1
Fördjupning till kursen
Framtidens miljöteknik
Datum 170220
Mikael Syväjärvi
Linköpings universitet
2
Innehåll
1. INLEDNING
4
2. GLOBAL UPPVÄRMNING
4
2.1. Klimatanpassning av världen
6
2.2. Sveriges miljömål
6
2.3. Effekter av global uppvärmning
8
2.4. Växthusgaser
10
2.5. Industriella utsläpp av koldioxid
12
2.6. Kollagring och kvävegödsling
14
2.7. Andra aspekter på koldioxidutsläpp och skog
18
3. NATURLIG OCH FÖRSTÄRKT VÄXTHUSEFFEKT
19
3.1. Strålning
20
3.2. Atmosfären
22
3.3. Strålningsbalans
23
3.4. Metan – en starkare växthusgas än koldioxid?
28
3
1. Inledning
Det här materialet tar upp fördjupningar till miljöteknik, och beskriver frågor och
fysiken bakom dessa. Detta är skrivet så att den som är intresserad av ämnet ska
kunna ta till sig av innehållet utan att behöva djupa fysikkunskaper. Det ske ge en
översiktsbild av relevanta miljöfrågor som läsaren kan ta med sig för vidare
diskussioner. Materialet tar upp etablerade miljöfrågor som utnyttjande av
naturkrafter, exempelvis vind- och vågkraft, men diskuterar teknikfrågor som berör
det som kallas rena teknologier. Detta är teknologier som klassas som
miljöteknologi genom att de på någon sätt bidrar till att förbättra miljön på kort
eller lång sikt.
2. Global uppvärmning
Miljöfrågor och global uppvärmning är högaktuellt. De flesta känner förmodligen
till att global uppvärmning är en ökning av temperaturen på jorden. Mer exakt så
handlar det om uppvärmningen i atmosfären nära jordens yta och haven. Rent
generellt sker förändringar av temperaturen på jorden på grund av mer eller
mindre periodiska naturliga processer. Det både forskas och debatteras om
orsaken till dessa, men variationerna av temperaturen förväntas hålla sig runt ett
konstant medelvärde. Men under det senaste århundradet har
medeltemperaturen ökat. I september 2013 kom den första delrapporten av FNs
senaste klimatrapport.
Uppvärmningen av klimatsystemet är otvetydig och många av de
observerade förändringarna sedan 1950-talet har inte
förekommit under de senaste tiotals till tusentals åren.
Atmosfären och världshaven har blivit varmare, mängden snö
och is har minskat, havsnivåerna har stigit och halten av
växthusgaser har ökat. 1
1
Svensk översättning gjord av Naturvårdsverket.
4
Under 1900-talet steg medeltemperaturen med ca 0.6-0.7 grader. Grafen nedan
visar den konstaterade globala temperaturökningen sedan man började kunna
göra tillförlitliga mätningar i mitten av 1800-talet.
o
Temperaturvariation [ C]
1
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.
Förklaringen till temperaturökningen är att den orsakas av människans handlingar
och främst genom utsläpp av växthusgaser. Förenklat så värmer solen upp jorden
genom solstrålning. Jorden släpper ut en del av värmen tillbaka i rymden (i form av
infraröd strålning). Det uppstår en naturlig energibalans. Växthusgaser hindrar
värmen från jorden att komma ut i rymden. Den extra värmen gör att jorden blir
varmare.
I en rapport år 2007 från FNs klimatpanel (IPCC - Intergovernmental Panel on
Climate Change), som verkar för att ge underlag till beslutsfattare inom miljöfrågor,
fastställs att koldioxidhalterna under 2005 låg långt över naturliga variationer
5
under de senaste 650000 åren. Enligt prognoser i rapporten förväntades
medeltemperaturen öka med 1.8 till 4.0 grader till år 2100. Sedan dess har det
kommit ytterligare rapporter. Vid varje rapport så har det används mer data och
bättre modeller. Slutsatserna är mer sannolika för varje rapport. I den senaste
rapporten är den högsta temperaturökningen uppdaterad till att bli 4.8 grader till
år 2100. Det är det scenario som förväntas om vi fortsätter som idag.
Uppvärmningen är inte lika jämn över hela jorden. Ökningarna blir störst över land
och på norra halvklotet. Rapporten från FNs klimatpanel gavs ut 2007, och en
kompletterande rapport gavs ut 2009 av Regeringskansliet2. Den nya rapporten är
i tre delar som kom ut 2013 och 2014. Den visar bland annat att takten av
växthusgaser ökar snabbare än tidigare. Fram till idag är den konstaterade
temperaturökningen 0.9 grader.
2.1.
Klimatanpassning av världen
De olika länderna har olika mål som måste uppfyllas när det gäller koldioxidutsläpp.
Det kommer ständigt beräkningar om hur mycket klimatanpassning skulle kosta.
Med klimatanpassning menas de åtgärder som görs för att anpassa samhället till
klimatförändringar som vi ser idag och sådana som vi inte kan förhindra i framtiden.
I Sverige finns Klimatanpassningsportalen, som är ett samarbete mellan flera
myndigheter, där man kan läsa mer om det som sker i Sverige3. Som en del av detta
så har Sverige miljömål.
2.2.
Sveriges miljömål
I Sveriges miljömål 4 skall klimatpåverkan begränsas utan kompensation för
koldioxidupptag i kolsänkor och så kallade flexibla mekanismer. En kolsänka binder
kol, exempelvis i hav eller växtlighet. Skogen är en viktig del av växtligheten.
Avhuggning påverkar därför kraftigt skogens möjlighet till att binda kol. Flexibla
mekanismer är olika former för utsläppshandel med växthusgaser.
2
Markku Rummukainen och Erland Källén, 2009: Ny klimatvetenskap 2006-2009, Kommissionen för hållbar
utveckling, Regeringskansliet.
3
www.klimatanpassning.se
4
www.miljomal.se
6
Sveriges riksdag har beslutat om 16 stycken miljömål. Dessa är:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Begränsad klimatpåverkan
Frisk luft
Bara naturlig försurning
Giftfri miljö
Skyddande ozonskikt
Säker strålmiljö
Ingen övergödning
Levande sjöar och vattendrag
Grundvatten av god kvalitet
Hav i balans samt levande kust och skärgård
Myllrande våtmarker
7
12.
13.
14.
15.
16.
Levande skogar
Ett rikt odlingslandskap
Storslagen fjällmiljö
God bebyggd miljö
Ett rikt växt- och djurliv
Som en reaktion på klimatpanelens rapport så finns förslag på hur de svenska
utsläppen ska minska till 2020 på kort (år 2020) och lång (år 2050) sikt. De
kortsiktiga målen bör minska de svenska utsläppen med 40 procent fram till 2020.
Nu utarbetas en klimatfärdplan 5 med förslag på att inte ha några utsläpp till år
2050. Förslaget ska komma till november 2015.
2.3.
Effekter av global uppvärmning
Vilka effekter kan då den globala uppvärmningen ge? Några scenarion är att stora
gräsområden förvandlas till öknar, isområden smälter, vindar och havsströmmar
5
http://www.regeringen.se/sb/d/108/a/237993
8
ändrar riktning och i sin tur ger följdeffekter, havsytorna stiger och dränker
kustnära områden.
Stora isområden kommer ständigt upp i klimatdiskussionen, främst de som finns
vid nord- och sydpolen. Dessa områden med ytor av is och snö reflekterar strålning.
Eftersom områdena har enorma ytor så kan de reflektera mycket strålning. Om
ytorna blir mindre så minskar den reflekterade strålningen. Det bidrar till en ökad
temperatur genom en mindre mängd värme avges genom jordens strålning ut i
rymden. Den reflekterande effekten har ett eget namn, albedo, som används inom
fysik, meterologi och astronomi. Albedo räknas som den andel av rakt infallande
ljus som återkastas av en yta eller en kropp. Värdet som en yta eller kropp har beror
på dess sammansättning. Exempelvis har nysnö ett albedo på 0.9 och hav har ett
värde på 0.06, d v s 90% respektive 6% av strålningen reflekteras för nysnö och hav.
Därför är isområden viktiga för att reflektera solstrålning.
Havsnivån förväntas stiga om den globala uppvärmningen fortsätter.
9
2.4.
Växthusgaser
En växthusgas är en gas som bidrar till växthuseffekten, exempelvis koldioxid,
freoner, kväveoxid, metan, vattenånga och ozon. Koldioxid bildas vid de flesta
förbränningar av kolföreningar i syremiljö. Freoner är föreningar av kolväten med
flor, klor och brom och som användes som kylmedium. Men det visade sig att dessa
kolväten bidrog till att minska ozonskiktet. Vid förbränning i luft bildar kväve och
syre kväve(mono)oxid vid höga temperaturer och höga tryck. Det sker främst från
förbränningsmotorer eller förbränning i kraftverk. Kväveoxiden kan i sin tur reagera
med syre för att bilda kvävedioxid som medverkar tillsammans med kolväten och
sot för att bilda marknära ozon. Idag har freoner mer eller mindre har fasats ut
inom sina tillämpningar till fördel för bättre alternativ.
Metan bildas vid nerbrytning av organiska material som avföring och urin från
människor och djur. Det existerar också som en andel i naturgas vilket är en
blandning av gaser i jordskorpan. Ozon är en gas av tre syreatomer som är giftig för
människan, men som i atmosfären skyddar mot skadlig ultraviolett (UV)-strålning.
Freon och andra gaser som bryter ner ozon har tunnat ut ozonlagret, men med
minskade utsläpp kan ozonskiktet återställas eftersom syre övergår till ozon när det
utsätts för UV-strålning.
10
Koldioxid, metan och ozon är de viktigaste gaserna när det gäller växthuseffekt.
Gaserna kan stanna kvar tiotals år i atmosfären. De hinner då fördela sig över hela
jordklotet. Deras påverkan blir således på global nivå även om de direkta källorna
är ojämnt fördelade över jordklotet.
Koldioxid är en molekyl av kol och syre med kemisk beteckning CO2. Gasen är
färglös, lite tyngre än luft och inte brännbar. Koldioxid är den produkt som blir kvar
vid all oxidation av kol och kolföreningar med luft eller syre. Kol bildas till stor del
vid förbränning av ved, kol och petroleum i luft. Koldioxid används som kylmedel,
exempelvis i livsmedelsindustrin, eftersom den är lätt, inte lämnar några rester
efter förgasning och inte är giftig. Den används även som skyddsgas för att undvika
att få in luft vid förpackning av livsmedel.
Gas
Andel %
Kväve
78.08
Syre
20.95
Argon
0.93
Koldioxid 0.038
Neon
0.002
Helium
0.0005
Metan
0.0002
De vanligaste gaserna i atmosfären. De som är överstrukna bidrar inte till växthuseffekten.
11
Halten av koldioxid i atmosfären har ökat cirka 30% under de senaste 250 åren.
Förbränning av fossila bränslen ger ett stort tillskott av koldioxid. FNs klimatpanel
uppskattar att ungefär 75% av den ökade halten av koldioxid beror på människans
industrialisering, och resten från variation i markanvändning.
Forskning pågår för att försöka reducera koldioxid till kolmonoxid som är en
industriellt användbar molekyl. Detta sker bland annat med hjälp av synligt ljus och
olika enzymer. Svårigheten är att hitta metoder som inte kräver mycket energi, och
på sikt hitta organismer som kan reducera gasen.
Metan har ökat med uppskattningsvis 150% under de senaste 250 åren. Det är
oklart varifrån utsläppen ökar, men de kommer främst från biologiska aktiviteter.
Vissa former av jordbruk som risodlingar och kreatursuppfödning ger stora utsläpp
av metan till atmosfären. Spill från hanteringen av naturgas vara en orsak till att
metanhalten ökar eftersom metan finns som en del i naturgas.
2.5.
Industriella utsläpp av koldioxid
Industrins koldioxidutsläpp kommer främst från förbränning av fossila bränslen,
men även från stålindustrins masugnar och cementtillverkningsprocesser.
12
Industrins utsläpp står för ungefär fjärdedel av Sveriges totala utsläpp. De största
utsläppen kommer från järn- och stålindustrin, mineralindustrin samt raffinaderier.
År 2014 så fördelade sig utsläppen som i listan nedan 6.
järn- och stålindustri, 26 procent
mineralindustri, 22 procent
raffinaderier 20 procent
kemiindustri 9 procent
övriga (gruvindustri, trävaruhandel, m.m.) 9 procent
pappers- och massaindustri samt tryckerier 6 procent
metallindustri (exklusive järn och stål) 5 procent
livsmedelsindustri 3 procent
Utsläppen ökar med utökad industrialisering.
6
www.naturvardsverket.se/Sa-mar-miljon/Statistik-A-O/Vaxthusgaser-utslapp-fran-industrin1/
13
Vid masugnar reduceras järnmalm till järn med hjälp av kol. De största utsläppen
uppkommer vid rening av järnmalm eftersom stål är en legering av järn med upp
till 2% kol. Järnmalmen består av olika järnoxider. När man blandar järnmalmen
med kol i en masugn får man bort syret när två syreatomer förenar sig med en
kolatom. De bildar koldioxid och lämnar kvar råjärn som förädlas till stål. Men kolet
förbränns inte fullständigt utan det blir restgaser, framförallt vätgas och
kolmonoxid.
Järnmalm består av ett eller flera mineraler. Den finns i olika geologiska
formationer och har bildats under lång tid. De viktigaste är bandade järnmalmer
och apatitjärnmalmer. De flesta bildades för runt två miljarder år sedan. Dessa
malmer innehåller mellan 50 och 70 viktprocent järn och består av magnetit
(svartmalm) och hematit (blodstensmalm). Järnhalten på jorden är cirka 35 % av
jordklotets totala massa. Järnhalterna i jordens inre är betydligt högre än på
jordskorpan. Det är inte vanligt med rent järn eftersom järn lätt förenar sig med
andra grundämnen, främst syre och svavel. Världens reserver av järnmalm
uppskattas till drygt 290 200 miljoner ton med ett järninnehåll av ca 110 000
miljoner ton.
År 2014 släppte SSABs ugnar ut runt 8.9 miljoner ton koldioxid. Sveriges totala
utsläpp 2014 var drygt 54 miljoner ton koldioxid. Försök pågår med recirkulation
för att återföra de brännbara gaserna till masugnen som skulle spara 25 procent
kol. Då skulle koldioxidutsläppen minska med lika stor del. Avgaserna återanvänds
inte ännu eftersom de innehåller för mycket kvävgas och koldioxid. Vid försöken
provar man att använda syrgas i stället för luft för att bli av med kvävet, och skilja
av koldioxiden innan gasen återförs till masugnen. Om man skulle lyckas avskilja
koldioxiden och komma på hur den ska slutförvaras så minskar utsläppen nästan
till noll.
2.6.
Kollagring och kvävegödsling
Koldioxidutsläppen minska genom att binda mer kol i marken. Ett alternativ är
kvävegödsling. Ökad kollagring i skogsmark genom kvävegödsling studeras
eftersom den naturliga omsättningen av koldioxid är uppskattningsvis tio gånger
större än de globala utsläppen av koldioxid från fossila bränslen.
14
Utöver förbättrad teknik så kan kvävedioxidutsläppen minskas genom
kvävegödsling av skog, vilket är ett debatterat ämne. Kvävegödsling medför att mer
kol lagras i skogsmark genom att sakta ner nedbrytningen av döda växtdelar. Kväve
förändrar ämnesomsättningen hos mikroorganismer som sköter nedbrytning av
organiskt material där de kommer åt kol och kväve. Koldioxid släpps ut under
nedbrytningsprocessen. Det organiska materialet blir svårare att bryta ner genom
den ändrade ämnesomsättningen och processen bromsas upp.
Kväve påverkar nedbrytningen dels genom att döda växtdelar får en högre kvalité
för mikroorganismerna. Till en början ger kväve mer koldioxid eftersom
nedbrytningen sker snabbare. Samtidigt får mikroorganismerna direkt tillgång till
kväve. De behöver då inte utvinna lika mycket kväve från växterna. Nedbrytningen
saktar då ner och mer kol stannar kvar i marken.
15
En kolsänka är en ökad lagring av kol i biomassa, mark eller vatten. Mer kol lagras
genom en ökad produktion av växtmaterial från kvävegödsling. Växterna består till
stor del av kol som tas från koldioxiden i luften. Växterna är begränsade av
tillgången på kväve i sin tillväxt vid fotosyntesen. En ökad kvävegödsling därför en
ökad tillväxt. I fotosyntesen utvinner växterna energi från koldioxid och vatten med
hjälp av solljuset. Vattenmolekylerna delas upp i väte och syre. Syret går ut i luften.
Vätet förenas med koldioxid för att bilda glukos som omvandlas till näring i växtens
celler. Kvävegödsling får skogen att växa snabbare, vilket i sin tur ger ökad
skogsproduktion. Det finns risk för övergödning eftersom kväve redan tillförs
genom nerfall av luftföroreningar från industrier.
Övergödning börjar med att mer kväve och fosfor kommer ner i ett vattendrag än
vad som är naturligt. Övergödning sker främst genom kväve och fosfor som finns
naturligt i olika kemiska föreningar i marken och i vattnet. Alger och andra växter i
vattnet börjar växa kraftigt eftersom både kväve och fosfor fungerar som
gödningsmedel. Algerna och växterna faller till botten och börjar brytas ner när de
så småningom dör. Det kan bli syrebrist i vattnet om det är väldigt gott om växter.
Då är det väldigt få småkryps- och fiskarter som klarar sig. I sjöar och hav leder
övergödning till syrgasbrist och ökad algblomning. Till slut kan en övergödd sjö växa
igen helt.
16
En avverkning med efterföljande markberedning medför bland annat att mer
koldioxid och kväve avges till luften eftersom marken friläggs. Detta skyndar på
nedbrytningen i marken. När skogen växer upp så binder den mer kol än den avger.
Om marken däremot används för energigrödor så tar det många år innan utsläppen
av koldioxid har arbetats in.
I början av 2011 presenterades forskningsrön om att sjöar, dammar och vattendrag
ger ifrån sig mer av växthusgasen metan än tidigare känt 7. Metanutsläpp från sjöar
och vattendrag har alltid ägt rum. De är naturliga och utgör inget miljöhot, men
deras gasutsläpp är svåra att beräkna och har varit dåligt kända. Forskningen visar
att ett litet kontinuerligt utsläpp sker hela tiden från ytan, men betydligt större
utsläpp kommer plötsligt. Dessa sker med oregelbundna mellanrum. Metan
bubblar upp från bottnarna till atmosfären i stora mängder på bara några sekunder.
Data baserades från 474 sötvattensystem, och visar att utsläppen av metan från
7
“Freshwater Methane Emissions Offset the Continental Carbon Sink”, David Bastviken, Lars J. Tranvik, John A.
Downing, Patrick M. Crill, Alex Enrich-Prast, Science 331 (2011) 50.
17
världens sötvatten motsvarar 25 procent av den koldioxid som naturen på jordens
landområden binder. Metan ger en mycket starkare växthuseffekt per molekyl än
koldioxid, och därför är det viktigt att förstå metanutsläpp från sjöar, dammar och
vattendrag.
2.7.
Andra aspekter på koldioxidutsläpp och skog
Massaved från skogen kan även användas för att framställa biogas utan att påverka
flödet av material. Med en investering på 75 till 100 miljoner kronor skulle
massabruk kunna ställa om sina processer så att de kan tillverka biogas utan att det
påverkar massaproduktionen. Detta skulle vara möjligt genom att ta ut organiskt
restmaterial tidigt i processen och använda den för att tillverka biogas.
Produktionstekniskt handlar det om att gå in i hjärtat på massaprocessen, där de
levande organismerna finns så att det blir en syrefri nedbrytning av organiskt
material.
18
3. Naturlig och förstärkt växthuseffekt
Solen skickar strålning som når jorden. Jorden värms upp och kyler sig genom
att skicka ut infraröd strålning. En del av den infraröda strålningen fångas upp
av atmosfären. Atmosfären värms upp och kyler sig genom att skicka ut infraröd
strålning. Den strålningen kan skickas ut i rymden, eller tillbaka till jorden.
Jorden värms upp mer. Detta ger den naturliga växthuseffekten.
När det blir fler gaser i atmosfären så fångar atmosfären upp mer av den
strålning som jorden skickar ut, och skicka då tillbaka mer strålning mot jorden
igen. Det blir en förstärkt växthuseffekt.
För att förstå växthuseffekten så måste vi beskriva strålning och atmosfären.
Temperaturen på jorden hålls i balans genom naturliga processer. Rent
fysikaliskt strålar det in energi i form av strålning från solen. Strålningsenergi
från jorden strålar ut i rymden. Dessa bildar en energibalans. Andra fysikaliska
19
värmeöverföringar som konvektion (som ges av rörelser av gaser eller vätskor),
ledning eller avdunstning sker inte eftersom jorden är isolerad i vakuum.
3.1.
Strålning
Strålningen från solen består av synligt ljus, ultraviolett (UV)-strålning och infraröd
(IR)-strålning. En del av denna strålning reflekteras högt uppe i atmosfären och
resterande del växelverkar med jorden på olika sätt genom att jorden värms upp,
eller reflekteras.
Elektromagnetisk strålning kan ses som vibrationer eller darrningar i elektriska och
magnetiska fält. Man kan beskriva strålningen som vågor som breder ut sig i ett
medium. Elektromagnetisk strålning i våglängdsintervallet 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.
20
Ljuset från solen innehåller även strålning med våglängder som ögat inte kan
uppfatta. Vid våglängder kortare än den violetta delen finns den strålning som
kallas ultraviolett strålning, UV-strålning. Intensiteten av denna strålning minskar
kraftigt när våglängden minskar. Vid våglängder kortare än 100 nanometer är
intensiteten av UV strålningen från solen försumbar.
Vid längre våglängder än våglängden för rött ljus finns den infraröda strålningen,
IR-strålning, som även kallas värmestrålning. Intensiteten för denna strålning hos
solljuset minskar med ökande våglängd, men inte lika kraftigt som för UV-strålning.
Först vid våglängder kring 1 mm är strålningens intensitet försumbar. Den största
delen av energin från solen kommer i form av infraröd strålning, denna del
motsvarar ca 53% av energin. Den synliga delen av ljuset från solen utgör 36% och
resten, 11%, är UV-strålning.
Fördelning av strålning från solen med strålning i infraröda, synliga och ultravioletta området.
21
3.2.
Atmosfären
Namnet atmosfären kommer från grekiskan, atmos (ånga) och sfaira (klot). Det är
ett gashölje som omsluter jorden och hålls kvar av jordens gravitationskraft.
Atmosfären består av kväve, syre och argon till drygt 99%. Resten är vattenånga
och andra gaser, bland annat koldioxid och ozon.
Atmosfären finns mellan jorden och solen. Den skyddar från solstrålning som har
våglängd kortare än 300 nanometer, det vill säga den ultravioletta strålning som är
farlig för människan. I atmosfären finns syremolekyler och framför allt ozon
(bestående av tre syreatomer, O3) som mycket effektivt absorberar all strålning
med våglängder kortare än 300 nanometer. Mellan 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 (O2) delar på sig
och en syreatom går ihop med en syremolekyl och bildar O3. Detta ozon kan
sönderdelas tillbaka till en syreatom och en syremolekyl när UV-strålning träffar
ozonmolekylen. Energin från UV-strålningen fångas upp av ozonmolekylen. På så
sätt stoppas UV-strålning av ozonskiktet och stora delar av UV strålningen når inte
jorden.
Ljuset från solen sprids av molekylerna i luften. De korta våglängderna sprids mer
än de långa och därför blir himlen blå. På samma sätt sprids UV-strålning. Spridning
av strålning kallas Rayleigh-spridning, som fick sitt namna efter Lord Rayleigh. På
dagen när solen står som högst så är himlen blå. Det beror på att strålning med
olika våglängd sprids av partiklar som är mindre i storlek än ljusets våglängd. Den
synliga delen av solstrålningen är nästan vit eftersom strålningen innehåller alla
färger. Rayleigh-spridning är proportionell mot våglängden, som ofta betecknas
med den grekiska bokstaven λ (delta) som λ-4, det vill säga att ljus med kort
våglängd (som blått ljus) sprids bäst. Det gröna och det röda ljuset som har längre
våglängd kommer att spridas mindre och tränger igenom atmosfären i en rak bana.
Det blå ljuset sprids över himlen cirka fem gånger mer än rött ljus och ger himlen
22
sin färg på dagen. På kvällen, eller morgonen, när solen står lågt har solljuset en
längre väg att färdas genom atmosfären. Det blå ljuset sprids och det mesta av det
blå ljuset når inte till marken. Ljuset uppfattas som rött och vi upplever den röda
kvälls- eller morgonsolen.
Atmosfären ger även en spridning av IR-strålningen från solen. Vissa gaser är mer
effektiva när det gäller absorption av värmestrålning. Absorptionen av gaser sker
inte vid alla våglängder utan främst inom vissa våglängdsområden. Bland de gaser
som effektivt fångar infraröd strålning finns vattenånga, koldioxid och metan.
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 byggs upp av atomer. När den är varm så kan den kyla sig genom att avge
energi i form av strålning som inom fysiken kallas svartkroppsstrålning. Strålningen
kallas även temperaturstrålning eller värmestrålning. Den här strålningen har sin
23
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
2500oC. 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 6000oC, och en stor del av strålningen som sänds ut från solen är i det
synliga området.
Vid temperaturer över 700oC börjar en kropp skicka ut strålning i det synliga
området, en kropp ser ut att glöda svagt. Vid fortsatt uppvärmning så övergår ljuset
till gult samtidigt som det blir allt kraftigare i intensitet och blir sedan vitt. När en
kropp blir varmare så blir våglängden kortare.
Svartkroppstrålning vid ökande temperatur [700, 2700, och 5700oC]
24
Gaser i atmosfären påverkar strålningen från den uppvärmda jorden genom
växthusgaserna. Genom växelverkan med gaser så skickas IR-strålning tillbaka mot
jorden. Denna strålning värmer i sin tur upp jorden ytterligare. Man kan göra
beräkningar på strålningsbalans mellan ingående och utgående strålning. Utan en
naturlig växthuseffekt går all strålning från jorden går ut i rymden. Då skulle
temperaturen vara ca -18oC. Inget liv skulle kunna existera eftersom allt vatten
skulle vara fruset.
Eftersom det finns en naturlig omsättning av gaser, som koldioxid, så finns en
normal mängd av dessa gaser i atmosfären. Gaserna växelverkar med strålningen
som skickas ut från jorden och ger en naturlig växthuseffekt. Samma beräkningar
ger då att temperaturen på jorden blir 15oC. Då finns det möjlighet för liv.
Rent fysikaliskt så vibrerar molekylerna i sina normala tillstånd. När de fångar upp
IR-strålning så börjar de vibrera kraftigare. Eftersom det inte är ett normalt tillstånd
för molekylerna så avger de energi för att komma tillbaka till sina normala tillstånd.
De avger då IR-strålning. Strålningen skickas ut i olika riktningar, och i det enklaste
fallet så avges en del mot solen och en del mot jorden. Det här är grunden till den
naturliga växthuseffekten.
25
Det fungerar i princip som ett växthus, där en del av infallande solstrålning
reflekteras av glaset. En stor del av solens strålning släpps dock igenom och
absorberas av växter och mark. Den utgående värmestrålningen från dessa hindras
av glaset och får som följd att växthuset blir varmare.
Energi flödar in mot jorden från solen. Jorden värms upp och avger energi i form av
infraröd strålning som i sin tur växelverkar med atmosfären. Solen och jorden
befinner sig i en strålningsbalans där atmosfären bildar en naturlig växthuseffekt.
I vardagligt tal misstas ibland den naturliga växthuseffekten med den globala
uppvärmningen som är en konstaterad ökning av medeltemperaturen på jorden
under 1900-talet. Den förstärkta växthuseffekten sker på grund av en ökad halt av
växthusgaser som gör att mer värmestrålning skickas tillbaka mot jorden.
26
Utöver växthusgaserna bidrar moln till växthuseffekten eftersom de absorberar IR
strålning liksom växthusgaserna. De reflekterar även solstrålning. Moln är en
ansamling av vattendroppar eller iskristaller i luften. De uppstår när luft kyls så att
den blir mättad på vattenånga. Molndropparna bildas genom att vattenånga
kondenserar på små partiklar.
Moln som befinner sig nära marken växelverkar med värmestrålningen från jorden
eftersom deras temperatur ligger ganska nära temperaturen på marken. Höga
moln har lägre temperatur.
27
Låga moln reflekterar solstrålning
3.4.
Metan – en starkare växthusgas än koldioxid?
Metan bildas vid bakteriell nedbrytning av organiskt material i syrefattig miljö, t ex
vid kornas fodersmältning och vid lagring av gödsel och annat biologiskt avfall. När
gasen framställs från reningsverkens rötslam och annat avfall så kallas den biogas.
Stora underjordiska lager av metan kallas naturgas. Både koldioxid och metan finns
som naturliga delar i olika processer. I vissa artiklar och debatter så dyker
jämförelsen mellan metan och koldioxid upp, och det sägs att metan ska vara en
starkare växthusgas än koldioxid. Men skillnaden mellan halterna av metan och
koldioxid är stor. Det finns cirka 190 gånger mer koldioxid i atmosfären än metan.
Den koldioxid som kommer till atmosfären har en viss livslängd innan de bryts ner.
Metan har kortare livslängd i atmosfären än koldioxid. Därmed bidrar en viss
mängd metan till uppvärmningen under en kortare tid.
Jämförelsen som leder till att metan ibland räknas som en starkare växthusgas
kommer från inom vilket område som en gas absorberar. Vattenånga och koldioxid
28
absorberar i relativt breda delar av den infraröda strålningen. Metan absorberar
inom andra våglängdsområden än dessa. Det gör att dess metans bidrag till
växthuseffekten kan anses som större i det området av strålning. Ett vanligt sätt att
jämföra gaserna är att räkna på effekten under 100 år. Då visar det sig att en
molekyl metan bidrar 25 gånger mer till växthuseffekten än en molekyl koldioxid.
En jämförelse som ofta göra är när man jämför ett kilo koldioxid med ett kilo metan,
och metangasens bidrar kan då ses som större. Men det bör egentligen ställas i
perspektiv till de faktiska halterna i atmosfären.
29
