3.1 Atmosfæren og solinnstråling

Det tynne laget som gir oss liv

Trekk pusten dypt. Luften du nettopp pustet inn er en del av atmosfæren – det tynne gasslaget som omgir jorda og gjør liv mulig. Den beskytter oss mot farlig stråling fra sola, holder på varmen og gir oss luft å puste. Hvor viktig er den? Uten atmosfæren ville gjennomsnittstemperaturen på jorda vært rundt –18 °C i stedet for dagens behagelige +15 °C.

Luften vi puster inn består hovedsakelig av nitrogen (N₂), som utgjør rundt 78 prosent, og oksygen (O₂), rundt 21 prosent. Resten er argon (Ar), rundt 0,9 prosent, karbondioksid (CO₂), rundt 0,04 prosent men økende, og vanndamp (H₂O), som varierer fra 0 til 4 prosent. Selv om CO₂ og vanndamp utgjør en bitteliten andel, har de enorm betydning for klimaet, fordi de er drivhusgasser.

Atmosfærens lag og solas energi

Atmosfæren strekker seg flere hundre kilometer ut i verdensrommet, og vi deler den inn i lag etter hvordan temperaturen endrer seg med høyden. Nederst ligger troposfæren (0–12 km), der alt vær skjer; her synker temperaturen med rundt 6,5 °C per kilometer oppover. Over den ligger stratosfæren (12–50 km), som inneholder ozonlaget som beskytter mot UV-stråling, og her øker temperaturen igjen med høyden. Deretter kommer mesosfæren (50–80 km), der temperaturen synker på nytt og meteoritter brenner opp, og til slutt termosfæren (80–700 km) med svært tynn luft, men høy temperatur, der nordlyset oppstår.

Sola er jordas viktigste energikilde. Solenergien som treffer jorda driver værsystemer, havsirkulasjon og det meste av livet på planeten. Men energien fordeler seg ujevnt. Ved ekvator treffer solstrålene jordoverflaten i bratt vinkel, slik at energien konsentreres på et lite areal. Ved polene treffer strålene i lav vinkel, og energien spres over et større areal. Årstidene skyldes at jordaksen heller 23,5 grader: når den nordlige halvkulen heller mot sola, er det sommer der og vinter på den sørlige halvkulen.

Hva skjer så med all solstrålingen som når jorda? Rundt 30 prosent reflekteres tilbake til verdensrommet av skyer, is, snødekke og lyse overflater. Rundt 20 prosent absorberes av atmosfæren. Og rundt 50 prosent absorberes av selve jordoverflaten.

Albedo, drivhuseffekt og energibalanse

Hvor mye av solstrålingen som reflekteres, avhenger av overflaten. Albedo er et mål på nettopp dette, med en verdi mellom 0 (alt absorberes) og 1 (alt reflekteres). Frisk snø har høy albedo, 0,80–0,90, og reflekterer det meste, mens ørkensand ligger på 0,30–0,45, skog på 0,10–0,20 og hav helt nede på 0,06–0,10 og absorberer dermed nesten alt. Dette får store følger for klimaet. Når is og snø smelter, erstattes lyse overflater med mørkere som absorberer mer varme. Det forsterker oppvarmingen i en selvforsterkende spiral vi kaller positiv tilbakekobling – konkret is-albedo-tilbakekoblingen, der mer smelting fører til enda mer smelting.

For at jordas temperatur skal være stabil, må energien jorda mottar fra sola være lik energien den stråler ut igjen. Dette kalles strålingsbalansen. Her er det viktig å skille mellom to typer stråling. Kortbølget stråling kommer fra sola, inkluderer synlig lys og UV-stråling, og passerer relativt fritt gjennom atmosfæren. Langbølget stråling er varmestråling (infrarødt) som sendes ut fra jordoverflaten – den samme varmen du kjenner fra en varm ovn. Det er denne langbølgede strålingen drivhusgassene absorberer.

Drivhusgassene fungerer altså som et lokk: de slipper solstrålingen inn, men holder på noe av varmestrålingen, som delvis stråles tilbake mot jorda og varmer den. Den naturlige drivhuseffekten hever jordas gjennomsnittstemperatur fra –18 °C til +15 °C, en økning på hele 33 °C, og uten den ville jorda vært ubeboelig. Den forsterkede drivhuseffekten oppstår når menneskelig aktivitet øker konsentrasjonen av drivhusgasser, fanger mer varme og fører til global oppvarming. De viktigste drivhusgassene er vanndamp (størst effekt totalt, men regulert av temperaturen), karbondioksid (viktigste menneskeskapte gass), metan (rundt 80 ganger sterkere enn CO₂ over 20 år, men med kortere levetid), lystgass (rundt 265 ganger sterkere enn CO₂ over 100 år) og KFK-gasser (svært sterke, men regulert gjennom Montrealprotokollen).

Midnattssol og mørketid

La oss se hvordan jordaksens helning virker helt konkret, i Nord-Norge. Aksen heller 23,5 grader i forhold til baneplanet rundt sola, og det forklarer både midnattssol og mørketid. Om sommeren, rundt juni, heller den nordlige halvkulen mot sola. Nord for polarsirkelen (66,5° N) går ikke sola under horisonten i det hele tatt – det gir midnattssol. I Tromsø (69° N) varer midnattssola fra rundt 20. mai til 22. juli, solstrålene treffer med høyere vinkel, og dagene er svært lange. Om vinteren, rundt desember, heller den nordlige halvkulen bort fra sola. Da stiger ikke sola over horisonten nord for polarsirkelen – det gir mørketid. I Tromsø varer mørketiden fra rundt 27. november til 15. januar.

Dette får følger for energibalansen. Om sommeren mottar Nord-Norge mye solenergi over lang tid, opptil 24 timer i døgnet, mens det om vinteren er minimalt med solinnstråling. Temperaturen jevnes likevel noe ut av varmetransport med havstrømmer, særlig Golfstrømmen. Jordaksens helning er altså den direkte årsaken til både årstider, midnattssol og mørketid.

Oppsummering

Atmosfæren består av troposfæren (alt vær), stratosfæren (ozonlaget), mesosfæren og termosfæren (nordlys), og den hever jordas temperatur fra –18 til +15 °C. Solinnstråling er den viktigste energikilden, og den fordeles ujevnt fordi strålene treffer bratt ved ekvator og skrått ved polene; jordaksens helning på 23,5 grader gir årstider, midnattssol og mørketid. Energibalansen avhenger av forholdet mellom innkommende kortbølget solstråling og utgående langbølget varmestråling. Albedo måler hvor mye stråling en overflate reflekterer; snø og is har høy albedo, og når de smelter, gir det positiv tilbakekobling. Drivhuseffekten er naturlig og nødvendig, men forsterkes av menneskelige utslipp av CO₂, metan og andre drivhusgasser.