Jordens medeltemperatur beror på skillnaden i energi mellan inkommande strålning [1] från Solen och den som går ut från Jorden inklusive dess atmosfär. Om Jorden saknade atmosfär skulle temperaturerna likna de som råder på Månen [2].
Temperaturen beror på medelhastigheten av atomers/molekylers vibrationer. När du bränner dig på en spisplatta är det dess vibrationer som förstör din hud. Den ackumulerade (samlade) värmeenergin hos ett föremål beror på både dess temperatur och massa.
En avgörande förutsättning för Jorden är den tunna atmosfären [3] och dess skikt av växthusgaser som omger oss. Koldioxidens inverkan på värmestrålning testas här av Dr. Iain Stewart. Han använder värmekamera, ett slutet glasrör och ett ljus. När röret enbart innehåller luft registrerar värmekameran ljusets värmestrålning men när röret fylls med koldioxid bleknar bilden. Se videon för närmare förklaring.
Ren luft är genomskinlig vilket beror på att synligt ljus inte dämpas nämnvärt av de gaser som dominerar, kväve (N2), syre (O2), vattengas (H2O) och argon (Ar). Vad gäller vatten uppträder en abrupt skillnad när andelen stiger så att dimma och moln bildas.
Ljus-, värme– och radiovågor är alla samma fenomen men med radikalt olika våglängder (inversen av frekvens). När en sådan ‘stråle’ träffar ett föremål kommer den att reflekteras och absorberas. Det är möjligt att konstruera ytor som reflekterar merparten av strålning men bara inom begränsade våglängder. En spegel reflekterar merparten av ljus men lämna den i solskenet ett tag och känn hur varm den blir.
En tänkbar invändning kan vara att när koldioxid dämpar värmeutstrålning från Jorden så gäller samma för inkommande från Solen. Solens temperatur är >5500 k medan Jordens medeltemperatur är cirka 290 k vilket ger radikalt olika strålningsintervall. Bara en bråkdel av solstrålningen kommer där Jordens utgående strålning sker men även den värmer det isolerande atmosfärslagret.
Allt som har en temperatur över absoluta nollpunkten [4] vibrerar. När strålning når något och absorberas börjar dess atomer/molekyler att vibrera och delar med sig energin till omgivningen. På så sätt sprids energin och temperaturen sjunker till en lägre nivå. Solens ursprungliga temperatur på över 5500°C resulterar alltså i Jorden balanserar runt en (för närvarande stigande) medeltemperatur på cirka +15°C.
[1] Strålning i denna text gäller den elektromagnetiska varianten och innefattar inte partiklar.
[2] Månens rotation är långsam (29,5 dygn för ett varv), både minimi- och maximitemperaturer har därför gott om tid att verka fullt ut. Medeltemperaturen är -23°C och svänger mellan -233°C och +123°C. Uppgifter från https://sv.wikipedia.org/wiki/Månen
[3] Atmosfären är mycket tunnare än vi spontant föreställer oss. Ungefär hälften av dess massa finns inom 5-5.5 km från havsytan. Detta kan jämföras med Jordens radie som är cirka 6731 km. https://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/lufttryck-1.657
[4] Det är omöjligt att nå den absoluta nollpunkten (0 k eller -273.15°C) men det går att komma godtyckligt nära.
http://www.ces.fau.edu/nasa/module-2/how-greenhouse-effect-works.php
Ur min synvinkel, kanske inte din... 