5.4 Jordas strålingsbalanse og klimaendringer

Jordas strålingsbalanse og klimaendringer

Jordas temperatur bestemmes av balansen mellom innkommende solstråling og utgående varmestråling. Denne balansen er kritisk for jordens klima.

Viktige punkter:
- Jorden mottar energi fra solen
- Jorden stråler energi ut i verdensrommet
- Drivhuseffekten holder jorden varm
- Menneskelig aktivitet påvirker strålingsbalansen

Solstråling og albedo

Solkonstanten

Solkonstanten ($S_0$) er effekten fra solen per kvadratmeter ved jordoverflaten (utenfor atmosfæren).

$$S_0 = 1361 \text{ W/m}^2$$

Betydning:
- Dette er energien som treffer 1 m² vinkelrett på solstrålene
- Faktisk stråling avhenger av solvinkel og atmosfære
- Gjennomsnittlig over hele jorden er mindre

Innkommende solstråling til jorden

Jorden er en kule med radius $r$. Tverrsnittet som mottar sollys er en sirkel med areal $\pi r^2$.

Total innkommende effekt:

$$P_{\text{inn}} = S_0 \times \pi r^2$$

Gjennomsnittlig effekt per m²:

Solstrålingen må fordeles over hele jordoverflaten ($4\pi r^2$):

$$\text{Gjennomsnitt} = \frac{S_0 \times \pi r^2}{4\pi r^2} = \frac{S_0}{4}$$

$$\text{Gjennomsnitt} = \frac{1361}{4} = 340 \text{ W/m}^2$$

Albedo

Albedo ($\alpha$) er andelen av innkommende solstråling som reflekteres tilbake til verdensrommet.

$$\alpha = \frac{\text{Reflektert stråling}}{\text{Innkommende stråling}}$$

Enhet: Ingen (eller prosent)

Jordens gjennomsnittlige albedo:

$$\alpha_{\text{jord}} \approx 0{,}30 = 30\%$$

Betydning:
- 30% av solstrålingen reflekteres
- 70% absorberes av jorden

Albedo for forskjellige overflater:

Absorbert solstråling

Jordas strålingsbalanse

For at jordens temperatur skal være stabil, må innkommende og utgående energi være like.

Utgående stråling

Jorden stråler ut energi som et (nesten) sort legeme med temperatur $T$.

Stefan-Boltzmanns lov:

$$P_{\text{ut}} = \sigma T^4$$

der $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8} \text{ W/(m}^2\cdot\text{K}^4\text{)}$

Strålingsbalanse

Ved termisk likevekt:

$$P_{\text{inn}} = P_{\text{ut}}$$

$$\frac{S_0}{4}(1 - \alpha) = \sigma T^4$$

Jordas likevektstemperatur

Løs for $T$:

$$T = \left[\frac{S_0(1-\alpha)}{4\sigma}\right]^{1/4}$$

For jorden (uten atmosfære):

$$T = \left[\frac{1361 \times 0{,}70}{4 \times 5{,}67 \times 10^{-8}}\right]^{1/4}$$

$$T = \left[\frac{952{,}7}{2{,}27 \times 10^{-7}}\right]^{1/4}$$

$$T = [4{,}20 \times 10^9]^{1/4}$$

$$T \approx 255 \text{ K} = -18 \text{°C}$$

Men:
- Faktisk gjennomsnittlig temperatur på jorden: $T \approx 15 \text{°C} = 288 \text{ K}$
- Forskjell: $288 - 255 = 33 \text{ K}$

Årsak til forskjellen: Drivhuseffekten

Drivhuseffekten

Drivhuseffekten er prosessen hvor atmosfæren absorberer og re-sender ut infrarød stråling, og dermed holder jorden varmere enn den ellers ville vært.

Hvordan fungerer det?

1. Solstråling inn:
- Solen sender ut hovedsakelig synlig lys og UV-stråling
- Atmosfæren er gjennomsiktig for det meste av dette
- Sollys når jordoverflaten

2. Oppvarming av jorden:
- Jordoverflaten absorberer sollys
- Overflaten varmes opp

3. Infrarød stråling ut:
- Jorden stråler ut energi som et sort legeme ved ~288 K
- Ved denne temperaturen er strålingen hovedsakelig infrarød (varmestråling)
- $\lambda_{\text{max}} \approx 10 \text{ μm}$ (infrarød)

4. Drivhusgasser absorberer:
- Drivhusgasser i atmosfæren (CO₂, H₂O, CH₄, N₂O) absorberer infrarød stråling
- Gassene er gjennomsiktige for synlig lys, men absorberer infrarødt
- Energien tas opp av gassene

5. Re-emisjon:
- Drivhusgassene sender ut stråling i alle retninger
- Omtrent halvparten sendes tilbake til jorden
- Halvparten sendes ut i verdensrommet

6. Netto effekt:
- Mer energi holdes nær jordoverflaten
- Jorden blir varmere

Drivhusgasser

Viktigste drivhusgasser:

Drivhuseffekten er nødvendig!

- For kaldt for flytende vann
- Lite eller intet liv
Med naturlig drivhuseffekt:
- Jorden har temperatur ~+15°C

- Flytende vann

- Liv kan eksistere
Problem: Forsterket drivhuseffekt
- Menneskeskapte utslipp øker CO₂-konsentrasjonen
- Sterkere drivhuseffekt

- Temperaturen stiger

Positiv tilbakekoblingsmekanismer

- Mer vanndamp → Sterkere drivhuseffekt
- Enda varmere
2. Is-albedo-tilbakekobling:
- Varmere klima → Is smelter

- Mindre is → Lavere albedo (is har høy albedo)

- Mer solstråling absorberes
- Enda varmere → Mer is smelter
3. Permafrost-tilbakekobling:
- Varmere klima → Permafrost tiner

- Organisk materiale i permafrosten brytes ned
- Frigjør CO₂ og CH₄
- Sterkere drivhuseffekt
- Enda varmere

En enkel atmosfæremodell

Drivhuseffekten kan regnes på med en enkel modell. Atmosfæren erstattes med ett lag som

- slipper gjennom all solstråling,
- absorberer all varmestråling fra bakken, og
- stråler like mye opp som ned.

La $Q$ være solstrålingen bakken absorberer per kvadratmeter. For jorda er $Q = P_{\text{abs}} = 238\text{ W/m}^2$. Merk at $Q$ her er stråling per kvadratmeter, målt i W/m², og ikke varme i joule som i kapittel 5.1 og 5.2. Bakken stråler ut $P_b = \sigma T_b^4$ per kvadratmeter, og atmosfærelaget stråler ut $P_a = \sigma T_a^4$ i hver retning.

Strålingsbalansene

Sett utenfra er det bare atmosfærelaget som stråler ut i rommet. For at jorda skal være i balanse, må det være like mye som det som kommer inn:

$$P_a = Q$$

Atmosfærelaget absorberer $P_b$ fra bakken og stråler ut $P_a$ både opp og ned:

$$P_b = 2P_a$$

Bakken får både solstråling og stråling fra laget:

$$P_b = Q + P_a$$

De tre likningene gir $P_b = 2Q$. Bakken stråler altså ut dobbelt så mye som den får fra sola, fordi halvparten av det den mottar, kommer tilbake fra atmosfæren.

Temperaturene

$$T_a = \left(\frac{Q}{\sigma}\right)^{1/4} \qquad T_b = \left(\frac{2Q}{\sigma}\right)^{1/4} = 2^{1/4}\,T_a \approx 1{,}19\,T_a$$

Atmosfærelaget får samme temperatur som jorda uten atmosfære. Bakken blir omtrent $19\,\%$ varmere, målt i kelvin.

Når atmosfæren ikke absorberer alt

I en bedre modell absorberer atmosfærelaget bare en andel $f$ av varmestrålingen fra bakken, og resten går rett ut i rommet. Laget sender da $\tfrac{f}{2}P_b$ ned til bakken, og balansen for bakken blir

$$P_b = Q + \frac{f}{2}P_b$$

Mer drivhusgass gir større $f$, mer stråling tilbake til bakken og høyere temperatur ved bakken. Med $f = 1$ får vi den enlags modellen over, og med $f = 0$ får vi jorda uten atmosfære.

Klimaendringer

Observerte endringer

Temperatur:
- Global gjennomsnittstemperatur har økt med ~1,1°C siden førindividustriell tid (1850-1900)
- De siste 7 årene (2015-2021) var de varmeste noensinne målt
- Oppvarmingen akselererer

CO₂-konsentrasjon:
- Førindividustriell (1750): ~280 ppm (parts per million)
- I dag (2023): ~420 ppm
- Økning: 50%
- Høyeste nivå på minst 800 000 år (fra iskjerner)

Andre tegn:
- Isbreer smelter globalt
- Havet stiger (~3,3 mm/år)
- Havisen i Arktis reduseres
- Ekstremvær blir hyppigere og mer intense
- Økosystemer endres

Årsaker til klimaendringer

Hovedårsak: Menneskeskapte klimagassutslipp

1. Forbrenning av fossile brensler:
- Kull, olje, naturgass
- Frigjør CO₂ som var lagret i millioner av år
- Største bidragsyter (~75% av CO₂-utslipp)

2. Avskoging:
- Trær tar opp CO₂ (fotosyntese)
- Avskoging reduserer CO₂-opptak
- Brenning av skog frigjør CO₂
- ~10% av utslipp

3. Jordbruk:
- Husdyr produserer metan (CH₄) fra fordøyelsen
- Rismarker produserer metan
- Gjødsel produserer lystgass (N₂O)
- ~15% av utslipp

4. Industri:
- Sementproduksjon frigjør CO₂
- Kjemisk industri produserer diverse klimagasser

Global CO₂-budsjett:

Konsekvenser av klimaendringer

2. Havstigninger:

- 15-30 cm hittil
- Forventet: 0,3-1,0 m ved 2100 (konservativt)
- Kunne bli flere meter ved fullstendig smelting av Grønland/Antarktis
- Truer kystbyer og øyer

3. Ekstremvær:
- Hyppigere og mer intense hetebølger
- Mer intense nedbørsepisoder (flom)
- Tørke i noen regioner
- Sterkere orkaner/sykloner

4. Økosystemer:
- Korallrev blekes og dør
- Dyrearter må flytte eller dør ut
- Endring i vekstsesonger
- Smeltende permafrost frigjør CO₂ og CH₄

5. Mennesker:
- Matproduksjon påvirkes (tørke, flom)
- Vannmangel i noen regioner
- Helseproblemer (varme, sykdommer)
- Migrasjon (klimaflyktninger)

- Økonomiske kostnader
6. Is og snø:
- Isbreer smelter globalt
- Havisen i Arktis reduseres (~13% per tiår)
- Grønlandsisen og Antarktis mister is
- Mindre snødekke

Klimascenarier

- Temperaturøkning: +1,4°C ved 2100

SSP2-4,5: Moderat klimapolitikk

- Gradvis reduksjon i utslipp
- Temperaturøkning: +2,7°C ved 2100
SSP5-8,5: Business as usual (høye utslipp)
- Fortsatt høye utslipp

- Temperaturøkning: +4,4°C ved 2100
Parisavtalen (2015):
- Mål: Holde oppvarmingen "godt under 2°C", sikte mot 1,5°C

- Krever raske og omfattende kutt i utslipp

Løsninger

- Fornybar energi (sol, vind, vannkraft)
- Elektriske kjøretøy
- Energieffektivisering

- Redusere kjøttforbruk

- Beskytte skog
2. Fjerne CO₂ fra atmosfæren:
- Plante skog
- Karbonfangst og lagring (CCS)
- Direkte luftfangst av CO₂
3. Tilpasse seg:

- Bygge flomsikringer
- Utvikle tørkeresistente avlinger
- Flytte infrastruktur fra utsatte områder
Hva kan du gjøre?

- Reduser energiforbruk
- Velg fornybar energi
- Sykl, gå eller bruk kollektivtransport
- Spis mindre kjøtt

- Reduser, gjenbruk, resirkuler
- Stemm på partier med ambisiøs klimapolitikk