Institutionen för ingenjörsvetenskap, fysik och matematik
Avdelningen för energi- och miljöteknik
Karlstads universitet
651 88 Karlstad
www.eom.kau.se
Bengt Månsson
E-post: [email protected]
1. Naturresursbegrepp
Det finns olika terminologiska system för att dela in naturresurserna i olika
kategorier. De två vanligaste systemen utgår från naturresursernas egenskaper vad
gäller uttömning eller förstörelse, t ex om de kan ge en viss avkastning bara en ändlig
tid eller för all framtid. Utöver systemet “Förnyelsebara-Icke förnyelsebara” (se
Miljöfaktaboken) används också indelning i “Flödesresurser, Fondresurser och
Lagerresurser”.
Flödesresurser
Flödesresurser är beteckningen för de ständigt flödande naturresurserna; hit
räknas solinstrålning och kretsloppsresurser såsom det hydrologiska kretsloppet,
atmosfärens vädersystem och havsströmmar. I sträng mening är dessa resurser inte
helt opåverkbara, speciellt kan lokala effekter såsom luftföroreningarnas inverkan på
strålningsspektrumet nämnas. Antropogent genererade ändringar i atmosfärens
sammansättning inverkar på Jordens värmebalans och mängden UV-strålning vid
markytan.
Varken människor eller djur kan livnära sig från flödesresurser, men de kan
spara in många människors arbete och de kan bl a genom transporter av energi och
material fylla vitala funktioner i ekosystemen.
Den solstrålning, som passerat genom atmosfären och nått det svenska
landterritoriet är av storleksordningen 1 miljon PJ/år. Som en jämförelse kan nämnas
att den årliga svenska samhälleliga energitillförseln (om kärnkraften räknas som el)
har varit relativt konstant kring nivån 450 TWh ! 1600 PJ under 1970- och 1980talen. Den motsvarar alltså ca 1,5 promille av solstrålningen.
Fondresurser
Fondresurser betecknar de naturresurser som vid ändamålsenlig skötsel anses
kunna ge en viss avkastning (mätt i exempelvis mängd råvara per år) under
godtyckligt lång tid. Hit hör biologiska resurser, såsom djur, växter, ekosystem och
genetiskt material, liksom s k tillståndsresurser som luft, vatten, landyta och
markskikt.
Fondresurserna drivs av energi från solen och kan därför vara outtömliga,
förutsatt att de inte överutnyttjas — man får bara utnyttja räntan på kapitalet. Tär man
på kapitalet minskar räntan; kanske försvinner den helt.
De dominerande typerna av fondresurser, dvs skogarna, åkrarna och havens och
insjöarnas fiskbestånd, är kritiska leverantörer av produkter som är nödvändiga för
människornas överlevnad; mindre direkt kritiska men indirekt (ekologiskt) viktiga är
ängarna (de obearbetade betesmarkerna) och husdjuren.
Fondresurserna är idag viktiga delar av energiförsörjningssystemen. Det globala
årliga biomassenergiflödet är ca åtta gånger så stort som den globala
energianvändningen.
Storleken på fondresursernas avkastning kan påverkas av människan. Detta har
också skett sedan urminnes tid. Redan jägarsamhällena tillämpade ett stort antal
metoder för att öka utbytet av villebråd. Bland dessa fanns röjning av vattenhål,
selektiv jakt av hannar, utläggning av vinterfoder och iakttagande av vissa jakttider. I
nutid har den gröna revolutionen stått som samlingsnamn för åtgärder i samband med
införandet av nya högavkastande vete-, ris- och majssorter. Den innebar en drastisk
ökning av jordbrukets avkastning, men endast i vissa särskilt lämpade områden. Priset
1
för sådan hög avkastning är att man måste ta på sig ett permanent servicearbete i form
av intensifierad gödningstillförsel, användning av bekämpningsmedel och ofta
konstbevattning. Samtliga dessa ingrepp resulterar i oönskade ekologiska,
ekonomiska och sociala effekter.
Lagerresurser
‘Lagerresurser’ betecknar de naturresurser för vilka varje uttag innebär en
minskning av resursens fysiska mängd och vars nybildningstid är mycket lång i
mänskligt tidsperspektiv. De kan delas in i återvinnbara, såsom grundämnen, vissa
mineraler, sand och grus, samt icke återvinnbara, t ex fossila bränslen, klyvbart
material och vissa mineral som inte längre kan bildas på Jorden. En annan indelning
är i metallmineral och industrimineral.
Lagerresurserna är ännu ofullständigt kartlagda. Troligtvis kommer den
geologiska, geokemiska och geofysiska kartläggningen av Jordskorpans mineraltillgångar ned till ca 100 m djup att vara relativt fullständig i industriländerna
omkring år 2015, om den nuvarande trenden står sig (Skinner 1987).
Lagerresursernas ändlighet gav upphov till 1800-talets tidiga diskussioner om
kommande resursbrist. I nutidens hållbarhetsvisioner är en av nyckelfrågorna hur
lagerresurserna skall användas på vägen till, och i det bärkraftiga samhället. Till saken
hör att gruvindustrin idag ger upphov till större avfallsmängder än någon annan
verksamhet i Sverige — lagerresursutnyttjande handlar inte enbart om tillförsel av
råvaror, den leder också till storskalig miljöpåverkan.
Metallmängd
Paramarginella
Brytvärda
Submarginella
Malmhalt
Figur 1. För att kunna genomföra en resurstillgångsklassificering behövs kännedom om mängd metall i
malm med olika malmhalt. Figuren visar ett exempel på en sådan funktion, som det vore önskvärt att
känna till för varje metallinnehållande lagerresurs.
Det första man måste göra, då man skall studera tillgångsproblematiken för
lagerresurser, är att frigöra sig från den vanliga föreställningen att en lagerresurs
förekommer som en homogen kropp med känd och väldefinierad storlek. För varje
lagerresurs måste man räkna med ett brett kvalitetsspektrum vad gäller t ex läge och
koncentration, se figur 1. Sådana spektra är endast ofullständigt kända. Som antyds i
figuren är sambandet mellan mängd metall i malm med olika halt för de flesta
metaller inte så enkelt att mängden ökar monotont med fallande halt.
2
Brytvärda och totala tillgångar
Tillgången på lagerresurser kan inte bedömas endast utgående från geologiska
data och kunskaper. Den geologiska informationen måste kombineras med
bedömningar och data för tekniska och ekonomiska faktorer. Ett vanligt sätt att i en
sådan kombination klassificera lagerresurstillgångar visas nedan.
Klassifikationssystemet lanserades av U.S. Bureau of Mines/U.S. Geological
Survey. På svenska används ibland termerna ‘reserver’ och ‘resurser’, en något
olyckligt vald terminologi; den ligger dock nära de amerikanska termerna ‘reserves’
och ‘resources’. De totala tillgångarna får inte förväxlas med den geofysiska
resursbasen, dvs den totala mängden av en viss metall i Jordskorpan (en sådan
förväxling görs i Miljöfaktaboken, där de totala tillgångarna kallas för “resursbasen”);
måttet är ett mellansteg mellan de brytvärda tillgångarna och den geofysiska
resursbasen. Den geofysiska resursbasen är ett rent fysiskt tillgångsmått, som
inkluderar all förekomst av ett visst grundämne, mineral etc som finns i Jordskorpan.
Resursbasen är därför vanligen mycket stor, men huvuddelen av den är praktiskt sett
helt otillgänglig; för t ex koppar utgör reserverna mindre än en miljondel av
resursbasen.
Paramarginella
(Strax under
gränsen)
Reserver
Totala tillgångar
Submarginella
(Mycket under
gränsen)
Ökad ekonomisk
tillgänglighet
Olönsamma
Lönsamma
Oupptäckta
Upptäckta
Kvantifierbara Uppskat- Förmodade Tänkbara
Kända Troliga tade
Ökad kännedom om existens
Figur 2. Ett ofta använt klassifikationssystem (McKelvey’s Box, U.S. Geological Survey 1973) för
mineral och energitillgångar.
Vilka delar av en lagerresurs som är möjliga att utvinna beror bl a av rådande
tekniska och ekonomiska förhållanden. Reserver definieras som den del av
tillgångarna som är kända, tekniskt möjliga och ekonomiskt lönsamma att utnyttja vid
de aktuella prisnivåerna. Om priset stiger utvidgas fältet med reserver nedåt i figuren.
Om i stället kostnaderna för pågående brytning stiger utan att priset gör det krymper
fältet uppåt. Genom prospektering kan fältet få tillskott från höger.
Man kan eventuellt ta hänsyn även till andra tillgänglighetskriterier, såsom
sociala, ekologiska och politiska, och därmed få en snävare avgränsning av
reservernas storlek. Sådana här tillgångsuppskattningar bygger förstås också på olika
slags teknikbedömningar, både vad gäller teknik inom mineralbrytningssektorn och
vad gäller teknisk och ekonomisk utveckling i användarleden. Marginella eller
3
oekonomiska malmkroppar kan bli viktiga genom bi- och kombinationsprodukter.
Ändringar i infrastruktur kan drastiskt förändra bedömningen av en malmkropps
ekonomiska tillgänglighet.
För att kunna utföra en klassifikation enligt tillgångsschemat behövs kunskap
om de totala mängderna av en resurs i olika kvalitetskategorier; för en metall behövs
sambandet mellan metallmängd och metallhalt i olika malmer. Givet detta samband är
det möjligt att bestämma resursmängden i varje kategori genom att dela in i olika
intervall i malmhalt. Gränserna mellan intervallen flyttas förstås i samband med olika
slag av tekniska och ekonomiska förändringar. Vår uppfattning om sambandet
förändras genom prospektering och förbättrade geologiska kunskaper.
Priserna på de flesta mineralråvaror har under 1900-talet sjunkit i reala termer,
särskilt metallpriserna efter andra världskriget. Inom denna trendmässiga utveckling
ryms dock stora variationer, bl a eftersom efterfrågan på de flesta mineralråvaror är
mycket konjunkturkänslig. Det är också svårt att snabbt reglera produktionen i
mineralindustrin efter förändringar i efterfrågan.
Indikering av resursknapphet
Kvoten mellan brytvärda tillgångar (reserver, R) och den årliga utvinningen (U)
är ett vanligt förekommande mått på resursknapphet. Den kvoten är dock inte särskilt
lämpad som mått, bl a eftersom det är svårt att motivera de resursutvinnande länderna
eller företagen att fortsätta prospektering efter ytterligare tillgångar då de redan har
tillräckligt för de närmaste 20-30 åren. Ibland kan dock ett högt pris eller handelspolitiska skäl driva fram en hög takt på efterforskningen även vid höga R/U-kvoter,
till exempel i fallet olja, fast i det fallet har även fluktuationer i utvinningstakten
spelat en viss roll
En orsak till förändringar i R/U-kvoten är att utvinningstakten ständigt
förändras; för de flesta lagerresurser har det varit fråga om en ökning under nästan
hela 1900-talet. En annan orsak till problem är att uppskattningarna av de brytvärda
tillgångarnas storlek varierar mellan olika källor.
Lager, fonder och flöden i historien
I en grov historisk schematisering kan man sammanfatta några huvuddrag i
omvandlingarna i det mänskliga samhällets naturresursbas så, att utvecklingen har
gått från utnyttjande av naturliga fonder till bruk av manipulerade fonder och därifrån
till storskalig komplettering av fonderna med lagerresurser.
Den första omvandlingen kallas jordbruksrevolutionen. Den skedde vid olika
tider på skilda platser på Jorden och tog därför flera tusen år i anspråk. Övergången
till boskapsskötsel och jordbruk innebar att samma naturresursbas nyttjades som
tidigare men på ett mer systematiskt sätt. Sökandet efter växter och djur ersattes
genom att människan sökte styra vilka växter och djur som naturen skulle
tillhandahålla i människans närhet.
Den andra omvandlingen är den industriella revolutionen. Den innebar en
storskalig komplettering av naturresursbasen i en liten del av världen (de
industrialiserade länderna) — de övriga delarna fortsatte att bygga nästan uteslutande
på fonderna.
De första industriländerna skaffade sig dessutom bestående tillgång till Jordens
allmänningar, t ex haven, och till delar av de övriga regionernas fonder (detta kallas
ibland för utnyttjande av “spökarealer”, det rör sig i allmänhet om en form av
kolonialism). Ett globalt sammanhängande system med ett mycket ojämlikt
resursutnyttjande skapades.
4
Under huvuddelen av människans historia har endast förnybara (fonder och
flöden) energiresurser varit tillgängliga. Brännved möjliggjorde användning av eld för
bl a matlagning, vilket har utnyttjats sedan minst 350 000 år. Dragdjur har använts
sedan minst 10 000 år. Solenergi lagrad i form av fossila bränslen (olja för belysning)
användes förmodligen första gången för ca 9 000 år sedan. Vindenergi användes för
segelfartyg i Medelhavet för ca 5 500 år sedan. Väderkvarnar fanns förmodligen i
Indien för ca 2 500 år sedan. Vattenhjulets användning är ca 2 200 år gammal.
Olika användningar av de olika resursslagen är ofta knutna till varandra.
Flödesresurserna har t ex spelat en vital roll i historiska omdaningar av
lagerresursanvändningen. Först när vattenkraften under medeltiden kom till
användning i bergverken kunde så mycket järn tillverkas att det blev tillgängligt för
gemene man i större skala. Detta möjliggjorde användning av hjulplogen, som
medförde en dramatisk ökning av jordbrukets produktivitet i Nordeuropa.
Den äldsta kända beskrivningen av en vattenkvarn är från hundratalet f Kr.
Långt senare, i samband med införandet av vattenkraften i bergshanteringen, kom den
att innebära en energiteknisk revolution av samma betydelse som införandet av
svedjebruket flera tusen år tidigare. Vattenkraften, en flödesresurs, innebar den första
frigörelsen från de biologiska energiförsörjningssystemen och deras beroende av
fotosyntesen.
När stenkolet började användas i större skala under 1600-talet var detta inte
därför att det var överlägset trä utan för att trä var dyrt; skogarnas produktion räckte
inte till. Skogarna försvann både genom att de överutnyttjades som energikälla och
därför att skogsmark röjdes och omvandlades till odlad mark och betesmark. Kol var
en billig om än dålig ersättning för trä. Orsaken till den ökning av
energianvändningen som bidrog till träbristen står att söka i vattenkraften, som
fungerade som energikälla i fabrikssystemet, ett system som genom sina inneboende
skalfördelar ledde till stordriftsproduktion.
De nu kommande förändringarna längs vägen mot ett hållbart samhälle måste
innebära att fonder och flöden åter blir de dominerande delarna av resursbasen.
Lagerresurserna ger små men kritiska tillskott; de fungerar som mineralämnena i en
organisms ämnesomsättning. Uttaget av lagerresurser måste hållas nere till ett
minimum, t ex genom hög återvinningsgrad, för att gagna naturresursbasens
långsiktiga uthållighet.
5
2. Klimatsystemet
Atmosfärens historia
“The earth’s atmosphere has never been free of change: its
composition, temperature and self-cleansing ability have all
varied since the planet was first formed. Yet the pace in the
past two centuries has been remarkable: the atmosphere’s
composition in particular has changed significantly faster
than it has at any time in human history.”
T.E. Graedel & P.J. Crutzen, Scientific American sept 1989.
Atmosfären karakteriseras inte bara av sin kemiska sammansättning utan också
av sitt fysiska tillstånd. Häri ingår temperatur- och tryckvariationer, strömningsförhållanden samt de faktorer som styr absorbtion, emission och spridning av elektromagnetisk strålning. Både Jordatmosfärens sammansättning och dess tillstånd har
genomgått stora förändringar sedan Jordens skapelse. Dessa förändringar har varit
kopplade till förändringar i klimat. Främst har variationerna av vatten-, syre- och
koldioxidhalter varit viktiga. I Jordens tidiga historia var klimatförändringar en
naturlig del i tillkomsten och utvecklingen av kontinenterna och av atmosfär och hav.
Den första Jordatmosfären bestod förmodligen till övervägande del av kväve,
väte, metan, ammoniak, koldioxid, vattenånga, svavelväte samt ädelgaser som t ex
argon och helium. Det mesta av dessa gaser tillfördes troligen till atmosfären från
vulkaner, med magmatemperatur. Vulkaniska gaser idag domineras av vattenånga.
Den dominerande kolföreningen är koldioxid, den dominerande svavelföreningen är
svaveldioxid, och kvävemolekylen är den enda kväveföreningen av vikt. I en
jämviktsblandning förekommer väte, koloxid och svavelväte i stora mängder.
För helium och väte har läckage till rymden från övre delen av atmosfären
spelat en viktig roll för halterna. Heliuminnehållet i atmosfären bestäms väsentligen
av balansen mellan tillförseln från Jordens inre (sönderfall av U och Th) och detta
läckage. Läckaget av väte är väsentligen i form av atomärt väte, bildat genom
fotokemisk (UV-strålning) sönderdelning av metan-, vatten- eller vätemolekyler i den
övre atmosfären.
Temperaturbalansen förefaller att vara mycket känslig. Extremerna är å ena
sidan en total nedisning av Jorden (haven frusna och kontinenterna snötäckta, vilket
medför att albedo ökar till ca 0,7), ett stabilt tillstånd (med en med hjälp av en mycket
förenklad modell beräknad medeltemperatur vid ytan på ca –70°C). Detta liknar
klimatet på Mars. A andra sidan kan en höjd temperatur leda till att lösligheten för
koldioxid i vatten minskar varvid koldioxidhalten i atmosfären ökar, vilket i sin tur
genom växthuseffekten leder till ytterligare uppvärmning av de lägre luftlagren. (I de
varmare regionerna blir då temperaturen över vattnets kokpunkt.) Härav följer en
ökning av mängden vattenånga i atmosfären, vilket förstärker växthuseffekten och
ytterligare ökar temperaturen. Sluttillståndet liknar klimatet på Venus.
Atmosfärens halt av koldioxid har varit mycket annorlunda än idag. Den har
under de senaste hundratals årmiljonerna varierat mellan extremerna ca 0,03%
(dagens) och nära 0,3%, dvs den har varierat med en faktor tio. Tydliga maxima
sammanfaller med ovanligt hög vulkanisk aktivitet. Den allmänna trenden har dock
varit en gradvis minskande koldioxidhalt. Denna minskning orsakades av biologisk
aktivitet, som band kolet dels i form av fossila bränslen, dels i form av kalciumkarbonat (kalksten) i sediment. Med vissa undantag har också tillflödet av koldioxid
6
från Jordens inre avtagit. I modern tid har människans förbränning av fossila bränslen
lett till att koldioxidhalten åter ökat.
Från början fanns mycket små mängder fritt syre i atmosfären, producerat via
fotokemisk sönderdelning av vatten högt upp i atmosfären. Det är möjligt att syre
saknades praktiskt taget helt i den lägre atmosfären under prekambrium, och
järnoxidationen i marken skedde via andra molekyler än syremolekylen. Under den
första halva miljarden år var Jordatmosfären troligen reducerande, medan den idag är
oxiderande. På Jorden finns mer än två miljarder år gamla bergarter med järn- och
uranföreningar vilka inte kan ha bildats i en syreatmosfär.
Vid livets uppkomst fanns i stort sett inget fritt syre i atmosfären, och därmed
heller inget skyddande ozonskikt. Detta tillkom först långt senare, för ca en miljard år
sedan.
Syrehalten har liksom koldioxidhalten uppvisat relativt kraftiga svängningar.
Liksom för koldioxidhalten finns det ett antal ekologiska återkopplingsmekanismer
som begränsar svängningarnas storlek (jfr den s k GAIA-hypotesen (Lovelock 1989)).
Klimatändringar
”Utifrån observationer av koldioxidens värmeabsorbtion har jag beräknat,
att en minskning av koldioxidmängden från den nuvarande nivån (0,03
procent av luften) till ungefär hälften skulle orsaka en temperatursänkning
av 4 till 5C i relation till nuvarande förhållanden. Detta skulle ungefär
innebära att en ny stor istid skulle bryta in. Däremot skulle en trefaldig
ökning av koldioxidhalten höja temperaturen så mycket — om ungefär
8C, att klimatet skulle motsvara det som rådde under Eocentiden. Under
den tiden växte ädelträarter på Spetsbergen och Grönland, …”
S.A. Arrhenius, Lehrbuch der kosmischen Physik, 1. Teil, Leipzig 1903.
(Min översättning från tyska.)
Av de aktuella globala miljöproblemen är de olika klimatförändringarna kanske
de mest framträdande i debatten. Många argumenterar i det fallet i apokalyptiska
termer; andra hävdar att vi drabbats av en slags ‘global hypokondri’ vilken leder till
förhastade och onödiga aktioner.
Människans påverkan på klimatet kan sammanfattas med följande lista över
möjliga mekanismer:
! Gasutsläpp: koldioxid, metan, freoner, kväveoxider, vattenånga, krypton 85,
diverse spårämnesgaser;
! Aerosolproduktion;
! Värmeutsläpp;
! Albedoändring: dammbeläggning på isytor, avskogning, överbetning;
! Bevattning: Vattenflödesändringar, Albedoändring
! Avlänkning av sötvatten till oceanerna.
Gasblandningen luft består till största delen av kväve, syre och vattenånga. Det
finns även en rad andra gaser, varav några spelar stor roll. Kväve-, syre- och
ädelgasinnehållet har byggts upp under mycket lång tid och det förändras ytterst
långsamt. Det sker ett visst utflöde av väte till rymden (ca 3"1012 atomer/m2s).
Lufthavet är ett tydligt exempel på en naturresurs som behandlas som om den
vore oändlig. En central begränsning är dess förmåga att hantera utsläpp.
7
Klimatändringarna anses vara primärt orsakade av ökad växthusgashalt i
atmosfären och därav följande ändringar av den s k växthuseffekten.
För en Jord utan atmosfär kan ytans medeltemperatur beräknas med hjälp av en
enkel energibalansekvation. Vänsterledet motsvarar utsänd långvågig värmestrålning
och högersidan absorberad kortvågig strålning. Ekvationen visar att Jordens
medeltemperatur utan atmosfären skulle vara ca 255 K, dvs under vattens fryspunkt.
Den observerade medeltemperaturen är ca 288 K. Skillnaden beror på växthuseffekten. Atmosfären har därigenom en avgörande inverkan på Jordens strålningsbalans. Utan atmosfären skulle alltså den genomsnittliga yttemperaturen vara 35 K
lägre än idag (förutsatt bl a nutida albedo (reflektivitet) och emissivitet). De energiflöden som ekvationen tar hänsyn till skiljer sig från de verkliga. Stora delar av den
utsända infraröda värmestrålningen från Jordens yta absorberas nämligen i
atmosfären, främst av vattenånga och koldioxid. Samtidigt är atmosfären i stort sett
genomskinlig för inkommande Solstrålning (bortsett från den ultravioletta delen av
spektret). Härigenom ‘fängslas’ energin och stannar längre tid på Jorden än den
annars skulle göra.
Värmestrålningsenergiflöden är grovt sett proportionella mot den utstrålande
ytans/kroppens/gasens temperatur (mätt i Kelvin, K) upphöjd till fyra. Detta gör att
även relativt stora förändringar i energiflöde motsvaras av små temperaturändringar.
Koldioxiden har blivit mest uppmärksammad, men svarar bara för ca hälften av
den potentiella värmningseffekten som kan hänföras till mänskliga aktiviteter. Andra
viktiga växthusgaser är ozon, metan och dikväveoxid.
Trots att mängden vattenånga i atmosfären är bara ca en hundratusendel av
totala vattenmängden på Jorden har den en mycket viktig roll. Den styr bl a
molnbildningen; genom molnens stora reflektion av Solstrålning påverkas
energiflödet vid markytan. Vattenångan är också, liksom koldioxiden, viktig som
absorbator av infraröd strålning. Vattenmolekylens absorbtionsband svarar för
huvuddelen av atmosfärens absorbtion i våglängdsområdet 900-15 000 nm. Detta
våglängdsintervall innehåller mer än hälften av den utgående värmestrålningens
energi. Den upplagrade ångbildningsvärmen i vattenångan svarar också för viktiga
delar av energiflödena i atmosfären.
Även om halterna av växthusgaser ökar gradvis i atmosfären, så är det i ljuset av
de hittilsvarande erfarenheterna av klimatsystemets dynamik troligt att
klimateffekterna kan komma plötsligt. Viktiga geologiska, biologiska och
hydrologiska delsystem är i stånd att snabbt och överraskande ändra beteende.
Förbränning av fossila bränslen innebär också att partikelhalten i atmosfären
ökar. Detta ökar andelen reflekterad och spridd strålning, så att mindre energi når
Jordens yta. Denna förändring leder i sig själv till minskad medeltemperatur, men
även i detta fall kan systemeffekter leda till annat resultat, åtminstone lokalt. De
drastiska effekterna av en ökning av partikelhalten i atmosfären visar sig i samband
med vissa vulkanutbrott, som kastar upp stora materialmängder i stratosfären. Ett
sådant utbrott hade vulkanen Tambora i Indonesien år 1815. I Europa blev 1816 känt
som “året utan sommar”. Medeltemperaturen sjönk över stora delar av norra
halvklotet, i New England och östra Canada kom kraftiga snöfall i början av juni och
det var frostdagar i varje månad hela året. Grödorna frös ihjäl eller mognade aldrig
och ruttnade bort på fälten. Även senare har temperaturändringar identifierats som
orsakade av vulkanutbrott, t ex 1885 (Krakatau), 1902 (Pelée, Soufrière och Santa
Maria), 1912 (Katmai), 1963 (Mount Agung) och 1982 (El Chichón).
Växthuseffekten ger primärt upphov till en temperaturändring. Men klimat
handlar inte bara om en medeltemperatur. I en första approximation kan klimat
8
definieras som ‘medelvädertyp’, men detta är en definition med flera fallgropar.
Genomsnittsvärdena beror på hur lång tidsperiod man räknar med, och värdet för en
viss tidsperiod (t ex 10 år) varierar med tiden. Klimatet beskrivs inte bara med hjälp
av medelvärden, andra statistiska variabler som varians, snedfördelning,
extremförhållandens frekvens, etc är också viktiga klimatparametrar.
Klimatet på en viss ort eller i en viss region varierar på olika tidsskalor.
Variationer på kort tid, år till år eller decennium till decennium, kallas ofta
fluktuationer, medan sekelskala och längre variationer betecknas klimatändring. Två
av problemen med växthuseffekten är att den dels verkar på längre sikt, med en
fördröjning på ett eller flera årtionden, dels att de klimatförändringar den orsakar är
svåra att skilja från naturliga klimatfluktuationer.
Klimatvariabilitet är en starkt rumsberoende variabel. Högre latituder är t ex inte
bara mycket kallare än de lägre, utan deras temperaturer är också mycket mer
varierande; torregioner uppvisar ofta större relativa variationer än fuktigare regioner.
En faktor i detta är att havens yttemperatur i tropikerna knappast kan gå över 30°C,
eftersom avdunstningen snabbt ökar vid den temperaturen och strax däröver blir
energiförlusten genom avdunstning större än totala instrålningen.
Orsakerna till olikheter i klimat mellan olika orter på Jorden var föremål för
diskussion redan för antikens filosofer. Redan då kände man till att
klimatförhållandena var nära förbundna med Solhöjden, dvs latituden. Mycket
kortfattat kan moderna teorier för de fysiska mekanismerna bakom Jordens klimat
beskrivas som i det följande. Olikheter i instrålning på grund av Jordens sfäriska form
resulterar i ojämn uppvärmning av atmosfären över olika delar av Jordens yta, med
speciellt stora skillnader i yttemperatur mellan ekvator- och polarområden. Detta är
den dominerande drivkraften för den atmosfäriska cirkulationen. Topografin,
inklusive kontinenternas och oceanernas lägen, spelar också en stor roll.
Genom havsströmmar och vindsystem transporteras stora energimängder från
ekvatorn mot polerna. En del av det vatten som avsaltats genom avdunstning från
havet transporteras till kontinenterna. Kontinenterna avlänkar dessa energi- och
materialflöden bl a genom att påverka luft- och vattenströmmar och var nederbörden
hamnar. Genom dessa processer skapas förutsättningar för mänskliga samhällen på
många platser som annars skulle vara i det närmaste obeboeliga. För geologiskt sett
kort tid sedan var t ex dessa flöden annorlunda: Sahara var skogbevuxet och Sverige
täckt av is.
En högre temperatur vid Jordens yta skulle kunna påverka vattenståndet i
världshaven; dels genom att de stora landisarna skulle kunna krympa på grund av
ökad avsmältning, dels genom att havsvatten utvidgar sig när dess temperatur ökar.
Havsnivån har stigit med drygt en decimeter under 1900-talet, huvudsakligen på
grund av avsmältning av polarisar (Etkins & Epstein 1982). Den höjning som kan bli
aktuell vid global klimatförändring uppskattas till upp till en meter under det
kommande århundradet. Sådana höjningar kommer att lägga betydande områden
under vatten och leda till omfattande temporära översvämningar. I kustområden kan
inträngande havsvatten komma att förorena viktiga vattentäkter. En minskning av de
stora landisarnas utbredning medför för övrigt inte bara en förändrad strålningsbalans
och höjning av havsytans nivå, utan också förlust av ett av de största förråden av
sötvatten på Jorden.
Relationerna mellan gröda och klimat är förvånande dåligt kända, trots att deras
existens och vikt är odiskutabla. De enklaste sambanden är välkända: frostskador
under kalla nätter etc. Mera indirekta effekter, som tekniska förändringar (andra
utsädessorter, gödselmedel, pesticider, bevattning, etc) och nya skadedjur och
9
sjukdomar, som följer i klimatändringarnas spår, är betydligt svårare att hantera. Som
hot betraktat kan dock klimatändringar vara av mindre betydelse för jordbruket:
eftersom man idag kan odla i ett brett spektrum av klimatförhållanden bör
möjligheterna vara goda att förändra odlingsätt i takt med klimatändringarna.
Undantag är särskilt känsliga områden, t ex de regioner där klimatändringen innebär
väsentligt sämre vattentillgång (exv präriestaterna i USA) eller där odlingsområdet
översvämmas i samband med förändringar i havsytans nivå (exv Nederländerna,
Nildeltat, Bangladesh). Skulle Golfströmmen ta en annan bana kan också större delen
av norra Europa bli mer eller mindre obeboeligt; Sverige skulle kanske vara ett
renbetesområde.
Situationen är värre för skogarna, eftersom rotationstiden är så lång att de träd
som gror idag kan komma att växa upp och mogna i klimat som de är allt sämre
anpassade till. De mest känsliga områdena är gränszonerna för respektive trädarts
utbredning.
Både temperatur- nederbörds- och koldioxidhaltändringar påverkar växterna på
land, bl a genom effekter på fotosyntesen. En högre koldioxidhalt har en viss
gödslande inverkan på många växter.
Regionala temperaturändringar kommer i vissa regioner att vara mycket större
än ändringen i det globala medelvärdet. Temperaturändringarna kommer att vara
förenade med ändringar i nederbörd och andra klimatvariabler.
För att förutspå effekterna på klimatet använder man stora och komplicerade
matematiska modeller, som bearbetas av datorer. Nuvarande klimatmodeller ger
resultat som överensstämmer väl med både teori och erfarenhet. De kan också
reproducera Jordens säsongscykler — temperaturextremerna under sommar och vinter
— nöjaktigt väl, och de temperaturer de ger för t ex istidsförhållanden överensstämmer med vetenskapligt erhållna värden. Trots sådana framgångar har modellerna
flera begränsningar som kan göra deras förutsägelser otillförlitliga; bland dessa finns
att de dålig rumslig upplösning. När hundratals kilometer krymper till en enda
mätvärdespunkt försvinner bergskedjor, och stormfronter blir osynliga. Detta förklarar
varför modellerna är dåliga på den regionala skalan men fungerar bra på den
kontinentala. Vidare tar modellerna inte hänsyn till regionala variationer i nederbörd;
detta inkluderar sådana faktorer som havens roll (haven finns inte med i modellerna
annat än genom yteffekter), molnens uppträdande, och framför allt de levande
systemens reaktioner, särskilt växter och havs- och jordlevande organismer.
Återkopplingsmekanismer i klimatsystemet
Klimatsystemet är mycket komplicerat, varje förändring i någon del leder till en
rad sekundära effekter.
Samspelet mellan atmosfären och hydrosfären bestämmer i hög grad klimatet
överallt på Jorden. De bildar i klimathänseende ett sammanflätat system, och all
forskning och diskussion om långsiktiga klimatförändringar måste behandla dem
tillsammans. Genom bl a den centrala roll som fytoplankton spelar i transportprocesserna i haven måste också biosfären inkluderas.
Klimatsystemet innehåller en rad geofysiska och biogeokemiska återkopplingsmekanismer, varav somliga motverkar (negativ återkoppling) klimatändringar, andra förstärker (positiv återkoppling) dem; vanligen kan samma
återkoppling verka i båda riktningarna; effekten är i varje fall beroende på
omständigheterna. Här följer några illustrativa exempel:
10
Utgående
infraröd
strålning
Vattenånga
i atmosfären
Molntäcke
Växthuseffekt
Temperatur
Avdunstning
Konvektion
Is- och snötäckesalbedo
Nederbörd
Havens
albedo
Havsis
Koldioxid
Isbergsbildning
Albedo
Fotosyntes
Havsströmmar
Växtlighet
Figur 3. Återkopplingar i klimatsystemet. Pilarna markerar de uppräknade återkopplingarna. De enkla
linjerna markerar andra viktiga kopplingar i klimatsystemet. Alla viktiga kopplingar är inte markerade.
1. Temperatur — utgående infraröd strålning. Negativ: Om temperaturen stiger så ökar den utgående
infraröda strålningen, vilket motverkar temperaturökning.
2. Vattenånga — växthuseffekt. Positiv: Om halten vattenånga i atmosfären ökar så ökar absorbtionen
av värmestrålning och därmed temperaturen, vilket kan medföra både att mindre vattenånga
kondenserar (bortförsel) och att avdunstningen av vatten (tillförsel) ökar.
3. Is- och snötäckesalbedo. Positiv: Om albedot ökar (mer strålning reflekteras) sjunker temperaturen,
vilket medför att mindre is och snö smälter. Om temperaturen ökar så smälter mer is och snö, vilket
medför att albedot minskar så att en större del av den inkommande Solstrålningen absorberas av
marken.
4. Molntäcke. Negativ och positiv: Moln kan reflektera inkommande Solstrålning så att energiinflödet
blir mindre (medför lägre temperatur vid markytan och därmed mindre avdunstning), men de kan
också återföra utgående värmestrålning till marken (högre temperatur och därmed större
avdunstning). Deras effekt beror av deras höjd.
5. Koldioxid — fotosyntes. Negativ: Ökande koldioxidhalt kan öka fotosyntesaktiviteten, så att mer
kol blir bundet i växter, vilket motverkar koldioxidhaltsökning.
6. Temperatur — konvektion. Negativ: Upphettad mark leder till konvektionsströmmar som
transporterar värme till högre höjd, där växthuseffekten inte är så effektiv som på lägre höjd
eftersom ovanliggande luftlager är tunnare.
7. Avdunstning — nederbörd. Negativ och positiv: Avdunstningen ökar snabbt med stigande
temperatur, vilket motverkar temperaturökning; avdunstningen medför också mer vattenånga i
atmosfären, vilket medför förstärkt växthuseffekt (se ovan); ökad nederbörd i form av snö kan leda
till ökad utbredning av snötäcke och inlandsisar, vilket ökar albedo.
8. Havsis — havsströmmar. Positiv: En temperaturökning hindrar havsisbildningen i t ex
Weddellhavet vid Antarktis, vilket medför att de havsströmmar som fyller på förrådet av kallt
bottenvatten avstannar. Resultatet blir en ökning av havsvattnets temperatur, vilket leder till ökad
koldioxidavgivning och därmed till förstärkt växthuseffekt. Ökad utbredning av havsis kan också
påverka havsströmmarnas funktion som värmetransportörer till polarområdena, vilket kan leda till
kallare temperaturer i dessa.
9. Växtlighet — albedo. Positiv: Ökad växtlighet som svar på ökad temperatur leder till ett lägre
albedo, vilket leder till ökad absorbtion av Solstrålning och därigenom till högre temperaturer. Till
detta kommer att ökad växtlighet leder till mindre hårt lokalklimat, vilket gynnar växterna.
11
En del återkopplingar verkar alltså stabiliserande på klimatet, andra driver på
klimatändringar. Oceanerna, som täcker ca tre fjärdedelar av Jordens yta, är det största
enskilda klimatåterkopplingssystemet och kanske den största källan till osäkerheten i
de nuvarande klimatmodellerna, eftersom relativt litet är känt om dynamiken i
oceanerna och deras växelverkan med atmosfären.
Eftersom klimatsystemet är ett komplext system som är mycket känsligt för
störningar är det svårt att med bestämdhet säga vilka förändringar den ändrade
växthuseffekten kan komma att leda till. Närmast till hands ligger att anta en global
ökning av medeltemperaturen, men andra effekter kan uppstå på grund av de med
lokala temperaturändringar sammanhängande förändringarna, t ex i polarisarnas
utbredning, havsytans läge och havströmmarna, vindsystemen, avdunstning och
molnbildning. Till detta kommer att det är troligt att klimatändringar inte sker gradvis
och fortskridande, utan språngartat. En avsmältning av den arktiska polarisen skulle t
ex leda till en mycket stor temperaturskillnad mellan nord- och sydpol, vilket troligen
skulle medföra omfattande ändringar i de globala luftströmmarna.
Ändringar i
solens strålning
RYMDEN
Jordens strålning
ATMOSFÄR
H2O, N2, O2, CO2, O3, osv.
Aerosoler
Moln
10
9
Is- och
snöytor
8
7
BIOSFÄR
Nederbörd
6 Värmeutbyte
LAND
HAV
Avdunstning 1
5 Vindar 4
Havsis
3
2
Figur 3. Klimatsystemet — atmosfären, hydrosfären, litosfären och biosfären i
samverkan. Siffrorna indikerar några viktiga processer eller delsystem.
& ) Havsisens utsträckning påverkar bl a strålningsbalansen, avdunstningen och värmeflödet mellan
hav och luft
) Havsströmmarna påverkas av ändringar i havens utsträckning, salthalt, temperatur m m
) Avdunstningen påverkas av tryck och temperatur i luften samt salthalt och temperatur i vattnet
) Vindarna skapar vågor och driver strömmar
) Varmt havsvatten, som t ex Golfströmmen, värmer luften
) Biosfären använder bl a syre, kväve, koldioxid och vatten från atmosfären och hydrosfären
) Ändringar i topografi, vegetation, albedo påverkar energiflödena
) Ändringar i landisarnas utsträckning påverkar bl a strålningsbalansen och havsytans nivå
) Atmosfärens sammansättning påverkas av materialutväxling med hydrosfären (exvis
koldioxidabsorbtion), biosfären (vatten, koldioxid m m), och litosfären (vulkaniska gaser och
dammpartiklar);solstrålningen åstadkommer fotodissociation av metan (viss del av vätet lämnar Jorden)
och produktion av ozon.
12
Koldioxidproblematik och växthuseffekt
Koldioxidhalten i atmosfären ökar för närvarande med drygt 1 ppm(v) per år.
Detta leder som diskuterades ovan till en (liten) ökning av absorbtionen av värmestrålningen från Jordens yta.
När koldioxidhalten i atmosfären ökar, skapas en kemisk ojämvikt mellan
atmosfär och hav. Därmed ökar också upptaget av koldioxid i havet. Men nuvarande
utsläpp av koldioxid är så stora att havet inte hinner med. Av den mängd koldioxid
som människan producerat de senaste två århundradena finns en mängd motsvarande
hälften kvar i atmosfären, resten har till stor del absorberats i havet.
Växtligheten på land och plankton i haven binder kol genom fotosyntesen och
påverkar därmed också koldioxidbalansen, men det är oklart hur stor effekten är och
till och med i vilken riktning den globalt sett går. Det kan inte uteslutas att den är av
betydande omfattning.
Koldioxid kan också bindas (eller frigöras) vid bildning (eller nedbrytning) av
kalkstensformationer, t ex korallrev.
Tankar om att mänsklighetens aktiviteter kan ändra atmosfärens
sammansättning och därmed världens klimat har funnits länge, i vetenskapliga kretsar
åtminstone sedan 1860-talet. Mot slutet av 1800-talet beräknade den svenske
forskaren Svante A Arrhenius hur förändringar i koldioxidhalten påverkar
temperaturen vid Jordens yta (se citat ovan). Hans beräkningar gav ett inte alls
orimligt resultat även i ljuset av dagens kunskap. Ändå dröjde det till 1957 (‘The
International Geophysical Year’) innan klara vetenskapliga belägg för den ökande
koldioxidhalten gjordes tillgängliga. Mätningar har sedan dess kontinuerligt skett vid
Mauna Loa-observatoriet på Hawaii. Analys av gasbubblor som fängslats i is i
hundratusentals år visar att under de senaste 160 000 åren har förändring mot varmare
klimat varit förenad med ökande halter av koldioxid och metan, medan låga halter av
dessa uppträder samtidigt med kallare klimat.
Tabell 1. Koldioxidpotentialen i vissa fossila bränslen. Andra bränslen, t ex tjärsand och oljeskiffer,
innehåller betydande mängder kol. LA = luftburen andel, den del av vid förbränningen producerad
koldioxid som förblir i atmosfären, en parameter som bl a påverkas av världshavens temperatur och
vegetationsförändringar på land. Tabellen baseras på reservuppskattningar enligt World Energy
Conference (1978). Notera att de biologiska kolkällorna och kolsänkorna inte finns med.
EnergiKol-innehåll
Potentiell CO2-haltökning (ppmv)
innehåll
(1021 J)
(1015g C)
LA = 0,4
LA = 0,55
LA = 0,7
Råolja
13,3
230
43
60
76
Naturgas
10,5
143
27
37
47
Delsumma
23,8
373
70
97
123
Kol
147
3508
661
909
1157
Summa
171
3881
731
1006
1280
13
Solen
Rymden
29
I
J
71
100 A
B
3
97
6
C
49
4
19
25
22
5
17
1
50
3
109 159
F
29
27
2
Undre
Atmosfären
21
G
D
5 E
3
Övre
Atmosfären
114
H
96
Jordytan
25
18
47
Figur 4. Översiktlig bild av energiflöden i Jordatmosfärsystemet. Den inkommande strålningen från
Solen (vid A) är satt till 100 enheter. Medelvärdesbildning har gjorts över tid och geografisk ort.
Heldragna linjer för flöden i form av strålning, streckade för andra energiflöden.
B—Absorberat av O3 i stratosfären;
C—Spridning och absorbtion i atmosfären undantaget moln;
D—Spridning och absorbtion i moln;
E—Reflektion vid Jordens yta;
F—Nettoenergitransport genom icke-strålningsprocesser;
G—Absorberad kortvågig strålning i atmosfären;
H—“Växthuseffekten”;
I—Reflekterad strålning (Jordens effektiva albedo är alltså 0,29);
J—Emission, huvudsakligen från CO2 och H2O.
I dessa enheter är energiflödet genom det mänskliga samhället ungefär 0,0034.
Värmeflödet från Jordens inre är ca 0,01. (Baserad på Sørensen (1979), fig 24.)
14
