En ny og gammel definisjon på drivhuseffekten

Det er en del misoppfatninger om hvordan ting henger sammen, delvis på grunn av at jordens atmosfære er så kompleks at man ikke ser skogen for bare trær. Noen av disse misforståelsene kan kanskje forklare hvorfor enkelte folk ikke tror at klimautslippene skaper økt drivhuseffekt.

Klimamodellene tar tak i alle detaljene, men de er så sammensatte at man ikke lenger tenker så mye over det overordnede bildet og hvordan tingene henger sammen.

Det har vært vanlig å støtte seg til ideelle teorier fra lærebøkene eller veldig forenklede populærvitenskapelige bilder. De legger vekt på hvordan drivhusgassene bremser varmestråling, men de beskriver ikke egentlig alt som skjer i virkeligheten.

Skal man forsøke å forstå klimaendringer og den økte drivhuseffekten, er den vanlige populære fremstillingen om drivhuseffekten som et varmeteppe egentlig utilstrekkelig.

Jeg oppdaget at det er vanskelig å finne moderne vitenskapelige publikasjoner som gir en lettfattelig og likevel mer realistisk bilde av drivhuseffekten. Jeg måtte helt tilbake til 1931, og fant en artikkel skrevet av den amerikanske fysikeren Edward Olson Hulburt (1890-1982).

I den beskrivelsen han gir, er det flere ting som betyr noe for drivhuseffekten enn bare varmestråling – omveltning av luft i atmosfæren (konveksjon) er også viktig.

Etterhvert begynte jeg å se på drivhuseffekten på en ny måte, og fant ut at det kan være lurt å definere drivhuseffekten med en ny vri: som høydeforskjellen mellom det stedet jorden mottar energi fra solen og det stedet jorden avgir sin varme til verdensrommet. Denne høydeforskjellen skapes av drivhusgassene.

En økt drivhuseffekt har tre ulike fingeravtrykk: (i) Høyden hvor varmetapet skjer øker, (ii) det blir mer oppstigning av luft, og (iii) jordens varmetap blir mer diffus. Årsaken er at luften blir mindre gjennomsiktig for varmestråling, og energistrømmen fra bakken til øvre deler av atmosfæren må kompensere for redusert stråling med mer oppstigning.

Holder Hulberts beskrivelse i dag?

Men har Hulburts beskrivelse av drivhuseffekten fra 1931 tålt tidens tann? Jeg sjekket hans ideer mot moderne observasjoner fra satellitter og atmosfæremodeller, som ikke fantes da han publiserte sitt arbeide. Inspirert av Hulburt, så jeg på nye sider av atmosfæren som ikke er så vanlig, slik som hvordan utstrålingen av jordens varme så ut.

Varmestrålingen fra jorden er blitt mer diffus og mindre lik bakkens temperaturmønster over tid, slik man ville forventet med en forsterket drivhuseffekt. Lufthøyden hvor jordens varmetap til verdensrommet skjer, øker i takt med oppvarmingen. Og de beste dataene vi har av atmosfæren viser mer omveltning i luften. Alle de tre fingeravtrykkene forbundet med en økt drivhuseffekt var dermed synlig i moderne data. De gir et nytt perspektiv på klimaendringene basert på gammel kunnskap.

Beskrivelsen til Hulburt gir også forklaringer på ting som har skapt en del forvirring i klimadebatten: om den globale oppvarmingen skal ha tatt en «pause» eller om atmosfæren blir «mettet» med drivhusgasser.

Hulburt kan forklare dette på en enkel måte, og samtidig vise at drivhuseffekten og vannets kretsløp henger sammen som to siamesiske tvillinger. Da blir det lettere å forstå hvorfor klimaendringene også medfører endring i nedbørsmønsteret. Klimaendringer handler ikke bare om temperatur, og endring i vannets kretsløp er kanskje en viktigere side.

Fysikken i drivhuseffekten

Ved hjelp av fysikkens lover, kan vi gjøre som en detektiv i en kriminaletterforskning og peile oss inn på sann forklaring for et fenomen, gjerne ved å eliminere uriktige forklaringer.

En veldig forenklet beskrivelse av drivhuseffekten er at den oppstår når det er en vertikal avstand mellom det steder hvor jorden får sin energi fra solen og der jordens varmetap til verdensrommet skjer. Denne avstanden skapes av drivhusgassene fordi de slipper gjennom synlig lys som treffer bakken, men stopper varmestråling som bakken avgir (infrarødt lys). I gjennomsnitt skjer jordens varmetap i 6.5 km høyde over bakken, og den bestemmes av temperaturen i samme høyde.

Bevis 1: Verdensrommet består av et tomrom hvor energistrømmer kun kan skje i form av lys. Lys er ren energi, og energien kan ikke bare oppstå eller forsvinne. Den flyter gjennom universet på samme måte som vann renner i bekker elver.

Vi kan lett regne ut hvor mye energi som kommer inn, og den tilsvarer den mengden energi som går ut. Den er gitt av solens utstråling, planetens avstand til solen, og hvor mye av lyset jordens overflate reflekterer uten at energien blir fanget opp (hvite overflater). Planetene har tilpasset seg over tid, slik at disse størrelsene balanserer hverandre og deres temperatur er noenlunde stabil.

Bevis 2: Varmetapet styres av temperaturen ved ca 6.5 km over bakken, og må være -19°C for å tilsvare energien som vi får fra solen. Dette vet vi fra klassisk fysikk, som har sin opphav fra 1800-tallet, og som forklarer hvorfor jern blir rødglødende når det blir varmt nok.

Tenk deg et romvesen, som har øyne som bare kan se varmestråling og som svever i verdensrommet i bane rundt jorden. Det ville ikke sett jorden slik vi ser den. Det er fordi drivhusgassene bremser varmestrålingen, litt på samme måte som vannet bremser lyset hvis du forsøker å se bunnen av havet. Derfor ville ikke romvesenet kunne se jordens landformer, men bare et langt mer diffust bilde.

Drivhusgassene bestemmer hvor høyt oppstigningen må gå før varmen kan forsvinne ut til verdensrommet. Den må være nærme toppen av atmosfæren slik at det ikke er mer drivhusgasser igjen ovenfor som kan stoppe varmestrålingen. Selv om det ikke finnes romvesener som ser ned på oss, har vi satellitter som kan måle varmetapet og vise oss hva et slikt romvesen ville ha sett (se grafikk).

Bevis 3: Vi vet også at temperaturen i atmosfæren synker med høyden med ca 5°C/km på grunn av at bakken varmes opp og fordi naturlovene (den ideelle gassloven) sier at temperaturen avhenger av lufttrykket og luftens tetthet. Det finnes en regel om at temperaturens høydeprofil (såkalt lapse rate), altså måten den synker når vi beveger oss oppover, er stabil for hele kloden. Denne profilen er styrt av atmosfærens kjemiske sammensetning og tyngdekraften. Denne regelen brukes hver dag av meteorologene i værvarslingen og forklarer hvorfor det er kaldere i høyfjellet.

Bevis 4: Varm luft stiger opp og kald luft synker når luften ikke stemmer med høydeprofilen, og det er noe som skjer hver dag. Da skapes skyer og nedbør, men dette er også med å frakte varme fra bakken og opp til høyere luftlag hvor den kan forsvinne ut i verdensrommet i form av varmestråling som det fiktive romvesenet kan se.

Bevis 5: Vi kan regne ut hvordan drivhuseffekten styrer den globale middeltemperaturen ved bakken fordi vi vet at (i) temperaturens høydeprofil er stabil, (ii) varmeutstrålingen må tilsvare energistrømmen som jorden mottar fra solen men er også bestemt av temperaturen der varmetapet skjer (-19°C), og (iii) drivhusgassene bestemmer i hvilken høyde varmetaper foregår. Temperaturen ved bakken bak beregnes ut i fra den enkle formellen: T = -19°C – (6.5km × -5°C/km) = 14°C. Over tid, har høyden hvor varmetapet skjer økt i takt med oppvarmingen på bakken.

Omveltninger i atmosfæren skaper en energistrøm fra bakken til den øvre delen av atmosfæren. De øvre luftlagene som avgir jordens varme til verdensrommet må få en energitilførsel fra bakken som tilsvarer varmetapet. Energien strømmer som vannet i en elv, og når når drivhusgassene bremser måten energien strømmer i form av varmestråling, må den kompenseres i form av oppstigning (konveksjon).

Les mer om beskrivelser av drivhuseffekten eller finn mer fra Tekna Klima.