2. Drivhuseffekten og Kulstofkredsløbet
Siden den industrielle revolution er mængden af drivhusgasser i atmosfæren forøget kraftigt bl.a. pga. menneskelig aktivitet, hvilket betyder, at klimaet er blevet varmere. Dette kapitel tager udgangspunkt i to af de mest grundlæggende fysiske processer, som påvirker Jordens klima: drivhuseffekten og kulstofkredsløbet.
Drivhuseffekten og kulstofkredsløbet er afgørende for Jordens gennemsnitstemperatur og verdenshavenes kemiske balance, og processerne har således stor betydning for livet i havene og på landjorden.
| Animation: Indikatorer på en verden under opvarmning
(klik på ‘afspil’-knappen for at komme gennem animationen, og tekst vil dukke op) |
2.1 Drivhuseffektens videnskabelige historie
I 1800-tallet opstillede fysikeren Stefan Boltzmann en model for Jordens energibalance. Modellen tager udgangspunkt i, at alt der har en temperatur over det absolutte nulpunkt, afgiver energi til omgivelserne i form af elektromagnetisk stråling.
Mængden af energi, der afgives, er bestemt af genstandens temperatur (temperatur er et udtryk for, hvor meget energi systemet indeholder). Boltzmann beskrev, hvordan solen, der er 5700 grader varm, afgiver det meste af sin energi som synligt lys til rummet, og en lille del af denne stråling rammer Jorden. Ca. 30 % af den stråling, som rammer Jorden, reflekteres direkte tilbage til rummet (pga. albedo-effekten, som vi vil beskrive senere i kapitlet). De resterende 70 % optages af Jorden og varmer den op. Når Jorden har den temperatur, hvor den udstråler lige så meget energi ud af atmosfæren, som den modtager fra Solen, vil systemet være i balance.
Ud fra modellen beregnede Boltzmann, at Jordens overfladetemperatur i gennemsnit burde være -18° C. Jordens gennemsnitstemperatur er dog ca. 15° C, og han indså derfor, at der var noget, modellen ikke tog højde for. Boltzmanns studerende, Svante Arrhenius, kom med en forklaring, da han fandt ud af, at der findes drivhusgasser i Jordens atmosfære, som absorberer varmestrålingen fra Jorden. Drivhusgasserne fungerer som et isolerende lag, der gør, at varmen ikke ledes direkte ud i rummet men sørger for, at der holdes på varmen i en længere periode.
.
.
Fakta:
Jordens drivhuseffekt kan sammenlignes med et drivhus, hvor solstråler passerer ind, mens glasset sørger for, at der holdes på den varme luft. I Jordens atmosfære er det dog ikke den samme fysiske proces, der foregår. Den naturlige drivhuseffekt fungerer derimod ved, at forskellige luftarter (drivhusgasserne) i atmosfæren varmes op af jordoverfladens varmestråling og dermed holder på varmen, hvilket fører til, at gennemsnitstemperaturen på Jorden i dag er 15° C. Uden den naturlige drivhuseffekt ville temperaturen ligge på omkring -18° C, og Jorden ville være ubeboelig for alt liv. Den menneskeskabte drivhuseffekt sker f.eks. ved afbrænding af fossile brændstoffer (kul, olie og naturgas) og skovafrydning, hvilket øger mængden af drivhusgasser i atmosfæren, så klimaet bliver varmere. Dette kan få store konsekvenser for plante- og dyreliv, og derved også for menneskene.
(Klik på afspil-knappen for at gå gennem animationen)
Den varmestråling, som Jorden sender ud, har en længere bølgelængde end Solens stråler. Den langbølgede varmestråling bliver nemt absorberet i Jordens atmosfære af gasser som CO2, vanddamp, metan (CH4) og enkelte andre gasarter. Disse gassers fysiske egenskaber gør, at de kan optage langbølgede stråler fra den kolde jord, men ikke kortbølgede stråler fra den varme sol. Når gasmolekylerne optager strålingen, varmes de op og afgiver selv stråling. Noget af denne varmestråling sendes ud i verdensrummet, mens andet sendes tilbage mod Jordens overflade. På den måde genbruges noget af Jordens varmestråling, og temperaturen øges. Gasserne i atmosfæren virker altså som et isolerende lag, der lader solstrålerne komme ind men forhindrer en stor del af varmen i at slippe ud. Arrhenius kaldte processen for drivhuseffekten og gasserne for drivhusgasser.
Øvelse:
Figuren nedenfor viser, hvordan solens energi fordeles på Jorden. Kig på den i max. ét minut hver især i gruppen – uden at snakke med hinanden. Lav – uden at kigge på figuren – derefter i fællesskab en tegning over den så korrekt som muligt. Brug 3 minutter på at lave tegningen og kig derefter på den oprindelige figur og se på, hvad I mangler. Hvis nogle af processerne var glemt, hvad ville konsekvenserne i så fald være for systemet?
Figur: Solens energioverførsel til Jorden.
Solens indstråling: gul
Refleksion/albedo: blåhvid
Opvarmning: rød
Afgivning af varmestråling: lilla
Solen udsender sin energi som kortbølgede stråler. Af den indkommende stråling reflekteres 6% ved indgangen til atmosfæren, 4 % af jord-og havoverfladen og 20 % af skyer. I alt sendes 30% af den energi, der kommer fra solen, altså direkte tilbage i verdensrummet. Andelen af den indkommende stråling der reflekteres kaldes albedoen, og bidrager ikke til at opvarme Jorden.
Tilbage er 70 % af solen stråler. Disse optages forskellige steder i systemet, hvor de lagres for en tid som varme. Efter en given periode vil Jorden dog igen afgive al solens energi til verdensrummet, men en del af den energi som afgives fra jordoverfladen optages på vejen igennem atmosfæren, der således varmes yderligere op. Når atmosfæren afgiver sin varmestråling, vil noget af den vende tilbage til jordoverfladen, mens andet vil blive sendt ud i rummet. Ved toppen af atmosfæren er der balance, så energien, der kommer ind fra solen, svarer til den mængde energi, som sendes ud igen. Man kan altså sige, at atmosfæren rykker det punkt hvor Jorden er i balance (ved -18 grader, som Boltzman forudsagde) væk fra overfladen.
At Jorden har kapacitet til at holde på energien på denne måde medfører, at varmen langsommere forlader atmosfæren igen, hvilket holder Jorden varm. Drivhuseffekten bevirker, at Jordens temperatur ikke svinger så meget mellem dag og nat, sommer og vinter, og at Jorden ikke køles ned, selvom solen ikke skinner.
Arrhenius forudså, at udledningerne af CO2 fra afbrænding af fossile brændstoffer ville føre til stigende temperaturer, men han så det først og fremmest som en god ting, da det ville føre til mildere vintre i hans hjemland Sverige. Han beregnede også, at en mærkbar opvarmning ville kræve så meget udledning af ekstra CO2, at han troede, mennesket aldrig ville kunne udlede så meget.
Figur: På figuren ses de væsentligste drivhusgasser, som findes i atmosfæren, og størrelsesforholdet mellem dem. Ud over CO2 er der en række andre drivhusgasser, der også bidrager til den globale opvarmning.
| GAS | CO2e | INDHOLD I ATMOSFÆREN (I PPM) | ÆNDRING SIDEN 1998 | DRIVHUSEFFEKT |
|---|---|---|---|---|
| CO2 | 1 | 379 | +13 | 1,33 |
| CH4 | 21 | 1,77 | +0,01 | 0,48 |
| N2O | 310 | 0,32 | +0,005 | 0,16 |
| CFC-gasser | 500-8000 | 0,001 | Lille fald | 0,268 |
Tabel: Tabellen viser fire af de mest almindelige drivhusgasser, mennesket udleder. Den viser, hvor gode gasserne er til at absorbere varme i forhold til CO2 (målt i CO2e – se definition), deres koncentration i atmosfæren målt i ppm (parts per million), ændringen i ppm siden 1998, og hvor meget den enkelte gas bidrager til den globale opvarmning målt i watt per kvadratmeter jordoverflade.
I det moderne industrisamfund er mange af de gasarter, som sendes ud i atmosfæren, drivhusgasser. Det bevirker, at mere varmestråling absorberes i atmosfæren og er medvirkende til en menneskeskabt drivhuseffekt.
2.2 Kulstofkredsløbet
De vigtigste depoter kan ses på figuren til højre.
Definition: Sfærer
En sfære kan defineres som et afgrænset område, hvor bestemte processer foregår.
- Biosfæren: Alt levende.
- Atmosfæren: Den luft som omkranser jorden, der både beskytter mod UV-stråling og indeholder nitrogen, N2, (cirka 78 %), ilt, O2, (ca. 21 %), argon, Ar, (omkring 0,93 %). Den sidste procent udgøres af mange forskellige molekyler, herunder drivhusgasserne.
- Hydrosfæren: Alt vand på jorden inklusiv is og damp
- Lithosfæren: De yderste 100-150 km af jorden som både er der, hvor planterne henter deres næring, hvor kontinenterne flytter sig, og hvor olien og andre fossile energikilder befinder sig.
Figur: Det hurtige kulstofkredsløb består af hydrosfæren (have, floder og søer), atmosfæren og biosfæren (alt levende). Det langsomme kredsløb cirkulerer kulstof mellem det hurtige kredsløb, dybhavene, fossile brændstoffer og Jordens indre.
Atmosfæren indeholder mindre kulstof end de andre depoter, men stort set al udveksling af kulstof mellem depoterne foregår gennem atmosfæren. Biosfæren udgør et stort depot for kulstof. Planter på land og alger i verdenshavene og søer optager CO2 fra luften gennem fotosyntese, som er en proces, hvor de bruger energi fra solens stråler sammen med vand til at lave kulstofforbindelser, der danner organisk stof og ilt. Dette foregår gennem en fotosyntesereaktion:
6CO2 + 6H2O + energi -> C6H12O6 + 6O2
Definition: Fotosyntese
Fotosyntese er navnet på den kemiske reaktion, som foregår i planter, når de opbygger organisk stof (vokser). En plante skal bruge 6 CO2 molekyler, 6 vandmolekyler (H2O) og energi (f.eks. sollys), som de omdanner til 6 iltmolekyler (O2) og glykose (C6H12O6), som er det stof, organisk materiale er bygget af. I glykose indgår 6 kulstofmolekyler (C), og organisk materiale er dermed et vigtigt kulstoflager.
I biosfæren er planter og alger grundlaget for langt størstedelen af alt liv, da de er de eneste levende væsener, der kan udnytte solens energi til at lave fotosyntese. Stort set alt andet liv er nødt til få energi ved at nedbryde biologisk materiale fra andre levende væsener, og deres biologiske materiale er i sidste ende bygget på den energi, planter og alger har hentet fra solen. Konkret ses denne proces ved, at planterne bliver til føde for planteædere, som efterfølgende ædes af rovdyr. Det udgør en fødekæde, som det organisk bundne kulstof strømmer igennem. Ved denne nedbrydning bliver nogle af kulstofforbindelserne igen nedbrudt til kuldioxid (CO2) eller metan (CH4), der ledes tilbage til atmosfæren. Det bundne kulstof frigives ved respirationsprocesser, enten gennem planternes egen respiration, eller gennem respiration hos bakterier og dyr, der æder og nedbryder organisk materiale.
Verdenshavene, floder og søer kaldes samlet set hydrosfæren. Jo koldere vandet er, des mere opløst kulstof kan det indeholde. Dvs., at når vandet bliver varmere, frigives CO2. Der foregår derfor en konstant udveksling af CO2 mellem hydrosfæren og atmosfæren, når temperaturen i havene eksempelvis ændrer sig med årstiderne og med døgnet.
Udvekslingen af kulstof mellem biosfære, atmosfære og hydrosfære er et hurtigt kredsløb, hvor udvekslingen foregår over forholdsvis korte tidsrum. Men i dette kredsløb indgår der kun en lille del af Jordens samlede kulstof. Resten cirkulerer i et større, langsomt kredsløb, der forløber over millioner af år. Dette kredsløb er afgørende for, hvor meget kulstof der er til rådighed for det hurtige kredsløb, og dermed også for hvor meget CO2 atmosfæren indeholder.
YouTube-video: ‘Nasa: Keeping Up With Carbon’
2.3 Kulstofkredsløbet i havet
Havet indeholder cirka 38.000 gigaton (38.000.000.000.000 ton) kulstof. Langt det meste dette kulstof (92 %) findes i form af bikarbonat-ioner (HCO3-). Resten (7 %) findes i karbonat-ioner (CO3–) og i opløst CO2 (1 %).
Karbonat-ioner (CO3- -) indgår i forbindelser med forskellige metaller, der er opløst i vandet for at danne karbonatmineraler som kalk (CaCO3) . Visse typer af havdyr og planton bygger skaller og skeletter af kalk, hvilket f.eks. kendes fra muslinger, krabber og koraler. Når disse dyr og planter dør, bundfældes de, og deres biologiske dele og deres kalkskaller kommer til at ligge i lag på havbunden. De biologiske dele der ikke bliver nedbrudt af andre dyr og bakterier, begraves under lag af kalkskaller, sand og ler, oftest i et iltfattigt miljø, og bliver over nogle millioner år under højt tryk og høj varme til fossile brændstoffer som kul, olie og naturgas. Olien som pumpes op af Nordsøen har f.eks. startet sin transformation fra biologisk materiale til olie for cirka 140 millioner år siden.
I en såkaldt subduktionsproces, der tager hundrede millioner af år, presses havbunden med kalken, olien og gassen ned i Jordens indre. Her bliver kulstofforbindelserne nedbrudt til CO2, som gennem vulkaner bliver sendt ud i atmosfæren eller hydrosfæren, hvor det endnu en gang kan indgå i det hurtige kredsløb (se vidste du: Snowball Earth sidst i kapitlet).
Figur: Et af de enkleste organiske stoffer er metan (CH4), der udgør det meste af naturgas. De fleste andre organiske stoffer kan beskrives som mere eller mindre komplekse kæder af metanmolekyler.
Kilde: Modificeret fra Danmarks Miljøundersøgelser
2.4 Fossile brændstoffers kemi
Fossile brændstoffer (som kul, olie og naturgas) består af organisk materiale, der er blevet begravet og ændret af tryk og temperatur. Kul er for det meste opstået fra planterester, mens olie og gas stammer fra alger og andre mikroorganismer. De levende planter og alger optager CO2 fra atmosfæren og binder det i komplekse kulstofforbindelser, som organisk materiale er bygget af. Når det organiske materiale bliver begravet og udsat for højt tryk og temperatur over meget lang tid, omdannes disse kulstofforbindelser til lange kæder af kulstof (C) og brint (H). Længden af kæderne bestemmer, om der er tale om olie eller gas. Naturgasmolekyler består oftest kun af ét kulstofatom (metan), mens oliemolekyler typisk har mellem 5 og 40.
CO2 er den mest stabile forbindelse, som kulstof kan indgå i ved normalt tryk og temperatur, og man skal derfor bruge energi for at omdanne det til andre forbindelser – mens der dannes energi ved at omdanne andre kulstofforbindelser til CO2. Planter og alger får energi til at omdanne CO2 til organisk materiale fra solen gennem fotosyntese, og når man afbrænder olien, gassen eller kullet, frigives energien igen. De fossile brændstoffer kan ses som store lagre af gammel solenergi, der er blevet opbevaret i planterester i undergrunden, og som vi nu udnytter. Når vi forbrænder disse lagre, tilfører vi nyt kulstof til det hurtige kredsløb, som ellers ville være blevet i undergrunden i millioner af år (i det langsomme kredsløb).
Figur: Det hurtige kulstofkredsløb består af hydrosfæren (have, floder og søer), atmosfæren og biosfæren (alt levende). Det langsomme kredsløb cirkulerer kulstof mellem det hurtige kredsløb, dybhavene, fossile brændstoffer og Jordens indre. Hvide tal er mængder af kulstof målt i milliarder ton. Brune tal er strømme af kulstof målt i milliarder ton pr. år.
Øvelse:
Forklar forskellen på det hurtige og det langsomme kulstofkredsløb.
Hvad ville det få af betydning for Jordens overfladetemperatur, hvis store mængder kulstof flyttes fra det hurtige kredsløb til det langsomme? Og fra det langsomme til det hurtige?
2.5 Kulstofkredsløbets betydning
Gennem hele Jordens historie har ændringer i det hurtige eller det langsomme kredsløb ført til ændringer af klimaet.
I Kridttiden (fra 145,5 millioner til 65,5 millioner år siden) var der meget mere kulstof i det hurtige kredsløb end i dag, og der var dermed også et væsentligt højere indhold af CO2 i atmosfæren og en højere overfladetemperatur.
Men for ca. 50 millioner år siden blev Alperne, Pyrenæerne og Himalayabjergene dannet. Store mængder mineraler blotlagdes fra Jordens indre, som med tiden blev nedbrudt og opløst til bl.a. metal-ioner som f.eks. calcium (Ca2+) eller magnesium (Mg2+), hvorefter floderne førte dem videre ud i havene, hvor de bandt sig til havets bikarbonater (2HCO3–). Calciumion (Ca2+) frigivet i vand:
Ca2+ + 2HCO3- → CaCO3 + CO2 + H2O.
Det samme gør sig gældende ved tilførsel af andre metal-ioner som f.eks. magnesium, Mg2+ til vandet, hvor det bliver til magnesiumkarbonat (MgCO3). I denne proces flyttes et kulstofmolekyle ligeledes fra det hurtige kredsløb til det langsomme kredsløb. Denne proces svækker derfor drivhuseffekten.
Den øgede mængde metal-ioner gjorde, at der kunne dannes flere karbonatmineraler (f.eks. kalk CaCO3) i havene, som bundfældedes, så mere kulstof blev flyttet fra det hurtige kredsløb over i det langsomme og sænkede derved drivhuseffekten (se afsnit 2.2.1). Det betød, at temperaturen faldt støt, der kom is året rundt på Antarktis, og for 4 millioner år siden begyndte vi at få istider. Denne ændring i Jordens klima var en direkte konsekvens af ændringer i det langsomme kredsløb.
Vidste du, at…:
… Magnesiumkarbonat (MgCO3) bruges i sportsgrene som klatring, vægtløftning, crossfit, gymnastik og atletik (kuglestød, spydkast, hammerkast, diskoskast)? Her omtales stoffet oftest som ’kalk’ og bruges til hænderne.
Magnesiumkabonat bruges til hænderne i flere forskellige sportsgrene
Kilde: Wikimedia
Magnesiumkarbonat har en svedabsorberende effekt, så friktionen reduceres, og man kan opnå et bedre greb, når der skal holdes godt fast: Det kan f.eks. være en god idé at have tørre hænder for ikke at glide, hvis man klatrer op ad en stejl klippevæg eller løfter en tung vægt.
Opsummering
Nøgleord:
- Drivhuseffekt: Den isolerende effekt som holder Jorden varm, fordi drivhusgasserne optager solens energi, når den er på vej ud af troposfæren.
- Kulstofkredsløbet: Kulstof, som er det grundstof, der går igen i alt biologisk materiale, cirkulerer i både et kort kredsløb, f.eks. når vi spiser, ånder eller laver bål, og et langt kredsløb, som f.eks. når planter over 100 millioner år bliver til olie.
- Fotosyntese: Processen hvor planter optager CO2 og solenergi, som de omdanner til det biologiske materiale, som er grundlag for al dyreliv og som eventuelt senere omdannes til højenergistoffer som olie og kul.
