Min første klimamodell [Del 2]

 

Vi så i del 1 av denne posten at med litt fysikk kan man beregne temperaturen på jordoverflaten til å være rundt 255 K (altså -17°C)  uten noen form for drivhuseffekt. Det hadde vært forholdsvis kaldt, og vi kan altså takke drivhuseffekten for at jorda er levelig for mennesker i dag. Men hvordan fungerer denne effekten og hvor sterk er den?

 

I atmosfæren befinner det seg gasser som absorberer varmestrålingen fra jorda og reemitterer den i alle retninger, slik at en del av den effektivt blir værende på jorda. Siden vi antar at temperaturen på jorda er stabil, så må inngående stråling fra sola fortsatt være lik utgående fra jorda. For å få til dette, må temperaturen på jorda være høyere enn uten drivhuseffekten.

Så jordoverflaten absorberer all strålingen fra sola F_{S,J}(1-A) og sender den ut som \sigma T_J^4. Gassene i atmosfæren absorberer en del av denne strålingen med en faktor f, og re-emitterer dette i like deler. Halvparten går ut i verdensrommet, og halvparten vender ned igjen til jordoverflaten. Den nye strålingsbalansen blir seende slik ut:

 

Klimamodell-funky

En lekker ett-sjiktsmodell som viser den nye strålingsbalansen som oppstår når jorda får seg et atmosfærisk lag som absorberer varmestråling.

Vi ser at for å ha en energibalanse med stasjonære temperaturer må den strålingen som kommer fra sola og blir absorbert av jordoverflaten være lik den andelen som jordoverflaten reemitterer uten å bli absorbert av atmosfæren, pluss den andelen som atmosfæren sender ut igjen i verdensrommet:

 F_{S,J}(1-A) = (1-f)\sigma T_J^4 + f\sigma T_A^4

 

og at den strålingen som absorberes av gassene i atmosfæren også må være lik den som blir reemittert:

 f\sigma T_J^4 = 2f\sigma T_A^4

 

Slik finner man temperaturforskjellen mellom overflaten og atmosfæren:

 T_J = 2^{1/4} T_A \approx 1,19 T_A

 

Når vi nå omformer uttrykket for energibalansen kan vi finne f:

 F_{S,J} (1-A) = (1-f) \sigma T_J^4 + \frac{1}{2} \sigma T_J^4

 

 f = 2\left(1-\dfrac{F_{S,J}(1-A)}{\sigma T_J^4}\right)

 

For å beregne faktoren f som atmosfæren absorberer av jordens varmestråling, må vi vite overflatetemperaturen på jorda. Setter vi inn T_J = 288 K (16°C) får vi f = 0,77. Litt over tre fjerdedeler av varmestrålingen fra overflaten blir altså absorbert av atmosfæren, som da holder en gjennomsnittstemperatur på 242 K (-30ºC). Men nok fysikk. La oss prate kjemi.

 

Absorbanter i atmosfæren

Så hva består det absorberende atmosfæresjiktet vårt av? Noen mennesker tar det for gitt at alle gasser absorberer like mye, og mener at menneskelige utslipp av klimagasser ikke har noen betydning siden det er lite av dem i forhold til det som er der fra før. Det er selvfølgelig bare tull. Det er veldig store forskjeller på molekylene i atmosfæren og deres drivhuseffekt. Nøyaktig hvor effektive de er kan man ikke ta på øyemål, men det finnes én gyllen regel for absorpsjon av varmestråling:

Dipolmomentet til molekylet må endre seg når det vibrerer.

“Vibrerende molekyler” høres kanskje litt rart ut, men molekyler har det med å både rotere og vibrere i tillegg til å bevege seg fritt rundt i rommet når de er i gassfase. Det hører til deres natur som bevegelige partikler, og er opphavet til det fysiske fenomenet vi kaller “varme”. Men altså, om et molekyl i atmosfæren skal klare å absorbere innkommende varmestråling, så må noe endre seg i molekylets geometri når det vibrerer. Dette “noe” er dipolmomentet, og er bare et fancy ord for elektrisk ladningsfordeling.

Vann er et fint molekyl med drivhuseffekt. Når det strekker og drar seg sammen endrer ladningsfordelingen seg. Slik kan det absorbere varmestråling.

Vann er et fint molekyl med drivhuseffekt. Når det strekker og drar seg sammen endrer ladningsfordelingen seg. Slik kan det absorbere varmestråling.

Nå forstår vi hvorfor CO2, vann og metan blant andre fungerer som drivhusgasser, men ikke majoriteten av atmosfæren. Omtrent 99% av atmosfæren består av nitrogen- og oksygengass, som ikke kan endre ladningsfordeling når de strekker på seg eller trekker seg sammen, og følgelig ikke bidrar til drivhuseffekten. Derfor blir det rent tull å sammenligne disse gassene med gasser som CO2.

*** Neste gang: Strålebalansen er ute av kontroll. Hva skjer når vi slipper ut flere klimagasser? ***