Fysik


Klimatfysik

Solen är den källa som förser Jorden med nästan all energi som krävs för den dynamik som äger rum i atmosfären och oceanerna och därmed möjliggör liv på Jorden. När det gäller det observerade klimatet på Jorden, finns det divergerande uppfattningar om solens betydelse. I IPCC:s arbetsgrupp I nedtonar man betydelsen av solen genom att enbart beakta ’total solar irradience, TSI’ och bortse från sekundära effekter. IPCC WG I anger att ’radiative forcing’ på klimatet från solaktivitet under perioden 1750 till 2011 till 0,05 W/m2 vilket de påpekar är försumbart jämfört med variationer i antropogen påverkan på växthusgaser som anges till 2,32 W/m . [Ref. 1] Vi kommer, i denna text, att använda oss av begreppet ’forcing’ för att beskriva i vilken grad olika mekanismer skulle kunna påverka Jordens klimat. På svenska skulle det kunna översättas till kraft, styrka eller drivning. Vi kommer att ange ’forcing’ med dimensionen [W/m2]. det vill säga egentligen effekttäthet och vi kommer att använda benämningen ’drivning’ i fortsättningen. De följande kapitlen är skrivna var för sig och vid olika tillfällen. Innehållet i de olika kapitlen kan därför delvis överlappa och beteckningar är inte helt uniforma. Avsikten är att belysa fysikaliska principer som är relevanta för klimatfrågan, och samla referenser för fördjupning av fysiken. Samma fysikaliska frågeställning kan komma att belysas från vitt skilda utgångspunkter. Ambitionen är att ha korta avsnitt med karaktär av minnesanteckningar, men med referenser för möjlig fördjupning.......

Gravitationseffekten

Alla kroppar avger elektromagnetisk strålning. Strålningens karaktär avgörs av kroppens temperatur. Ju varmare kroppen är desto mer energi strålas ut från kroppen, och även strålningens frekvens och våglängd varierar med temperaturen. Jordens ingående strålningsenergi kommer från solen, och den utstrålade energin beror på Jordens temperatur. Om den instrålade energin är större än den utstrålade kommer Jorden att värmas upp, och analogt, kylas av om den instrålade energin är lägre än den utstrålade. I ett jämviktsläge måste alltså den instrålade och den utstrålade energin att vara i balans.......

Växthuseffekten

Torr atmosfär består av 78 % kväve och 21 % syre. Den återstående procenten består av spårämnen bland andra 0,9 % argon och 0,04 % koldioxid. I fuktig luft finns dessutom en varierande mängd vatten i fast-, flytande- eller gasform. Normalt kan vattenångan utgöra upp till 50 gånger mängden koldioxid. Spårämnena anges ofta i ppm (parts per million) i stället för procent. Mängden koldioxid är således cirka 400 ppm. Både vattenångan och koldioxiden tillsammans med några andra gaser har egenskapen att de kan absorbera delar av den infraröda strålning som jordytan sänder ut. Dessa kallas därför växthusgaser. Den helt dominerande växthusgasen är vattenånga, både med avseende på effektivitet och förekomst. Växthusgasernas förmåga att absorbera energi från den infraröda strålningen är selektiv på samma sätt som ett glas kan komma i resonans och spricka då operasångerskan tar en vis ton, men är helt opåverkad av andra toner. Vilka resonansfrekvenser/våglängder de olika växthusgaserna har framgår av Figur 2. Växthusgasernas molekyler absorberar alltså den uppåtgående infraröda strålningen inom sina respektive resonansband. Därefter återutsänder de energin men nu i alla riktningar, såväl nedåt som uppåt....

Klimatkänsligheten

Man har empiriskt funnit att den temperaturökning som orsakas av ökad koncentration av koldioxid, CO2, är proportionell mot logaritmen för koncentrationsändringen [Pierrehumbert, 2011]. En fördubbling av CO2 från 200 ppm till 400 ppm skulle alltså ge samma temperaturökning som en fördubbling från 400 till 800 ppm. Detta logaritmiska samband var känt redan av Svante Arrhenius i slutet av 1800-talet. Klimatkänsligheten är ett mått på hur jordens globala medeltemperatur påverkas om det sker en förändring i energiflödet genom strålning till och från jorden. Ändringen i energiflödet kan bero på att solen ökar eller minskar sin utstrålning men också på att atmosfärens sammansättning ändras, vilket påverkar den strålning som går ut från jorden. I klimatsammanhang avses oftast temperaturökningen i grader Celsius vid en fördubbling av CO2- koncentrationen. Svante Arrhenius, professor i kemi vid Uppsala Universitet, beräknade redan 1896 en klimatkänslighet på ungefär 5 °C [Arrhenius, 1896]. Efter det att hans professorskollega vid Universitetet, Anders Ångström, några år senare hade gjort spektroskopiska mätningar på CO2 korrigerade sig Arrhenius och beräknade klimatkänsligheten till cirka 1 °C...

Återstrålning

Jorden, betraktad som en fast svartkropp utstrålar i ett kontinuerligt frekvens/våglängds-band inom det infraröda våglängdsområdet. Den utstrålade energin är proportionell till jordytans temperatur i fjärde potens enligt Stefan-Boltzmanns lag. Det bredbandiga kontinuerliga spektrat förklaras av att molekylerna i solida kroppar har en kollektiv karaktäristik genom den nära växelverkan som sker i den fasta kroppen. Atmosfären, i egenskap av en gas, uppvisar däremot strålningsegenskaper som karakteriserar de enskilda ingående molekylernas egenskaper eftersom molekylerna i en gas inte växelverkar på samma sätt som i en fast kropp. Den översta heldragna kurvan i Figur 4 visar svartkroppsstrålningen från en kropp vid temperaturen -1 °C som får representera jordytan i detta resonemang.

Delar av den infraröda utstrålningen absorberas av de få koldioxidmolekyler (och vattenmolekyler) som finns i atmosfären, eftersom de har flera resonansband inom det aktuella....

Kolets kretslopp

medeltemperatur påverkas om det sker en förändring i energiflödet genom strålning till och från jorden. Ändringen i energiflödet kan bero på att solen ökar eller minskar sin utstrålning men också på att atmosfärens sammansättning ändras, vilket påverkar den strålning som går ut från jorden.
I klimatsammanhang avses oftast temperaturökningen i grader Celsius vid en fördubbling av CO2- koncentrationen. Svante Arrhenius, professor i kemi vid Uppsala Universitet, beräknade redan 1896 en klimatkänslighet på ungefär 5 °C [Arrhenius, 1896]. Efter det att hans 
professorskollega vid Universitetet, Anders Ångström, några år senare hade gjort spektroskopiska mätningar på CO2 korrigerade sig Arrhenius och beräknade klimatkänsligheten till cirka 1 °C.....

Historiska koldioxidhalter i atmosfären

Så kallade proxy-data för historiska koldioxidhalter i luften kan bland annat fås genom att analysera luftbubblor infrusna i inlandsisar på Arktis och Antarktis eller klyvöppningar på växter.

Uppehållstid

Uppehållstiden, u, definieras som mängden av ett ämne, x, i en reservoar dividerat med hastigheten, dx/dt, för ämnets utflöde ur reservoaren.

u = x/(−dx/dt)
Om ämnet bortskaffas ur reservoaren med konstant hastighet uttrycker alltså
u den tid det tar att

tömma reservoaren på ämnet, x. Vi är intresserade av att betrakta hur ämnen rör sig mellan kolcykelns reservoarer Hydrosfären, Atmosfären och Biosfären, med både inflöden och utflöden i

reservoarerna med hastighetskonstanterna k12 och k21. Detta beskrivs bättre med.....


Henrys lag och kolinfångning

Henrys lag säger att jämviktstrycket av en gas ovanför en vätskefas är proportionell mot gasens koncentration i vätskan [Ref. 5, p 112-113]. Applicerat på atmosfären ovanför en havsyta kan detta tolkas som att partialtrycket, p, av koldioxid vid jämvikt är proportionell mot havets koldioxidhalt, och därmed mot havets totala halt, y, av karbonatföreningar (koldioxid, kolsyra, bikarbonat- och karbonatjoner). Det innebär att ändringar, ∆p, av koldioxidens partialtryck vid konstant pH och temperatur måste ge upphov till proportionerliga ändringar, ∆y av havets jämviktshalt av karbonatföreningar enligt sambandet

Δp/p = (Δy/y) (Ekv. 1)

I ett arbete från 1957 [Ref. 16] fann Revelle och Suess att antropogen utsläpp inte kan vara den huvudsakliga orsaken till att luftens koldioxidhalt ökar om ovanstående ekvation gäller, men skulle kunna vara det om ökningar av p leder till cirka 10 gånger mindre ökning av y än vad ekvationen.....

Numeriska klimatmodeller

Edward Lorenz (1917, 2008) var kaosteorins fader, men samtidigt forskare inom meteorologi. Han skapade en tidig vädersimularor med tre kopplade ekvationer och förvånades över att, efterhand som simuleringen fortskred i tiden, uppförde sig resultaten på ett oförutsett sätt. Han började då söka belägg för att vädret i verkligheten varierade på samma oförutsägbara sätt, och kunde bekräfta att detta var fallet, varefter han fortsatte studera egenskaperna hos kaotiska system.

Ingen meteorologisk forskare motsäger hans analys att vädret har kaotiska egenskaper.

Edward Lorenz beräknade att det globala vädret hade en Lyapunov-exponent1 motsvarande en informationsbit var fjärde dag. Detta avser ett medelvärde över tid och hela jordens yta. Det finns tider och platser där vädret är mycket mer kaotiskt, vilket alla som bor i England kan intyga. Vad det betyder, är emellertid att om man kan förutsäga morgondagens väder på en grad när, då blir noggrannheten av förutsägelsen för vädret fem dagar senare i medeltal +/- 2 °C, nio dagar senare +/- fyra °C och 13 dagar senare +/- 8 °C, så att efter 9-10 dagar är förutsägelsen i stort sett utan värde. Om man kan förutsäga morgondagens väder med en noggrannhet på +/- 0,1 °C minskas de efterföljande felen i motsvarande grad, men eftersom felen ändå växer exponentiellt, skulle det inte dröja länge innan felen har vuxit så att förutsägelsen åter är meningslös. Det är intressant att notera att väderprognoserna som görs av organisationer som UK Met Office avtar i tillförlitlighet precis på detta sätt. Detta kan tas som intäkt för att en positiv Lyapunov-exponent, och därmed av kaos i vädret, verkligen existerar....

Kosmisk strålning

I en första publikation från 1997 rapporterade Svensmark et al [Ref. 13] en god korrelation mellan solaktivitet (förekomsten av solfläckar) och temperaturen på norra halvklotet. Hypotesen var att det magnetfält som var förbundet med solutbrotten förhindrade den kosmiska strålningen att nå atmosfären. Därmed skulle ett mindre antal kondensationskärnor, aerosoler, för molnformation förekomma under hög solaktivitet. De detaljerade sambanden har studerats under följande årtionden, bland annat vid modellförsök vid CERN. I en senare studie [Ref. 14] har man visat, både teoretiskt och experimentellt, hur växelverkan mellan joner och aerosoler kan accelerera tillväxten av kondensationskärnor. Detta ger den fysikaliska grunden för att tolka en stor mängd empiriskt material i termer av att solaktiviteten spelar en roll i variationen av jordens klimat. Till exempel har man funnit god överensstämmelse med den medeltida värmeperioden omkring år 1000 och med den kalla perioden under lilla istiden 1300 - 1900 och solaktiviteten....

Slutsatser

Vi har genom denna förenklade genomgång av fysiken bakom klimatfrågan kommit fram till att:

• Gravitationseffekt eller Atmosfärseffekt är väl så adekvata benämningar på Växthuseffekten
• Klimatkänsligheten är sannolikt cirka 1°C (jfr IPCC:s intervall 1,5 - 4,5 °C)
• Cirka 1,5 % av koldioxid från fossil förbränning deponeras permanent i atmosfären

• Nuvarande halt av koldioxid av fossilt ursprung är cirka 4,3 ppm
• Uppehållstiden för koldioxiden i atmosfären är cirka 10 år jämfört med IPCC:s 100 år
• Kemiska CO2-mätningar visar på stor variation under förindustriell tid
• Numeriska klimatmodeller är oanvändbara för prognoser på grund av kaotiska egenskaper