5.4 Strålingsbalansen til jorda og klimaendringar

Strålingsbalansen til jorda og klimaendringar

Temperaturen til jorda blir bestemt av balansen mellom innkomande solstråling og utgåande varmestråling. Denne balansen er kritisk for klimaet på jorda.

Viktige punkt:
- Jorda mottek energi frå sola
- Jorda strålar energi ut i verdsrommet
- Drivhuseffekten held jorda varm
- Menneskeleg aktivitet påverkar strålingsbalansen

Solstråling og albedo

Solkonstanten

Solkonstanten ($S_0$) er effekten frå sola per kvadratmeter ved jordoverflata (utanfor atmosfæren).

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

Kva det tyder:
- Dette er energien som treffer 1 m² vinkelrett på solstrålane
- Faktisk stråling avheng av solvinkel og atmosfære
- Gjennomsnittet over heile jorda er mindre

Innkomande solstråling til jorda

Jorda er ei kule med radius $r$. Tverrsnittet som mottek sollys er ein sirkel med areal $\pi r^2$.

Total innkomande effekt:

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

Gjennomsnittleg effekt per m²:

Solstrålinga må fordelast over heile jordoverflata ($4\pi r^2$):

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

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

Albedo

Albedo ($\alpha$) er delen av innkomande solstråling som blir reflektert tilbake til verdsrommet.

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

Eining: Inga (eller prosent)

Den gjennomsnittlege albedoen til jorda:

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

Kva det tyder:
- 30 % av solstrålinga blir reflektert
- 70 % blir absorbert av jorda

Albedo for ulike overflater:

Absorbert solstråling

Strålingsbalansen til jorda

For at temperaturen til jorda skal vere stabil, må innkomande og utgåande energi vere like.

Utgåande stråling

Jorda strålar ut energi som eit (nesten) svart lekam med temperatur $T$.

Stefan-Boltzmann si 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:

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

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

Likevektstemperaturen til jorda

Løys for $T$:

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

For jorda (utan 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 gjennomsnittleg temperatur på jorda: $T \approx 15 \text{°C} = 288 \text{ K}$
- Skilnad: $288 - 255 = 33 \text{ K}$

Årsak til skilnaden: Drivhuseffekten

Drivhuseffekten

Drivhuseffekten er prosessen der atmosfæren absorberer og sender ut att infraraud stråling, og dermed held jorda varmare enn ho elles ville vore.

Korleis verkar det?

1. Solstråling inn:
- Sola sender ut hovudsakleg synleg lys og UV-stråling
- Atmosfæren er gjennomsiktig for det meste av dette
- Sollys når jordoverflata

2. Oppvarming av jorda:
- Jordoverflata absorberer sollys
- Overflata blir varma opp

3. Infraraud stråling ut:
- Jorda strålar ut energi som ein svart lekam ved ~288 K
- Ved denne temperaturen er strålinga hovudsakleg infraraud (varmestråling)
- $\lambda_{\text{max}} \approx 10 \text{ μm}$ (infraraud)

4. Drivhusgassar absorberer:
- Drivhusgassar i atmosfæren (CO₂, H₂O, CH₄, N₂O) absorberer infraraud stråling
- Gassane er gjennomsiktige for synleg lys, men absorberer infraraudt
- Energien blir teken opp av gassane

5. Re-emisjon:
- Drivhusgassane sender ut stråling i alle retningar
- Om lag halvparten blir sendt tilbake til jorda
- Halvparten blir sendt ut i verdsrommet

6. Nettoeffekt:
- Meir energi blir halden nær jordoverflata
- Jorda blir varmare

Drivhusgassar

Viktigaste drivhusgassane:

Drivhuseffekten er nødvendig!

- For kaldt for flytande vatn
- Lite eller inkje liv
Med naturleg drivhuseffekt:
- Jorda har temperatur ~+15 °C

- Flytande vatn

- Liv kan eksistere
Problem: Forsterka drivhuseffekt
- Menneskeskapte utslepp aukar CO₂-konsentrasjonen
- Sterkare drivhuseffekt

- Temperaturen stig

Positive tilbakekoplingsmekanismar

- Meir vassdamp → Sterkare drivhuseffekt
- Endå varmare
2. Is-albedo-tilbakekopling:
- Varmare klima → Is smeltar

- Mindre is → Lågare albedo (is har høg albedo)

- Meir solstråling blir absorbert
- Endå varmare → Meir is smeltar
3. Permafrost-tilbakekopling:
- Varmare klima → Permafrost tinar

- Organisk materiale i permafrosten blir brote ned
- Frigjev CO₂ og CH₄
- Sterkare drivhuseffekt
- Endå varmare

Ein enkel atmosfæremodell

Drivhuseffekten kan reknast på med ein enkel modell. Atmosfæren blir erstatta med eitt lag som

- slepper gjennom all solstråling,
- absorberer all varmestråling frå bakken, og
- strålar like mykje opp som ned.

La $Q$ vere solstrålinga 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 ikkje varme i joule som i kapittel 5.1 og 5.2. Bakken strålar ut $P_b = \sigma T_b^4$ per kvadratmeter, og atmosfærelaget strålar ut $P_a = \sigma T_a^4$ i kvar retning.

Strålingsbalansane

Sett utanfrå er det berre atmosfærelaget som strålar ut i rommet. For at jorda skal vere i balanse, må det vere like mykje som det som kjem inn:

$$P_a = Q$$

Atmosfærelaget absorberer $P_b$ frå bakken og strålar ut $P_a$ både opp og ned:

$$P_b = 2P_a$$

Bakken får både solstråling og stråling frå laget:

$$P_b = Q + P_a$$

Dei tre likningane gir $P_b = 2Q$. Bakken strålar altså ut dobbelt så mykje som han får frå sola, fordi halvparten av det han tek imot, kjem tilbake frå atmosfæren.

Temperaturane

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

Atmosfærelaget får same temperatur som jorda utan atmosfære. Bakken blir omtrent $19\,\%$ varmare, målt i kelvin.

Når atmosfæren ikkje absorberer alt

I ein betre modell absorberer atmosfærelaget berre ein del $f$ av varmestrålinga frå bakken, og resten går rett ut i rommet. Laget sender då $\tfrac{f}{2}P_b$ ned til bakken, og balansen for bakken blir

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

Meir drivhusgass gir større $f$, meir stråling tilbake til bakken og høgare temperatur ved bakken. Med $f = 1$ får vi den eittlags modellen over, og med $f = 0$ får vi jorda utan atmosfære.

Klimaendringar

Observerte endringar

Temperatur:
- Den globale gjennomsnittstemperaturen har auka med ~1,1 °C sidan førindustriell tid (1850-1900)
- Dei siste 7 åra (2015-2021) var dei varmaste nokosinne målte
- Oppvarminga akselererer

CO₂-konsentrasjon:
- Førindustriell (1750): ~280 ppm (parts per million)
- I dag (2023): ~420 ppm
- Auke: 50 %
- Høgaste nivå på minst 800 000 år (frå iskjernar)

Andre teikn:
- Isbrear smeltar globalt
- Havet stig (~3,3 mm/år)
- Havisen i Arktis blir redusert
- Ekstremvêr blir hyppigare og meir intenst
- Økosystem endrar seg

Årsaker til klimaendringar

Hovudårsak: Menneskeskapte klimagassutslepp

1. Forbrenning av fossile brensel:
- Kol, olje, naturgass
- Frigjev CO₂ som var lagra i millionar av år
- Største bidragsytar (~75 % av CO₂-utsleppa)

2. Avskoging:
- Tre tek opp CO₂ (fotosyntese)
- Avskoging reduserer CO₂-opptaket
- Brenning av skog frigjev CO₂
- ~10 % av utsleppa

3. Jordbruk:
- Husdyr produserer metan (CH₄) frå fordøyinga
- Rismarker produserer metan
- Gjødsel produserer lystgass (N₂O)
- ~15 % av utsleppa

4. Industri:
- Sementproduksjon frigjev CO₂
- Kjemisk industri produserer ulike klimagassar

Globalt CO₂-budsjett:

Konsekvensar av klimaendringar

2. Havstigingar:

- 15-30 cm hittil
- Forventa: 0,3-1,0 m ved 2100 (konservativt)
- Kunne bli fleire meter ved fullstendig smelting av Grønland/Antarktis
- Trugar kystbyar og øyar

3. Ekstremvêr:
- Hyppigare og meir intense hetebølgjer
- Meir intense nedbørsepisodar (flaum)
- Tørke i nokre regionar
- Sterkare orkanar/syklonar

4. Økosystem:
- Korallrev blir bleikte og døyr
- Dyreartar må flytte eller døyr ut
- Endring i vekstsesongar
- Smeltande permafrost frigjev CO₂ og CH₄

5. Menneske:
- Matproduksjon blir påverka (tørke, flaum)
- Vassmangel i nokre regionar
- Helseproblem (varme, sjukdomar)
- Migrasjon (klimaflyktningar)

- Økonomiske kostnader
6. Is og snø:
- Isbrear smeltar globalt
- Havisen i Arktis blir redusert (~13 % per tiår)
- Grønlandsisen og Antarktis mistar is
- Mindre snødekke

Klimascenario

- Temperaturauke: +1,4 °C ved 2100

SSP2-4,5: Moderat klimapolitikk

- Gradvis reduksjon i utslepp
- Temperaturauke: +2,7 °C ved 2100
SSP5-8,5: Business as usual (høge utslepp)
- Framleis høge utslepp

- Temperaturauke: +4,4 °C ved 2100
Parisavtalen (2015):
- Mål: Halde oppvarminga "godt under 2 °C", sikte mot 1,5 °C

- Krev raske og omfattande kutt i utslepp

Løysingar

- Fornybar energi (sol, vind, vasskraft)
- Elektriske køyretøy
- Energieffektivisering

- Redusere kjøtforbruk

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

- Byggje flaumsikringar
- Utvikle tørkeresistente avlingar
- Flytte infrastruktur frå utsette område
Kva kan du gjere?

- Reduser energiforbruk
- Vel fornybar energi
- Sykl, gå eller bruk kollektivtransport
- Et mindre kjøt

- Reduser, gjenbruk, resirkuler
- Stem på parti med ambisiøs klimapolitikk