Seminarieunderlag 1

Transcription

Seminarieunderlag 1
Miljö och Fysik
Datum 150129
Mikael Syväjärvi
Linköpings universitet
1
Innehåll
1. INLEDNING
3
2. GLOBAL UPPVÄRMNING
3
2.1. Klimatanpassning av världen
5
2.2. Sveriges miljömål
5
2.3. Effekter av global uppvärmning
7
2.4. Växthusgaser
8
2.5. Industriella utsläpp av koldioxid
11
2.6. Kollagring och kvävegödsling
14
2.7. Andra aspekter på koldioxidutsläpp och skog
17
3. NATURLIG OCH FÖRSTÄRKT VÄXTHUSEFFEKT
20
3.1. Strålning
20
3.2. Atmosfären
21
3.3. Strålningsbalans
23
3.4. Metan – en starkare växthusgas än koldioxid?
28
2
1. Inledning
Det här materialet tar upp miljöfrågor och fysiken bakom dessa. Underlaget har
mål att vara skrivet så att den som är intresserad av ämnet ska kunna ta till sig
av innehållet utan att behöva vara expert eller ha djupa fysikkunskaper. Tanken
är att materialet ske ge en översiktsbild av relevanta miljöfrågor som läsaren kan
ta med sig för vidare diskussioner. Materialet kommer att ta upp mer etablerade
miljöfrågor som utnyttjande av naturkrafter, exempelvis vind- och vågkraft, men
även diskutera teknikfrågor som berör det som kallas rena teknologier. Detta är
teknologier som klassas som miljöteknologi genom att de på någon sätt bidrar
till att förbättra miljön på kort eller lång sikt.
2. Global uppvärmning
Det första man kanske tänker på när man nämner ordet miljöfråga är global
uppvärmning. De flesta känner förmodligen till att med global uppvärmning så
menas en ökning av temperaturen på jorden. Närmare bestämt så handlar det
om uppvärmningen i atmosfären nära jordens yta och haven. Under 1900-talet
steg medeltemperaturen med ca 0.6-0.7 grader. Grafen nedan visar den
konstaterade globala temperaturökningen sedan man kunde börja göra
tillförlitliga mätningar i mitten av 1800-talet. Rent generellt sker förändringar av
temperaturen på jorden på grund av mer eller mindre periodiska naturliga
processer. Det både forskas och debatteras om orsaken till dessa, men
variationerna av temperaturen förväntas hålla sig runt ett konstant medelvärde.
Under det senaste århundradet har dock medeltemperaturen ökat. I september
2013 kom den första delrapporten av FNs senaste klimatrapport.
Uppvärmningen av klimatsystemet är otvetydig och många av
de observerade förändringarna sedan 1950-talet har inte
förekommit under de senaste tiotals till tusentals åren.
Atmosfären och världshaven har blivit varmare, mängden snö
och is har minskat, havsnivåerna har stigit och halten av
växthusgaser har ökat. 1
1
Svensk översättning gjord av Naturvårdsverket.
3
o
Temperaturvariation [ C]
1
0.5
0
-0.5
-1
1840
1880
1920
1960
2000
Årtal
Global temperaturökning där nollvärdet är vald som medeltemperaturen 1961-1990, data
från Climatic Research Unit, UK.
Den mest accepterade, och samtidigt debatterade förklaringen, är att
temperaturökningen orsakas av människans handlingar och främst genom
utsläpp av växthusgaser. Enkelt beskrivet så värmer solen upp jorden genom
solstrålning, och jorden släpper ut en del av värmen tillbaka i rymden i form av
infraröd strålning. Det uppstår en naturlig energibalans. När växthusgaser lägger
sig som ett täcke runt jorden, så hindras värmen från jorden på sin väg ut och
jorden blir varmare.
I en rapport år 2007 från FNs klimatpanel (IPCC - Intergovernmental Panel on
Climate Change), som verkar för att ge underlag till beslutsfattare inom
miljöfrågor, fastställs att koldioxidhalterna under 2005 låg långt över naturliga
variationer under de senaste 650000 åren. Enligt prognoser i rapporten
förväntas medeltemperaturen öka med 1.8 till 4.0 grader till år 2100.
Uppvärmningen är inte lika jämn över hela jorden, ökningarna blir störst över
land och på norra halvklotet. Klimatpanelen fastslog att om den genomsnittliga
temperaturökningen inte ska bli mer än två grader så måste de globala
4
koldioxidutsläppen börja minska senast år 2015 och minska med mellan 50 och
85 procent fram till år 2050. Rapporten av FNs klimatpanel gavs ut 2007, och en
kompletterande rapport gavs ut 2009 av Regeringskansliet 2 . Klimatpanelens
studier täckte fram till år 2006. Kommissionen för hållbar utveckling har därför
bett om en uppdatering och den nya rapporten från 2013 visar bland annat att
ökningstakten av växthusgaser är högre än tidigare.
2.1.
Klimatanpassning av världen
De olika länderna har olika mål som måste uppfyllas när det gäller
koldioxidutsläpp. Det kommer ständigt beräkningar om hur mycket
klimatanpassning skulle kosta. Med klimatanpassning menas de åtgärder som
görs för att anpassa samhället till klimatförändringar som vi ser idag och sådana
som vi inte kan förhindra i framtiden. I Sverige finns Klimatanpassningsportalen,
som är ett samarbete mellan flera myndigheter, där man kan läsa mer om det
som sker i Sverige3. Som en del av detta så har Sverige miljömål.
2.2.
Sveriges miljömål
I Sveriges miljömål 4 skall klimatpåverkan begränsas utan kompensation för
koldioxidupptag i kolsänkor och så kallade flexibla mekanismer. En kolsänka
binder kol, exempelvis i hav eller växtlighet. Skogen är en viktig del av
växtligheten. Avhuggning påverkar därför kraftigt skogens möjlighet till att binda
kol. Flexibla mekanismer är olika former för utsläppshandel med växthusgaser.
De svenska utsläppen av växthusgaser skall, som ett medelvärde för perioden
2008-2012, vara minst 4 % lägre än utsläppen år 1990.
2
Markku Rummukainen och Erland Källén, 2009: Ny klimatvetenskap 2006-2009, Kommissionen för hållbar
utveckling, Regeringskansliet.
3
www.klimatanpassning.se
4
www.miljomal.se
5
Sveriges riksdag har beslutat om 16 stycken miljömål 5. Dessa är:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
5
Begränsad klimatpåverkan
Frisk luft
Bara naturlig försurning
Giftfri miljö
Skyddande ozonskikt
Säker strålmiljö
Ingen övergödning
Levande sjöar och vattendrag
Grundvatten av god kvalitet
Hav i balans samt levande kust och skärgård
Myllrande våtmarker
Levande skogar
http://miljömål.se
6
13.
14.
15.
16.
Ett rikt odlingslandskap
Storslagen fjällmiljö
God bebyggd miljö
Ett rikt växt- och djurliv
Som en reaktion på klimatpanelens rapport så finns nu förslag på hur de svenska
utsläppen ska minska till 2020 på kort (år 2020) och lång (år 2050) sikt. De
kortsiktiga målen bör minska de svenska utsläppen med 40 procent fram till
2020. På lång sikt så utarbetas en klimatfärdplan6 med förslag på att inte ha
några utsläpp till år 2050. Förslaget ska komma till november 2015.
2.3.
Effekter av global uppvärmning
Vilka effekter kan då den globala uppvärmningen ge? Några scenarion är att
stora gräsområden kan förvandlas till öknar, isområden kan smälta, vindar och
havsströmmar kan ändra riktning och i sin tur ge följdeffekter, havsytorna stiger
och dränker kustnära områden.
Stora isområden kommer ständigt upp i klimatdiskussionen, främst de som finns
vid nord- och sydpolen. Dessa enorma områden med stor yta reflekterar
6
http://www.regeringen.se/sb/d/108/a/237993
7
strålning. Om dessa ytor blir mindre så minskar följdaktligen den reflekterade
strålningen och bidrar till en ökad temperatur genom en minskad
värmeavgivning som sker genom jordens strålning ut i rymden. Den
reflekterande effekten har ett eget namn, albedo, som används inom fysik,
meterologi och astronomi. Albedo räknas som den andel av rakt infallande ljus
som återkastas av en yta eller en kropp. Värdet som en yta eller kropp har beror
på dess sammansättning. Exempelvis har nysnö ett albedo på 0.9 och hav har
ett värde på 0.06, d v s 90% respektive 6% av strålningen reflekteras för nysnö
och hav. Därför är isområden viktiga för att reflektera solstrålning.
Havsnivån förväntas stiga om den globala uppvärmningen fortsätter.
2.4.
Växthusgaser
En växthusgas är en gas som bidrar till växthuseffekten, exempelvis koldioxid,
freoner, kväveoxid, metan, vattenånga och ozon. Koldioxid bildas vid de flesta
förbränningar av kolföreningar i syremiljö. Freoner är föreningar av kolväten
med flor, klor och brom och som användes som kylmedium. Men idag har de
8
mer eller mindre har fasats ut inom sina tillämpningar till fördel för bättre
alternativ eftersom de kan bidra till att minska ozonskiktet. Vid förbränning i luft
bildar kväve och syre kväve(mono)oxid vid höga temperaturer och höga tryck.
Det sker främst från förbränningsmotorer eller förbränning i kraftverk.
Kväveoxiden kan i sin tur reagera med syre för att bilda kvävedioxid som
medverkar tillsammans med kolväten och sot för att bilda marknära ozon.
Metan bildas vid nerbrytning av organiska material som avföring och urin från
människor och djur, samt existerar som en andel i naturgas vilket är en
blandning av gaser i jordskorpan. Ozon är en gas av tre syreatomer som är giftig
för människan, men som i atmosfären skyddar mot skadlig ultraviolett (UV)strålning. Freon och andra gaser som bryter ner ozon har tunnat ut ozonlagret,
men med minskade utsläpp kan ozonskiktet återställas eftersom syre övergår till
ozon när det utsätts för UV-strålning.
Koldioxid, metan och ozon är de viktigaste gaserna när det gäller växthuseffekt.
Gaserna kan stanna kvar tiotals år i atmosfären. De hinner då fördela sig över
hela jordklotet. Deras påverkan blir på en global nivå, även om de direkta
källorna är ojämnt fördelade över jordklotet.
Koldioxid är en molekyl av kol och syre, den kemiska beteckningen är CO2. Gasen
är färglös, lite tyngre än luft och inte brännbar. Koldioxid är den produkt som
9
blir kvar vid all oxidation av kol och kolföreningar med luft eller syre. Kol bildas
till stor del vid förbränning av ved, kol och petroleum i luft. Koldioxid används
som kylmedel, exempelvis i livsmedelsindustrin, eftersom den är lätt, inte
lämnar några rester efter förgasning och inte är giftig. Den används även som
skyddsgas för att undvika att få in luft vid förpackning av livsmedel.
Gas
Andel %
Kväve
78.08
Syre
20.95
Argon
0.93
Koldioxid 0.038
Neon
0.002
Helium
0.0005
Metan
0.0002
Halten av koldioxid i atmosfären har ökat cirka 30% under de senaste 250 åren.
Förbränning av fossila bränslen ger ett stort tillskott av koldioxid. FNs
klimatpanel uppskattar att ungefär 75% av den ökade halten av koldioxid beror
på människans industrialisering, och resten från variation i markanvändning.
Forskning pågår för att försöka reducera koldioxid till kolmonoxid som är en
industriellt användbar molekyl. Detta sker bland annat med hjälp av synligt ljus
och olika enzymer. Svårigheten är att hitta metoder som inte kräver mycket
energi, och på sikt hitta organismer som kan reducera gasen.
10
Metan har ökat med uppskattningsvis 150% under de senaste 250 åren. Det är
oklart varifrån utsläppen ökar, men de kommer från biologiska aktiviteter. Vissa
former av jordbruk som risodlingar och kreatursuppfödning ger stora utsläpp av
metan till atmosfären. Eftersom metan finns som en del i naturgas, kan spill från
hanteringen av naturgas vara en orsak till att metanhalten ökar.
2.5.
Industriella utsläpp av koldioxid
Industrins koldioxidutsläpp kommer främst från förbränning av fossila bränslen,
men även från stålindustrins masugnar och cementtillverkningsprocesser.
Utsläpp av koldioxid från industrin i Sverige uppgick 2005 till 15,1 miljoner ton.
Det motsvarar drygt en tredjedel av de svenska utsläppen.
11
Utsläppen ökar med utökad industrialisering.
Vid masugnar reduceras järnmalm till järn med hjälp av kol. Eftersom stål är en
legering av järn med upp till 2% kol så uppkommer de största utsläppen vid
rening av järnmalm. Järnmalmen består av olika järnoxider. När man blandar
12
järnmalmen med kol i en masugn så får man bort syret när två syreatomer
förenar sig med en kolatom och bildar koldioxid, och lämnar kvar råjärn som
förädlas till stål. Men kolet förbränns inte fullständigt. Mycket energi finns i
restgaser, framförallt vätgas och kolmonoxid.
Järnmalm består av ett eller flera av mineraler. Den finns i olika geologiska
formationer och har bildats under lång tid. De viktigaste är bandade järnmalmer
och apatitjärnmalmer, av vilka de flesta bildades för runt två miljarder år sedan.
Dessa malmer innehåller mellan 50 och 70 viktprocent järn och består av
magnetit (svartmalm) och hematit (blodstensmalm). Järnhalterna i jordens inre
är betydligt högre än på jordskorpan, och järnhalten på jorden är cirka 35 % av
jordklotets totala massa. Eftersom järn lätt förenar sig med andra grundämnen,
främst syre och svavel, är det inte vanligt med rent järn. Världens reserver av
järnmalm uppskattas till drygt 290 200 miljoner ton med ett järninnehåll av ca
110 000 miljoner ton.
Vid SSABs masugnar i Luleå och Oxelösund släpps runt 5.9 miljoner ton koldioxid
per år. Försök pågår att återföra de brännbara gaserna till masugnen. Med en
sådan recirkulation kan man spara 25 procent kol och så minska
koldioxidutsläppen med lika stor del. Ännu återanvänds inte avgaserna eftersom
de innehåller för mycket kvävgas och koldioxid. Vid försöken provar man att
använda syrgas i stället för luft för att bli av med kvävet, och skilja av koldioxiden
innan gasen återförs till masugnen. SSAB står för elva procent av Sveriges
koldioxidutsläpp. Om man lyckas avskilja koldioxiden och kan komma på hur den
ska slutförvaras så minskar utsläppen nästan till noll.
13
Källa: Energimyndigheten, Ny Teknik okt 2008
SSAB Luleå, Lulekraft
stål
SSAB Oxelösund
stål
Preem Scanraff
olja
Cementa Slite
cement
Fortum Värtan
värme
LKAB Kiruna
malm
Preem Raffinaderi
olja
Shell Raffinaderi
olja
Cementa skövde
cement
Mälarenergi Västerås
värme
0
2
4
6
8
10
Utsläpp koldioxid [miljontals ton]
2.6.
Kollagring och kvävegödsling
Koldioxidutsläppen kan bli mindre genom att man binder mer kol i marken. Ett
alternativ som diskuteras är kvävegödsling. Ökad kollagring i skogsmark genom
kvävegödsling studeras eftersom den naturliga omsättningen av koldioxid är
uppskattningsvis tio gånger större än de globala utsläppen av koldioxid från
fossila bränslen.
Utöver förbättrad teknik så kan kvävedioxidutsläppen minskas genom
kvävegödsling av skog, vilket är ett debatterat ämne. Kvävegödsling medför att
mer kol lagras i skogsmark genom att sakta ner nedbrytningen av döda
växtdelar. Kväve förändrar ämnesomsättningen hos mikroorganismer som
sköter nedbrytning av organiskt material där de kommer åt kol och kväve.
Koldioxid släpps ut under nedbrytningsprocessen. Det organiska materialet blir
svårare att bryta ner genom den ändrade ämnesomsättningen och processen
bromsas upp.
Kväve påverkar nedbrytningen dels genom att döda växtdelar till att börja med
får en högre kvalité för mikroorganismerna och nerbrytningen sker snabbare,
14
vilket till en början ger mer koldioxid, men dels genom mikroorganismerna får
direkt tillgång till kväve. De behöver då inte utvinna lika mycket kväve från
växterna, vilket ger mindre koldioxid. Nerbrytningen saktar då ner och mer kol
stannar kvar i marken.
Mer kol lagras genom en ökad produktion av växtmaterial genom kvävegödsling.
Växterna består till stor del av kol som tas från koldioxiden i luften. Eftersom
växterna är begränsade av tillgången på kväve i sin tillväxt genom fotosyntesen,
så medför ökad kvävegödsling en ökad tillväxt. I fotosyntesen utvinner växterna
energi från koldioxid och vatten med hjälp av solljuset. Vattenmolekylerna delas
upp i väte och syre. Syret går ut i luften och vätet förenas med koldioxid för att
bilda glukos som omvandlas till näring i växtens celler. Som resultat får
kvävegödsling skogen att växa snabbare, vilket i sin tur ger ökad
skogsproduktion, men det finns även risk för övergödning eftersom kväve redan
15
tillförs genom nerfall av luftföroreningar från industrier. En ökad lagring av kol i
biomassa, mark eller vatten kallas kolsänka.
Övergödning börjar med att mer kväve och fosfor kommer ner i ett vattendrag
än vad som är naturligt. Övergödning sker främst genom kväve och fosfor, och
dessa ämnen finns ju naturligt i olika kemiska föreningar i marken och i vattnet.
Eftersom både kväve och fosfor fungerar som gödningsmedel börjar alger och
andra växter i vattnet att växa kraftigt. När algerna och växterna så småningom
dör så faller de till botten och de börjar brytas ner. Om det är väldigt gott om
växter kan det bli syrebrist i vattnet och då är det väldigt få småkryps- och
fiskarter som klarar sig. I sjöar och hav leder övergödning till syrgasbrist och
ökad algblomning. Till slut kan en övergödd sjö växa igen helt.
En avverkning med efterföljande markberedning medför bland annat att mer
koldioxid och kväve avges till luften eftersom marken friläggs. Detta skyndar på
nedbrytningen i marken. När skogen växer upp så binder den mer kol än den
avger. Om marken däremot används för energigrödor så tar det många år innan
utsläppen av koldioxid har arbetats in.
16
I början av 2011 presenterades forskningsrön om att sjöar, dammar och
vattendrag ger ifrån sig mer av växthusgasen metan än tidigare känt 7 .
Metanutsläpp från sjöar och vattendrag har alltid ägt rum. De är naturliga och
utgör inget miljöhot, men deras gasutsläpp är svåra att beräkna och har varit
dåligt kända. Forskningen visar att ett litet kontinuerligt utsläpp sker hela tiden
från ytan, men betydligt större utsläpp kommer plötsligt. Dessa sker med
oregelbundna mellanrum, metan bubblar upp från bottnarna till atmosfären i
stora mängder på bara några sekunder. Data baserades från 474
sötvattensystem, och visar att utsläppen av metan från världens sötvatten
motsvarar 25 procent av den koldioxid som naturen på jordens landområden
binder. Eftersom metan ger en mycket starkare växthuseffekt per molekyl än
koldioxid så innebär forskningsrönet att den växthusgassänka som skogar och
andra landekosystem utgör är betydligt mindre än vad man trott.
2.7.
Andra aspekter på koldioxidutsläpp och skog
7
“Freshwater Methane Emissions Offset the Continental Carbon Sink”, David Bastviken, Lars J. Tranvik, John A.
Downing, Patrick M. Crill, Alex Enrich-Prast, Science 331 (2011) 50.
17
Massaved från skogen kan även användas för att framställa biogas utan att
påverka flödet av materialvolymerna. Med en investering på 75 till 100 miljoner
kronor skulle massabruk kunna ställa om sina processer så att de kan tillverka
biogas utan att det påverkar massaproduktionen. Detta skulle vara möjligt
genom att ta ut organiskt restmaterial tidigt i processen och använda den för att
tillverka biogas. Produktionstekniskt handlar det om att gå in i hjärtat på
massaprocessen, där de levande organismerna finns så att det blir en syrefri
nedbrytning av organiskt material.
Massaved som används vissa massaframställning kan ge tallolja, som i sin tur
kan användas som biobränsle. Enligt en studie från 2008 av 21 svenska bruk om
deras såpahantering och talloljekokning som genomfördes av
Ångpanneföreningen och Värmeforsk så har Svenska massabruk potential att
öka sin produktion av tallolja med tio procent, motsvarande 290 gigawattimmar
energi om året. Undersökningen visade att det är mycket stor variation i
talloljeproduktionen vid de svenska bruken. Som mest utvanns 67 kilo tallolja
per ton pappersmassa, och som minst tio kilo. Variationen beror bland annat på
andelen tall i brukets råvara av ved, hur länge veden lagras och hur processerna
ser ut. Men även vilken breddgrad bruket ligger påverkar talloljeproduktionen,
och ju högre upp i landet bruket befinner sig, desto högre är
talloljeproduktionen. Träden som används vid bruk längre norrut har växt
långsammare och innehåller mer tallolja. För att få ut så mycket tallolja som
möjligt ska bruken bland annat ha en hög andel tall som råvara och korta
lagringstider av veden. I April 2010 invigdes världens första talldieselfabrik, som
producerar råtalldiesel från råtallolja, i Piteå.
Studier av fönster och möbler av trä genomförd av Trä- och
Möbelindustriförbundet (TMF) visar att även de binder koldioxid, och som
släpps lös först när fönstret eller möbeln återvinns. Runt 1.65 miljoner ton
koldioxid binds i träfönster enligt förbundets rapport från slutet av 2008. TMF är
bransch- och arbetsgivarorganisationen för den träförädlande industrin och
möbelindustrin i Sverige, och företräder cirka 800 medlemsföretag med över 30
000 anställda.
I takt med att utsläpp av koldioxid har ökat från 2 miljarder ton/år (år 1850) till
nuvarande 35 miljarder ton/år så har många klimatforskare befarat att de
naturliga koldioxidsänkorna såsom skog och hav skulle mättas. Detta skulle på
18
sikt kunna leda till en markant ökning av koldioxid i atmosfären. I en studie
baserad på statistisk data av Dr. Wolfgang Knorr vid Bristol University
(Geophysical Research Letters, Nov 2009) så visar utvärderingen att halten
mellan koldioxid i luften och den som absorberats i marken är nästintill
oförändrad (+0.7 ±1.4% per årtionde) sedan 1850. Rent statistiskt så har det
enligt studien inte skett någon förändring av den koldioxid som marken kan
fånga in. Om studien stämmer så betyder det att mer koldioxid kan lagras i
marken när utsläppen blir högre.
19
3. Naturlig och förstärkt växthuseffekt
För att förstå växthuseffekten så måste vi beskriva strålning och atmosfären.
3.1.
Strålning
Temperaturen på jorden hålls i balans genom naturliga processer. Rent
fysikaliskt strålar det in energi i form av strålning från solen. Strålningsenergi
från jorden strålar ut i rymden. Dessa bildar en energibalans. Andra fysikaliska
värmeöverföringar som konvektion (som ges av rörelser av gaser eller vätskor),
ledning eller avdunstning sker inte eftersom jorden är isolerad i vakuum.
Strålningen från solen består av synligt ljus, UV-strålning och infraröd (IR)strålning. En del av denna strålning reflekteras högt uppe i atmosfären och
resterande del växelverkar med jorden på olika sätt så att jorden värms upp,
eller reflekteras.
Elektromagnetisk strålning kan ses som vibrationer eller darrningar i elektriska
och magnetiska fält. Man kan beskriva strålningen som vågor som breder ut sig
i ett medium. Elektromagnetisk strålning i våglängdsintervallet 400 - 700
nanometer kan uppfattas av människans öga och kallas vardagligen för synligt
ljus. De olika färgerna har olika våglängd, det vill säga avståndet mellan två
liknande delar (exempelvis två vågtoppar) varierar. Våglängden brukar
betecknas med den grekiska bokstaven λ (lambda) och i synliga områden är
avståndet mellan topparna 400-700 nanometer, där 1 nanometer är en
miljondel av 1 mm. Ljus som har en våglängd nära 400 nanometer upplevs som
violett ljus. Med ökande våglängd blir ljuset blått och sedan grönt, och fortsätter
sedan till gult, orange och rött. Det skiljer sig hur vi uppfattar färgerna, och det
finns ingen tydlig gräns mellan de olika färgerna.
20
Ljuset från solen innehåller strålning med våglängder som ögat inte kan
uppfatta. Vid våglängder kortare än den violetta delen finns den strålning som
kallas ultraviolett strålning, UV-strålning. Intensiteten av denna strålning
minskar kraftigt när våglängden minskar. Vid våglängder kortare än 100
nanometer är intensiteten av UV strålningen från solen försumbar.
Vid längre våglängder än våglängden för rött ljus finns den infraröda strålningen,
IR-strålning, som även kallas värmestrålning. Intensiteten för denna strålning
hos solljuset minskar med ökande våglängd, men inte lika kraftigt som för UVstrålning. Först vid våglängder kring 1 mm är strålningens intensitet försumbar.
Den största delen av energin från solen kommer i form av infraröd strålning,
denna del motsvarar ca 53% av energin. Den synliga delen av ljuset från solen
utgör 36% och resten, 11%, är UV-strålning.
3.2.
Atmosfären
21
Namnet atmosfären kommer från grekiskan, atmos (ånga) och sfaira (klot). Det
är ett gashölje som omsluter jorden och hålls kvar av jordens gravitationskraft.
Atmosfären består av kväve, syre och argon till drygt 99%. Resten är vattenånga
och andra gaser, bland annat koldioxid och ozon.
Atmosfären finns mellan jorden och solen. Den skyddar från solstrålning som har
våglängd kortare än 300 nanometer, det vill säga den ultravioletta strålning som
är farlig för människan. I atmosfären finns syremolekyler och framför allt ozon
(bestående av tre syreatomer, O3) som mycket effektivt absorberar all strålning
med våglängder kortare än 300 nanometer. Mellan 300 – 400 nanometer
släpper atmosfären igenom strålningen i allt ökande grad och vid 400 nanometer
släpps mer eller mindre all strålning igenom atmosfären.
Ozonmolekylerna är utspridda i hela atmosfären men ligger särskilt tätt mellan
20 och 40 kilometers höjd. Det höjdområdet kallas stratosfären och under den
finns molnen. Ozon bildas med hjälp av solens strålar, där syremolekyler (O2)
delar på sig och en syreatom går ihop med en syremolekyl och bildar O3. Detta
ozon kan sönderdelas tillbaka till en syreatom och en syremolekyl när UVstrålning träffar ozonmolekylen. Energin från UV-strålningen fångas upp av
ozonmolekylen. På så sätt stoppas UV-strålning av ozonskiktet och stora delar
av UV strålningen når inte jorden.
Ljuset från solen sprids av molekylerna i luften. De korta våglängderna sprids
mer än de långa och därför blir himlen blå. På samma sätt sprids UV-strålning.
Spridning av strålning kallas Rayleigh-spridning, som fick sitt namna efter Lord
Rayleigh. På dagen när solen står som högst så är himlen blå. Det beror på att
strålning med olika våglängd sprids av partiklar som är mindre i storlek än ljusets
våglängd. Den synliga delen av solstrålningen är nästan vit eftersom strålningen
innehåller alla färger. Rayleigh-spridning är proportionell mot våglängden, som
ofta betecknas med den grekiska bokstaven λ (delta) som λ-4, det vill säga att ljus
med kort våglängd (som blått ljus) sprids bäst. Det gröna och det röda ljuset som
har längre våglängd kommer att spridas mindre och tränger igenom atmosfären
i en rak bana. Det blå ljuset sprids över himlen cirka fem gånger mer än rött ljus
och ger himlen sin färg på dagen. På kvällen, eller morgonen, när solen står lågt
har solljuset en längre väg att färdas genom atmosfären. Det blå ljuset sprids
och det mesta av det blå ljuset når inte till marken. Ljuset uppfattas som rött
och vi upplever den röda kvälls- eller morgonsolen.
22
Tillsammans med William Ramsay isolerade och identifierade Rayleigh
ädelgasen argon 1894. Rayleigh och Ramsay fick 1904 Nobelpriset i fysik
respektive i kemi, för sina upptäckter av ädelgaserna.
Atmosfären ger även en spridning av IR-strålningen från solen. Vissa gaser är
mer effektiva när det gäller absorption av värmestrålning. Absorptionen av gaser
sker inte vid alla våglängder utan främst inom vissa våglängdsområden. Bland
de gaser som är effektiva finns vattenånga, koldioxid och metan.
3.3.
Strålningsbalans
När värmestrålning, synligt ljus, ultraviolett strålning eller röntgenstrålning
träffar ett föremål absorberas en del av strålningsenergin. Resten av strålningen
antingen reflekteras eller passerar genom föremålet. Strålningen växelverkar
med föremålet och omvandlas till värme, främst genom att föremålets atomer
sätts i rörelse.
En kropp, som byggs upp av atomer, och som är uppvärmd avger energi i form
av strålning som inom fysiken kallas svartkroppsstrålning. Strålningen kallas
även temperaturstrålning eller värmestrålning. Den här strålningen har sin
energi i vissa intervall, eller maximum vid olika våglängder. Eftersom det
temperaturen skiljer sig på olika delar av kroppen så blir det en fördelning av
23
strålningen. En kropp som befinner sig vid rumstemperatur avger strålning i den
djupa delen av det infraröda området. En glödlampa har en temperatur på
ungefär 2500oC. Från denna får vi ljus, det vill säga strålning i det synliga delen
av spektrat, och värme som är strålning i det infraröda området. Ungefär 95%
av strålningen är värmestrålning och resten strålning i det synliga området.
Solen har en temperatur på ungefär 6000oC, och en stor del av strålningen som
sänds ut från solen är i det synliga området.
Vid temperaturer över 700oC börjar en kropp skicka ut strålning i det synliga
området, en kropp ser ut att glöda svagt. Vid fortsatt uppvärmning så övergår
ljuset till gult samtidigt som det blir allt kraftigare i intensitet och blir sedan vitt.
När en kropp blir varmare så blir våglängden kortare.
Svartkroppstrålning vid ökande temperatur [700, 2700, och 5700oC]
Gaser i atmosfären påverkar strålningen från den uppvärmda jorden genom
växthusgaserna. Genom växelverkan med gaser så skickas IR-strålning tillbaka
mot jorden. Denna strålning värmer i sin tur upp jorden ytterligare. Man kan
24
göra beräkningar på strålningsbalans mellan ingående och utgående strålning.
Utan en naturlig växthuseffekt, det vill säga att all strålning från jorden går ut i
rymden, skulle temperaturen vara ca -18oC. Inget liv skulle kunna existera
eftersom allt vatten skulle vara fruset.
Eftersom det finns en naturlig omsättning av gaser, som koldioxid, så finns en
normal mängd av dessa gaser i atmosfären. Gaserna växelverkar med
strålningen som skickas ut från jorden och ger en naturlig växthuseffekt.
Rent fysikaliskt så vibrerar molekylerna i sina normala tillstånd. När de träffas av
IR-strålning börjar de vibrera kraftigare när de fångar upp energin. Eftersom det
inte är ett normalt tillstånd för molekylerna så avger de energi för att återta sina
tidigare tillstånd. De avger då IR-strålning eftersom de avger samma mängd
energi som de fångade upp. Strålningen avges i olika riktningar, och i det
enklaste fallet så avges en del mot solen och en del mot jorden. Det här är
grunden till den naturliga växthuseffekten.
25
Med detaljerade beräkningar som tar hänsyn till IR-strålningen som faller in mot
jorden igen ger att jordens genomsnittstemperatur är ca 15oC. Det fungerar i
princip som ett växthus, där en del av infallande solstrålning reflekteras av
glaset. En stor del av solens strålning släpps dock igenom och absorberas av
växter och mark. Den utgående värmestrålningen från dessa hindras av glaset
och får som följd att växthuset blir varmare. Energi flödar in mot jorden från
solen. Jorden värms upp och avger energi i form av infraröd strålning som i sin
tur växelverkar med atmosfären. Solen och jorden befinner sig i en
strålningsbalans där atmosfären bildar en naturlig växthuseffekt.
I vardagligt tal misstas ibland den naturliga växthuseffekten med den globala
uppvärmningen som är en konstaterad ökning av medeltemperaturen på jorden
under 1900-talet. Den förstärkta växthuseffekten sker på grund av en ökad halt
av växthusgaser, så att den värmestrålning som skickas tillbaka till jorden är
högre än naturligt och värmer upp jorden mer.
26
Utöver växthusgaserna bidrar moln till växthuseffekten eftersom de absorberar
IR strålning liksom växthusgaserna, men även för att de reflekterar solstrålning.
Moln är en ansamling av vattendroppar eller iskristaller i luften. Moln uppstår
när luft kyls så att den blir mättad på vattenånga. Molndropparna bildas genom
att vattenånga kondenserar på små partiklar.
Moln som befinner sig nära marken reflekterar solstrålning tillbaka till rymden
mer än de växelverkar med värmestrålningen från jorden eftersom deras
temperatur ligger ganska nära temperaturen på marken. Höga moln har större
påverkan på växthuseffekten eftersom de har lägre temperatur och utstrålar
mindre värmestrålning mot rymden. De består även till stora delar av iskristaller,
som inte reflekterar solstrålning så effektivt.
27
Låga moln reflekterar solstrålning
Klimatproblemet beskriver att orsaken till jordens uppvärmning är ökade
utsläpp av växthusgaser som följd av industrialiseringen, som ger ökad
återfallande IR-strålning in mot jorden och en ökad temperatur.
3.4.
Metan – en starkare växthusgas än koldioxid?
Metan bildas vid bakteriell nedbrytning av organiskt material i syrefattig miljö, t
ex vid kornas fodersmältning och vid lagring av gödsel och annat biologiskt
avfall. När gasen framställs från reningsverkens rötslam och annat avfall så kallas
den biogas och de stora underjordiska lagren av metan kallas naturgas. Både
koldioxid och metan finns som naturliga delar i olika processer. I vissa artiklar
och debatter så dyker jämförelsen mellan metan och koldioxid upp, och att
metan ska vara en starkare växthusgas än koldioxid. Skillnaden mellan halterna
av metan och koldioxid är att det finns cirka 190 gånger mer koldioxid i
atmosfären än metan. De mängder som kommer till atmosfären har även en viss
livslängd innan de bryts ner, under vilken tid som de bidrar till att skapa
växthuseffekten och förstärkningen av denna. Metan har kortare livslängd i
atmosfären än koldioxid, och därmed bidrar en viss mängd metan till
28
uppvärmningen under en kortare tid. Jämförelsen som leder till att metan ibland
räknas som en starkare växthusgas kommer från att mängden strålning som en
viss gas i atmosfären absorberar beror på vilka andra gaser som ingår.
Vattenånga och koldioxid absorberar i relativt breda delar av den infraröda
strålningen. Metan absorberar inom andra våglängdsområden, vilket gör att
dess relativa bidrag till växthuseffekten kan anses som större. Ett vanligt sätt att
jämföra gaserna är att räkna på effekten under 100 år. Då visar det sig att en
molekyl metan bidrar 25 gånger mer till växthuseffekten än en molekyl
koldioxid. En jämförelse som ofta göra är när man jämför ett kilo koldioxid med
ett kilo metan, och metangasens bidrar kan då ses som större, men bör ställas i
perspektiv till de faktiska halterna i atmosfären.
29