Vatten som växthusgas - hur var det nu det hänger ihop?

Vatten är den viktigaste växthusgasen av alla och står för ungefär 60% av den naturliga växthuseffekten vid klar himmel. Utan denna vattenånga hade jorden varit en kall och ogästvänlig plats. Som växthuseffekt-pionjären John Tyndall skrev redan på 1800-talet:

"Water vapour is a blanket more necessary to the vegetable life of England than clothing is to man. Remove for a single summer-night the aqueous vapour from the air that overspreads this country, and you would assuredly destroy every plant capable of being destroyed by a freezing temperature. The warmth of our fields and gardens would pour itself unrequited into space, and the sun would rise upon an island held fast in the iron grip of frost..."

En dag fick Tyndall nog av kladdet i mustaschen när han åt spaghetti och köttfärssås. Bättre och mer hygieniskt såhär. 

Mätningar tyder på att vattenångan i atmosfären har ökat de senaste decennierna. (Se figur längst ner.) Inte så konstigt då att jordens medeltemperatur stiger! Men hur går detta ihop med IPCCs rapporter, som envisas med att lyfta fram de mänskliga utsläppen av koldioxid som huvudorsak till den globala uppvärmningen? Har IPCC dragit oss alla vid näsan, och medvetet flyttat fokus bort från det som i själva verket spelar störst roll? Eller har de helt enkelt stirrat sig blinda på kol- och oljeförbränningen och glömt allt annat?

Svaret är nej. "Water vapor is a key climate variable", inleder kapitel 3.4.2 i AR4. "Water vapor plays an essential role in the Earth's climate" kan vi också läsa. IPCC-rapporterna inkluderar omfattande redogörelser över vattnets roll för växthuseffekten, trender i luftfuktighet, nederbörd och annat. Så än en gång: hur går detta ihop? Låt oss börja med frågan vad som avgör mängden vattenånga i atmosfären. I viss mån påverkar mänskliga aktiviteter så som konstbevattning, flyg och annat, men till största delen beror det på luftens temperatur. Den maximala mängden vattenånga som luften kan hålla ökar ju varmare det blir. Den genomsnittliga relativa luftfuktigheten har inte ändrats i någon större omfattning de senaste årtiondena. Men eftersom lufttemperaturen har stigit innebär det att den absoluta luftfuktigheten (g vatten/ kg luft) nu, generellt sett, är högre än förut.

Till skillnad från koldioxid är vattenånga en kortlivad gas i atmosfären. Allt som oftast regnar eller snöar det, vilket innebär att vatten i luften kondenserar och faller ner till marken.  Men hur mycket vatten avdunstar sedan från mark och hav för att åter upptas av atmosfären? Tja, det beror som sagt på temperatur. Om vi ökar  CO₂-halten så leder det till en uppvärmning som i sin tur gör att mer vatten kan bindas i atmosfären. Människan påverkar alltså indirekt mängden vattenånga. Eftersom ånghalten i atmosfären till största delen bestäms av luftens temperatur räknas vattenånga inte som en egen drivkraft till klimatförändringarna (till skillnad från t.ex. utsläpp av koldioxid, vulkanutbrott, förändringar i solinstrålning m.m.). Det finns ingen anledning att tro att vattenångan i atmosfären hade ökat om inte temperaturen först hade börjat öka. I stället är det ett resultat av en temperaturökning. Däremot förstärker vattenångan uppvärmningen genom att öka växthuseffekten. Med andra ord: vattenångans temperaturberoende fungerar som en återkopplingsmekanism i den globala uppvärmningen.

De övriga växthusgaserna, med koldioxid i spetsen, är en FÖRUTSÄTTNING för att det överhuvudtaget ska finnas vattenånga i atmosfären. Om dessa gaser genom ett trollslag helt plötslig försvann skulle lufttemperaturen sjunka tillräckligt mycket för att sätta igång en spiraleffekt som tillslut fryser ner hela jorden. På samma sätt ökar vattenångan i luften om vi tillför mer koldioxid. 

På den utmärkta bloggen RealClimate bjuder Gavin Schmidt på en något mer teknisk genomgång. Han inleder med en observation av något som verkar vara någon sorts naturlag: Så fort tre eller flera klimat- ... eh... -fritänkare (mitt ordval)... är samlade, så kommer åtminstone en av dem påstå att vattenångans roll för växthuseffekten försummas av IPCC, och i förnärmad ton rada upp ett gäng halmdockor. Det är inte utan anledning som frågan "How important is water vapour to climate change?" är listad som en Frequently Asked Question i IPCCs senaste rapport (scrolla ner till fråga 8.1).

Figur 2.31 från AR5. Global årlig genomsnittlig anomali i vattenånga över havsytan, relativt genomsnittet för åren 1988-2007.

AGU 2011: Havsnivåhöjning, moln och John Tyndall

Presenterar några ytterligare intressanta videor från AGU 2011

We Are All Engineers Now: Delivering Useful Projections of Sea Level Rise  

Tad Pfeffer beskriver forskningsläget kring jordens landisar och deras bidrag till havsnivåhöjningen. Han visar hur osäkerheten kring kommande havsnivå ökar kraftigt under handra halvan av detta århundrade. Han argumenterar för att lyfta fram projektioner fram till 2050 som har mindre oäkerheter och större relevans för ingenjörer och samhällsplanerare. Detta byte av fokus kan också bidra till att havsnivåhöjningen blir aktuell för policybeslut. (Föredraget börjar 6 min in i videon.)

C24A : Nye Lecture from American Geophysical Union on Vimeo.

Climate Change: A Very Cloudy Picture

Graeme Stephens föreläser om moln och klimatpåverkan. Hur moln fungerar. Vad som hänt i förståelsen och modelering av moln - en hel del visar det sig. Men också varför han inte tror att osäkerheten i klimatkänsligheten på grund av molnen kommer att kunna minskas inom överskådlig tid.

A21G : Charney Lecture from American Geophysical Union on Vimeo.

John Tyndall: His Pioneering Contributions to Climate Science and Scientific Outreach

Richard Somerville berättar om John Tyndalls liv och verk. Det är i år 150 år sedan Tyndall publicerade On the Absorption and Radiation of Heat by Gases and Vapours, and on the Physical Connexion of Radiation, Absorption, and Conduction där han experimentellt visade olika gasers värmeabsorberande egenskaper och kopplade de till atmosfärens växthuseffekt. Även Svante Arrhenius får vara med på ett hörn.

CG43H : AGU Fall Meeting 2011 from American Geophysical Union on Vimeo.

Koldioxidens värmeabsorption demonstrerad

I nedanstående filmklipp från "Earth: The Climate Wars" demonstrerar Ian Stewart med hjälp av IR-kamera den värmeabsorption hos koldioxid som Tyndall upptäckte för 150 år sedan.


Det går att se hela programserien online här

Uppdatering: Ett annat exempel med ett ansikte från en Amerikansk sajt för undervisning.

En jubileumsdag

18 maj
John Tyndall experimenterade med sin egenutvecklade apparat för att mäta värmeabsorption hos gaser. Han fann att luft absorberade värme. Vidare experimenterande gav de mest uppseendeväckande resultat. Luftens vanligaste gaser, syre och kväve, visade sig nästan helt genomskinliga för värme medan mer komplexa molekyler absorberade betydligt mer. Kolgas, en blandning av kolmonoxid, metan och andra kolväten visade sig absorbera strålningsvärme nästan lika bra som trä. Vidare experiment visade att koldioxid och vattenånga var speciellt bra på att absorbera strålningsvärme och att dessa gaser stod för största delen av atmosfärens värmeabsorption.

Året var 1859, samma år som Charles Darwin publicerade "Om arternas uppkomst" och revolutionerade biologin och vår förståelse för världen. En knapp månad senare presenterade Tyndall sina experiment och resultat vid Royal Institution:

"To the eye, the gas within the tube might be as invisible as the air itself, while to the radiant heat it behaved like a cloud which it was almost impossible to penetrate. Thus, the bold and beautiful speculation has been made an experimental fact. The radiant heat of the sun does certainly pass through the atmosphere to the Earth with greater facility than the radiant heat of the Earth can escape into space."

Så för 150 år sedan idag lades alltså den experimentella grunden för förståelsen av växthuseffekten och de väsentliga slutsatserna drogs. Under 1900-talets första hälft kunde atomfysiker förklara fysiken bakom fenomenet och atmosfärsfysiker följa effekten i atmosfären.

Läs mer om Tyndall och hans experiment här
En bra introduktion till växthuseffektens fysik: Markku Rummukainens "Växthuseffekten"
Historien bakom upptäckten av global uppvärmning: Spenser Wearts "The Discovery of Global Warming"