Klodens temperatur og drivhuseffekten.

Klodens temperatur og drivhuseffekten (vers. 1.0, 17-0-09) Klodens temperatur og drivhuseffekten. Grundlæggende bestemmes jordens temperatur af en energibalance mellem 1) stråling fra solen, der absorberes af jorden og dens atmosfære, og ) varmestråling der forlader jord-atmosfære systemet ud i rummet. Når energibalancen forskydes, vil jordens temperatur forandres tilsvarende. Energibalancen kan f.eks. forskydes ved en stigning af mængden af drivhusgassen CO i atmosfæren; dette medfører en opvarmning af jordens temperatur indtil energibalancen er genoprettet. Figur 1. Jordens energibalance. Mængden af indommende stråling fra solen svarer til mængden af varmestråling fra jorden ud i rummet. Energibalancen kan forskydes i kortere tidsrum, men vil med tiden genoprettes med en ændring af jordens temperatur til følge. Alle legemer udsender elektromagnetisk stråling. Stråling er en energiform. Varme legemer som solen- udsender stråling i form af synligt lys, hvorimod koldere legemer udsender varmestråling. Dette kan f.eks. tydeligt observeres når man holder en hånd over en varm kogeplade. Også jorden udsender elektromagnetisk stråling - i form af varmestråling også kaldt IR eller infrarød stråling. Drivhuseffekten Drivhuseffekten skyldes at jordens atmosfære indeholder en række gasser, som kan absorbere varmestråling udsendt af jorden; disse gasser kaldes drivhusgasser. Drivhusgasserne kan sammenlignes med et varmende tæppe, der holder os (jorden) varm på en kold nat ved at holde på kropsvarmen på en kold nat (varmestrålingen fra jorden). Denne varme (varmestråling) ville ellers være undsluppet til det omgivende rum (det ydre rum). Stigningen i atmosfærens indhold af drivhusgasser har virket som om det varmende tæppe er blevet tykkere. absorbere = optage. Når et molekyle absorberer stråling, optages strålingsenergi fra det elektromagnetiske felt og molekylet ender i en tilstand med højere intern energi. Figur. Drivhusgasserne virker som et varmende tæppe lagt omkring jorden som tilbageholder varmestråling fra jorden. Fra: http://science.larc.nasa.gov/biomass_burn/images/greenhouse.gif 1

Klodens temperatur og drivhuseffekten (vers. 1.0, 17-0-09) Kuldioxid (CO ), vanddamp (H O), methan (CH ), lattergas (N O), ozon (O 3 ) og CFCer er alle drivhusgasser. Jordens atmosfære indeholder naturligt væsentlige mængder af CO, vanddamp, methan, ozon og lattergas. Drivhuseffekten består således af en naturlig komponent. Uden drivhuseffekt ville jordens overflade have en temperatur på i gennemsnit -6 C! Den menneskeskabte drivhuseffekt skyldes at vi mennesker siden industrialiseringens begyndelse i slutningen af 1700-tallet har forøget atmosfærens indhold af drivhusgasser. En simpel drivhusmodel Gennemsnitstemperaturen af jordens overflade bestemmes af energibalancen mellem stråling fra solen (mest synligt og infrarødt lys) som opvarmer jordens overflade og varmestråling udsendt fra jorden samt varmestråling fra jordens atmosfære der rammer og opvarmer jordens overflade. * Den simple energibalancemodel er illustreret nedenfor: Jordoverfladens gennemsnitstemperatur uden drivhuseffekt Uden drivhusgassernes opvarmende effekt ville gennemsnitstemperaturen være ca. 6 C. En atmosfære uden drivhusgasser og uden skyer ville resultere i en gennemsnitstemperatur på ca. 18 C. Idag er gennemsnitstemperaturen ca. 1.5 C. Figur 3. Jordens og atmosfærens energibalance illustreret med en meget simpel drivhus-model. Drivhusgasserne er her repræsenteret ved et enkelt lag. S står for den solenergiindstråling, der optages af jordoverfladen, G står for energistrømtætheden som jordoverfladen afgiver som varmestråling, εa står for den energistrømtæthed der udgår fra drivhusgasserne både mod jorden og ud mod rummet. (1-ε)A er den mængde varmestråling der forlader jorden mod rummet uhindret af drivhusgasserne. T s = overfladetemperaturen (s for surface), T a = atmosfærisk temperatur. Inspireret af 1. I modellen er atmosfærens drivhusgasser repræsenteret ved et enkelt lag. Virkeligheden er mere kompliceret med drivhusgasserne fordelt i hele jordens atmosfære. Vi kan konceptuelt forstå drivhusgassernes indflydelse på jordens energibalance og temperatur ved at betragte dem som et enkelt lag. En forstærket drivhuseffekt giver sig udtryk i en øget værdi af atmosfærens emissivítet ε. I det følgende regnes ud, hvordan det påvirker jordens overfladetemperatur T s. Energistrømtæthed: Effekt (energi pr. tidsenhed) af strålingsenergi pr. arealenhed. Enheden er W/m. Kildehenvisninger: Med hævet skrift. F.eks. 1. Kildelisten findes på den sidste side * Konvektion i atmosfæren og omfordeling af varme ved vind og havstrømme komplicerer situationen, men rykker ikke væsentligt ved denne energibalance for jorden betragtet som helhed.

Klodens temperatur og drivhuseffekten (vers. 1.0, 17-0-09) Energibalancen ved jordoverfladen og for atmosfæren Energistrømtæthederne repræsenteret i modellen er: S = energistrømtætheden af indkommende solenergi absorberet af jordens overflade: 0 (1 ) S S (1), hvor S 0 er solkonstanten = 1370 Wm - og α er jordens albedo; vi dividerer med fire fordi arealet af jordens overflade er fire gange så stort som arealet af jordens skygge vinkelret på solindstrålingen. Med α = 0.3 fås: S = 0 Wm -. G = energistrømtætheden af varmestråling der forlader jordoverfladen. Denne størrelse er givet ved Stefan Boltzmanns lov: G T s (), hvor σ er Stefan-Boltzmann konstanten: σ = 5.67x10-8 Wm - K -. Med en gennemsnitlig overfladetemperatur for jordkloden på ca. 1.5 C = 87.7 K er G = 388 Wm -. ε A er den energistrømtæthed der forlader laget af drivhusgas i både nedadgående og opadgående retning: A T a (3), hvor ε er emissiviteten af det atmosfæriske lag i vores model svarer det til styrken af drivhuseffekten. Bemærk at denne model med et enkelt drivhuslag er meget forsimplet den kan give en kvalitativ forståelse, men hverken T a eller ε repræsenterer faktiske målbare størrelser. For en situation med strålingsligevægt kan vi opskrive: Ligevægt for jordoverfladen: G S A () Ligevægt for det atmosfæriske lag: G G A A (5) Da kan afstrålingsstrømtætheden G for jorden opskrives som funktion af den indkommende solenergi irradians S og emissiviteten af det atmosfæriske lag (styrken af drivhuseffekten) ε: S G Ts (6) 1 Jordens overfladetemperatur T s kan opskrives som funktion af S og ε: S 1/ T s ( ) (7) (1 ) Solkonstanten er energistrømtæthed en af solstråling i jordens middelafstand til solen. Værdien er ca. 1370 W/m. Albedo: andel af indkommende stråling der bliver reflekteret af overfladen. Den andel, der ikke reflekteres af overfladen vil blive absorberet dvs. optaget. En albedo på 0.3 vil sige at overfladen absorberer 1-0.3 = 0.7 = 70%. Emissiviteten: ε = forholdet mellem den mængde energi der bliver udsendt af et legeme ved en given temperatur og den mængde energi som ville udsendes af et sort legeme ved samme temperatur. Emissiviteten ligger således mellem 0 og 1. Jo mere drivhusgas der er i atmosfæren, des tættere er værdien på 1. 3

Klodens temperatur og drivhuseffekten (vers. 1.0, 17-0-09) Jordens overfladetemperatur som funktion af atmosfærens emissivitet: 9 S 1/.310 K 1/ T s ( ) ( ) (1 ) 1 Jordens overfladetemperatur stiger med stigende emissivitet af atmosfæren dvs. med drivhuseffektens styrke. Se figuren: 300 90 X: 0.77 Y: 88 T s (K) 80 70 60 0 0. 0. 0.6 0.8 1 Figur. Jordens overfladetemperatur T s som function af drivhuseffektens styrke her udtrykt ved drivhuslagets emissivitet ε. Bemærk: Jordoverfladens aktuelle gennemsnitstemperatur er ca. 88 K (15 C); uden drivhusgasser i atmosfæren dvs. ε = 0 - ville jordoverfladen have en gennemsnitstemperatur på ca. 55 K (-18 C). Strålingspåvirkning en ændring i energibalancen En ændring af den globale (strålings-) energibalance skyldes en strålingspåvirkning ΔF. En strålingspåvirkning kan f.eks. være en ændring i den indkommende irradians fra solen S eller skyldes en ændring af koncentrationen af drivhusgasser, hvilket medfører en ændring af emissiviteten ε af atmosfæren. En strålingspåvirkning bringer det globale energibudget ud af balance indtil en ny ligevægt med en ny værdi af temperaturen T s indstiller sig. Ifølge IPCCs definition er strålingspåvirkningen ΔF af overflade-troposfære systemet den forandring i netto (nedadgående minus opadgående) strålingsstrømtæthed ved tropopausen efter at stratosfæren har tilpasset sig til nyt strålingsligevægt, men hvor overflade- og troposfæriske temperaturer er fastholdt ved de uforstyrrede værdier. I vores forsimplede system kan vi betragte strålingspåvirkningen som ændringen i nettoenergistrømtæthed (nedadgående minus opadgående) igennem et lag lige ovenover vores atmosfærelag (se Figur 5): F S (G 0 -A 0 ) (8), udtrykt som funktion af kun ε og S: S0 F S (9) 0 Strålingspåvirkning (ΔF): En forskydning af den globale strålingsenergibalance pga. en forandring af en af de i Figur 3 viste enegistrømme. Engelsk: radiative forcing. IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change (en.) = FNs klimapanel Tropopausen: lag i atmosfæren, hvor temperaturen holder op med at falde med højden. Tropopausen ligger mellem ca. 8km højde ved polerne til ca. 17 km højde ved ækvator.

Klodens temperatur og drivhuseffekten (vers. 1.0, 17-0-09) Figur 5. Forsimplet atmosfæremodel med strålingspåvirkning. Solindstrålingen er ændret med ΔS og emissiviteten af laget af drivhusgas er ændret med Δε. Den samlede strålingspåvirkning beregnes som ændringen af energifluxtætheden igennem tropopause -laget, hvor mere nedadgående strålingsenergi giver en positiv strålingspåvirkning ΔF. Vi bemærker at en ændring af solindstrålingen ΔS har en analog effekt som en ændring af atmosfærens indhold af drivhusgasser - udtrykt som ændring i emissivitet Δε. Vi kan så beregne effekten af strålingspåvirkningen ΔF på en ændret afstråling fra jorden G +ΔG ved den nye ligevægtstilstand: G G S S F G S A S (10) S 1 (1 ) 1 Strålingspåvirkningen resulterer i en ny ligevægtstemperatur for jordoverfladen T s +ΔT s og ΔT s er: dts 1 F Ts G (11) 3 dg T s 1 Klimasensitiviteten hvor meget varmere bliver det? Klimasensitiviteten λ er normalt defineret som forholdet mellem ændringen af jordens overfladetemperatur T s (til en ny ligevægtstilstand) og den strålingspåvirkning ΔF der forårsager temperaturændringen: T s (1) F FNs klimapanel IPCC bruger en anden definition af klimasensitiviteten (λ IPCC ) : Den temperaturstigning (gennemsnitlig global overfladetemperatur) man kan forvente ved en fordobling af CO -koncentrationen. Man kan konvertere vores klimasensitivitet λ til IPCCs: λ IPCC = λ*3.7wm -. 5

Klodens temperatur og drivhuseffekten (vers. 1.0, 17-0-09) Et første bud på en klimasensitivitet baseret på vores forsimplede model findes ved brug af ligning (11): forsimplet (13) 1 1 0.3KW 3 8 3 0.769 Ts (1 ) 5.6710 Wm K (88 K) (1 ) m 1 Hvor meget varmere vil kloden så blive pga. en fordobling af CO koncentrationen? En detaljeret beregning på grundlag af CO s absorption af infrarød stråling som man kan måle i laboratoriet og den spektrale fordeling af varmestråling der forlader jorden giver følgende sammenhæng mellem CO -koncentrationen [CO ] og strålingspåvirkningen : [ CO ] F 5.35Wm ln( ) (1), ln: [ CO ] 0 hvor [CO ] er den nye CO koncentration og [CO ] 0 er den gamle. En fordobling af CO -koncentrationen vil da føre til en stigning i temperaturen T s : 1 Ts, forsimplet forsimplet FxCO 0.3KW m 5.35Wm ln() 1.1K Disse 1.1 C stigning ligger under intervallet på til.5 C som IPCC bruger fordi der er tilbagekoblingsmekanismer i klimasystemet der virker forstærkende på en primær strålingspåvirkning fra. f.eks CO. F.eks. vil en højere temperatur pga. mere CO føre til et højere vandindhold i atmosfæren pga. mere fordampning fra bl.a. oceanerne. Atmosfæriske målinger har vist at den relative fugtighed er nogenlunde uændret ved en forandret troposfærisk temperatur 3, hvilket resulterer i en forstærket drivhuseffekt: CO + H O giver da en samlet klimasensitivitet på ca. 0.5 KW -1 m, hvilket resulterer i en stigning i ligevægtstemperatur T s på 1.9 C. En anden måde at estimere klimasensitivitet på er at kigge på historiske data: At tage den samlede strålingspåvirkning fra ændringer i solindstråling og atmosfærisk sammensætning igennem f.eks. 1900-tallet og sammenholde det med den observerede temperaturændring. I løbet af 1900-tallet øgedes indholdet af atmosfæriske partikler (aerosoler), hvilket skønnes at have resulteret i en negativ strålingspåvirkning på ca. 1 Wm -. Vi bør også tage i betragtning at vi ikke befinder os i strålingsligevægt nu fordi oceanernes varmeindhold er stigende. Desværre er de bedste data for ændringen i strålingspåvirkningen og ændringen i ocearnernes varmeindhold behæftet med en ret stor usikkerhed, men Prof. Stefan Rahmstorf kommer med et bud : ΔT s = 0.8 K ΔF ΔCO & andre drivhusgasser =.6 Wm - ΔF Δocean = -0.6Wm - ΔF Δsolar = 0.3Wm - ΔF Δaerosol = -1Wm - Ts 0.8K 1 Rahmstorf 0.6KW m Ftotal (.6 0.6 0.3 1) Wm Denne værdi af klimasensitiviteten svarer til en stigning i T s på.3 C for en fordobling af atmosfærens CO -indhold. den naturlige logaritme. F.eks.: ln() 0.7 Relativ luftfugtighed (en.: relative humidity) = forhold mellem vandets aktuelle damptryk p HO og mætningsdamptryk ket p HO,sat ved given temperatur og tryk. P HO,sat er stærkt temperaturafhængi g, se f.eks.: http://en.wikipedia.org/wiki/file:rela tive_humidity.png 6

Klodens temperatur og drivhuseffekten (vers. 1.0, 17-0-09) T s ( C) 1.8 1.6 1. 1. 1 13.8 13.6 13. årsgennemsnit 15-års gennemsnit 1900 190 190 1960 1980 000 År Figur 6. Udviklingen af den globale gennemsnitlige overfladetemperatur 1900-008. Data fra: http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/temperature/crutem3gl.txt FNs klimapanel IPCC kommer på baggrund af et meget stort antal simuleringer med komplekse klimamodeller, som medtager en række tilbagekoblingsmekanismer, frem til et sandsynligt interval for klimasensitiviteten på (0.5 1.) KW -1 m svarende til en stigning i T s på (.5) C for en fordobling af det atmosfæriske CO -indhold. Spørgsmål til stoffet: 1. Højere koncentrationer af drivhusgasser i jordens atmosfære vil føre til: a) en stigning af jordens overfladetemperatur T s b) et fald i jordens overfladetemperatur T s c) ingen påvirkning af jordens overfladetemperatur T s. Når jordens temperatur er stabil, balanceres mængden af absorberet sollys i jord/atmosfæresystemet af hvad? 3. Uden drivhusgasser ville jordens gennemsnitstemperatur T s have hvilken værdi?. Hvilken analogi kan bruges til at forstå drivhusgassernes virkning? a) en tågebanke b) et varmende tæppe c) en sandstorm 5. Hvilke af flg. gasser er drivhusgasser? a) O b) CO c) H O d) N e) N O f) CH 6. Hvilken stråling absorberes af CO og andre drivhusgasser? a) synligt lys b) varmestråling c) både synligt lys og varmestråling 7. En større emissivitet af atmosfæren svarer til: a) større koncentration af drivhusgasser i atmosfæren b) lavere koncentration af drivhusgasser i atmosfæren 8. Hvad er det engelske udtryk for strålingspåvirkning? 7

Klodens temperatur og drivhuseffekten (vers. 1.0, 17-0-09) 9. Hvilken enhed bruger man almindeligvis til at angive strålingspåvirkning? 10. Opskriv strålingspåvirkningen ΔF som funktion af ΔS, S 0 og ε. 11. Givet en klimasensitivitet på 0.8 KW -1 m (en værdi ca. i midten af IPCCs usikkerhedsinterval for klimasensitiviteten) og en fordobling af CO -koncentrationen, hvor meget vil jordens gennemsnitstemperatur T s (ved ligevægt) stige? Kilder: 1 3 G. A. Schmidt, (007), http://www.realclimate.org/index.php/archives/007/0/learning-from-asimple-model/ G. Myhre, E. J. Highwood, K. P. Shine et al., Geophysical Research Letters 5 (1), 715 (1998), http://folk.uio.no/gunnarmy/paper/myhre_grl98.pdf B. J. Soden, R. T. Wetherald, G. L. Stenchikov et al., Science 96, 77 (00), http://www.gfdl.noaa.gov/reference/bibliography/00/soden001.pdf S. Rahmstorf, in Global Warming: Looking beyond Kyoto, edited by E. Zedillo (Brookings Institution Press, 008), http://www.pikpotsdam.de/~stefan/publications/book_chapters/rahmstorf_zedillo_008.pdf 8