Miljö och Fysik
Mikael Syväjärvi
Linköpings universitet
090121
Innehåll:
Introduktion
Global uppvärmning
Växthusgaser
Kollagring och kvävegödsling
Sveriges miljömål
Effekter av global uppvärmning
Strålning
Atmosfären
Strålningsbalans
Introduktion
Det här materialet inriktar sig mot miljöfrågor och tar i lämpliga delar upp fysik bakom
dessa. Materialet är tänkt att vara skrivet på så sätt att den som är intresserad av ämnet
ska kunna ta till sig av innehållet på ett begripligt sätt. En sådan beskrivning är inte
alldeles lätt när man ska försöka förklara fysiken bakom olika miljöfrågor för någon som
inte läst fysikkurser, eller bara ge en översiktsbild av relevanta miljöfrågor som läsaren
kan ta med sig för vidare diskussioner. Materialet kommer att ta upp mer etablerade
miljöfrågor som nyttjande av naturkrafter men även diskutera teknikfrågor som berör det
som kallas rena teknologier. Detta är teknologier som klassas som miljöteknologi genom
att de på någon sätt bidrar till att förbättra miljön på kort eller längre sikt.
Global uppvärmning
Det första man troligen tänker på när man nämner ordet miljöfråga är global
uppvärmning. De flesta känner nog till att global uppvärmning är en ökning av
medeltemperaturen på jorden. Närmare bestämt är det uppvärmningen i atmosfären nära
jordens yta och haven som avses. Under 1900-talet steg medeltemperaturen med ca 0.60.7 grader. Grafen nedan visar den konstaterade globala temperaturökningen. Rent
generellt sker förändringar av temperaturen på jorden på grund av mer eller mindre
1
periodiska naturliga processer. Det forskas om orsaken till dessa, men variationerna av
temperaturen förväntas hålla sig runt ett konstant medelvärde. Under det senaste
århundradet har dock medeltemperaturen ökat.
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.
Den mest accepterade förklaringen är att temperaturökningen orsakas av människans
handlingar och då främst genom utsläpp av växthusgaser. Enkelt beskrivet så lägger sig
växthusgaser som ett täcke runt jorden och strålning från jorden hindras på sin väg ut.
Eftersom utsänd strålning från jorden verkar för att kyla av jorden, så resulterar det i en
temperaturökning.
I en rapport från FNs klimatpanel (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change),
som verkar för att ge underlag till beslutsfattare inom miljöfrågor, från 2007 fastställs att
koldioxidhalterna under 2005 låg långt över naturliga variationer under de senaste
650000 åren. Enligt prognoser i rapporten förväntas medeltemperaturen öka med 1.8 till
4.0 grader till år 2100. Uppvärmningen är inte lika jämn över hela jorden, ökningarna blir
störst över land och på norra halvklotet. Klimatpanelen fastslår att om den genomsnittliga
temperaturökningen inte ska bli mer än två grader så måste de globala koldioxidutsläppen
börja minska senast år 2015 och minska med mellan 50 och 85 procent fram till år 2050.
Växthusgaser
Till växthusgas räknas gaser som bidrar till växthuseffekten, som koldioxid, freoner,
kväveoxid, metan, vattenånga och ozon. Koldioxid bildas vid de flesta förbränningar av
kolföreningar i syremiljö. Freoner användes som kylmedium, men som fram till idag mer
eller mindre har fasats ut inom sina tillämpningar till fördel för bättre alternativ, och är
föreningar av kolväten med flour, klor och brom. Vid förbränning i luft bildar kväve och
2
syre kväve(mono)oxid vid höga temperaturer och höga tryck, detta sker främst från
förbränningsmotorer eller förbränning i kraftverk. Kväveoxiden kan i sin tur reagera med
syre för att bilda kvävedioxid som medverkar vid bildande, tillsammans med kolväten
och sot, av marknära ozon. Metan bildas vid nerbrytning av organiska material som
avföring och urin från människor och djur samt existerar som en andel i naturgas vilket är
en blandning av gaser i jordskorpan. Ozon är en gas av tre syreatomer som är giftig för
människan men som i atmosfären skyddar mot skadlig ultraviolett (UV)-strålning. Freon
och andra gaser som bryter ner ozon har tunnat ut ozonlagret, men med minskade utsläpp
kan ozonskiktet återställas eftersom syre övergår till ozon när det utsätts för UV-strålning.
Koldioxid, metan och ozon är de viktigaste gaserna när det gäller växthuseffekt. Gaserna
kan stanna kvar tiotals år i atmosfären. De hinner då fördela sig över hela jordklotet så att
deras påverkan blir på en global nivå, även om de direkta källorna är ojämnt fördelade
över jordklotet.
Gas
Kväve
Syre
Argon
Koldioxid
Neon
Helium
Metan
Andel %
78.08
20.95
0.93
0.038
0.002
0.0005
0.0002
Halten av koldioxid i atmosfären har ökat cirka 30% under de senaste 250 åren.
Förbränning av fossila bränslen ger ett stort tillskott av koldioxid. FNs klimatpanel
uppskattar att ungefär 75% av den ökade halten av koldioxid beror på människans
industrialisering, och resten från variation i markanvändning. De som kritiserar teorin om
att utsläpp är orsak till den globala uppvärmningen. Frågar sig varför mängden koldioxid
i atmosfären kan orsaka så mycket förändringar. Halten koldioxid i atmosfären är ungefär
0.038 procent.
3
Metan har ökat med uppskattningsvis 150% under de senaste 250 åren. Det är oklart
varifrån utsläppen ökar, men de kommer från biologiska aktiviteter. Vissa former av
jordbruk som risodlingar och kreatursuppfödning ger stora utsläpp av metan till
atmosfären. Eftersom metan finns som en del i naturgas, kan spill från hanteringen av
naturgas vara en orsak till att metanhalten ökar.
Utsläppen ökar med utökad industrialisering.
Industriella utsläpp av koldioxid
Industrins koldioxidutsläpp kommer främst från förbränning av fossila bränslen, men
även från stålindustrins masugnar och cementtillverkningsprocesser. Utsläpp av
koldioxid från industrin i Sverige uppgick 2005 till 15,1 miljoner ton. Det motsvarar
drygt en tredjedel av de svenska utsläppen.
4
Eftersom stål är en legering av järn med upp till 2% kol så uppkommer de största
utsläppen vid rening av järnmalm. Vid masugnar reduceras järnmalm till järn med hjälp
av kol. Järnmalmen består av olika järnoxider. När man blandar järnmalmen med kol i en
masugn så får man bort syret när två syreatomer förenar sig med en kolatom och bildar
koldioxid, och lämnar kvar råjärn som förädlas till stål. Men kolet förbränns inte
fullständigt. Mycket energi finns i restgaser, framförallt vätgas och kolmonoxid.
Järnmalm består av ett eller flera av mineraler. Den finns i olika geologiska formationer
och har bildats under lång tid. De viktigaste är bandade järnmalmer och
apatitjärnmalmer, av vilka de flesta bildades för runt två miljarder år sedan. Dessa
malmer innehåller mellan 50 och 70 viktprocent järn och består av magnetit (svartmalm)
och hematit (blodstensmalm). Järnhalterna i jordens inre är betydligt högre än på
jordskorpan, och järnhalten på jorden är cirka 35 % av jordklotets totala massa. Eftersom
järn lätt förenar sig med andra grundämnen, främst syre och svavel, är det inte vanligt
med rent järn. Världens reserver av järnmalm uppskattas till drygt 290 200 miljoner ton
med ett järninnehåll av ca 110 000 miljoner ton [Nationalencyklopedin]. Vid SSABs
masugnar i Luleå och Oxelösund släpps runt 5.9 miljoner ton koldioxid per år.
Försök pågår att återföra de brännbara gaserna till masugnen. Med en sådan recirkulation
kan man spara 25 procent kol och så minska koldioxidutsläppen med lika stor del. Ännu
återanvänds inte avgaserna eftersom de innehåller för mycket kvävgas och koldioxid. Vid
försöken provar man att använda syrgas i stället för luft för att bli av med kvävet, och
5
skilja av koldioxiden innan gasen återförs till masugnen. SSAB står för elva procent av
Sveriges koldioxidutsläpp. Om man lyckas avskilja koldioxiden och kan komma på hur
den ska slutförvaras så minskar utsläppen nästan till noll.
Källa: Energimyndigheten, Ny Teknik okt 2008
SSAB Luleå, Lulekraft
stål
SSAB Oxelösund
stål
Preem Scanraff
olja
Cementa Slite
cement
Fortum Värtan
värme
LKAB Kiruna
malm
Preem Raffinaderi
olja
Shell Raffinaderi
olja
Cementa skövde
cement
Mälarenergi Västerås
värme
0
2
4
6
8
10
Utsläpp koldioxid [miljontals ton]
Kollagring och kvävegödsling
Ökad kollagring i skogsmark genom kvävegödsling studeras eftersom den naturliga
omsättningen av koldioxid är uppskattningsvis tio gånger större än de globala utsläppen
av koldioxid från fossila bränslen.
Utöver förbättrad teknik så kan kvävedioxidutsläppen minskas genom kvävegödsling av
skog, vilket är ett debatterat ämne. Kvävegödsling medför att mer kol lagras i skogsmark
genom att sakta ner nedbrytningen av döda växtdelar. Kväve förändrar
ämnesomsättningen hos mikroorganismer som sköter nedbrytning av organiskt material
där de kommer åt kol och kväve. Koldioxid släpps ut under nedbrytningsprocessen. Det
organiska materialet blir genom den ändrade ämnesomsättningen svårare att bryta ner och
processen bromsas upp.
Kväve påverkar nedbrytningen dels genom att döda växtdelar till att börja med får en
högre kvalité för mikroorganismerna och nerbrytningen sker snabbare, vilket till en
början ger mer koldioxid, men dels genom mikroorganismerna får direkt tillgång till
kväve. De behöver då inte utvinna lika mycket kväve från växterna, vilket ger mindre
koldioxid. Nerbrytningen saktar då ner och mer kol stannar kvar i marken, det blir
följaktligen minskade mängder av koldioxid som släpps ut.
6
Mer kol lagras genom en ökad produktion av växtmaterial genom kvävegödsling.
Växterna består till stor del av kol som tas från koldioxiden i luften. Eftersom växterna är
begränsade av tillgången på kväve i sin tillväxt genom fotosyntesen, så medför ökad
kvävegödsling en ökad tillväxt. I fotosyntesen utvinner växterna energi från koldioxid
och vatten med hjälp av solljuset. Vattenmolekylerna delas upp i väte och syre. Syret går
ut i luften och vätet förenas med koldioxid för att bilda glukos som omvandlas till näring
i växtens celler.
Som resultat får kvävegödsling skogen att växa snabbare, vilket i sin tur ger ökad
skogsproduktion, men det finns även risk för övergödning eftersom kväve redan tillförs
genom nerfall av luftföroreningar från industrier. Ökad lagring av kol i biomassa, mark
eller vatten kallas kolsänka.
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.
Studier av fönster och möbler av trä genomförd av Trä- och Möbelindustriförbundet
(TMF) visar att även de binder koldioxid, och som släpps lös först när fönstret eller
möbeln återvinns. Runt 1.65 miljoner ton koldioxid binds i träfönster enligt förbundets
rapport från slutet av 2008. TMF är bransch- och arbetsgivarorganisationen för den
träförädlande industrin och möbelindustrin i Sverige, och företräder cirka 800
medlemsföretag med över 30 000 anställda.
Massaved från skogen kan även användas för att framställa biogas utan att påverka flödet
av materialvolymerna som finns idag enligt konsultföretaget Pöyry. Med en investering
på 75 till 100 miljoner kronor ska massabruk kunna ställa om sina processer så att de kan
7
tillverka biogas utan att det påverkar massaproduktionen. Detta är 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.
Enligt en studie från 2008 av 21 svenska bruk om deras såpahantering och
talloljekokning som genomfördes av Ångpanneföreningen och Värmeforsk så har
Svenska massabruk potential att öka sin produktion av tallolja med tio procent,
motsvarande 290 gigawattimmar energi om året. Undersökningen visade att det är
mycket stor variation i talloljeproduktionen vid de svenska bruken. Som mest utvanns 67
kilo tallolja per ton pappersmassa, och som minst tio kilo. Variationen beror bland annat
på andelen tall i brukets råvara av ved, hur länge veden lagras och hur processerna ser ut.
Men även vilken breddgrad bruket ligger påverkar talloljeproduktionen, och ju högre upp
i landet bruket befinner sig, desto högre är talloljeproduktionen. Träden som används vid
bruk längre norrut har växt långsammare och innehåller mer tallolja. För att få ut så
mycket tallolja som möjligt ska bruken bland annat ha en hög andel tall som råvara och
korta lagringstider av veden.
Sveriges miljömål
I Sveriges miljömål för 2008-2012 skall klimatpåverkan begränsas utan kompensation för
koldioxidupptag i kolsänkor och så kallade flexibla mekanismer, vilket är olika former
för utsläppshandel med växthusgaser. De svenska utsläppen av växthusgaser skall, som
ett medelvärde för perioden 2008-2012, vara minst 4 % lägre än utsläppen år 1990.
8
Sveriges riksdag har beslutat om 16 stycken miljömål. Dess är:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
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
Levande skogar
Ett rikt odlingslandskap
Storslagen fjällmiljö
God bebyggd miljö
Ett rikt växt- och djurliv
Som en reaktion på klimatpanelens rapport om utsläpp, fick en svensk klimatberedning i
uppdrag av riksdagen att komma med förslag på en handlingsplan kring hur de svenska
utsläppen ska minska till 2020. Man har också haft i uppgift att sätta upp mål för
klimatstrategin både på kort och lång sikt. I början av 2008 gavs målförslag. På lång sikt,
till 2050 och därefter, föreslog beredningen att svenska utsläpp av växthusgaser ska vara
minst 75-90 procent lägre än 1990. Vid seklets slut bör utsläppen vara nära noll. Det
kortsiktiga målen bör minska de svenska utsläppen med 38 procent fram till 2020, enligt
en majoritet av klimatberedningens medlemmar.
Hösten 2008 kom regeringen budgetproposition där klimat och hav prioriteras i
regeringens miljöbudget. Totalt anslås sju miljarder kronor till allmän miljö- och
naturvård under åren 2009–2011. Tre miljarder tilldelas ett åtgärdspaket inom klimat- och
energiområdet och fyra miljarder till en riktad satsning på klimatbistånd. Pengar ska
användas för satsning på internationella klimatinvesteringar och för att satsa på åtgärder
för att anpassa Sverige till ett förändrat klimat, förbättring av kunskapsunderlaget om ras-
9
och skredrisker, förbättringar av den nationella höjddatabasen och till att länsstyrelserna
kan få en samordnande roll i det regionala anpassningsarbetet.
Effekter av global uppvärmning
Vilka effekter kan då den globala uppvärmningen ge? Några scenarion är att stora
gräsområden kan förvandlas till öknar, isområden kan smälta, vindar och havsströmmar
kan ändra riktning och i sin tur ge följdeffekter, havsytorna stiger och dränker kustnära
områden.
Olika scenarios studeras bland annat i EU projekt. Malmö stad är en av deltagarna i det
treåriga projektet Grabs, Green and Blue Space Adaptation for Urban Areas and Eco
Towns. Staden satsar på bättre beredskap genom att ta fram en handlingsplan och testa
olika lösningar. Bland annat vill man ha utröna hur städer klarar klimatförändringar som
ihållande skyfall, högre havsvattennivåer eller långa värmeböljor.
De stora isområdena vid främst nord- och sydpolen reflekterar strålning och om dessa
ytor minskar så minskar följdaktligen den reflekterade strålningen och bidrar till en ökad
temperatur genom en minskad värmeavgivning med hjälp av jordens strålning ut i
rymden. Denna effekt har ett eget namn, albedo.
Havsnivån förväntas stiga om den globala uppvärmningen fortsätter.
Albedo används inom fysik, meterologi och astronomi. Den räknas som den andel av rakt
infallande ljus som återkastas av en yta eller en kropp. Värdet som en yta eller kropp har
beror på dess sammansättning. Albedo mäts oftast vid en bestämd våglängd. Exempelvis
10
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.
I en artikel i Nature i början av 2008 presenterades en studie om effekterna av
klimatförändringarna genom förändringar i nederbörd på produktionen av spannmål.
Produktionen kommer att minska med uppskattningsvis en tredjedel, främst av ris och
majs, i södra Afrika och Asien.
Forskarna Rutger Rosenberg vid Institutionen för marin ekologi, Göteborgs Universitet
och Robert Diaz från Virginia Institute of Marin Science i USA gjorde en studie av
världshavens bottnar 1995, och jämförde med en ny studie 2008. Deras resultat visar att
antalet döda havsbottnar, vilka har så lite syre att fiskar och tar skada, har ökat från 44 till
400. Mest utbredning av syrefattiga områdena finns i Östersjön, Mexikanska golfen,
Östkinesiska havet, och Bälthavet.
Allmänhetens förståelse för klimatsituationen
Hur mycket är känt av allmänheten om klimatsituationen? Skog 2008 är en nationell och
regional undersökning genomförd på uppdrag av Skogsindustrierna, som totalt omfattar
2100 personer från 18 år och uppåt. Det som oroar 29% av svenskarna mest är utsläpp av
växthusgaser, följd av 16% som oroar sig för skövling av skog. Svenskarna ger sig själva
högt betyg i miljökunskap, men det finns brister i baskunskaperna. Cirka 64% anser sig
ha en god insikt om miljöfrågorna medan runt hälften vet hur fotosyntesen fungerar och
som binder 100 miljarder ton kol i skogen, vilket är en betydande del av det kol som
påverkar koldioxidhalten. Behovet av skog och skogsprodukter växer varje år. Det är
dock ingen risk att skogen ska ta slut eftersom den växer med cirka 115 miljoner
kubikmeter varje år och endast 85 procent den tillväxten avverkas varje år. Varje år
planteras runt 330 miljoner trädplantor i Sverige och det finns nu 60 miljarder träd i
Sverige. [Skogsindustrierna 080918]
11
Med undantag för några år under 1970-talet har tillväxten alltid varit större än avverkningen.
Källa: Skogsindustrierna.
Strålning
Temperaturen på jorden hålls i balans genom naturliga processer. Rent fysikaliskt strålar
det in energi i form av strålning från solen och strålningsenergi från jorden strålar ut i
rymden. Dessa bildar en energibalans. Andra fysikaliska värmeöverföringar som
konvektion (som ges av rörelser av gaser eller vätskor), ledning eller avdunstning sker
inte eftersom jorden är isolerad i vakuum.
Strålningen från solen består av synligt ljus, UV-strålning och infraröd (IR)-strålning. En
del av denna strålning reflekteras högt uppe i atmosfären och resterande del växelverkar
med jorden på olika sätt så att jorden värms upp, eller reflekteras.
Elektromagnetisk strålning är vibrationer eller darrningar i elektriska och magnetiska fält.
Man ser 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
12
brukar betecknas med den grekiska bokstaven λ (lambda). 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.
Ljuset från solen innehåller strålning med våglängder som ögat inte kan uppfatta. Vid
våglängder kortare än den violetta delen finns den strålning som kallas ultraviolett
strålning, UV-strålning. Intensiteten av denna strålning minskar kraftigt när våglängden
minskar. Vid våglängder kortare än 100 nanometer är intensiteten av UV strålningen från
solen försumbar.
Vid längre våglängder än våglängden för rött ljus finns den infraröda strålningen, IRstrålning 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.
Atmosfären
13
Atmosfären mellan jorden och solen skyddar från strålning som har våglängd kortare än
300 nanometer, det vill säga den ultravioletta strålningen som är farlig för människan. I
atmosfären finns syremolekyler och framför allt ozon 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.
Namnet atmosfären kommer från grekiskan, atmos (ånga) och sfaira (klot). Det är ett det
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.
Ljuset från solen sprids av molekylerna i luften. De korta våglängderna sprids mer än de
långa, där det blå ljuset finns, och därför blir himlen blå. På samma sätt sprid UVstrålning. På kvällen, eller morgonen, när solen står lågt har solljuset en längre väg att
färdas genom atmosfären. En del av det blå ljuset sprids och ljuset uppfattas som rött och
vi upplever den röda kvälls- eller morgonsolen.
Spridning av strålning kallas Rayleigh-spridning. På dagen, när solen står som högst, 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 och ger den sin färg.
Atmosfären ger även en spridning av IR-strålningen från solen. Vissa gaser är mer
effektiva när det gäller absorption av värmestrålning. Absorptionen av gaser sker inte vid
alla våglängder utan främst inom vissa våglängdsområden. Bland de gaser som är
effektiva finns vattenånga, koldioxid och metan.
14
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 kristallatomerna sätts i rörelse.
En kropp som är uppvärmd avger energi i form av strålning, en så kallad
svartkroppsstrålning. Strålningen kallas även temperaturstrålning eller värmestrålning.
Den här strålningen har sin energi i vissa intervall, eller maximum vid olika våglängder.
Eftersom det temperaturen skiljer sig på olika delar av kroppen så blir det en fördelning
av strålningen. En kropp som befinner sig vid rumstemperatur avger strålning i den djupa
delen av det infraröda området. En glödlampa har en temperatur på ungefär 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
det mesta av strålningen som sänds ut från solen är i det synliga området.
Svartkroppstrålning vid ökande temperatur [700, 2700, och 5700oC]
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.
15
Gaser i atmosfären påverkar strålningen från jorden genom växthusgaserna som genom
växelverkan med gaser som skickar 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 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. Det ger en naturlig växthuseffekt.
Rent fysikaliskt så vibrerar molekylerna i sina normala tillstånd. När de träffas av IRstrålning börjar de vibrera kraftigare när de fångar upp energin. Eftersom det inte är ett
normalt tillstånd för molekylerna så avger de energi för att återta sina tidigare tillstånd.
De avger då IR-strålning. Strålningen avges i olika riktningar, och i det enklaste fallet så
avges en del mot solen och en del mot jorden. Det här är grunden till den naturliga
växthuseffekten.
Solen och jorden befinner sig i en strålningsbalans. Energi flödar in mot jorden från solen.
Jorden värms upp och avger energi i form av infraröd strålning.
16
Med detaljerade beräkningar som tar hänsyn till IR-strålningen som faller in mot jorden
igen ger att jordens genomsnittstemperatur är ca 15oC. 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.
17
I vardagligt tal misstas ibland den naturliga växthuseffekten med den globala
uppvärmningen som är en konstaterad ökning av medeltemperaturen på jorden under
1900-talet.
Utöver växthusgaserna bidrar moln till växthuseffekten eftersom de absorberar IR
strålning liksom växthusgaserna, men även för att de reflekterar solstrålning. Moln är en
ansamling av vattendroppar eller iskristaller i luften. Moln uppstår när luft kyls så att den
blir mättad på vattenånga. Molndropparna bildas genom att vattenånga kondenserar på
små partiklar.
Moln som befinner sig nära marken reflekterar solstrålning tillbaka till rymden mer än de
växelverkar med värmestrålningen från jorden eftersom deras temperatur ligger ganska
nära temperaturen på marken. Höga moln har större påverkan på växthuseffekten
eftersom de har lägre temperatur och utstrålar mindre värmestrålning mot rymden. De
består även till stora delar av iskristaller, som inte reflekterar solstrålning så effektivt.
Låga moln reflekterar solstrålning
Den mest accepterade orsaken till jordens uppvärmning är ökade utsläpp av växthusgaser
som följd av industrialiseringen, som ger ökad återfallande IR-strålning in mot jorden och
en ökad temperatur.
18
