4. En enkel klimamodell

Dette er et referat fra Andrew Dessler (se kilde nedenfor). Vitenskapelige studier av jordas klima har blitt gjort i nesten 200 år, og det er utviklet godt dokumenterte teorier for hvordan klima har utviklet seg. Vi bruker den grunnleggende fysikken fra forrige innlegg til å vise hvordan drivhusgassene varmer planeten, og hvorfor temperaturen på jorda er som den er.

Energikilden er sola

Sola er jordas viktigste varmekilde og den stråler ut en enorm mengde energi. Av dette er det bare en liten del som treffer jorda. Ved å ta hensyn til at det er 150 millioner km fra jorda til sola kan vi beregne at solstrålene treffer jorda med en intensitet på 1360 W/m² i gjennomsnitt. Vi sier at dette er jordas solkonstant, og den kalles S. Solkonstanter for planeter som er nærmere sola er høyere, og de som er lenger ute har lavere solkonstant.

Med jordas radius på ca. 6400 km kan vi med solkonstanten beregne at mengden energi som treffer jorda er 180.000TW. (1Terrawatt er tusen milliarder W = 1 billion W). Den samlede menneskeheten bruker pr. i dag ca. 16 TW. Hadde vi kunnet fange all solenergien hadde vi hatt mer enn 10.000 ganger den energien vi bruker i dag.

De ulike stedene på jorda får ulik mengde av solenergien. Sola treffer rett på ekvator, så det er maksimalt i tropene, mindre i de midlere breddegradene, og minst i de polare områdene.

Tropene er i hovedsak hav som er mørkt og har en lav albedo (hvithet, forklaring se under) som samler opp det meste av varmen fra sola. Det er lite som reflekteres av de innkommende solstrålene. De polare områdene er hvite så lenge det er is og de har en høy albedo. Mye av sola reflekteres der. Tilsammen gir disse mekanismene en god forklaring på hvorfor tropene er varme og de polare områdene kalde.

Energibalanse, solinnstråling og varmestråling fra jorda

Som beskrevet i forrige innlegg er summen av energi konstant. Det er alltid balanse!

Jordas solinnstråling beregnes til gjennomsnittlig å være 238 W/m² ved å bruke verdiene for albedo og solkonstanten.

Vi lærte også at det meste stråler som et svart legeme. Det gjelder også jorda og atmosfæren. Vi kan ved hjelp av Stefan-Boltzmanns lov beregne varmestrålingen, og den tilhørende overflatetemperaturen. Uten å ta hensyn til atmosfæren blir den beregnede gjennomsnittlige overflatetemperaturen ca. -18°C, og det er mye lavere enn den reelle temperaturen. Forskjellen skyldes jordas atmosfære, også kalt drivhuseffekten.

Hvordan fungerer drivhuseffekten

Det er en god tilnærming til virkeligheten å betrakte jordas atmosfære slik:

1. Jordas atmosfære slipper gjennom synlig lys fra sola som treffer jorda.
2. Atmosfæren slipper ikke gjennom infrarødt lys, så alle disse fotonene samles opp i atmosfæren.
3. Atmosfæren stråler som et svart legeme, like mye oppover som nedover.
4. Fotoner som slippes ut mot verdensrommet fjerner energi fra jorda, mens fotoner som stråler mot jorda absorberes og øker overflatetemperaturen.

Som en illustrasjon beskriver vi her en modell med et lags atmosfære.

Vi beregner overflatetemperaturen med denne modellen ved å se på hele jorden og beregne at energien inn = energien ut. Inn fra sola kommer 238 W/m^2, og den samme energimengden stråler ut fra atmosfæren.

Siden det også er balanse i atmosfæren stråler det like mye energi ned på jorda igjen som det stråler ut i verdensrommet.

Det er også balanse i det som stråler inn og ut fra jordoverflaten, og det innebærer at overflaten må stråle ut 476 W/m² for at det skal bli energibalanse på overflaten. Vi kan bruke Steffan Boltzmanns lov fra forrige innlegg til å beregne den tilsvarende overflatetemperaturen på jorda som blir 30°C. Jorda varmes både fra sola, og det som stråler tilbake fra atmosfæren.

Vi kan også modellere atmosfæren som en 2 eller flere lags modell. Hvis vi forutsatte at det var 2 lag av atmosfæren ville overflatetemperaturen på jorda blitt beregnet til 62°C.

Det er drivhusgassene i atmosfæren som absorberer de infrarøde fotonene, så derfor vil mengden CO₂ i atmosfæren avgjøre hvor mange lag atmosfære det blir riktig å bruke ved beregning av jordas overflatetemperatur. På jorda er det nå en absorbering av infrarøde fotoner som tilsvarer 0,65 av et atmosfærelag etter denne modellen.

Konklusjonen blir altså at jo mer drivhusgasser det er i atmosfæren, jo mer av de infrarøde energistrålene blir stoppet i å forsvinne ut i verdensrommet, og jo varmere blir jordoverflaten.

Modellen er testet også på andre planeter

Dette er en forenklet modell. Den tar ikke hensyn til vind og vær, og forutsetter gjennomsnittlige verdier over jordkloden, men det viser seg likevel at den representerer den grunnleggende fysikken i vårt klimasystem på en god måte.

Denne forenklede klimamodellen er testet mot våre nærliggende planeter Merkur, Mars og Venus. Disse planetene har veldig ulik mengde drivhusgasser, og de ulike temperaturene som er målt stemmer godt med det som er beregnet med denne modellen.

Ordforklaringer:

• Albedo er hvitheten til en overflate og fortelle hvor mye denne overflaten reflekterer av innkommende lys. Havet er mørkt og reflekterer lite og har en albedo nærmere 0. Is reflekterer mye, og har en albedo nærmere 1. I gjennomsnitt har jorda en albedo på 0,3.
• Solkonstanten er mengden solstråling som treffer jorda i gjennomsnitt. Den er 1360 W/m^2..

Kilde

Over er en kortversjon i dagligspråk av kapittel 4 i universitetslæreboka: INTRODUCTION TO MODERN CLIMATE CHANGE / Andrew Dessler, Texas A&M University, (second Edition 2016) Innlegget er skrevet etter en avtale med Andrew.  Forelesning

Britas egne kommentarer

Det er drivhuseffekten som er beskrevet her som gjør at klima på vår elskede planet passer så godt til oss mennesker. Det hadde blitt alt for kaldt for oss om vi ikke hadde hatt drivhuseffekten.

Klima på jorda har vært veldig stabilt i forhold til tidligere perioder i de siste 10 tusen årene. Det er i denne perioden menneskeheten slik vi kjenner den har utviklet seg. Før dette var vi jegere og fangstfolk. I de siste 100 årene, og mer og mer jo nærmere vi kommer vår tid har vi jobbet for effektivisering og optimalisering med et snevert økonomisk fokus uten hensyn til planetens tålegrense. Gevinstene har gått til mindretallet av de aller rikeste.

Jeg vil at vi skal skifte fokus over til hvor fint det blir å fortsette å bo på jorda i framtida om vi tenker nytt og samarbeider til det beste for oss alle sammen. Vi kan bruke denne truende krisen til å finne nye og enda mye bedre og bærekraftige løsninger for oss alle sammen.

La meg høre fra deg, kom med de gode ideene om hvordan vi vil ha det i framtida. Kan vi tenke det ut, kan vi også få det til.

Skriv navn og epost hvis du vil høre fra meg når jeg skriver neste innlegg.