Framtidens miljöteknik

Transkript

1 1

2 Fördjupning till kursen Framtidens miljöteknik Datum Mikael Syväjärvi Linköpings universitet 2

3 Innehåll 1. INLEDNING 4 2. GLOBAL UPPVÄRMNING Klimatanpassning av världen Sveriges miljömål Effekter av global uppvärmning Växthusgaser Industriella utsläpp av koldioxid Kollagring och kvävegödsling Andra aspekter på koldioxidutsläpp och skog NATURLIG OCH FÖRSTÄRKT VÄXTHUSEFFEKT Strålning Atmosfären Strålningsbalans Metan en starkare växthusgas än koldioxid? 28 3

4 1. Inledning Det här materialet tar upp fördjupningar till miljöteknik, och beskriver frågor och fysiken bakom dessa. Detta är skrivet så att den som är intresserad av ämnet ska kunna ta till sig av innehållet utan att behöva djupa fysikkunskaper. Det ske ge en översiktsbild av relevanta miljöfrågor som läsaren kan ta med sig för vidare diskussioner. Materialet tar upp etablerade miljöfrågor som utnyttjande av naturkrafter, exempelvis vind- och vågkraft, men diskuterar teknikfrågor som berör det som kallas rena teknologier. Detta är teknologier som klassas som miljöteknologi genom att de på någon sätt bidrar till att förbättra miljön på kort eller lång sikt. 2. Global uppvärmning Miljöfrågor och global uppvärmning är högaktuellt. De flesta känner förmodligen till att global uppvärmning är en ökning av temperaturen på jorden. Mer exakt så handlar det om uppvärmningen i atmosfären nära jordens yta och haven. Rent generellt sker förändringar av temperaturen på jorden på grund av mer eller mindre periodiska naturliga processer. Det både forskas och debatteras om orsaken till dessa, men variationerna av temperaturen förväntas hålla sig runt ett konstant medelvärde. Men under det senaste århundradet har medeltemperaturen ökat. I september 2013 kom den första delrapporten av FNs senaste klimatrapport. Uppvärmningen av klimatsystemet är otvetydig och många av de observerade förändringarna sedan 1950-talet har inte förekommit under de senaste tiotals till tusentals åren. Atmosfären och världshaven har blivit varmare, mängden snö och is har minskat, havsnivåerna har stigit och halten av växthusgaser har ökat. 1 1 Svensk översättning gjord av Naturvårdsverket. 4

5 Under 1900-talet steg medeltemperaturen med ca grader. Grafen nedan visar den konstaterade globala temperaturökningen sedan man började kunna göra tillförlitliga mätningar i mitten av 1800-talet. 1 Temperaturvariation [ o C] Årtal Global temperaturökning där nollvärdet är vald som medeltemperaturen , data från Climatic Research Unit, UK. Förklaringen till temperaturökningen är att den orsakas av människans handlingar och främst genom utsläpp av växthusgaser. Förenklat så värmer solen upp jorden genom solstrålning. Jorden släpper ut en del av värmen tillbaka i rymden (i form av infraröd strålning). Det uppstår en naturlig energibalans. Växthusgaser hindrar värmen från jorden att komma ut i rymden. Den extra värmen gör att jorden blir varmare. I en rapport år 2007 från FNs klimatpanel (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change), som verkar för att ge underlag till beslutsfattare inom miljöfrågor, fastställs att koldioxidhalterna under 2005 låg långt över naturliga variationer 5

6 under de senaste åren. Enligt prognoser i rapporten förväntades medeltemperaturen öka med 1.8 till 4.0 grader till år Sedan dess har det kommit ytterligare rapporter. Vid varje rapport så har det används mer data och bättre modeller. Slutsatserna är mer sannolika för varje rapport. I den senaste rapporten är den högsta temperaturökningen uppdaterad till att bli 4.8 grader till år Det är det scenario som förväntas om vi fortsätter som idag. Uppvärmningen är inte lika jämn över hela jorden. Ökningarna blir störst över land och på norra halvklotet. Rapporten från FNs klimatpanel gavs ut 2007, och en kompletterande rapport gavs ut 2009 av Regeringskansliet 2. Den nya rapporten är i tre delar som kom ut 2013 och Den visar bland annat att takten av växthusgaser ökar snabbare än tidigare. Fram till idag är den konstaterade temperaturökningen 0.9 grader Klimatanpassning av världen De olika länderna har olika mål som måste uppfyllas när det gäller koldioxidutsläpp. Det kommer ständigt beräkningar om hur mycket klimatanpassning skulle kosta. Med klimatanpassning menas de åtgärder som görs för att anpassa samhället till klimatförändringar som vi ser idag och sådana som vi inte kan förhindra i framtiden. I Sverige finns Klimatanpassningsportalen, som är ett samarbete mellan flera myndigheter, där man kan läsa mer om det som sker i Sverige 3. Som en del av detta så har Sverige miljömål Sveriges miljömål I Sveriges miljömål 4 skall klimatpåverkan begränsas utan kompensation för koldioxidupptag i kolsänkor och så kallade flexibla mekanismer. En kolsänka binder kol, exempelvis i hav eller växtlighet. Skogen är en viktig del av växtligheten. Avhuggning påverkar därför kraftigt skogens möjlighet till att binda kol. Flexibla mekanismer är olika former för utsläppshandel med växthusgaser. 2 Markku Rummukainen och Erland Källén, 2009: Ny klimatvetenskap , Kommissionen för hållbar utveckling, Regeringskansliet

7 Sveriges riksdag har beslutat om 16 stycken miljömål. Dessa är: 1. Begränsad klimatpåverkan 2. Frisk luft 3. Bara naturlig försurning 4. Giftfri miljö 5. Skyddande ozonskikt 6. Säker strålmiljö 7. Ingen övergödning 8. Levande sjöar och vattendrag 9. Grundvatten av god kvalitet 10. Hav i balans samt levande kust och skärgård 11. Myllrande våtmarker 7

8 12. Levande skogar 13. Ett rikt odlingslandskap 14. Storslagen fjällmiljö 15. God bebyggd miljö 16. Ett rikt växt- och djurliv Som en reaktion på klimatpanelens rapport så finns förslag på hur de svenska utsläppen ska minska till 2020 på kort (år 2020) och lång (år 2050) sikt. De kortsiktiga målen bör minska de svenska utsläppen med 40 procent fram till Nu utarbetas en klimatfärdplan 5 med förslag på att inte ha några utsläpp till år Förslaget ska komma till november Effekter av global uppvärmning Vilka effekter kan då den globala uppvärmningen ge? Några scenarion är att stora gräsområden förvandlas till öknar, isområden smälter, vindar och havsströmmar 5 8

9 ändrar riktning och i sin tur ger följdeffekter, havsytorna stiger och dränker kustnära områden. Stora isområden kommer ständigt upp i klimatdiskussionen, främst de som finns vid nord- och sydpolen. Dessa områden med ytor av is och snö reflekterar strålning. Eftersom områdena har enorma ytor så kan de reflektera mycket strålning. Om ytorna blir mindre så minskar den reflekterade strålningen. Det bidrar till en ökad temperatur genom en mindre mängd värme avges genom jordens strålning ut i rymden. Den reflekterande effekten har ett eget namn, albedo, som används inom fysik, meterologi och astronomi. Albedo räknas som den andel av rakt infallande ljus som återkastas av en yta eller en kropp. Värdet som en yta eller kropp har beror på dess sammansättning. Exempelvis har nysnö ett albedo på 0.9 och hav har ett värde på 0.06, d v s 90% respektive 6% av strålningen reflekteras för nysnö och hav. Därför är isområden viktiga för att reflektera solstrålning. Havsnivån förväntas stiga om den globala uppvärmningen fortsätter. 9

10 2.4. Växthusgaser En växthusgas är en gas som bidrar till växthuseffekten, exempelvis koldioxid, freoner, kväveoxid, metan, vattenånga och ozon. Koldioxid bildas vid de flesta förbränningar av kolföreningar i syremiljö. Freoner är föreningar av kolväten med flor, klor och brom och som användes som kylmedium. Men det visade sig att dessa kolväten bidrog till att minska ozonskiktet. Vid förbränning i luft bildar kväve och syre kväve(mono)oxid vid höga temperaturer och höga tryck. Det sker främst från förbränningsmotorer eller förbränning i kraftverk. Kväveoxiden kan i sin tur reagera med syre för att bilda kvävedioxid som medverkar tillsammans med kolväten och sot för att bilda marknära ozon. Idag har freoner mer eller mindre har fasats ut inom sina tillämpningar till fördel för bättre alternativ. Metan bildas vid nerbrytning av organiska material som avföring och urin från människor och djur. Det existerar också som en andel i naturgas vilket är en blandning av gaser i jordskorpan. Ozon är en gas av tre syreatomer som är giftig för människan, men som i atmosfären skyddar mot skadlig ultraviolett (UV)-strålning. Freon och andra gaser som bryter ner ozon har tunnat ut ozonlagret, men med minskade utsläpp kan ozonskiktet återställas eftersom syre övergår till ozon när det utsätts för UV-strålning. 10

11 Koldioxid, metan och ozon är de viktigaste gaserna när det gäller växthuseffekt. Gaserna kan stanna kvar tiotals år i atmosfären. De hinner då fördela sig över hela jordklotet. Deras påverkan blir således på global nivå även om de direkta källorna är ojämnt fördelade över jordklotet. Koldioxid är en molekyl av kol och syre med kemisk beteckning CO2. Gasen är färglös, lite tyngre än luft och inte brännbar. Koldioxid är den produkt som blir kvar vid all oxidation av kol och kolföreningar med luft eller syre. Kol bildas till stor del vid förbränning av ved, kol och petroleum i luft. Koldioxid används som kylmedel, exempelvis i livsmedelsindustrin, eftersom den är lätt, inte lämnar några rester efter förgasning och inte är giftig. Den används även som skyddsgas för att undvika att få in luft vid förpackning av livsmedel. Gas Andel % Kväve Syre Argon 0.93 Koldioxid Neon Helium Metan De vanligaste gaserna i atmosfären. De som är överstrukna bidrar inte till växthuseffekten. 11

12 Halten av koldioxid i atmosfären har ökat cirka 30% under de senaste 250 åren. Förbränning av fossila bränslen ger ett stort tillskott av koldioxid. FNs klimatpanel uppskattar att ungefär 75% av den ökade halten av koldioxid beror på människans industrialisering, och resten från variation i markanvändning. Forskning pågår för att försöka reducera koldioxid till kolmonoxid som är en industriellt användbar molekyl. Detta sker bland annat med hjälp av synligt ljus och olika enzymer. Svårigheten är att hitta metoder som inte kräver mycket energi, och på sikt hitta organismer som kan reducera gasen. Metan har ökat med uppskattningsvis 150% under de senaste 250 åren. Det är oklart varifrån utsläppen ökar, men de kommer främst från biologiska aktiviteter. Vissa former av jordbruk som risodlingar och kreatursuppfödning ger stora utsläpp av metan till atmosfären. Spill från hanteringen av naturgas vara en orsak till att metanhalten ökar eftersom metan finns som en del i naturgas Industriella utsläpp av koldioxid Industrins koldioxidutsläpp kommer främst från förbränning av fossila bränslen, men även från stålindustrins masugnar och cementtillverkningsprocesser. 12

13 Industrins utsläpp står för ungefär fjärdedel av Sveriges totala utsläpp. De största utsläppen kommer från järn- och stålindustrin, mineralindustrin samt raffinaderier. År 2014 så fördelade sig utsläppen som i listan nedan 6. järn- och stålindustri, 26 procent mineralindustri, 22 procent raffinaderier 20 procent kemiindustri 9 procent övriga (gruvindustri, trävaruhandel, m.m.) 9 procent pappers- och massaindustri samt tryckerier 6 procent metallindustri (exklusive järn och stål) 5 procent livsmedelsindustri 3 procent Utsläppen ökar med utökad industrialisering

14 Vid masugnar reduceras järnmalm till järn med hjälp av kol. De största utsläppen uppkommer vid rening av järnmalm eftersom stål är en legering av järn med upp till 2% kol. Järnmalmen består av olika järnoxider. När man blandar järnmalmen med kol i en masugn får man bort syret när två syreatomer förenar sig med en kolatom. De bildar koldioxid och lämnar kvar råjärn som förädlas till stål. Men kolet förbränns inte fullständigt utan det blir restgaser, framförallt vätgas och kolmonoxid. Järnmalm består av ett eller flera mineraler. Den finns i olika geologiska formationer och har bildats under lång tid. De viktigaste är bandade järnmalmer och apatitjärnmalmer. De flesta bildades för runt två miljarder år sedan. Dessa malmer innehåller mellan 50 och 70 viktprocent järn och består av magnetit (svartmalm) och hematit (blodstensmalm). Järnhalten på jorden är cirka 35 % av jordklotets totala massa. Järnhalterna i jordens inre är betydligt högre än på jordskorpan. Det är inte vanligt med rent järn eftersom järn lätt förenar sig med andra grundämnen, främst syre och svavel. Världens reserver av järnmalm uppskattas till drygt miljoner ton med ett järninnehåll av ca miljoner ton. År 2014 släppte SSABs ugnar ut runt 8.9 miljoner ton koldioxid. Sveriges totala utsläpp 2014 var drygt 54 miljoner ton koldioxid. Försök pågår med recirkulation för att återföra de brännbara gaserna till masugnen som skulle spara 25 procent kol. Då skulle koldioxidutsläppen minska med lika stor del. Avgaserna återanvänds inte ännu eftersom de innehåller för mycket kvävgas och koldioxid. Vid försöken provar man att använda syrgas i stället för luft för att bli av med kvävet, och skilja av koldioxiden innan gasen återförs till masugnen. Om man skulle lyckas avskilja koldioxiden och komma på hur den ska slutförvaras så minskar utsläppen nästan till noll Kollagring och kvävegödsling Koldioxidutsläppen minska genom att binda mer kol i marken. Ett alternativ är kvävegödsling. Ökad kollagring i skogsmark genom kvävegödsling studeras eftersom den naturliga omsättningen av koldioxid är uppskattningsvis tio gånger större än de globala utsläppen av koldioxid från fossila bränslen. 14

15 Utöver förbättrad teknik så kan kvävedioxidutsläppen minskas genom kvävegödsling av skog, vilket är ett debatterat ämne. Kvävegödsling medför att mer kol lagras i skogsmark genom att sakta ner nedbrytningen av döda växtdelar. Kväve förändrar ämnesomsättningen hos mikroorganismer som sköter nedbrytning av organiskt material där de kommer åt kol och kväve. Koldioxid släpps ut under nedbrytningsprocessen. Det organiska materialet blir svårare att bryta ner genom den ändrade ämnesomsättningen och processen bromsas upp. Kväve påverkar nedbrytningen dels genom att döda växtdelar får en högre kvalité för mikroorganismerna. Till en början ger kväve mer koldioxid eftersom nedbrytningen sker snabbare. Samtidigt får mikroorganismerna direkt tillgång till kväve. De behöver då inte utvinna lika mycket kväve från växterna. Nedbrytningen saktar då ner och mer kol stannar kvar i marken. 15

16 En kolsänka är en ökad lagring av kol i biomassa, mark eller vatten. Mer kol lagras genom en ökad produktion av växtmaterial från kvävegödsling. Växterna består till stor del av kol som tas från koldioxiden i luften. Växterna är begränsade av tillgången på kväve i sin tillväxt vid fotosyntesen. En ökad kvävegödsling därför en ökad tillväxt. I fotosyntesen utvinner växterna energi från koldioxid och vatten med hjälp av solljuset. Vattenmolekylerna delas upp i väte och syre. Syret går ut i luften. Vätet förenas med koldioxid för att bilda glukos som omvandlas till näring i växtens celler. Kvävegödsling får skogen att växa snabbare, vilket i sin tur ger ökad skogsproduktion. Det finns risk för övergödning eftersom kväve redan tillförs genom nerfall av luftföroreningar från industrier. Övergödning börjar med att mer kväve och fosfor kommer ner i ett vattendrag än vad som är naturligt. Övergödning sker främst genom kväve och fosfor som finns naturligt i olika kemiska föreningar i marken och i vattnet. Alger och andra växter i vattnet börjar växa kraftigt eftersom både kväve och fosfor fungerar som gödningsmedel. Algerna och växterna faller till botten och börjar brytas ner när de så småningom dör. Det kan bli syrebrist i vattnet om det är väldigt gott om växter. Då är det väldigt få småkryps- och fiskarter som klarar sig. I sjöar och hav leder övergödning till syrgasbrist och ökad algblomning. Till slut kan en övergödd sjö växa igen helt. 16

17 En avverkning med efterföljande markberedning medför bland annat att mer koldioxid och kväve avges till luften eftersom marken friläggs. Detta skyndar på nedbrytningen i marken. När skogen växer upp så binder den mer kol än den avger. Om marken däremot används för energigrödor så tar det många år innan utsläppen av koldioxid har arbetats in. I början av 2011 presenterades forskningsrön om att sjöar, dammar och vattendrag ger ifrån sig mer av växthusgasen metan än tidigare känt 7. Metanutsläpp från sjöar och vattendrag har alltid ägt rum. De är naturliga och utgör inget miljöhot, men deras gasutsläpp är svåra att beräkna och har varit dåligt kända. Forskningen visar att ett litet kontinuerligt utsläpp sker hela tiden från ytan, men betydligt större utsläpp kommer plötsligt. Dessa sker med oregelbundna mellanrum. Metan bubblar upp från bottnarna till atmosfären i stora mängder på bara några sekunder. Data baserades från 474 sötvattensystem, och visar att utsläppen av metan från 7 Freshwater Methane Emissions Offset the Continental Carbon Sink, David Bastviken, Lars J. Tranvik, John A. Downing, Patrick M. Crill, Alex Enrich-Prast, Science 331 (2011)

18 världens sötvatten motsvarar 25 procent av den koldioxid som naturen på jordens landområden binder. Metan ger en mycket starkare växthuseffekt per molekyl än koldioxid, och därför är det viktigt att förstå metanutsläpp från sjöar, dammar och vattendrag Andra aspekter på koldioxidutsläpp och skog Massaved från skogen kan även användas för att framställa biogas utan att påverka flödet av material. Med en investering på 75 till 100 miljoner kronor skulle massabruk kunna ställa om sina processer så att de kan tillverka biogas utan att det påverkar massaproduktionen. Detta skulle vara möjligt genom att ta ut organiskt restmaterial tidigt i processen och använda den för att tillverka biogas. Produktionstekniskt handlar det om att gå in i hjärtat på massaprocessen, där de levande organismerna finns så att det blir en syrefri nedbrytning av organiskt material. 18

19 3. Naturlig och förstärkt växthuseffekt Solen skickar strålning som når jorden. Jorden värms upp och kyler sig genom att skicka ut infraröd strålning. En del av den infraröda strålningen fångas upp av atmosfären. Atmosfären värms upp och kyler sig genom att skicka ut infraröd strålning. Den strålningen kan skickas ut i rymden, eller tillbaka till jorden. Jorden värms upp mer. Detta ger den naturliga växthuseffekten. När det blir fler gaser i atmosfären så fångar atmosfären upp mer av den strålning som jorden skickar ut, och skicka då tillbaka mer strålning mot jorden igen. Det blir en förstärkt växthuseffekt. För att förstå växthuseffekten så måste vi beskriva strålning och atmosfären. Temperaturen på jorden hålls i balans genom naturliga processer. Rent fysikaliskt strålar det in energi i form av strålning från solen. Strålningsenergi från jorden strålar ut i rymden. Dessa bildar en energibalans. Andra fysikaliska 19

20 värmeöverföringar som konvektion (som ges av rörelser av gaser eller vätskor), ledning eller avdunstning sker inte eftersom jorden är isolerad i vakuum Strålning Strålningen från solen består av synligt ljus, ultraviolett (UV)-strålning och infraröd (IR)-strålning. En del av denna strålning reflekteras högt uppe i atmosfären och resterande del växelverkar med jorden på olika sätt genom att jorden värms upp, eller reflekteras. Elektromagnetisk strålning kan ses som vibrationer eller darrningar i elektriska och magnetiska fält. Man kan beskriva strålningen som vågor som breder ut sig i ett medium. Elektromagnetisk strålning i våglängdsintervallet nanometer kan uppfattas av människans öga och kallas vardagligen för synligt ljus. De olika färgerna har olika våglängd, det vill säga avståndet mellan två liknande delar (exempelvis två vågtoppar) varierar. Våglängden brukar betecknas med den grekiska bokstaven λ (lambda) och i synliga områden är avståndet mellan topparna nanometer, där 1 nanometer är en miljondel av 1 mm. Ljus som har en våglängd nära 400 nanometer upplevs som violett ljus. Med ökande våglängd blir ljuset blått och sedan grönt, och fortsätter sedan till gult, orange och rött. Det skiljer sig hur vi uppfattar färgerna, och det finns ingen tydlig gräns mellan de olika färgerna. 20

21 Ljuset från solen innehåller även strålning med våglängder som ögat inte kan uppfatta. Vid våglängder kortare än den violetta delen finns den strålning som kallas ultraviolett strålning, UV-strålning. Intensiteten av denna strålning minskar kraftigt när våglängden minskar. Vid våglängder kortare än 100 nanometer är intensiteten av UV strålningen från solen försumbar. Vid längre våglängder än våglängden för rött ljus finns den infraröda strålningen, IR-strålning, som även kallas värmestrålning. Intensiteten för denna strålning hos solljuset minskar med ökande våglängd, men inte lika kraftigt som för UV-strålning. Först vid våglängder kring 1 mm är strålningens intensitet försumbar. Den största delen av energin från solen kommer i form av infraröd strålning, denna del motsvarar ca 53% av energin. Den synliga delen av ljuset från solen utgör 36% och resten, 11%, är UV-strålning. Fördelning av strålning från solen med strålning i infraröda, synliga och ultravioletta området. 21

22 3.2. Atmosfären Namnet atmosfären kommer från grekiskan, atmos (ånga) och sfaira (klot). Det är ett gashölje som omsluter jorden och hålls kvar av jordens gravitationskraft. Atmosfären består av kväve, syre och argon till drygt 99%. Resten är vattenånga och andra gaser, bland annat koldioxid och ozon. Atmosfären finns mellan jorden och solen. Den skyddar från solstrålning som har våglängd kortare än 300 nanometer, det vill säga den ultravioletta strålning som är farlig för människan. I atmosfären finns syremolekyler och framför allt ozon (bestående av tre syreatomer, O3) som mycket effektivt absorberar all strålning med våglängder kortare än 300 nanometer. Mellan nanometer släpper atmosfären igenom strålningen i allt ökande grad och vid 400 nanometer släpps mer eller mindre all strålning igenom atmosfären. Ozonmolekylerna är utspridda i hela atmosfären men ligger särskilt tätt mellan 20 och 40 kilometers höjd. Det höjdområdet kallas stratosfären och under den finns molnen. Ozon bildas med hjälp av solens strålar, där syremolekyler (O2) delar på sig och en syreatom går ihop med en syremolekyl och bildar O3. Detta ozon kan sönderdelas tillbaka till en syreatom och en syremolekyl när UV-strålning träffar ozonmolekylen. Energin från UV-strålningen fångas upp av ozonmolekylen. På så sätt stoppas UV-strålning av ozonskiktet och stora delar av UV strålningen når inte jorden. Ljuset från solen sprids av molekylerna i luften. De korta våglängderna sprids mer än de långa och därför blir himlen blå. På samma sätt sprids UV-strålning. Spridning av strålning kallas Rayleigh-spridning, som fick sitt namna efter Lord Rayleigh. På dagen när solen står som högst så är himlen blå. Det beror på att strålning med olika våglängd sprids av partiklar som är mindre i storlek än ljusets våglängd. Den synliga delen av solstrålningen är nästan vit eftersom strålningen innehåller alla färger. Rayleigh-spridning är proportionell mot våglängden, som ofta betecknas med den grekiska bokstaven λ (delta) som λ -4, det vill säga att ljus med kort våglängd (som blått ljus) sprids bäst. Det gröna och det röda ljuset som har längre våglängd kommer att spridas mindre och tränger igenom atmosfären i en rak bana. Det blå ljuset sprids över himlen cirka fem gånger mer än rött ljus och ger himlen 22

23 sin färg på dagen. På kvällen, eller morgonen, när solen står lågt har solljuset en längre väg att färdas genom atmosfären. Det blå ljuset sprids och det mesta av det blå ljuset når inte till marken. Ljuset uppfattas som rött och vi upplever den röda kvälls- eller morgonsolen. Atmosfären ger även en spridning av IR-strålningen från solen. Vissa gaser är mer effektiva när det gäller absorption av värmestrålning. Absorptionen av gaser sker inte vid alla våglängder utan främst inom vissa våglängdsområden. Bland de gaser som effektivt fångar infraröd strålning finns vattenånga, koldioxid och metan Strålningsbalans När värmestrålning, synligt ljus, ultraviolett strålning eller röntgenstrålning träffar ett föremål absorberas en del av strålningsenergin. Resten av strålningen antingen reflekteras eller passerar genom föremålet. Strålningen växelverkar med föremålet och omvandlas till värme, främst genom att föremålets atomer sätts i rörelse. En kropp byggs upp av atomer. När den är varm så kan den kyla sig genom att avge energi i form av strålning som inom fysiken kallas svartkroppsstrålning. Strålningen kallas även temperaturstrålning eller värmestrålning. Den här strålningen har sin 23

24 energi i vissa intervall, eller maximum vid olika våglängder. Eftersom det temperaturen skiljer sig på olika delar av kroppen så blir det en fördelning av strålningen. En kropp som befinner sig vid rumstemperatur avger strålning i den djupa delen av det infraröda området. En glödlampa har en temperatur på ungefär 2500 o C. Från denna får vi ljus, det vill säga strålning i det synliga delen av spektrat, och värme som är strålning i det infraröda området. Ungefär 95% av strålningen är värmestrålning och resten strålning i det synliga området. Solen har en temperatur på ungefär 6000 o C, och en stor del av strålningen som sänds ut från solen är i det synliga området. Vid temperaturer över 700 o C börjar en kropp skicka ut strålning i det synliga området, en kropp ser ut att glöda svagt. Vid fortsatt uppvärmning så övergår ljuset till gult samtidigt som det blir allt kraftigare i intensitet och blir sedan vitt. När en kropp blir varmare så blir våglängden kortare. Svartkroppstrålning vid ökande temperatur [700, 2700, och 5700 o C] 24

25 Gaser i atmosfären påverkar strålningen från den uppvärmda jorden genom växthusgaserna. Genom växelverkan med gaser så skickas IR-strålning tillbaka mot jorden. Denna strålning värmer i sin tur upp jorden ytterligare. Man kan göra beräkningar på strålningsbalans mellan ingående och utgående strålning. Utan en naturlig växthuseffekt går all strålning från jorden går ut i rymden. Då skulle temperaturen vara ca -18 o C. Inget liv skulle kunna existera eftersom allt vatten skulle vara fruset. Eftersom det finns en naturlig omsättning av gaser, som koldioxid, så finns en normal mängd av dessa gaser i atmosfären. Gaserna växelverkar med strålningen som skickas ut från jorden och ger en naturlig växthuseffekt. Samma beräkningar ger då att temperaturen på jorden blir 15 o C. Då finns det möjlighet för liv. Rent fysikaliskt så vibrerar molekylerna i sina normala tillstånd. När de fångar upp IR-strålning så börjar de vibrera kraftigare. Eftersom det inte är ett normalt tillstånd för molekylerna så avger de energi för att komma tillbaka till sina normala tillstånd. De avger då IR-strålning. Strålningen skickas ut i olika riktningar, och i det enklaste fallet så avges en del mot solen och en del mot jorden. Det här är grunden till den naturliga växthuseffekten. 25

26 Det fungerar i princip som ett växthus, där en del av infallande solstrålning reflekteras av glaset. En stor del av solens strålning släpps dock igenom och absorberas av växter och mark. Den utgående värmestrålningen från dessa hindras av glaset och får som följd att växthuset blir varmare. Energi flödar in mot jorden från solen. Jorden värms upp och avger energi i form av infraröd strålning som i sin tur växelverkar med atmosfären. Solen och jorden befinner sig i en strålningsbalans där atmosfären bildar en naturlig växthuseffekt. I vardagligt tal misstas ibland den naturliga växthuseffekten med den globala uppvärmningen som är en konstaterad ökning av medeltemperaturen på jorden under 1900-talet. Den förstärkta växthuseffekten sker på grund av en ökad halt av växthusgaser som gör att mer värmestrålning skickas tillbaka mot jorden. 26

27 Utöver växthusgaserna bidrar moln till växthuseffekten eftersom de absorberar IR strålning liksom växthusgaserna. De reflekterar även solstrålning. Moln är en ansamling av vattendroppar eller iskristaller i luften. De uppstår när luft kyls så att den blir mättad på vattenånga. Molndropparna bildas genom att vattenånga kondenserar på små partiklar. Moln som befinner sig nära marken växelverkar med värmestrålningen från jorden eftersom deras temperatur ligger ganska nära temperaturen på marken. Höga moln har lägre temperatur. 27

28 Låga moln reflekterar solstrålning 3.4. Metan en starkare växthusgas än koldioxid? Metan bildas vid bakteriell nedbrytning av organiskt material i syrefattig miljö, t ex vid kornas fodersmältning och vid lagring av gödsel och annat biologiskt avfall. När gasen framställs från reningsverkens rötslam och annat avfall så kallas den biogas. Stora underjordiska lager av metan kallas naturgas. Både koldioxid och metan finns som naturliga delar i olika processer. I vissa artiklar och debatter så dyker jämförelsen mellan metan och koldioxid upp, och det sägs att metan ska vara en starkare växthusgas än koldioxid. Men skillnaden mellan halterna av metan och koldioxid är stor. Det finns cirka 190 gånger mer koldioxid i atmosfären än metan. Den koldioxid som kommer till atmosfären har en viss livslängd innan de bryts ner. Metan har kortare livslängd i atmosfären än koldioxid. Därmed bidrar en viss mängd metan till uppvärmningen under en kortare tid. Jämförelsen som leder till att metan ibland räknas som en starkare växthusgas kommer från inom vilket område som en gas absorberar. Vattenånga och koldioxid 28

29 absorberar i relativt breda delar av den infraröda strålningen. Metan absorberar inom andra våglängdsområden än dessa. Det gör att dess metans bidrag till växthuseffekten kan anses som större i det området av strålning. Ett vanligt sätt att jämföra gaserna är att räkna på effekten under 100 år. Då visar det sig att en molekyl metan bidrar 25 gånger mer till växthuseffekten än en molekyl koldioxid. En jämförelse som ofta göra är när man jämför ett kilo koldioxid med ett kilo metan, och metangasens bidrar kan då ses som större. Men det bör egentligen ställas i perspektiv till de faktiska halterna i atmosfären. 29