Det er ulike oppfatninger om hvordan verden henger sammen. Uenighet har alltid hatt en helt sentral plass i vitenskapen. Den er fundamental for fremdriften av vår forståelse av verden. Uten diskusjon og meningsutvekslinger vil vitenskapen ikke kunne utvikle seg.

Dette innlegget under er for spesielt interesserte og det fremgår av innholdet at en hevder, i motsetning til den rådende oppfatningen, kan CO2 (kulldioksid) ha en nedkjølende virkning på temperaturen. Jeg skal ikke ta stilling til innholdet, til det mangler jeg for mye sakkunnskap på dette særegne feltet, men jeg synes det er på sin plass å presentere dette for de som er særlig interesserte i dette tema.

Knut Lindtnr

Hvorfor CO₂ kjøler jordoverflaten

Dagfinn Koppelow-Karlsen og Jan-Erik Solheim

Oversettelse og bearbeidelse av artikkel av 

Dr. Gerhard Stehlik, Hanau, Prof. Dr.-Ing. Vollrath Hopp, Dreieich, styreleder for miljøet i VDI-distriktet Frankfurt-Darmstadt Dr. Edmund Wagner, GIANT, Wiesbaden

Den beste presentasjonen av energistrømmene gjennom jordas atmosfære vi kunne finne, kommer fra NASA (fig. 1). En lignende fremstilling er også presentert av det mellomstatlige panelet for klimaendringer (IPCC).  Det er ikke vesentlige kvalitative forskjeller mellom NASA og IPCCC.  Men det er noen forskjellige numeriske verdier. Disse finessene er irrelevante.

Figur 1. Jordas energibudsjett. (NASA)

Figuren fra NASA viser solinnstråling til jorda i gult (100 %) samt hvordan denne strålingen fordeler seg. 30 % reflekteres direkte fra atmosfære og jordoverflaten, 19 % blir absorbert av atmosfæren og senere strålt ut. Hoveddelen på   51 % varmer jordoverflaten.

Oppvarmingen av jorda fra sola er elementært og ubestridt, det samme er plasseringen av solstrålingen i det elektromagnetiske spekteret (fig. 2). Det er ubestridt at jorda ikke kan varmes opp av seg selv. Det betyr at det ikke er noe kjemisk stoff på denne planeten, ikke engang CO₂-gassmolekyler, som av seg selv kan varme opp kloden. Hvis CO₂-molekyler skal varmes opp, må energi tilføres.

Figur 2. Solspektrum – bølgelengde I nm og frekvens I Hertz

I det følgende skal vi se nøyere på hvordan Jorda holder en stabil temperatur ved å sende like mye energi ut til verdensrommet som den har mottatt fra sola. Tap av energi til verdensrommet er vist med rødt i figur 1. Tre prosesser med energitap fører til temperaturfallet på jordoverflaten: 

-Det første prosessen er luftbevegelse (termik), hvorav 7 % av energien avgis. 

– Det andre og viktigste er det energitap (avkjøling) som skjer gjennom fordampning av vann. Det utgjør i størrelsesorden 23 %.

– Det tredje er energitapet fra jordoverflaten til verdensrommet med 21 %, fordelt på to prosesser: Direkte mot verdensrommet (6%) og via atmosfæren (15%).

– Det er ingen energistrøm fra atmosfæren ned til jordoverflaten. En «drivhuseffekt» på + 33 °C vil kreve en slik energistrøm. 

NASA-figuren viser to okerfargede energistrømmer, som er strålingsenergi til atmosfæren. Kortbølgeenergien fra sola er vist som en lang horisontal pil mot høyre (Pos 1). Den har en andel på 16 % av energien fra sola. Langbølget termisk utstråling fra jordoverflaten (Pos 2) er vist som en først rød, senere okerfarget pil som etter hvert bøyer mot venstre og representerer en andel på 15 %. Denne varmeutstrålingen fra jordoverflaten er vist med rød pil nederst til høyre (punkt 3). Energistrømmen er på 21 % og deler seg i de to atmosfæriske energistrømmer på 15 % (okerfarget) som absorberes i atmosfæren og 6 % (rød) som passerer gjennom.

Energistrømmen på 15 % (Pos 2) er «sakens kjernespørsmål»: kjøler eller varmer den CO₂? Om den termiske energien fra jordoverflaten stråler ut mot verdensrommet og ikke omvendt, blir jordoverflaten avkjølt. Varmestrålingen finner sted og utgjør et energitap fra jordoverflaten til atmosfæren på 15 %, og 6% direkte ut i rommet.

For denne varmetransporten fra jordoverflata i retning atmosfæren gjelder setningen om bevaring av energi (Stefan Boltzmann). Fra termodynamikkens  2. hovedsetning følger at varmeenergien ikke kan overføres fullstendig til nyttbar energi uten at det oppstår tap. Videre gjelder det at ståling kun kan overføres til varme ved medvirkning av stoff. Hvis et stoff avgir energi til et annet med lavere temperatur, blir energimengden totalt bevart. Når et stoff avgir energi til et annet, avkjøles det ene ved energitapet, det andre varmes opp, inntil fullstendig temperaturbalanse. Da har begge den samme temperatur.

Energistrømmene vist av NASA i fig. 1 er globale middelverdier over et helt år. De er grunnleggende forskjellige fra energistrømmene som måles på et bestemt tidspunkt på et bestemt geografisk sted. De temperaturmessige- og geografiske forskjeller er enorme, det er svært mange påvirkningsfaktorer som tidspunkt, årstid, skydekke, temperatur, luftfuktighet og spesielt vanninnholdet på jordoverflaten.

To eksempler illustrerer dette. Tabellen ovenfor viser de årlige gjennomsnitts-verdiene av energistrømmer målt i Potsdam i 1903. Figur 3 viser temperaturen i løpet av dagen på forskjellige steder i Berlin sommeren, 1991. Vi ser at temperaturen i bysentrum (1) holder seg over 30 grader i 10 timer mens det i et skogsområde i utkanten er over 30 i kun 5 timer. Enda større forskjell er det om natten med nesten 5 grader lavere minimums-temperatur i skogsområdet (6).

Et stoff kan bare varmes opp med termisk stråling hvis kilden har høyere temperatur enn mottaker og strålingsenergien blir absorbert, ikke bare “sluppet“ gjennom. Hovedkomponentene i atmosfæren; nitrogen (N₂), oksygen (O₂) og argon (Ar) er infrarøde inaktive monatomiske og diatomiske gasser som tillater nesten all solstråling å slippe gjennom og også varmestrålingen fra jordoverflaten. Det blir derfor verken oppvarming fra ytre varmestråling, eller energitap. De absorberer ikke, de avgir ikke energi i området 300 – 17000 nm. Hvis det er energistrømmer inn i og ut fra disse gassene, ville det bety at energi absorberes og emitteres fra gassmolekylene. Vi ville da observere et linjespektrum, hvilket vi ikke gjør. 

UV-strålingen fra sola med en andel på 16 % av solstrålingen omdannes gjennom to ozonprosesser til indre energi ved å danne ozon fra oksygenets absorpsjon av UV-stråling og nedbrytning av ozonet tilbake til oksygen igjen. Derved frigjøres indre energi. 

Energien som frigjøres gir økt temperatur og er målbar i «Ozonlaget».  

            To-atomisk oksygen         O_{2       —}     O₃     tre-atomisk oksygen (Ozon)

                med energi fra UV-stråling fås  + 3 O_{2    –––––>}  2 O₃   ozonet absorberer UV-stråling

    energien frigjøres når O₃ går i oppløsning, + 3 O₂  <––   2 O₃

Som før ozonprosessen forblir O₂-molekyletet uendret og O₃-molekylet eksisterer ikke lenger. Den samlede ozonprosessen er derfor ikke noe annet enn en konvertering av solas UV-strålingsenergi til termisk energi i øvre område av atmosfæren . Ozonprosessen samsvarer ikke med Plancks strålingslov.

Stråling gjennom atmosfæren (Pos 2) er avgjørende for vårt tema. Hvordan CO₂-gassmolekylet bidrar er viktig og krever en nærmere undersøkelse. 

Tidligere i artikkelen ble det slått fast at jorda, og dermed alle kjemiske stoffer på jorda, ikke kan varmes opp av seg selv, dvs. uten ytre påvirkning. Derimot må nesten alle stoffer som en følge av Newtons avkjølingslov, miste energiinnhold ved utstråling til verdensrommet, d.v.s. kjøles ned.

De få kjemiske stoffene i atmosfæren som oppfører seg annerledes er viktige for CO₂-diskusjonen. De frie, sfærisk symmetriske og fullstendig ikke-polare atomer, som edelgassen argon og de to symmetriske gassmolekylene nitrogen (N₂) og oksygen (O₂), utgjør hovedkomponentene i jordas atmosfære. Disse har ikke et elektrisk dipolmoment. Uten dipolmoment kan bevegelser av molekylære deler ikke emittere eller absorbere elektromagnetisk stråling. Denne eksepsjonelle situasjonen påvirker jordas atmosfære på grunn av den meget høye molekylære symmetrien til hovedkomponentene N₂ og O₂ og den resulterende IR-inaktiviteten.

Avkjølingen av atmosfæren om natten viser at den, selv om den ikke inneholder «stoff», i betydningen Newtons avkjølingslov, emitterer strålingsenergi til universet, men på en annen måte enn fra  jordoverflaten 

Figur 4. Vibrasjonsmønster for atmosfæremolekyler med to eller tre atomer.

Vann og kulldioksid C=O=C

Figur 5.

Newtons avkjølinglov gjelder også for de asymmetriske treatomige gassmolekylene

som har et elektrisk dipolmoment i sine kjemiske bindinger, og derfor er IR-aktive (se fig. 4). Av det totale innhold av gasser i jordas atmosfære utgjør H₂O-molekyler i middel ca. 2 % (ca. 0 til 4 %) og CO₂-molekyler 0,04 % (tilsvarende 400 ppm). Jordoverflaten oppfører seg omtrent som en svart strålende overflate, mens H₂O og CO₂ er aktive i sine respektive spektralbånd. Alle de tre elementene (Jordas overflate, H₂O og CO₂) stråler varmeenergi til rommet. Avkjølingen på grunn av stråling fra H₂O og CO₂ utgjør en ganske liten andel av den totale utstrålingen ved bakken. Den er på bare 2 %. Siden de meteorologiske temperaturmålingene utføres i en høyde på 2 m over overflaten er dette vanskelig å måle presist. Som vi ser av figur 1 utgjør energitransporten ved konveksjon og latent varme hele 30% av energistrømmen.

Situasjonen i energibalansen gjennom hele den atmosfæriske søyla til ca. 75 km høyde opp til mesosfæren er noe annet. (s.Fig.5). Tydeligvis holder det med toprosents-blandingen av H₂O og CO₂ for å avkjøle hele den atmosfæriske søyla så godt at energiinnholdet oppover blir suksessivt mindre. Mens atmosfæren avkjøles i hele sitt volum opp til ca. 75 km høyde, avkjøles jordoverflata i et lag med bare noen få centimeters tykkelse, trass i varmetapet til verdensrommet. Dette forklarer den store forskjellen i tapspotensial av energi (avkjølingspotensial) mellom atmosfæren (64%) og jordoverflaten (6%).Avkjølingspotensialet i atmosfæren, det å kunne avgi energi gjennom varmestråling, er enormt. Utstrålingen transporterer energi fra jordoverflata til universet i tillegg til energi fra UV-ozonprosessen som overfører 16 % av solinnstrålingen og 3 % som absorberes i skyene. Alt stråles ut. 

 Det er ingen strøm av energi fra atmosfæren til  jordoverflata. Energitransporten går alltid utover til verdensrommet som alltid har lavere temperatur enn atmosfæren, som igjen har lavere temperatur enn jordoverflaten. Derfor er det nødvendig å studere nøye diagrammet over energistrømmer fra   NASA for å forstå hver enkel energistrøm.

Prosentoppgavene i NASA-diagrammet refererer til den fullstendige solstrålingen som når jorda. Den er angitt med 100%. Her er den avkjølende virkningen fra sporgassene H₂O og CO₂, ifølge Newtons avkjølingslov, vist med rød pil (Pos 3) under til høyre. Denne energistrålingen deler seg i to i atmosfæren. En går (rød) med 6% videre ut til verdensrommet, den andre (oker) bøyer av med 15% (Pos 2) inn i atmosfæren

Den (oker-)gule pila viser utstrålingen fra jordoverflata gjennom sporgassene H₂O og CO₂. Strålingsstrømmen er oppgitt til 15%. Den viser strålingens avkjølende effekt av jordoverflata. Denne målbare – avkjølende utstrålingen er motsatsen til klimaforskernes postulerte drivhuseffekt, med en oppvarming på +33 °C. Regnemåten for å beregne denne temperaturstigingen på +33 °C er fysikalsk meningsløs.

Viktigst for hele jordas energibalanse er likevel atmosfærens varmestråling (Pos 4) , vist med tykk rød pil, som videresender all energi fra atmosfæren direkte til universet. Denne veldige, kjølende energistrålingen er oppgitt til 64 % av solinnstrålingen. Dette er ingen “varierende strøm” et sted i atmosfæren, men en strøm som holder seg stabil over 75 km høyde. 

Dermed avtar temperaturen mot høyden raskere enn de kjente ÷ 0,6 til ÷ 1 °C per 100 høydemeter som svarer til gravitasjonspåvirkningen av tetthet og temperatur (hydrostatisk likevekt). 

Denne veldige energistråling fra atmosfæren ut i universet, som med 64% er større enn energistrømmen fra sola til jordoverflata med 51 %, gjør CO₂ til jordas viktigste kjølemedium, selv om den bare finns som sporgass på 400 ppm i atmosfæren. Innholdet av vanndamp ved toppen av troposfæren på 12 km høyde avtar nemlig til ca. 10 ppm, som følge av at vanndampen der oppe blir kondensert til is. Fra 12 til 75 km høyde er CO₂ så godt som den eneste gassen for utstråling og avkjøling. 

CO₂ er, ifølge energistrømmene på jordoverflata, det viktigste avkjølingsmiddelet på kloden pga. den særlige intensive IR-aktiviteten til dette molekylet. (Fig. 4)

 At nettopp CO₂ skal ha en oppvarmende virkning, kalt drivhuseffekt, er en av de største feilslutningene i vitenskapen. 

Atmosfæretrykket har stor innflytelse på absorpsjonsspekteret til gassene (på grunn av trykkendringer). Dette er et stort problem ved beregning av IR-stråling gjennom atmosfæren når trykk, temperatur og gassmengde varierer.

Figur 6: Transmisjonsspektrum for 1 m veilengde med typisk CO₂ konsentrasjon ved jordoverflaten (p=1000mb) og høyt oppe i atmosfæren (P=100 mb).

 Vi ser at ved bakken er 98% absorbert på en meter ved den sentrale bølgelengden.

Diagrammene viser strålingstap over en meter. Hva som skjer gjennom hele atmosfæren kan vi få et inntrykk av ved å se på figur 6 som viser stråling fra sola i den delen av spekteret hvor CO₂ og H₂O absorberer omtrent all stråling. 

Figur 6. Solspekteret observert ved McMath-Pierce Solar Observatory i mars 1988. Vi ser fullstendig absorbsjon i CO₂ båndet 625-710 cm^-1, og delvis absorbsjon i H₂O bånd ved siden av. Dette var en dag med tørr luft.

Forsidebilde: Jorge Guillen