jorden. Den opvarmede Jord afgiver infrarød stråling, hvor en lille del ryger direkte ud i verdensrummet, mens resten absorberes af drivhusgasserne og sendes ned mod jordoverfladen igen, hvor den opvarmer Jorden og atmosfæren yderligere. Atmosfæren udstråler varme fra de øverste lag, men en noget mindre mængde, da drivhuseffekten holder på varmen i bunden af atmosfæren. (Illustration: Marie Dyekjær Eriksen)
Atmosfæren er grundlæggende koldere end Jordens overflade, så den infrarøde stråling, der sendes opad til verdensrummet fra atmosfæren, er energimæssigt betydeligt mindre end den infrarøde stråling, der sendes opad fra Jordens overflade. Selvom vi har en varm overflade mister planeten mindre energi til verdensrummet, end den ville gøre uden atmosfærens tilstedeværelse. Dette er essensen af drivhuseffekten.
Stort set alle planeter med en atmosfære har en drivhuseffekt, der er mere eller mindre effektiv, afhængig af atmosfærens sammensætning. F.eks. har Mars en lille drivhuseffekt, da atmosfærens tæthed er for lav til effektivt at kunne holde på varmen. Venus har derimod en voldsom drivhuseffekt, der på et tidspunkt løb løbsk og har bragt Venus’ temperatur op på 462 °C.
De største faktorer i drivhuseffekten er drivhusgasser, skyer og aerosoler.
Drivhusgasser: vanddamp (H2O), kuldioxid (CO2) og metan (CH4). Gassernes molekyler absorberer den langbølgede energi, som kommer fra den opvarmede Jord. De udsender den igen ved endnu længere bølgelængde, fordi atmosfæren er koldere end jordoverfladen.
Stigende mængder af CO2 og metan vil hæve temperaturen, hvorefter vanddampen øges og drivhuseffekten øges endnu mere, hvilket medfører en endnu højere temperatur. Vanddamp fungerer altså som en selvforstærkende effekt – en såkaldt feedback. Feedback fra vanddamp er meget voldsom og giver i sig selv et større bidrag til temperaturstigning end det direkte bidrag fra f.eks. CO2.
Ca. en fjerdedel af den udledte CO2 optages hovedsageligt i oceanerne og en fjerdedel i biosfæren på land (jord, skov og plantevækst). Selvom drivhusgasserne varierer regionalt og efter årstiderne, kan man måle en betydelig stigning, som gradvist vil hæve Jordens middeltemperatur.
Skyer: Består af mikroskopiske vanddråber og iskrystaller. Skyerne har alt i alt en kølende effekt, da de udsender og reflekterer mere energi end de bidrager med til drivhuseffekten. Ca. halvdelen af atmosfærens areal er dækket af skyer, og de er ansvarlige for ca. en fjerdedel af refleksionen af det indkommende sollys. Det er dog usikkert, hvor stor indflydelse den globale opvarmning vil have på dannelsen af skyer på globalt plan. Isbelagte områder har en tilsvarende effekt, det betyder at smeltningen af isområder forøger temperaturstigningen.
Aerosoler: Mikroskopiske partikler i luften (forurening, vulkansk aske, sand og biologiske partikler samt mikroskopiske vanddråber og iskrystaller). Aerosolerne i atmosfæren har en kølende effekt på atmosfæren, da partiklerne reflekterer sollyset i atmosfæren og dermed formindsker mængden af energi, som rammer Jordens overflade. Effekten kan være voldsom hvilket kendes fra store vulkanudbrud f.eks. Mt. Hèléne og den lille istid i 16-1700 tallet.
Marie Dissing Paulsen
Emner
Vælg en kategori
Læs Fysik på NBI
Studiemiljøet på fysik
Termodynamik
Faktaboks
Tilvækst af CO2 og metan
CO2 og metan er naturligt forekommende gasser og deres koncentration i atmosfæren varierer i sammenhæng med forandringer i Jordens klima.
Der er sket en voldsom stigning i mængderne af gasserne i løbet af det de sidste par hundrede år. CO2 er steget ca. 43 % siden industrialiseringens start. Metan er steget med ca. 160% siden 1700-tallet.
CO2 udgør ca. 0,04% af atmosfæren og metan ca. 0,0002%.
Faktaboks
Den energi, som Jorden modtager og afgiver regnes fra toppen af atmosfæren og angives i Watt pr. m2.
Ved toppen af atmosfæren modtager Jorden 340W/m2 fra Solen, hvor 100W/m2 reflekteres af skyerne og af jordoverfladen, specielt hvor den er dækket af is. Den varme, som udsendes fra toppen af atmosfæren til verdensrummet er 239W/m2. Jorden, som opvarmes både af Solens lys og drivhuseffekten, afgiver den 398W/m2.
Drivhuseffekten er defineret som forskellen mellem den infrarøde stråling fra Jorden og det totale infrarøde energitab til verdensrummet. Jordens drivhuseffekt er 398 – 239 = 159W/m2. Dvs. at de 159W/m2 er varme, som drivhuseffekten tilfører atmosfære, så middeltemperaturen kommer til at ligge på ca. 16°C, hvilket er en substantiel varmetilførsel.
Alle tal er cirka-værdier.