7.2 Jordens energibalanse

Et regnskap som må gå opp

Klimaet på jorden styres av energi fra solen. For å forstå klimasystemet -- og dagens klimaendringer -- må vi forstå hvordan denne energien mottas, fordeles og sendes tilbake til verdensrommet. Det er i bunn og grunn et energiregnskap som må gå i null.

Solen sender ut energi som elektromagnetisk stråling. Mengden som treffer en flate vinkelrett på strålene utenfor atmosfæren, kalles solkonstanten, og er cirka $1361$ W/m². Men fordi jorden er rund og roterer, fordeles denne energien over hele overflaten. Siden en kules areal er fire ganger arealet av tverrsnittet, blir gjennomsnittet $1361/4 \approx 340$ W/m². Det er disse 340 W/m² vi må holde styr på.

Et viktig skille handler om strålingstype. Solstrålingen er kortbølget (0,1--4 mikrometer): UV, synlig lys og nær-infrarødt, som passerer relativt lett gjennom atmosfæren og absorberes av jordoverflaten. Jorden, som er mye kaldere, sender ut langbølget infrarød varmestråling (4--100 mikrometer), som drivhusgassene kan fange opp. Alle objekter stråler ut energi etter Stefan-Boltzmanns lov: $E = \sigma T^4$, der $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}$ W/m²K⁴ og $T$ er temperaturen i Kelvin -- altså stråler varmere objekter ut langt mer energi.

Energibudsjettet og albedo

La oss sette opp regnskapet. For at jordens gjennomsnittstemperatur skal være stabil, må innkommende og utgående energi balansere. Inn kommer det 340 W/m² kortbølget solstråling. Av dette reflekteres rundt 30 % -- cirka 100 W/m² -- rett tilbake til verdensrommet. De resterende 240 W/m² absorberes, og for å holde balansen stråler jorden ut 240 W/m² som langbølget varmestråling. Netto blir null: $340 - 100 - 240 = 0$. Når balansen er null, er klimaet stabilt.

Andelen som reflekteres, kaller vi albedo. Jordens gjennomsnittlige albedo er rundt 0,30. Men den varierer mye etter overflate: snø og is har høy albedo (0,8--0,9), skyer middels (0,5--0,8), mens hav og skog har lav albedo (0,06--0,15). Det er derfor issmelting er så viktig -- når blank, hvit is erstattes av mørkt hav, synker albedoen, mer energi absorberes, og oppvarmingen forsterkes. Albedo er altså en nøkkel til både energibudsjettet og tilbakekoblingene i klimasystemet.

Drivhuseffekten -- den varmende kappen

Nå kommer det avgjørende. Uten atmosfære ville jordens gjennomsnittstemperatur vært cirka --18 grader. Den faktiske temperaturen er rundt +15 grader. Forskjellen på 33 grader skyldes drivhuseffekten -- atmosfærens evne til å holde på varme.

Slik virker den, steg for steg: kortbølget solstråling passerer gjennom atmosfæren, jordoverflaten absorberer energien og varmes opp, jorden sender ut langbølget varmestråling, drivhusgasser absorberer deler av denne strålingen, og gassene sender stråling tilbake mot jorden (motstråling). Resultatet er at jordoverflaten blir varmere enn den ellers ville vært. De viktigste drivhusgassene er vanndamp (størst bidrag, fra fordampning), karbondioksid (nest størst, fra fossilt brensel og respirasjon), metan (sterk effekt, fra husdyr og myr), lystgass og ozon.

La oss regne ut hvor kald jorden ville vært uten denne effekten, gitt albedo 0,30. Absorbert stråling er $340 \times (1 - 0{,}30) = 238$ W/m². Ved likevekt gjelder Stefan-Boltzmanns lov: $\sigma T^4 = 238$, altså $T^4 = 238 / (5{,}67 \times 10^{-8}) = 4{,}2 \times 10^9$, som gir $T = 255$ K $= -18$ grader. Uten drivhuseffekten ville jorden altså hatt --18 grader i snitt, mot dagens +15 -- forskjellen mellom en frossen klode og en levende planet.

Problemet oppstår når effekten forsterkes. Øker konsentrasjonen av drivhusgasser, absorberes og sendes mer varmestråling tilbake, og temperaturen stiger. $CO_2$-konsentrasjonen var rundt 280 ppm før industrialiseringen og er nå over 420 ppm -- en økning på cirka 50 % siden 1750. Kildene er forbrenning av fossilt brensel, avskoging, landbruk og industri. Denne forsterkede drivhuseffekten er hovedårsaken til den menneskeskapte klimaendringen.

Oppsummering

Klimaet styres av jordens energibalanse. Solkonstanten (ca. 1361 W/m²) gir et gjennomsnitt på ca. 340 W/m² over kloden. Av dette reflekteres rundt 30 % (albedo), mens 240 W/m² absorberes og strales ut igjen som langbølget varmestråling, etter Stefan-Boltzmanns lov $E = \sigma T^4$. Når inn og ut balanserer, er klimaet stabilt.

Drivhuseffekten holder jorden rundt 33 grader varmere -- regnestykket viser at den ellers ville vært --18 grader. Vanndamp og $CO_2$ er de viktigste drivhusgassene. Når menneskeskapte utslipp øker konsentrasjonen (CO2 fra 280 til over 420 ppm), får vi den forsterkede drivhuseffekten og menneskeskapt oppvarming.