Växthuseffekten - en introduktion

 Solens strålning

Jordens temperatur och klimat är helt beroende av solens instrålning och dess fördelning över jordens yta. Solstrålningens intensitet vid jorden är ungefär 1360 W/m². Dock lyser solen endast på jordens siluett. Den genomsnittliga instrålningen räknat över jordens yta blir därför en fjärdedel solljusets intensitet eller 340 W/m².

En del av solens strålar reflekteras mot moln och jordens yta ut i rymden igen. Denna del är ungefär 30%. Alltså mottar jorden (inklusive atmosfären) 240 W/m².

Jordens värmestrålning

Jorden tar inte bara emot strålning den strålar även ut värmestrålning i rymden. Om jorden strålar ut mindre än den mottar värms den och om den strålar ut mer än den mottar kyls den. Alltså är den utstrålade intensiteten ut i rymden (nästan) lika stor som den instrålade, alltså 240 W/m².

I de våglängden som är viktiga för värmestrålningen från jorden är jordytan (inklusive hav, snö och is) nästan en svart kropp. Det betyder att utstrålningen, I,  beror på temperaturen, T, och följer nedanstående samband som kallas Stefan-Boltzmanns lag:

Jordens yta är i snitt 288 K ( 15°C) och strålar alltså ut nära 390 W/m² vilket är betydligt mer än de 240 W/m² som jorden mottar¹. Det är här atmosfärens växthuseffekt kommer in.

Atmosfären som växthus

Som en enkel modell tänker vi oss att jorden är omgiven av ett glasliknande skikt som släpper in solljus men är ogenomskinligt för värmestrålningen som är på väg ut från jordytan. Se bild nedan:

Eftersom skiktet är ogenomskinligt (svart) för strålningen ut kommer det att värmas av värmestrålningen från jorden och själv stråla ut denna värme. Hälften av skiktets värmestrålning går ut i rymden medan andra hälften strålar ner mot jordytan. Jordytan mottar alltså både solljus och värmestrålning från skiktet ovanför. Sett från rymden är det skiktet som strålar ut värme. Alltså de 240 W/m² som motsvarar instrålningen från Solen medan jordens yta är varmare.

Hur mycket varmare? Utstrålningen från jordytan skall motsvara dubbla solinstrålningen, 240 W/m² från solen och de nedåtriktade 240 W/m² från skiktet. Med hjälp av Stefan-Boltzmanns lag kan vi beräkna jordytans medeltemperatur till 303 K eller 30°C. Så varm är nu inte jorden.

Att beräkningen ovan ger för hög temperatur beror på två saker:

• Enskiktsmodellen är för enkel för att beskriva växthuseffekten i atmosfären.
• Atmosfären är vare sig helt genomskinlig för solens instrålning² eller helt ogenomskinlig för värmestrålning.

Dock kan vi från denna enkla modell se principen bakom växthuseffekten.

Växthuseffekten i atmosfären

Atmosfärens tryck sjunker med ökande höjd och inom troposfären sjunker även temperaturen med höjden. Växthusgaserna liksom övriga gaser är alltså tätast närmast jordytan och tunnas ut med ökande höjd. För vattenångan är detta avtagande extra markant då mängden vatten i luften både sjunker med lägre tryck och lägre temperatur.

Växthusgaserna absorberar delar av jordens värmestrålning och återsänder denna, i slumpmässig riktning samt värmer luften. (Se tex. denna simulering.) Ju tätare gas desto större sannolikhet att strålningen absorberas. I de våglängder som växthusgaserna absorberar är det mycket lite av strålningen som går direkt ut i rymden från jordytan. Den allra mesta har absorberats och återstrålats flera gånger innan den når så högt upp att den strålar ut i rymden. Det betyder att strålningen som når rymden kommer från kallare delar av atmosfären.

 Koldioxid och metan (0,8 till 2,0 ppm) i molnfri tropisk atmosfär, Konstant yttemperatur 299.7 K 
Modtran IR

Ett sätt att beskriva växthusgasernas inverkan i atmosfären är alltså att de höjer medelhöjden från vilket värmestrålningen når rymden.

1) Eller för att vända på beräkningen. Utan växthuseffekten och allt annat lika skulle jordens medeltemperatur vara 255 K eller -18°C.

2) Ca 70 W/m² av de 240 W/m² som absorberas absorberas på väg ner genom atmosfären.