Hur samverkar växthusgaser med Jordens gravitation?

Grafer som visar absorption och transmission (genomsläpplighet) av infraröd elektromagnetisk strålning (utgående värme från Jorden) ser ofta ut som högra halvan av bilden härunder:

Källa: https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas

Man ser ett stort antal toppar och dalar åtskilda av enfärgade ytor, tydligast i andra raden som visar atmosfärens absorption vid olika våglängder av inkommande (till vänster om den mittre vågdalen i raden Energy intensity) och utgående strålning.

Dessa ytor är inte helt representativa för hur absorptionen ser ut i detalj. Ytan är, sedd i extrem närbild, uppbyggd av näraliggande toppar och dalar. HITRAN (https://hitran.org) har en omfattande databas för att simulera dessa kurvor. Grafen nedan visar överensstämmelsen mellan simulering av resonanser och faktiska mätningar av en gas.

Här kommer ytterligare en faktor in, gasens densitet (täthet som beror av trycket). Vid ökat tryck sker långt fler interaktioner mellan molekyler vilket stör de enskilda resonanslinjerna så att de breddas, ytan blir mer täckt och påminner om de i översta bilden.

Vad förorsakar då ökad densitet i atmosfären? Här kommer gravitationen in! I den nedre av graferna motsvarar gastrycket 100 millibar, 1/10 av atmosfärstrycket vid havsytan och där framträder de enskilda resonanserna tydligt. Där finns många genomsläpp för motsvarande våglängder/vågtal, de uppåtgående bågarna.

I den övre är gastrycket 1000 millibar, nära atmosfärstrycket vid havsytans nivå. Här finns bara antydningar till uppåtbågarna där genomsläppligheten borde finnas.

Detta kan vara en delförklaring till varför det är varmare på låg höjd än högre upp, allt annat lika.

http://irina.eas.gatech.edu/EAS8803_Fall2009/Lec6.pdf

Hur det går till? Se videon! Den är uthärdligt kort (6:24) men faktaspäckad och kan behöva mer än en flyktig titt.

Spectrum broadening ilectureonline / Michel van Biezen

Endast för nördar: Vill du räkna om vågtal per centimeter till våglängd? Dela 10000 med vågtalet så får du våglängden i mikrometer. Det motsatta fungerar också: Dela 10000 med våglängden så får du vågtalet.

Syre, kväve, koldioxid och metan

Syre och kväve utgör nästan 99% av atmosfärens gaser, koldioxid nära 420 ppm och metan över 1800 ppb. Trots att de två växthusgaserna är en ringa del av atmosfären så utgör de avsevärda hinder för infraröd strålning, värme.

Experimentet i den länkade videon visar hur växthusgaserna hindrar värmestrålningen, i fallet metan är det närmast en total blockering.

Hur påverkas skördar vid ökande koldioxidhalt?

Högljudda klimatkrisifrågasättare framhåller ofta att en ökande koldioxidhalt leder till större tillväxt. Ur ett snävt perspektiv verkar det logiskt, i växthus ökar man ibland mängden koldioxid avsevärt för att öka skördeutfallet. Men är det hela sanningen, finns fler faktorer att ta hänsyn till?

Mer koldioxid och andra växthusgaser innebär högre temperatur över såväl land som hav. Vatten avdunstar och atmosfären som helhet blir vattenrikare vilket i sig förstärker växthuseffekten ytterligare. Hav och sjöar är i praktiken outtömliga källor till vattenånga och i kombination med lämpliga vindar och bergskedjor kan det åstadkomma allt mellan lagom och katastrofala nederbördsmängder. Längre in över land minskar vanligen tillgången på vatten, temperaturen ökar och marken torkar ut.

Skördar påverkas naturligtvis av tillgång till koldioxid och vatten men även markens makro– och mikronäringsämnen. Om skördens massa ökar (beroende främst på koldioxiden) men övriga näringsämnena som kommer från jorden inte håller samma takt kommer slutresultatet att bli näringsfattigt.

Simon Clark förklarar detta och mer därtill i denna video: https://youtu.be/qFA7Sui8w_g

Mätning från satelliter av den lägre atmosfärens temperatur

Satellitbaserade mätningar bygger på avancerade datamodeller som väger samman olika pseudomått till redovisade temperaturer.

Weather satellites do not measure temperature directly. They measure radiances in various wavelength bands. Since 1978 microwave sounding units (MSUs) on National Oceanic and Atmospheric Administration polar orbiting satellites have measured the intensity of upwelling microwave radiation from atmospheric oxygen, which is related to the temperature of broad vertical layers of the atmosphere. Measurements of infrared radiation pertaining to sea surface temperature have been collected since 1967
https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_temperature_measurements

Comparison of ground-based measurements of near-surface temperature (blue) and satellite based records of mid-tropospheric temperature (red: UAH; green: RSS) from 1979 to 2010. Trends plotted 1982-2010.

Atmosfären närmast jordytan kallas troposfären och sträcker sig i medeltal cirka 11 kilometer upp, hälften av dess massa finns under 5.5 kilometers höjd, sammanlagt 80% finns i troposfären. Värmeenergin [1] i atmosfären beror på att växthusgaser fungerar som en isolerande filt över jordytan, men även på konvektion (varm luft stiger).

Satellite datasets show that over the past four decades the troposphere has warmed and the stratosphere has cooled. Both of these trends are consistent with the influence of increasing atmospheric concentrations of greenhouse gases.

Växthusgaser i troposfären isolerar och minskar den värmeenergi som sprids vidare till stratosfären ovanför som då svalnar. Detta är ett av många skäl att växthusgaser är avgörande för stigande global temperatur.

Satellites do not measure temperature directly. They measure radiances in various wavelength bands, which must then be mathematically inverted to obtain indirect inferences of temperature.^[1][2] The resulting temperature profiles depend on details of the methods that are used to obtain temperatures from radiances. As a result, different groups that have analyzed the satellite data have produced differing temperature datasets

Atmospheric temperature trends from 1979-2016 based on satellite measurements; troposphere above, stratosphere below. Notera att temperaturen nära jordytan stiger medan den högre upp sjunker.

[1] Märk väl att jag avsiktligt skriver värmeenergi istället för temperatur! Temperatur är ett mått på medelrörelseenergin hos molekyler i det du mäter. Värmeenergin beror både av temperaturen och antalet molekyler i det du mäter.

https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_temperature_measurements

Har svenskar låga klimatutsläpp?

Sextio procent av svenskars klimatpåverkande utsläpp redovisas ej! Källa: Helsidesartikel i Västerbottens-Kuriren 23/2 -22

Enligt den länkade tabellen var utsläppen i Sverige cirka 46 miljoner ton koldioxidekvivalenter år 2020. Sett med optimistens ögon har utsläppen minskat 35% sedan 1990 med ett tvärsprång nedåt på dryga 8% från 2019. Källa: https://www.naturvardsverket.se/data-och-statistik/klimat/vaxthusgaser-territoriella-utslapp-och-upptag

Sverige har påtagliga utsläppsfördelar av vatten– och kärnkraftsel samt skogsbruk. Om vind- och solkraft ersätter kärnkraftverk som läggs ner får framtiden utvisa. Ska vi räkna in utlandsresor samt en minst sagt omfattande import har vi svenskar inte mycket att yvas över i klimatsammanhang. De faktiska utsläppen förorsakade av svenskar är dryga 76 miljoner ton per år.

Mark Twain lär ha komparerat lögn: ”Lögn, förbannad lögn och statistik.” (Andra varianter kan finnas.)

Gör något vettigt av koldioxiden

När kol fullständigt oxideras (bränns) bildas värme och koldioxid. Koldioxid är en mycket stabil förening och vill vi återvinna dess kol och syre går det åt lika mycket energi (+ lite till) som förbränningen gav.

Nu har Japanska forskare lyckats binda koldioxidmolekylen till en porös struktur vid rumstemperatur och lågt tryck. Efter ett sådant oväntat genombrott är det sannolikt att andra följer upp med ytterligare produkter.

Se artikeln: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c08227

Researchers in Japan have found an energy-efficient way to convert the chief greenhouse gas carbon dioxide (CO₂) into useful chemicals. Using the method, CO₂ is transformed into structures called metal-organic frameworks (MOFs), suggesting a new and simpler route to dispose of the greenhouse gas to help tackle global warming.
”Taking the CO₂ released from fossil fuel combustion and converting the gas into valuable chemicals and materials is a promising approach to protect the environment. But because CO₂ is a very inert and stable molecule, it is difficult to get it to react using conventional conversion processes,” says Satoshi Horike, a chemist at iCeMS who led the study. ”Our work demonstrates an easier approach that can be run at a much lower temperature and pressure. This should make reactions that use CO₂ easier to produce and more popular.”
Phys Org 5/10 -21

Metan, en riktigt potent växthusgas

Metanmolekylen byggs av 4 väteatomer bundna till en central kolatom. Varje enskild molekyl kan därför ta upp värmeenergi i form av komplicerade vibrationer [1], rörelseenergi som den omgående pytsar ut i alla riktningar till omgivningen. Detta ger upphov till växthuseffekten.

**Metanmolekyl** med en central kolatom och fyra väteatomer. Bindningarna är flexibla och molekylen kan därför vibrera i komplicerade mönster.

Methane in the Earth’s atmosphere is a strong greenhouse gas with a global warming potential (GWP) 84 times greater than CO₂ in a 20-year time frame; methane is not as persistent a gas as CO₂ (assuming no change in carbon sequestration rates) and tails off to about GWP of 28 for a 100-year time frame.^[18][19]^{[page needed]}^[20] This means that a methane emission is projected to have 28 times the impact on temperature of a carbon dioxide emission of the same mass over the following 100 years assuming no change in the rates of carbon sequestration. Methane has a large effect but for a relatively brief period, having an estimated mean half-life of 9.1 years in the atmosphere,^[19] whereas carbon dioxide is currently given an estimated mean lifetime of over 100 years.
https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_methane – Methane as a greenhouse gas

När metan oxideras [1] bildas vatten och koldioxid vilket sker spontant i atmosfären. Metanet har en halveringstid [2] om 9.1 år i atmosfären. Under första 20-årsperioden har ett metanutsläpp 84 gånger större klimatpåverkan (GWP [3]) och för 100 år är den 28 gånger större än motsvarande mängd koldioxid.

Det innebär att ‘färskutsläppt’ metan är långt potentare än koldioxid. Jag har inga siffror för första året eller liknande, men med tanke på halveringstiden så måste den vara oerhört hög.

[1] Enkelt uttryckt: När molekylen nås av värme börjar den knuffas runt samt vibrera.

[2] Detta sker omedelbart när naturgas bränns.

[3] Vi hör oftast om halveringstid för radioaktiva ämnen, den tid det tar för att hälften av en viss spontan fission skall klinga av.

[4] GWP, Global Warming Potential: https://en.wikipedia.org/wiki/Global_warming_potential

Klimatkänslighet; halten av koldioxid vs. temperatur.

One of the most important numbers in climate science is 3°C. This isn’t about a projection of future warming or the impacts that come with it, though. It’s about how much warming you get if you double the amount of greenhouse gases in the atmosphere. That value can be made more general as a metric known as “climate sensitivity,” which describes how much warming you get for a given amount of emissions. If the number is small, we can burn a lot of fossil fuels with minimal consequences. If the number is extremely high, emissions are extraordinarily dangerous.
Källa: https://arstechnica.com/science/2020/07/huge-climate-sensitivity-study-shrinks-uncertainty-on-critical-number/

Kunskap och förståelse är inte allas mål. En minoritet nöjer sig med att sprida osäkerhet och förvirring.

Växthusgaser består av tre eller flera atomer. De kan ”studsa runt” olika frekvenser av värmestrålning (där temperaturen bestämmer frekvensen) med varierande förmåga. De viktigaste växthusgaserna i troposfären [1] är koldioxid (CO₂), metan (CH₃) och kväveoxid (lustgas, N₂O). När de i samverkan höjer temperaturen ökar atmosfärens förmåga att ta upp vattenånga vilken i sin tur beter sig som en växthusgas.

This number (3°, min anmärkning) is commonly defined against a doubling of the concentration of CO₂ in the air, in part because CO₂’s effect is logarithmic and each doubling is roughly equivalent.

Det blir problem när man väljer koldioxiden som enda representant för växthuseffekten. Metan [2,3] och kväveoxid [4] är långt mer potenta men samtidigt relativt sparsamt förekommande i atmosfären. I helheten utgör metanets bidrag ungefär 20% av växthuseffekten. När metan med tiden oxideras bildas koldioxid och vatten. Kväveoxid tär också på det UV-skyddande ozon-lagret.

Det finns flera faktorer som påverkar uppvärmning och avkylning av Jorden och alla är inte välbeforskade. Av det skälet valde IPCC i sin rapport från 2007 att ange klimatkänsligheten till 1,5 – 4,5°. Målet för forskarna är att minska osäkerheten och den senaste rapporten, AR6, gör det. De anger klimatkänsligheten till 3° och sannolikt (likely) ligger den i intervallet 2° – 4°.

[1] Troposfären varierar i höjd från 9 km vid polerna till 17 km vid ekvatorn. I genomsnitt räknar man med 11 km.

[2] ”The Earth’s atmospheric methane concentration has increased by about 150% since 1750, and it accounts for 20% of the total radiative forcing from all of the long-lived and globally mixed greenhouse gases.^{[10]” Wikipedia}

[3] ”Methane is an important greenhouse gas with a global warming potential of 34 compared to CO₂(potential of 1) over a 100-year period, and 72 over a 20-year period.^[47][48]”

[4] Kväveoxid är upp till 265 gånger så potent som koldioxid med en livstid i atmosfären om 120 år. https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrous_oxide