Växthuseffekten Vi beräknade ovan att skillnaden mellan jordens yttemperatur och den utstrålande temperaturen var 33 grader, men detta ger ingen insikt om de fysikaliska processerna bakom uppvärmningen Vi lägger till en förenklad atmosfär i våra beräkningar Atmosfären består endast av ett skikt/lager Den absorberar och emitterar all infraröd strålning Har temperaturen T e och albedon A 6
Försök 2: Växthuseffekten, ett atmosfärskikt Tidigare hade vi S s Te = - Strålningsbalansen ger nu S/ S/A ( 1 A) st S = ( 1- A) + st st = 2sT s e s e st e T e Atmosfären st e S/(1-A) st s T s Jorden 7
Växthuseffekten: Ett atmosfärskikt Strålningsbalansen gav st S = ( 1- A) + st st = 2sT s e s e S s T = - e 1 1 ( A) T = 2 T» 1.19T s e e D T = T - T = 8K g s e (som tidigare, ger T e =-18 o C) (gert s = 30 o C) Yttemperaturen blev för hög, och växthuseffekten T g i vårt förenklade system är alltså större än den verkliga 33K S/ S/A T e T s Atmosfären S/(1-A) Jorden st s st e st e 8
Växthuseffekten: orsaker Vår förenklade atmosfär gav alltså inte heller rätt svar Orsaker bl.a. Atmosfären inte perfekt svartkropp Atmosfären inte bara ett skikt Den beskrev dock de viktiga fysikaliska fenomenen Vi gör ett sista försök, där vi nu antar att atmosfären endast absorberar en del (ε) av den infraröda strålningen från jorden, dvs (1-ε) emitteras direkt från jordytan ut i rymden 9
Försök 3: Ett semi-absorberande atmosfärskikt Strålningsbalansen ger nu S S st = ( 1- A) + st T =- ( 1- A) + T s S ests = 2sTatm ests = 2s - ( 1- A) + Ts Ł s ł s atm atm s S/ S/A st s 1 ( -e) st e T atm Atmosfären st e S/(1-A) st s T s Jorden 50
Försök 3: Ett semi-absorberande atmosfärskikt S S sts = ( 1- A) + statm Te =- ( 1- A) + Ts s S S ests = 2sTatm ests = 2s - ( 1- A) + Ts = 2sTs - ( 1-A) Ł s ł 2 S S S ests - 2sTs =- 1-A e - 2 Ts =- 1- A 2- e Ts = 1- A 2 2s 2s ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1370W S 1-A 2( 1-0.3) T s = = m -8 2s ( 2-e) 2 5,67 10 W 2 ( 2 -e) mk e = 0 e = 1 e = 0.75 T = 255K =-18C T s atm T = 303K =+ 30C T s atm =-18C T = 287K =+ 15C T = 0K s atm =-63C S/ S/A T atm T s S/(1-A) Atmosfären Jorden st s 1 ( -e) st s st e st e 51
Växthuseffekten: resultat och nya frågor Nu nådde vi äntligen rätt yttemperatur, med antagandet att atmosfären absorberar 75% av infraröda strålningen som jorden emitterar Är dessa värden realistiska? Hur stämmer siffrorna överens med mätningar? Siffrorna är svåra att ange exakt, men jag hittade värden mellan 5-12 % (jmfr 25% i våra beräkningar) för mängden infraröd strålning från jorden som INTE absorberas Med tanke på att många förenklingar gjordes, är resultatet mycket nära det uppmätta Vad är orsaken bakom själva växthuseffekten och den selektiva absorptionen/emissionen? 52
Växthuseffekten: orsaker Från kvantmekaniken vet vi att molekyler endast kan befinna sig i vissa diskreta energitillstånd T.ex. kan en molekyl endast vibrera med vissa frekvenser En molekyl kan endast absorbera fotoner med energier som motsvarar skillnaden mellan två tillstånd För det infraröda spektret gäller det övergångar mellan både rotations- och vibrationsenergier Mera om dessa i kurserna Kvantfysikens grunder och Atomer och molekyler 53
Molekylrotationer och -vibrationer En molekyl absorberar (och emitterar) i allmänhet elektromagnetisk strålning bäst om den är polär Kom ihåg att elektromagnetisk strålning kan förliknas vid ett oskillerande el/magnetfält Koldioxid är inte polärt i sitt vilotillstånd, men blir om den vibrerar - O H H + Vatten + + O O O - Ozon - N 2, O 2 och Ar är inte (och kan ej heller bli) polära molekyler, och är därför inte växthusgaser O O O Syre C O Koldioxid 5
Växthuseffekten: Atmosfärens sammansättningen >99% av atmosfären består av N 2, O 2 och Ar, men ingen av dessa är en växthusgas och inverkar således inte på strålningsbalansen Andel (%) Andel (ppm/ppb) Växthuseffekt* Kväve (N 2 ) 78% 0% Syre (O 2 ) 21% 0% Vattenånga 0,% 000 ppm 60% (H 2 O) Koldioxid (CO 2 ) 0,0% 00 ppm 26% Metan (CH ) 0,0002% 200 ppb Lustgas (N 2 O) 0,00003% 30 ppb Tillsammans 6% Ozon (O 3 ) 0,0000% 0 ppb 8% Kvaliteten viktigare än kvantiteten! Skulle en fördubbling av CO 2 fördubbla dess växthuseffekt? Svaret är nej, som vi kommer att se * Kiehl & Trenberth (Bull. Am. Meteor. Soc., 1997) 55
Växthuseffekten i verkligheten: Absorption i det infraröda Vattenmolekylerna absorberar i stort sett all infraröd strålning med våglängder λ>20 µm CO 2 :s vibrationer absorberar starkt kring λ=15 µm Majoriteten av strålningen som transmitteras genom atmosfären gör det i fönsterregionen Atmosfärens absorption 56
Växthuseffekten i verkligheten: Absorption i det synliga Också kortvågigare solstrålning absorberas i atmosfären (som tur!) Främst UV-strålningen absorberas före den når jordytan 57
Växthuseffekten i verkligheten: Absorption i det synliga Olika gaser absorberar alltså olika våglängder Fönsterregionen i blått tydlig Tydligt är också att t.ex. CO 2 redan saturerat många av sina absorptionsband Men vilken effekt har temperaturen på emissionen från en varm jordyta eller en kall atmosfär? 58
Saturering av absorptionsband max 1 Absorptivitet Ursprunglig mängd 2x x l Växthuseffekten ökar inte lineärt med växthusgasernas koncentration!
Växthuseffekten: Atmosfärens struktur Temperaturen ökar pga att Syre absorberar kortvågig strålning Ozon absorberar UV-strålning Jordytan absorberar synligt och IR-strålning 60
Växthuseffekten: Atmosfärens struktur Hur förflyttas värme-energi? Konvektion (värmetransport genom luftens rörelser) Strålning Latent värme Ledning Värmeenergi strålar ut från markytan, men pga av atmosfärens absorbtivitet, når inte all strålning väldigt långt Konvektion/evaporation hjälper Luften nära markytan värms upp, och eftersom varm luft stiger uppåt är troposfären blandad (well-mixed) Stratosfären (från stratified, dvs i lager ) är varmare upptill, och är därför inte blandad 61
Jordens emissionsspektrum mätt från rymden Emission från varm jordyta och kall atmosfär De olika emissionshöjderna ses tydligt Spektret uppmätt ovanför Niger, Afrika Majoriteten av vattenångan finns nära jordytan, medan koldioxiden når högre upp i atmosfären där det är kallare Våglängd, µm Atmos. Chem. Phys., 11, 255 270, 2011 Atmospheric Window Emission Atmos. Chem. Phys., 8, 2885 289, 2008 62
Vad händer om vi börjar emittera en ny växthusgas? Exempel: En ny växthusgas som absorberar mitt i fönsterregionen, vid 11 µm Emissionen vid 11 µm minskar, emitteras istället från en kall atmosfär Våglängd, µm Emission 63
Vad händer om vi börjar emittera en ny växthusgas? Jämviktstillståndet förändras, men totala emissionen måste hållas konstant Emissionen vid andra λ måste öka Våglängd, µm Jordytans temp. måste öka! Emission 6
Växthuseffekten: Emissionhöjder och moln Helt tydligt inverkar alltså temperaturen på växthusgaserna, dvs vilken höjd de ligger på Aerosoler och moln inverkar också på jordens strålningsbalans Aerosoler är små partiklar (i vätske- eller fast form) och diskuteras i mera detalj senare Moln reflekterar inkommande solstrålning, men ger också upphov till en växthuseffekt Tänk t.ex. på hur moln gör det kallare på dagen men varmare på natten, jämfört med en molnfri situation Typen av moln är av stor betydelse 65
Växthuseffekten: Moln Utan moln skulle jordens albedo vara närmare A=0.1 Beroende på höjd och typ, kan molnen antingen verka uppvärmande eller nerkylande Låga, tjocka moln (t.ex. stratusmoln) reflekterar solljuset effektivt, och trots att dom absorberar IR, emitterar dom vid en relativt hög temperatur nedkylande Höga, tunna moln (t.ex. cirrusmoln) är mer genomskinliga för solstrålning, men absorberar IR och emitterar vid en lägre temperatur st B uppvärmande Mera om moln senare st A Se även meteorologikursutbudet Höjd Moln B Moln A Temperatur T s 66
Globala energibudgeten summerad Olika former av strålning i atmosfären De exakta siffrora kan variera mellan olika källor 67
Klimatmodellering De olika växthusgasernas absorbering kan beräknas kvantmekaniskt, eller mätas experimentellt Med uppmätta (eller estimerade) koncentrationer av växthusgaserna kan man då simulera tidigare/kommande klimat Exempel på olika modeller: GCM (general circulation model/global climate model) 3D-modell som möjliggör regional resolution, mycket beräkningskrävande RCM (Radiative-convective model) 1D-modell (vertikal), använder ett medeltal för planeten, dvs mindre noggrann (dock bättre än våra försök), men kräver färre beräkningar än en GCM 68
Klimatmodellering Även en RCM kommer fram till rätt växthuseffekt (33K) Med en RCM kan man t.ex. studera effekten av en fördubbling av CO 2 (från 300 ppm kring 1900) till 600 ppm (en typiskt benchmark, dvs ett test för att t.ex. jämföra olika modeller) Förändringen enbart från CO 2 skulle vara kring 1.2K, förutsatt att inga återkopplingar existerar En ökning av 1.2K skulle medföra ökade mängder vattenånga i atmosfären, vilket skulle leda till ytterligare en uppvärmning Modellerna förutspår en ökning av 1.2K till från denna effekt 69
Klimatåterkopplingar: Vattenånga-återkopplingen Vatten är en mycket speciell molekyl Vattenmolekylen är mycket liten, och borde därför befinna sig främst i gasfas, men pga dess polaritet förångas den inte enkelt Då den en gång bildat vattenånga, kondenserar den inte heller snabbt Då relativa luftfuktigheten (RH) når 100% kondenserar vattnet på ytor och partiklar När RH=100% nås beror kraftigt på temperaturen (se bilden) 70
Klimatåterkopplingar: Vattenånga-återkopplingen Om vi antar att luften oftast är närapå saturerad med vattenånga, kommer absoluta mängden vattenånga (som är den viktiga parametern för strålningsbalansen) att följa temperaturen Å andra sidan, om vattenångan ökar, leder det till en uppvärmning, som i sin tur leder till mer vattenånga i atmosfären, osv. Effekten avtar dock för varje steg, och leder därför inte till ett ostabilt system (som tur) Vattenånga-återkopplingen är en starkt positiv feedback 71
Klimatåterkopplingar: Snö/isalbedo-återkopplingen Om temperaturen ökar, börjar glaciärer och framför allt polarisarna att smälta Snö och is har hög albedo, och därmed ökar absorptionen av solljus då isen och snön smälter Detta ger upphov till en annan positiv feedback, dock mindre än den från vattenångan Effekten kan leda till en ännu starkare återkoppling ifall den smältande tundran innehåller t.ex. metan som frigörs och ökar på växthuseffekten 72
Andra klimatåterkopplingar En nästan trivial återkoppling bör inte glömmas bort, dvs IR-återkopplingen Då jordytan värms upp ökar mängden IR strålning som avges, vilket i sin tur leder till en negativ återkoppling Molnbildning är en annan viktig återkoppling, men är också den som är mest osäker Inte ens tecknet på moln-kopplingen är säker, och denna ger upphov till en av de största osäkerheterna då man försöker förutspå framtida klimat Mer om detta senare i kursen 73