Drivhusgasser

Til Niels Bohr Instituttet
Jeg er pensioneret kemiingeniør og har arbejdet med industrielt miljø i omkring 30 år. Jeg har udviklet et foredrag om den globale opvarmning med udgangspunkt i drivhuseffekten og har mit første foredrag på Albertslund bibliotek i slutningen af marts. Det er naturligvis en stor udfordring at holde et 2-timers foredrag om dette spændende emne, og samtidigt gøre dette forståeligt for mennesker uden en særlig videnskablig baggrund.  Jeg vil spørge om, hvad er den grundlæggende mekanisme bag tiltrækningen mellem et drivhusgas, f.eks. et kuldioxid-molekyle og den infrarøde stråling, der udsendes fra jorden? 

Sådan som jeg har forstået det, så foreligger en mindre del af kuldioxid-molekylerne i atmosfæren i en anslået tilstand, dvs. de på grund af bombardementer fra f.eks. komisk stråling vibrerer og danner dipoler. Hvordan sker så tiltrækningen? 

Sker dette mellem den infrarødes strålings ladede fotoner og det anslåede kuldixidmolekyle, når dette foreligger som et anslået dipolelement? 

Og fortsætter den infrarøde stråling igen efter kollisionen, blot i en tilfældig anden retning, eller sker opvarmningen ved at kollisionen får de omkringliggende molekyler til at svinge hurtigere? 

Jeg skal naturligvis ikke gå i så teoretiske detaljer i et almindeligt foredrag, men det hjælper nu på formidlingen, at man forstår, hvad man taler om. Hvis I blot kan henvise til relevante danske eller udenlandske artikler, er det okay. Jeg har haft lidt svært ved at finde det på internettet. På forhånd tusind tak 

Med venlig hilsen
K L 

Atmosfæren indeholder en række såkaldte drivhusgasser. Vi skal være glade for at de findes.

Jordens gennemsnitlige overfladetemperatur er ca. 15 ºC (288 K, det betyder kelvin, og er skalaen startende ved det absolutte 0 punkt), uden drivhusgasser ville den være ca. -19 ºC. De vigtigste drivhusgasser er H2O (vanddamp), CH4 (methan), CO2 (kuldioxid), N2O (dinitrogenoxid, lattergas) og O3 (ozon). Vanddamp kommer fra fordampning, CO2 fra dyrs udånding, rådnende plantedele, afbrænding af olie, kul, træ mm. herunder skovbrænde samt meget fra vulkansk virksomhed, metan og dinitrogenoxid fra forrådnelsesprocesser bl.a. fra vådområder og enorme mængder af metan fra tarmfunktionerne især fra drøvtyggere, Ozon skabes ved strålingsvekselvirkning med atmosfæren.  Desuden giver højtliggende skyer også drivhuseffekt, idet de lader den kortbølgede stråling gå igennem og reflekterer den langbølgede stråling fra jorden. 

Solen sender energi ned imod jorden. Intensiteten udenfor atmosfæren er 1353 W/m2, ca. 26 % reflekteres af skyer (især lavtliggende) og fra atmosfæren, ca. 19 % opvarmer atmosfæren, ca. 4 % reflekteres fra jordoverfladen især fra is, vand og sne og ca. 51 % absorberes i jordoverfladen dvs. ca. 700 W/m2 på en flade vinkelret på solstrålerne, det varierer lidt efter hvor langt solstrålerne skal igennem atmosfæren.  Solens effektive overfladetemperatur ligger omkring 5770 K (ca. 5500 ºC), jordens som tidligere omtalt omkring 288 K (ca.15 ºC). Varme legemer udsender stråling, som følger en lov opstillet af Max Planck i 1901. Fra denne lov kan energifordelingen af strålingen findes under visse forudsætninger. En vigtig konsekvens er i hvilke bølgelængder, der kommer mest stråling, denne lov kaldes Wiens forskydningslov, og den siger at  λ× T = 2898 (mikrometer x kelvin), hvor λ er bølgelængden, og T er den absolutte temperatur.. Den maksimale del af energien fra jorden med en overfladetemperatur på 288 K kommer i området omkring en bølgelængde på 10 µm (ca.20 gange længere bølgelængde end det synlige lys). Solen har en højere temperatur, og maksimum for solen energiindstråling bliver derfor omkring 500 nm (grønt, lidt imod det blå, som planteløv). 

Selve mekanismen i drivhuseffekten består i, at energierne i udstrålingen fra solen ikke passer med nogen af de molekylsvingninger, som kan opstå i de nævnte gasser. For den resterende luft gælder, at Ilt (Oxygen) og Kvælstof (Nitrogen) har ikke resonanser, der passer hverken med indkommen stråling eller udstrålet stråling, så de deltager ikke i strålingsprocesserne. Den lange bølgelængde fra jorden passer fint til drivhusgassernes energibånd og anslår dem (resonanser i spektrene). Det betyder at energien i varmestrålingen absorberes i drivhusgasserne. Derfra genudstråles energien til dels til rummet og dels til jorden. Det er dette, der er drivhuseffekten, og altså ikke noget der svarer til et gammeldags glasdrivhus. Desuden overføres lidt af energien ved at luften opvarmes og opvarmer sine omgivelser (jorden), men det går begge veje. 

Den væsentligste drivhusgas er vanddamp som har ansvar for at 30 – 70 % af strålingen absorberes i atmosfæren (her er der set bort fra skyer), CO2 er ansvarlig for 9-26 %, methan 4-9 %, ozon 3-7 %, de resterende er såvel dinitrogenoxid men også er svovlhexafluorid og en række andre kulstofforbindelser bl.a. halogencarboner Af en række grunde kan man ikke bare foretage simpel addition af effekterne, vil man have dybere baggrund findes den i FN-klimapanels rapporter, Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC). Målinger synes at vise at mængden af drivhusgasser vokser. For CO2 er væksten siden den industrielle revolution (midten af 1700 tallet) omkring 31 % halvdelen af dette siden 1973, for methan 150 %, for N2O 16%.

Et af problemerne ved kuldioxid er at et vilkårligt CO2 molekyle er i atmosfæren i ca. 4 år, men da atmosfæren, oceanerne og økosystemerne er koblet til hinanden via hurtigt reagerende ligevægte, så vil 1 kg ekstra CO2 ind i atmosfæren tage imellem 100 og 200 år om at forsvinde effektivt ud af atmosfæren. Vi må derfor leve med vore selvskabte CO2 problemer i århundreder fremover. Metan er pr. vægtenhed ca. 25 gange bedre drivhusgas end kuldioxid. Beregninger siger at kunne vi fjerne vanddamp ville drivhuseffekten mindskes med 36 %, fjernelse af CO2 ville mindske drivhuseffekten med 9% og fjernelse af Ozon ville mindske drivhuseffekten med 3 %.

Der er ved Niels Bohr Institutet forskning og undervisning indenfor området såvel fortidens klima og luftsammensætning (Is og klima) som meteorologim og klimaforhold bredt.

Med venlig hilsen
Malte Olsen