Växthuseffekten
Från Rilpedia
.svg)
Växthuseffekt eller drivhuseffekt kallas fenomenet att långvågig strålning hindras från att lämna en planets atmosfär på grund av så kallade växthusgaser, vilket i jordens fall bidrar till att hålla planetens temperatur på en beboelig nivå. Fenomenet beskrevs först i ett arbete av den franske vetenskapsmannen Joseph Fourier år 1824.
Dessa gasers växthuseffekt beror på att de släpper igenom solljus, som värmer upp mark och vatten. Den värmen kan sedan inte stråla ut i rymden igen som infraröd strålning eftersom växthusgaserna delvis absorberar den. Effekten blir att jordens temperatur stiger till dess att en ny jämviktstemperatur uppnås. Om det inte skulle finnas någon växthuseffekt på våran jord så skulle gradantalet sjunka med cirka 30 grader.
Vattenångan står för den största delen av växthuseffekten. Genom en hävstångseffekt ökar halten vattenånga då andra växthusgaser ökar. Hävstångseffekten beror på att halten vattenånga i luften är temperaturberoende.
Denna artikel behandlar endast fenomenet växthuseffekt i allmänhet. Den klimatförändring i modern tid som lett till höjd medeltemperatur till följd av växhuseffekten behandlas i artikeln global uppvärmning.
Innehåll |
Strålningsbalans
Jorden har sin temperatur på grund av en strålningsbalans mellan inkommande och utgående strålning. Det är uppenbart att solstrålningen tillför jorden värme, men om det var det enda skulle jordens temperatur bara stiga utan ände. Jorden hänger i ett vakuum, och det finns inget med termisk ledningsförmåga eller ingen konvektion för att leda den tillförda värmeenergin bort. Endast värmestrålning ut i rymden gör att jorden inte överhettas.
Lagarna för termisk strålning är relativt enkla. Enligt Stefan–Boltzmanns lag är strålningens effekt proportionell mot temperaturens fjärde potens, T 4. Det gäller båda för jorden och för solen, eftersom båda följer strålningslagarna för en svart kropp.
Enkel uppskattning
Solens temperatur är känd ur en annan enkel lag för svartkroppsstrålning, nämligen Wiens förskjutningslag, som säger att produkt av temperatur och strålningens dominanta våglängd är konstant. För en våglångd på 500 nanometer ger det ungefär 6000 kelvin för solens yttemperatur.
Här är det möjligt att göra en enkel överslagsberäkning. Om jorden befann sig i en ugn med väggar på en temperatur på 6000 K, skulle i jämvikt jordens temperatur vara lika hög. Nu är det bara en del av himmelvalvet som har en temperatur på 6000 K - solen - som har en diameter på drygt en halv grad eller en hundradel av en radian. Solskivans rymdvinkel ges av πr ². Jorden strålar åt alla håll, med andra ord i en rymdvinkel på 4π. Det leder till denna ekvation för strålningsbalans:
Denna grova beräkning ger rätt storleksordning för temperaturen. Den skulle vara korrekt för en svart planet utan moln, med en torr atmosfär av endast kväve och syre.
Effekt av albedo
Endast en del av solljuset som träffar jorden absorberas. Ungefär 30 % reflekteras, främst av molnen. Med en astronomisk term säger man att jorden har albedo 0,3. Det innebär att vänsterledet i ekvationen ovan är 30 % mindre stor. Jordens temperatur är mindre med en faktor lika med den fjärde roten ur 0,7. Med mer noggranna ingångsdata för solstrålningen får man att jordens jämviktstemperatur skulle vara 255 K. Om det inte fanns en växthuseffekt skulle allt vatten på jorden vara fruset. Mätningar från rymden bekräftar att jorden avger lika mycket strålning som den får från solen.[1]
Växthuseffekt
Enligt samma Wiens förskjutningslag som ovan, är den dominanta våglångden vid en temperatur på 300 K ungefär 10 mikrometer, 20 gånger längre än solens synliga ljus. En torr atmosfär av ren kväve och syre skulle inte absorbera den strålningen, men det gör andra molekyler: vattenånga (dominerande), koldioxid och metan. I en enkel modell kan man se dessa molekyler som ett tak, med en effekt som liknar en carport. I det långa infraröda området beter sig atmosfären som en svart kropp. På hög höjd är dess temperatur ungefär 255 K. Detta "tak" strålar båda uppåt och nedåt. På jordytan betyder det att det kommer lika mycket energi i form av värmestrålning från atmosfären som från direkt solljus. Jordytan får därför en högre temperatur. Jämvikt uppnås när temperaturen är fjärde roten av 2 gånger så stor som 255 K. En mera noggran analys visar att det finns våglängdsområden där termisk infraröd inte absorberas av atmosfären. Temperaturen på jordytan blir i genomsnitt 288 K, 15 °C.
Utan växthuseffekt skulle det inte finnas något liv liknande vårt på jorden. En betydligt mer långtgående växthuseffekt finns på Venus där den höjer temperaturen med omkring 400 °C och gör Venus till solsystemets varmaste planet. Den svenske kemisten Svante Arrhenius brukar räknas som den första som kom fram till att utsläpp av växthusgaser borde leda till en ökad temperatur.[2]
I vardagstal brukar man med växthuseffekten felaktigt avse den antropogena (av människan orsakade) ökningen av växthuseffekten som orsakas av utsläpp av främst koldioxid genom till exempel förbränning av fossila bränslen. Denna process beskrivs bäst som global uppvärmning.
Växthusgaser
De gaser som bidrar till växthuseffekten kallas växthusgaser. I följande lista förtecknas de viktigaste växthusgaserna.
- Freoner
- Koldioxid (förbränning, vulkaner, nedbrytning av biologiskt material)
- Kväveoxid
- Metan (Avföring och urin från människor och djur, oförbränd naturgas).
- Vattenånga
- Ozon
Mänsklig påverkan
- Se huvudartikel: Global uppvärmning
Sedan 1900-talets början har det observerats en ökning i medeltemperatur av den lägre atmosfären och haven, som också förutspås fortsätta. Ökningen anses bland annat av FN-organet Intergovernmental Panel on Climate Change bero på människans utsläpp av växthusgaser. Denna uppvärmning, dess orsaker och konsekvenser, behandlas i artikeln global uppvärmning.
Källor
- ↑ ”Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) experiment”. NASA. 2002. http://asd-www.larc.nasa.gov/ceres/brochure/intro.html.
- ↑ Svante Arrhenius - The Nobel Prize in Chemistry 1903 - Biography
Se även
