Miljö och Fysik Datum 140123 Mikael Syväjärvi Linköpings universitet 1
Innehåll 1. INLEDNING 3 2. GLOBAL UPPVÄRMNING 3 2.1. Klimatanpassning av världen 5 2.2. Sveriges miljömål 5 2.3. Effekter av global uppvärmning 8 2.4. Växthusgaser 10 2.5. Industriella utsläpp av koldioxid 13 2.6. Kollagring och kvävegödsling 16 2.7. Andra aspekter på koldioxidutsläpp och skog 20 3. NATURLIG OCH FÖRSTÄRKT VÄXTHUSEFFEKT 22 3.1. Strålning 22 3.2. Atmosfären 24 3.3. Strålningsbalans 26 3.4. Metan en starkare växthusgas än koldioxid? 31 2
1. Inledning Det här materialet tar upp miljöfrågor och fysiken bakom dessa. Underlaget är skrivet så att den som är intresserad av ämnet ska kunna ta till sig av innehållet utan att behöva vara expert eller ha djupa fysikkunskaper. Tanken är att innehållet ske ge en översiktsbild av relevanta miljöfrågor som läsaren kan ta med sig för vidare diskussioner. Materialet kommer att ta upp mer etablerade miljöfrågor som utnyttjande av naturkrafter, exempelvis vind- och vågkraft, men även diskutera 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 Det första man kanske tänker på när man nämner ordet miljöfråga är global uppvärmning. De flesta känner förmodligen till att global uppvärmning är en ökning av temperaturen på jorden. Närmare bestämt så handlar det om uppvärmningen i atmosfären nära jordens yta och haven. Under 1900-talet steg medeltemperaturen med ca 0.6-0.7 grader. Grafen nedan visar den konstaterade globala temperaturökningen. 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. Under det senaste århundradet har dock medeltemperaturen ökat. I september 2013 kom 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 3
och is har minskat, havsnivåerna har stigit och halten av växthusgaser har ökat. 1 1 Temperaturvariation [ o C] 0.5 0-0.5-1 1840 1880 1920 1960 2000 Årtal Global temperaturökning där nollvärdet är vald som medeltemperaturen 1961-1990, data från Climatic Research Unit, UK. Den mest accepterade och samtidigt debatterade förklaringen är att temperaturökningen orsakas av människans handlingar och främst genom utsläpp av växthusgaser. Enkelt beskrivet så lägger sig växthusgaser som ett täcke runt jorden, värmen från jorden hindras på sin väg ut och 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 under de senaste 650000 åren. Enligt prognoser i rapporten förväntas 1 Svensk översättning gjord av Naturvårdsverket. 4
medeltemperaturen öka med 1.8 till 4.0 grader till år 2100. Uppvärmningen är inte lika jämn över hela jorden, ökningarna blir störst över land och på norra halvklotet. Klimatpanelen fastslog att om den genomsnittliga temperaturökningen inte ska bli mer än två grader så måste de globala koldioxidutsläppen börja minska senast år 2015 och minska med mellan 50 och 85 procent fram till år 2050. Rapporten av FNs klimatpanel gavs ut 2007, och en kompletterande rapport gavs ut 2009 av Regeringskansliet 2. Klimatpanelens studier täckte fram till år 2006. Kommissionen för hållbar utveckling har därför bett om en uppdatering och den nya rapporten visar bland annat att ökningstakten av växthusgaser är högre än tidigare. 2.1. Klimatanpassning av världen De olika länderna har olika mål som de måste nå när det gäller koldioxidutsläpp. I januari 2009 presenterade konsultfirman McKinsey hur mycket det kostar att klimatanpassa världen: fem biljoner kronor (en biljon är 1000 miljarder) där energisektorn kan leverera en tredjedel av utsläppsminskningen. För de fem biljoner kronorna kan världen få en minskning av utsläppen av koldioxid med 70 procent till år 2020 enligt rapporten. Kostnaden motsvarar mindre än en procent av världens samlade inkomster. Fram till 2030 behövs ytterligare tre biljoner kronor. Investeringen ger en temperaturökning som håller sig under två grader, vilket anses vara en nivå som världen kan klara utan alltför stora klimatkatastrofer. En tredjedel av minskningen kan komma från ändrad energiproduktion och koldioxidlagring. Lika mycket kan komma från minskad avverkning och ökad plantering av skog. Den allra största minskningen på 40 procent beräknas att komma från bättre transporter, mer energieffektiva apparater och byggnader. 2.2. Sveriges miljömål I Sveriges miljömål för 2008-2012 skall klimatpåverkan begränsas utan kompensation för koldioxidupptag i kolsänkor och så kallade flexibla mekanismer, vilket är olika former för utsläppshandel med växthusgaser. De svenska utsläppen 2 Markku Rummukainen och Erland Källén, 2009: Ny klimatvetenskap 2006-2009, Kommissionen för hållbar utveckling, Regeringskansliet. 5
av växthusgaser skall, som ett medelvärde för perioden 2008-2012, vara minst 4 % lägre än utsläppen år 1990. Sveriges riksdag har beslutat om 16 stycken miljömål 3. Dessa är: 1. Begränsad klimatpåverkan 2. Frisk luft 3. Bara naturlig försurning 4. Giftfri miljö 5. Skyddande ozonskikt 6. Säker strålmiljö 7. Ingen övergödning 3 http://miljömål.se 6
8. Levande sjöar och vattendrag 9. Grundvatten av god kvalitet 10. Hav i balans samt levande kust och skärgård 11. Myllrande våtmarker 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 om utsläpp så fick en svensk klimatberedning i uppdrag av riksdagen att komma med förslag på en handlingsplan kring hur de svenska utsläppen ska minska till 2020. Man har också haft i uppgift att sätta upp mål för klimatstrategin både på kort och lång sikt. I början av 2008 gavs målförslagen. På lång sikt, till 2050 och därefter, föreslog beredningen att svenska utsläpp av växthusgaser ska vara minst 75-90 procent 7
lägre än 1990. Vid seklets slut bör utsläppen vara nära noll. De kortsiktiga målen bör minska de svenska utsläppen med 38 procent fram till 2020. Hösten 2008 kom regeringen budgetproposition där klimat och hav prioriteras i regeringens miljöbudget. Totalt anslogs sju miljarder kronor till allmän miljö- och naturvård under åren 2009 2011. Tre miljarder tilldelades ett åtgärdspaket inom klimat- och energiområdet och fyra miljarder till en riktad satsning på klimatbistånd. Pengar skulle användas för satsning på internationella klimatinvesteringar och för att satsa på åtgärder för att anpassa Sverige till ett förändrat klimat, förbättring av kunskapsunderlaget om ras- och skredrisker, förbättringar av den nationella höjddatabasen och till att länsstyrelserna kan få en samordnande roll i det regionala anpassningsarbetet. 2.3. Effekter av global uppvärmning Vilka effekter kan då den globala uppvärmningen ge? Några scenarion är att stora gräsområden kan förvandlas till öknar, isområden kan smälta, vindar och havsströmmar kan ändra riktning och i sin tur ge följdeffekter, havsytorna stiger och dränker kustnära områden. De stora isområdena vid främst nord- och sydpolen kommer ständigt upp i klimatdiskussionen. De enorma områdena reflekterar strålning. Om dessa ytor minskar så minskar följdaktligen den reflekterade strålningen och bidrar till en ökad temperatur genom en minskad värmeavgivning med hjälp av jordens strålning ut i rymden. Denna reflekterande effekt har ett eget namn, albedo, som används inom fysik, meterologi och astronomi. Den 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. Albedo mäts oftast vid en bestämd våglängd. 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. 8
Havsnivån förväntas stiga om den globala uppvärmningen fortsätter. Hösten 2008 uppstod en global finanskris. Energimyndigheten har undersökt hur den ekonomiska krisen påverkade klimatet och klimatarbetet. Bland nackdelarna nämns att uppdateringen av fordonsparken stannade av, det vill säga att företag och privatpersoner prioriterade miljöbilar mindre, något som styrks av det faktum att registreringar av miljöbilar minskade med 41 procent under januari 2009 jämfört med samma månad 2008. Även andra investeringar i maskiner minskade, 9
något som myndigheten menade att det kan motverka energieffektiviseringen i samhället eftersom användningen av äldre maskiner fortsätter och nya maskiner har normalt bättre energiprestanda. En minskad efterfrågan på energi gör att investeringar i förnybar energi avstannar. Minskad efterfrågan på el kan också minska priset på elcertifikat, som å andra sidan ska gynna producenter av förnybar el. En lägre produktionstakt innebär samtidigt minskade utsläpp från industri- och transportsektorn. Myndigheten framhävde att drabbade länder kan lätta på krisen med penningpolitik och finanspolitik, förutom riktade åtgärder mot finanssektorn för att få igång finansmarknaderna. Om de statliga stimulanserna riktas mot åtgärder för bättre transporter, förnybar energi eller energieffektivisering kan krisen och miljöeffekterna bekämpas samtidigt. Det finns många aspekter att relatera för klimatarbete och hur samhället reagerar. 2.4. Växthusgaser Till växthusgas räknas gaser som bidrar till växthuseffekten, som koldioxid, freoner, kväveoxid, metan, vattenånga och ozon. Koldioxid bildas vid de flesta förbränningar av kolföreningar i syremiljö. Freoner användes som kylmedium, men som fram till idag mer eller mindre har fasats ut inom sina tillämpningar till fördel för bättre alternativ, och är föreningar av kolväten med flor, klor och brom. Vid förbränning i luft bildar kväve och syre kväve(mono)oxid vid höga temperaturer och höga tryck, detta 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 vid bildande av marknära ozon. Metan bildas vid nerbrytning av organiska material som avföring och urin från människor och djur samt existerar 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
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 så att deras påverkan blir på en global nivå, även om de direkta källorna är ojämnt fördelade över jordklotet. Koldioxid är en molekyl av kol och syre, den kemiska beteckningen är CO 2. 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 utestänga luft vid förpackning av livsmedel. 11
Gas Andel % Kväve 78.08 Syre 20.95 Argon 0.93 Koldioxid 0.038 Neon 0.002 Helium 0.0005 Metan 0.0002 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. De som kritiserar teorin om att utsläpp är orsak till den globala uppvärmningen frågar sig varför mängden koldioxid i atmosfären kan orsaka så mycket förändringar. Halten koldioxid i atmosfären är ungefär 0.038 procent. Mängden koldioxid ökar i med ca 0,5 % av den halt som fanns året innan. 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. 12
Metan har ökat med uppskattningsvis 150% under de senaste 250 åren. Det är oklart varifrån utsläppen ökar, men de kommer från biologiska aktiviteter. Vissa former av jordbruk som risodlingar och kreatursuppfödning ger stora utsläpp av metan till atmosfären. Eftersom metan finns som en del i naturgas, kan spill från hanteringen av naturgas vara en orsak till att metanhalten ökar. 2.5. Industriella utsläpp av koldioxid Industrins koldioxidutsläpp kommer främst från förbränning av fossila bränslen, men även från stålindustrins masugnar och cementtillverkningsprocesser. Utsläpp av koldioxid från industrin i Sverige uppgick 2005 till 15,1 miljoner ton. Det motsvarar drygt en tredjedel av de svenska utsläppen. 13
Utsläppen ökar med utökad industrialisering. 14
Vid masugnar reduceras järnmalm till järn med hjälp av kol. Eftersom stål är en legering av järn med upp till 2% kol så uppkommer de största utsläppen vid rening av järnmalm. Järnmalmen består av olika järnoxider. När man blandar järnmalmen med kol i en masugn så får man bort syret när två syreatomer förenar sig med en kolatom och bildar koldioxid, och lämnar kvar råjärn som förädlas till stål. Men kolet förbränns inte fullständigt. Mycket energi finns i restgaser, framförallt vätgas och kolmonoxid. Järnmalm består av ett eller flera av mineraler. Den finns i olika geologiska formationer och har bildats under lång tid. De viktigaste är bandade järnmalmer och apatitjärnmalmer, av vilka 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). Järnhalterna i jordens inre är betydligt högre än på jordskorpan, och järnhalten på jorden är cirka 35 % av jordklotets totala massa. Eftersom järn lätt förenar sig med andra grundämnen, främst syre och svavel, är det inte vanligt med rent järn. Världens reserver av järnmalm uppskattas till drygt 290 200 miljoner ton med ett järninnehåll av ca 110 000 miljoner ton. Vid SSABs masugnar i Luleå och Oxelösund släpps runt 5.9 miljoner ton koldioxid per år. Försök pågår att återföra de brännbara gaserna till masugnen. Med en sådan recirkulation kan man spara 25 procent kol och så minska koldioxidutsläppen med lika stor del. Ännu återanvänds inte avgaserna 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. SSAB står för elva procent av Sveriges koldioxidutsläpp. Om man lyckas avskilja koldioxiden och kan komma på hur den ska slutförvaras så minskar utsläppen nästan till noll. 15
Källa: Energimyndigheten, Ny Teknik okt 2008 SSAB Luleå, Lulekraft SSAB Oxelösund Preem Scanraff Cementa Slite Fortum Värtan LKAB Kiruna Preem Raffinaderi Shell Raffinaderi Cementa skövde Mälarenergi Västerås stål stål olja cement värme malm olja olja cement värme 0 2 4 6 8 10 Utsläpp koldioxid [miljontals ton] 2.6. Kollagring och kvävegödsling Koldioxidutsläppen kan bli mindre genom att man binder mer kol i marken. Ett alternativ som diskuteras 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. 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. 16
Kväve påverkar nedbrytningen dels genom att döda växtdelar till att börja med får en högre kvalité för mikroorganismerna och nerbrytningen sker snabbare, vilket till en början ger mer koldioxid, men dels genom mikroorganismerna får direkt tillgång till kväve. De behöver då inte utvinna lika mycket kväve från växterna, vilket ger mindre koldioxid. Nerbrytningen saktar då ner och mer kol stannar kvar i marken. Mer kol lagras genom en ökad produktion av växtmaterial genom kvävegödsling. Växterna består till stor del av kol som tas från koldioxiden i luften. Eftersom växterna är begränsade av tillgången på kväve i sin tillväxt genom fotosyntesen, så medför ökad kvävegödsling en ökad tillväxt. I fotosyntesen utvinner växterna 17
energi från koldioxid och vatten med hjälp av solljuset. Vattenmolekylerna delas upp i väte och syre. Syret går ut i luften och vätet förenas med koldioxid för att bilda glukos som omvandlas till näring i växtens celler. Som resultat får kvävegödsling skogen att växa snabbare, vilket i sin tur ger ökad skogsproduktion, men det finns även risk för övergödning eftersom kväve redan tillförs genom nerfall av luftföroreningar från industrier. En ökad lagring av kol i biomassa, mark eller vatten kallas kolsänka. 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, och dessa ämnen finns ju naturligt i olika kemiska föreningar i marken och i vattnet. Eftersom både kväve och fosfor fungerar som gödningsmedel börjar alger och andra växter i vattnet att växa kraftigt. När algerna och växterna så småningom dör så faller de till botten och de börjar brytas ner. Om det är väldigt gott om växter kan det bli syrebrist i vattnet och 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. 18
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 4. 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, 4 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) 50. 19
och visar att utsläppen av metan från världens sötvatten motsvarar 25 procent av den koldioxid som naturen på jordens landområden binder. Eftersom metan ger en mycket starkare växthuseffekt per molekyl än koldioxid så innebär forskningsrönet att den växthusgassänka som skogar och andra landekosystem utgör är betydligt mindre än vad man trott. 2.7. Andra aspekter på koldioxidutsläpp och skog Massaved från skogen kan även användas för att framställa biogas utan att påverka flödet av materialvolymerna. 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. Massaved som används vissa massaframställning kan ge tallolja, som i sin tur kan användas som biobränsle. Enligt en studie från 2008 av 21 svenska bruk om deras såpahantering och talloljekokning som genomfördes av Ångpanneföreningen och Värmeforsk så har Svenska massabruk potential att öka sin produktion av tallolja med tio procent, motsvarande 290 gigawattimmar energi om året. Undersökningen visade att det är mycket stor variation i talloljeproduktionen vid de svenska bruken. Som mest utvanns 67 kilo tallolja per ton pappersmassa, och som minst tio kilo. Variationen beror bland annat på andelen tall i brukets råvara av ved, hur länge veden lagras och hur processerna ser ut. Men även vilken breddgrad bruket ligger påverkar talloljeproduktionen, och ju högre upp i landet bruket befinner sig, desto högre är talloljeproduktionen. Träden som används vid bruk längre norrut har växt långsammare och innehåller mer tallolja. För att få ut så mycket tallolja som möjligt ska bruken bland annat ha en hög andel tall som råvara och korta lagringstider av veden. I April 2010 invigdes världens första talldieselfabrik, som producerar råtalldiesel från råtallolja, i Piteå. Studier av fönster och möbler av trä genomförd av Trä- och Möbelindustriförbundet (TMF) visar att även de binder koldioxid, och som släpps 20
lös först när fönstret eller möbeln återvinns. Runt 1.65 miljoner ton koldioxid binds i träfönster enligt förbundets rapport från slutet av 2008. TMF är branschoch arbetsgivarorganisationen för den träförädlande industrin och möbelindustrin i Sverige, och företräder cirka 800 medlemsföretag med över 30 000 anställda. I takt med att utsläpp av koldioxid har ökat från 2 miljarder ton/år (år 1850) till nuvarande 35 miljarder ton/år så har många klimatforskare befarat att de naturliga koldioxidsänkorna såsom skog och hav skulle mättas. Detta skulle på sikt kunna leda till en markant ökning av koldioxid i atmosfären. I en studie baserad på statistisk data av Dr. Wolfgang Knorr vid Bristol University (Geophysical Research Letters, Nov 2009) så visar utvärderingen att halten mellan koldioxid i luften och den som absorberats i marken är nästintill oförändrad (+0.7 ±1.4% per årtionde) sedan 1850. Rent statistiskt så har det enligt studien inte skett någon förändring av den koldioxid som marken kan fånga in. Om studien stämmer så betyder det att mer koldioxid kan lagras i marken när utsläppen blir högre. 21
3. Naturlig och förstärkt växthuseffekt För att förstå växthuseffekten så måste vi beskriva strålning och atmosfären. 3.1. Strålning 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 värmeöverföringar som konvektion (som ges av rörelser av gaser eller vätskor), ledning eller avdunstning sker inte eftersom jorden är isolerad i vakuum. Strålningen från solen består av synligt ljus, 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 så 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 400-700 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 400-700 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. 22
Ljuset från solen innehåller 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 UVstrålning. 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. 23
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, O 3 ) som mycket effektivt absorberar all strålning med våglängder kortare än 300 nanometer. Mellan 300 400 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 (O 2 ) delar på sig och en syreatom går ihop med en syremolekyl och bildar O 3. 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. 24
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 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. Tillsammans med William Ramsay isolerade och identifierade Rayleigh ädelgasen argon 1894. Rayleigh och Ramsay fick 1904 Nobelpriset i fysik respektive i kemi, för sina upptäckter av ädelgaserna. 25
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 är effektiva finns vattenånga, koldioxid och metan. 3.3. 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, som byggs upp av atomer, och som är uppvärmd avger energi i form av strålning som inom fysiken kallas svartkroppsstrålning. Strålningen kallas även temperaturstrålning eller värmestrålning. Den här strålningen har sin 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. 26
Svartkroppstrålning vid ökande temperatur [700, 2700, och 5700 o C] 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, det vill säga att all strålning från jorden går ut i rymden, 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. 27
Rent fysikaliskt så vibrerar molekylerna i sina normala tillstånd. När de träffas av IR-strålning börjar de vibrera kraftigare när de fångar upp energin. Eftersom det inte är ett normalt tillstånd för molekylerna så avger de energi för att återta sina tidigare tillstånd. De avger då IR-strålning eftersom de avger samma mängd energi som de fångade upp. Strålningen avges 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. 28
Med detaljerade beräkningar som tar hänsyn till IR-strålningen som faller in mot jorden igen ger att jordens genomsnittstemperatur är ca 15 o C. 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, så att den värmestrålning som skickas tillbaka till jorden är högre än naturligt och värmer upp jorden mer. 29
Utöver växthusgaserna bidrar moln till växthuseffekten eftersom de absorberar IR strålning liksom växthusgaserna, men även för att de reflekterar solstrålning. Moln är en ansamling av vattendroppar eller iskristaller i luften. Moln 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 reflekterar solstrålning tillbaka till rymden mer än de växelverkar med värmestrålningen från jorden eftersom deras temperatur ligger ganska nära temperaturen på marken. Höga moln har större påverkan på växthuseffekten eftersom de har lägre temperatur och utstrålar mindre värmestrålning mot rymden. De består även till stora delar av iskristaller, som inte reflekterar solstrålning så effektivt. 30
Låga moln reflekterar solstrålning Klimatproblemet beskriver att orsaken till jordens uppvärmning är ökade utsläpp av växthusgaser som följd av industrialiseringen, som ger ökad återfallande IRstrålning in mot jorden och en ökad temperatur. 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 och de stora underjordiska lagren 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 att metan ska vara en starkare växthusgas än koldioxid. Skillnaden mellan halterna av metan och koldioxid är att det finns cirka 190 gånger mer koldioxid i atmosfären än metan. De mängder som kommer till atmosfären har även en viss livslängd innan de bryts ner, under vilken tid som de bidrar till att skapa växthuseffekten och 31
förstärkningen av denna. Metan har kortare livslängd i atmosfären än koldioxid, och 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 att mängden strålning som en viss gas i atmosfären absorberar beror på vilka andra gaser som ingår. Vattenånga och koldioxid absorberar i relativt breda delar av den infraröda strålningen. Metan absorberar inom andra våglängdsområden, vilket gör att dess relativa bidrag till växthuseffekten kan anses som större. 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 bör ställas i perspektiv till de faktiska halterna i atmosfären. 32