Jordas overflate er varmere enn den ville vært uten atmosfæren, fordi den mottar energi fra to kilder; fra sola og fra atmosfæren.

I dag er den årlige middeltemperaturen på jorda ca 15 varmegrader. Uten drivhusgassene ville det vært mye, mye kaldere. Jorda ville hatt en middeltemperatur på rundt 18 minusgrader, som på månen, hvor det ikke er noen atmosfære som kan holde på varmen fra solstrålene.

Utveksling av energi

Temperaturen på jordoverflaten avgjøres nemlig ikke bare av mengden innkommende sollys, men også av utvekslingen av energi via fordamping, andre fysiske og kjemiske reaksjoner, og varmestråling mellom atmosfæren og jordoverflaten. Denne artikkelen skal forklare hvordan, men først skal den klargjøre noen begreper.

Mange klimaforskere mener vi har et problem med drivhuseffekten; at den øker som følge av menneskenes utslipp av drivhusgasser.

Dette problemet er også grunnen til at mange snakker om drivhuseffekten som om den skulle være noe farlig i seg selv; som synonymt med menneskeskapt global oppvarming. Det stemmer ikke. Tvert imot er livet på jorda som nevnt helt avhengig av drivhuseffekten.

Oppvarming og nedkjøling

Global oppvarming er heller ikke noe nytt fenomen på jorda. Jordkloden har blitt varmet opp og kjølt ned mange ganger i løpet av dens levetid; vi har hatt istider, og vi har hatt perioder som er varmere enn nå. Global oppvarming er dermed ikke per definisjon noe entydig negativt som menneskene har skylda for.

Ofte bruker forskere begrepet global oppvarming som et annet ord for økt drivhuseffekt på grunn av klimagassutslipp, men det er verdt å huske på at det også er mange andre faktorer som kan påvirke klimaet på jorda:

Drivhusgassene kan øke av andre grunner enn menneskenes utslipp, men også andre mekanismer kan gjøre seg gjeldende. Årsaker kan for eksempel være endringer i solaktiviteten eller forandringer av landskapet og vegetasjonen på jorda. Hvor mye solstråling som kommer inn, og hvor mye som reflekteres, spiller naturlig nok en viktig rolle.

Det kan til tider virke som noen av disse teoriene står steilt mot hverandre, men egentlig burde de utfylle hverandre.

Usikkerhet

En mulig økning av drivhuseffekten - menneskeskapt eller ikke, vil åpenbart kunne forandre klimaet. De fleste forskere tror det kan bli som en jordklode med for mye klær - den blir varmere. For det meste fokuseres det på de mulige negative konsekvensene av en slik oppvarming, for eksempel mindre havis i Arktis, men mer positive virkninger er på ingen måte utelukket.

En annen ting som kan være greit å ha i mente, er at forskerne er langt fra å være sikre på (eller enige om) nøyaktig hva som vil bli konsekvensene av en økt drivhuseffekt.

For eksempel finnes det mange forskjellige oppfatninger av hvor mye temperaturen på jordoverflaten vil øke, og hvordan dette igjen vil påvirke livet på jorda. Noen forskere mener at det ikke en gang er sikkert at temperaturen kommer til å gå opp.

Tidlig kjent effekt

Før vi tar fatt i selve forklaringen av drivhuseffekten, kan det passe med litt historikk: Allerede i 1827 kunne den franske matematikeren Jean Babtiste Fourier fortelle at visse gasser i atmosfæren holdt tilbake varme, og han mente dette kunne sammenlignes med virkningen av et drivhustak.

En del år senere hevdet engelskmannen Tyndall at forandringer i mengden karbondioksid og vanndamp i atmosfæren kunne gi klimaendringer. Den første som prøvde å regne på dette - i 1896 - var en svensk kjemiker som het Svante Arrhenius.

Arrhenius lurte på hva det ville bety hvis atmosfærens innhold av CO2 økte til det dobbelte. Han satte opp en enkel modell som viste at jordas middeltemperatur kunne øke med mellom fem og seks grader, noe forskerne har modifisert i senere tid.

Klimamodellene kommer

Rundt 1940 påpekte forskerne Callender og Flohn at innholdet av CO2 i atmosfæren kanskje økte fordi menneskene brukte mer fossilt brensel. Det ble også satt fokus på at en reduksjon av vegetasjonen kunne bidra til å øke innholdet av CO2 i atmosfæren.

Det ble et behov for å undersøke mulighetene for og konsekvensene av en økt drivhuseffekt. Modellen fra Arrhenius var ikke god nok, og dermed begynte utviklingen av de store klimamodellene. De prøver blant annet å si noe om hvordan jordas klima vil utvikle seg, men det er en komplisert affære, for drivhuseffekten er et sammensatt system.

Glasset i et drivhus

Dermed er vi tilbake til mekanismene i drivhuseffekten: Effekten har som du skjønner fått navnet sitt fordi virkningen av noen av gassene i atmosfæren har blitt forklart ved å bruke glasset i et drivhus som metafor. Gassene kalles naturlig nok drivhusgasser, og de kommer artikkelen tilbake til litt seinere.

Først konsentrerer vi oss om selve drivhusmetaforen: Glasset i drivhuset slipper solstrålene inn, slik at de varmer opp luft og jord innenfor. Glasset bidrar så til å gjøre drivhuset varmere enn omgivelsene på to måter: Avkjølingen hemmes av rutene, dels ved å hindre den oppvarmede lufta i å blande seg med den kaldere lufta utenfor, dels ved å hindre varmestrålene i å trenge ut.

Det er kun den sistnevnte effekten som har en parallell i den atmosfæriske drivhuseffekten. Dermed kan vi kanskje si at drivhuseffekten ikke er et helt presist bilde på det som skjer. Det er nemlig ikke noe over atmosfæren som hindrer kontakt mellom det oppvarmede luftlaget rundt jorda og det iskalde verdensrommet utenfor.

Energien fanges ikke

Når noen skal forklare drivhuseffekten sier de kanskje at drivhusgassene “fanger” energien fra sola, og hindrer at den slipper ut i verdensrommet. Dette er heller ikke helt riktig. Dersom det stemte at energien fra sola ble fanget på jorda, ville kloden bli stadig varmere og varmere, helt til det ikke var mulig å leve her.

Jorda stråler tvert imot ut like mye energi som den får inn fra sola, og dette er et viktig poeng: Vi har en varmebalanse. Mesteparten av energien har imidlertid en annen form når den stråles ut igjen i verdensrommet, enn den hadde da den kom inn.

Når jordoverflaten blir varmet opp av sollyset, vil den nemlig sende det meste av energien ut igjen mot verdensrommet som varmestråling. Størstedelen av denne strålingen absorberes imidlertid på nytt av skyer, partikler og visse gasser i atmosfæren på veien ut, og fører til en oppvarming av atmosfæren, som igjen fører til en videre oppvarming av jordoverflaten.

En forsinkelse

Det er denne mekanismen som har gjort at vi har en drivhuseffekt. Vi kan se på det hele som en slags forsinkelse: På et tidlig tidspunkt i jordas historie har det samlet seg opp et aggregat av energi i atmosfæren. Det virker som et magasin som holder en del av energien litt igjen.

Solstrålingen er elektromagnetisk stråling med mange forskjellige bølgelengder, men konsentrert rundt 500 nanometer (synlig lys er 400-760 nanometer, men det meste av strålingen fra sola kan vi ikke se).

Over 20 prosent av solstrålingen blir reflektert tilbake verdensrommet med en gang, av skyer eller små partikler i atmosfæren. Litt mindre enn 20 prosent av strålingen absorberes før den treffer jordas overflate; av skyer, gasser - ozon absorberer heldigvis ultrafiolett lys på vei inn, og partikler i atmosfæren.

Halvparten absorberes av jordoverflaten

Rundt 60 prosent av solenergien kommer seg altså gjennom jordas atmosfære og treffer jordas overflate. Mindre enn ti prosent av dette reflekteres så direkte fra overflaten - fra selve bakken, eller til og med fra brenningene på havet, og ut mot verdensrommet igjen - i samme form.

Forskjellige deler av jordas overflate har forskjellig evne til å absorbere sollyset, og sender ut forskjellige mengder med varmestråling. Lyse og reflekterende overflater som skyer, is eller ørken sender ikke ut like mye varmestråling som mørke og absorberende områder, men de reflekterer mer av solstrålingen direkte.

Tenk deg en svart platting i solsteiken. Du holder hånda over den, og kjenner at varmen stråler ut. Prøv å gå på den, og du brenner deg kanskje. En hvit platting vil virke kjølig i forhold.

Rundt halvparten av solstrålingen absorberes av jordoverflaten totalt sett. Denne energien går inn i flere prosesser, inkludert oppvarmingen av overflaten, smelting av is og snø, fordamping av vann og plantenes fotosyntese. Grovt regnet ser vi at 30 prosent av sollyset reflekteres rett ut i verdensrommet igjen, mens 70 prosent absorberes av land, luft og hav.

Energi kan ikke forsvinne

Absorberingen varmer opp jordoverflaten, havene og atmosfæren. Oppvarmingen gjør at jorda og atmosfæren sender ut strålingen i en annen form enn den hadde da den kom inn; nemlig som varmestråling.

Dette er infrarød elektromagnetisk stråling med mye lavere bølgelengder en solstrålingen; sentrert rundt 20 mikrometer. Denne typen stråling er ikke synlig for våre øyne, men vi kan kjenne den med hendene - for eksempel om vi holder dem over et bål eller en nylig avslått bilmotor.

Best på å absorbere varmestråling

Årsaken til at jorda ikke er -18 grader celsius, men over 30 grader varmere, er atmosfærens evne til å absorbere varmestråling mye bedre enn den absorberer solstråling. Over 90 prosent av varmestrålingen fra jordoverflaten absorberes i atmosfæren.

Når atmosfæremolekylene absorberer varmestrålingen fra jordoverflaten begynner de å stråle langbølgeenergi i alle retninger, blant annet ned igjen på jordoverflaten. Syklusen fortsetter til det ikke er tilgjengelig noe mer langbølgestråling for absorbering.

Konsekvensen er at jordoverflaten mottar dobbelt så mye strålingsvarme som klimasystemet totalt, og vi får det varmt og godt her nede.

Oppvarming før likevekt

Vi kan forklare hvordan dagens behagelige likevektstilstand har oppstått ved å bruke drivhuset som bilde igjen: Tenk deg at du lufter ut i drivhuset så mye at temperaturen er den samme der inne som i verden utenfor. Så lukker du igjen dørene og vinduene, og drivhuset vil begynne å varme seg opp. I en periode vil drivhuset faktisk stråle ut mindre energi enn det får inn - det er nødvendig for at oppvarmingen skal skje.

Drivhuset fortsetter imidlertid ikke å varme seg opp i det uendelige. På ett eller annet punkt oppnås en likevektstilstand, hvor drivhuset sender ut like mye energi som det tar inn. Denne likevekten kommer ganske fort.

Årsaken er at glasset i drivhuset vil stråle mer og mer effektivt desto varmere det blir. Vi kan si at utstrålingen tar igjen oppvarmingen; og fungerer som en slags termostat.

En annen illustrasjon kan være en ballong med huller i:

Endringer i forutsetningene

En endring i enten innstrålingen fra sola, andelen solstråling som reflekteres tilbake til verdensrommet eller i atmosfærens evne til å absorbere infrarød tilbakestråling fra jordoverflaten, vil forårsake endringer i likevektstemperaturen.

Men selv om forutsetningene forandrer seg, vil klimasystemet nå en ny likevektstilstand rimelig kjapt.

Alle gasser kan absorbere stråling. Det vil si at de tar opp energien i strålingen og bruker den til kjemiske reaksjoner eller til å danne varme. Hvilken bølgelengde av stråling som absorberes mest effektivt, varierer fra gass til gass.

Nå kommer vi til selve drivhusgassene. Hvordan atmosfæren er sammensatt er viktig når man snakker om drivhuseffekten. Det er ikke alle gasser som reflekterer like mye varmestråling. Noen av gassene har mye større evne til dette enn andre, og det er disse gassene som kalles drivhusgassene.

CO2 utgjør 0,04 promille

I volum består atmosfæren av 75 prosent nitrogen og 21 prosent oksygen, som ikke er drivhusgasser. I resten av atmosfæren er det mest av gassen argon, som heller ikke har noen rolle i drivhussammenheng.

I tillegg er det en del vann i atmosfæren. Vanndamp er den viktigste klimagassen. Forskere regner med at vanndamp står for rundt 90 prosent av absorpsjonen av varmestråling. Nest viktigst er karbondioksid (CO2).

Siden førindustriell tid har konsentrasjonen av CO2 i atmosfæren økt fra 280 ppm til 366 ppm. Ppm står for “parts per million”. CO2 utgjør dermed mindre enn 0,04 promille av jordas atmosfære i dag.

Økt med 30 prosent

Metan, lystgass og klorfluorkarboner (KFK-gasser) er også drivhusgasser. Av disse er det kun KFK-gassene som ikke har vært i atmosfæren hele tiden.

Til sammen utgjør klimagassene under én prosent av atmosfæren. De har sine naturlige kretsløp mellom atmosfæren og havet, jordsmonnet eller biosfæren. Råtnende trær slipper for eksempel ut karbondioksid, mens levende trær tar opp karbondioksid gjennom fotosyntese.

Menneskeskapte utslipp bidrar til at konsentrasjonen av drivhusgasser øker.

Partikler som reduserer drivhuseffekten

Noen gasser blir lengre i atmosfæren enn andre. Hvis en gass absorberer varmestråling fra jordoverflaten og samtidig oppholder seg lenge i atmosfæren, sier man gjerne at den har en høy klimafaktor.

CO2 har for eksempel en forholdsvis svak, men langvarig virkning på klimaet, mens metan har en mye kraftigere, men mer kortvarig virkning.

Atmosfæren inneholder imidlertid også partikler som kan påvirke bakketemperaturen og kjøle ned. Et eksempel er sulfatpartikler som ofte har en avkjølende effekt på klimaet ved bakken. Sulfatpartikler kan også påvirke skydannelsen, som igjen kan ha en effekt for klimaet.

Utslipp av svoveldioksid (SO2) omdannes til partikler som reflekterer sollys, og reduserer dermed solinnstrålingen. Det er knyttet stor usikkerhet til hvor stor effekten av disse partiklene er.

Fossilt brennstoff

Våre fabrikker, kraftverk og biler forbrenner kull og bensin, og spytter ut igjen en strøm av karbondioksid. Søppelfyllinger og prompende kveg slipper ut metan, mens nitrogenbaserte gjødselstoffer på åkrene slipper fri store mengder nitrogenoksid til atmosfæren.

Så fort disse karbonbaserte drivhusgassene kommer ut i atmosfæren, blir de der i flere tiår, eller enda mer. FNs klimapanel (IPCC) mener det er overveiende sannsynlig at menneskeskapte utslipp av klimagasser har bidratt vesentlig til klimaendringene de siste 30 til 50 årene.

Klimaet er følsomt

Ifølge IPCC har mengden karbondioksid i atmosfæren økt med 30 prosent, mens metan har økt med 151 prosent. Konsentrasjonen av lystgass har økt med rundt 17 prosent. Samtidig oppsummerer klimapanelet at den globale middeltemperaturen har økt med rundt 0,6 grader celsius over de siste 150 årene.

Menneskenes utslipp utgjør imidlertid bare en liten del av tilførselen av klimagasser til atmosfæren, og virkningen av disse er liten sammenlignet med for eksempel effekten av naturlig forekommende vanndamp.

Grunnen til at mange forskere likevel er bekymret over utslippene, er at klimasystemet er veldig komplisert, og veldig følsomt. Forskerne tror at til og med små endringer kan utløse store konsekvenser. Klimaet er nemlig et såkalt kaotisk system.

Tverrfaglig

At små endringer kan få store konsekvenser kan samtidig være et troverdighetsproblem for klimaforskerne når de prøver å spå om fremtidens klima ved hjelp av klimamodeller og store datamaskiner: Bare en liten feil i modellene, eller i dataene som blir lagt inn, kan føre til at resultatene som kommer ut blir veldig gale.

Hvis du har kommet deg gjennom artikkelen så lang, skjønner du kanskje at drivhuseffekten er en sammensatt mekanisme. På samme måte er klimaforskning en sammensatt og utpreget tverrfaglig vitenskap, hvor det fremdeles rår usikkerhet om viktige sider ved de komplekse mekanismene som fører til at klimaet endrer seg.

Klimamodellene er fortsatt usikre, og vi trenger mer kunnskap om den naturlige variasjonen i klimaet på jorda. De viktigste naturlige variasjonsfaktorene er astronomiske effekter (for eksempel sol og kosmisk stråling), større vulkanutbrudd og landskapsendringer.

Energibehovet øker

En ting vet vi likevel sikkert: Det blir stadig flere mennesker på jorda, samtidig som kravene til velstand og materiell levestandard øker. En av konsekvensene er at menneskene forbrenner stadig mer energi.

I dag dekkes rundt 80 prosent av verdens energiforbruk av fossilt brensel - kull, olje og gass. Dette medfører utslipp av CO2 og andre gasser til atmosfæren. FNs klimapanel (IPCC) mener at dersom utslippene av CO2 fortsetter som nå, vil konsentrasjonen av denne klimagassen dobles rundt 2050. Dersom CO2-nivået dobles, ser klimapanelet for seg en stor temperaturøkning.

De fleste utslipps-scenariene fra FNs klimapanel spår fortsatt vekst i CO2-utslippene utover i det 21. århundre. Dette vil igjen gi fortsatt vekst i konsentrasjonen av drivhusgasser i atmosfæren. Klimapanelet beregner at dette vil føre til en økning i den globale middeltemperaturen på så mye som mellom 1,4 og 5,8 grader innen 2100, og en økning i havnivået på mellom 10 og 90 cm.