Klima, energi og miljø: 3. utgave by Universitetsforlaget

BAKSIDE: 170 MM

HØYDE: 240 MM

Klima, energi og miljø er en lærebok som er skrevet for studenter uten realfaglig fordypning fra videregående skole. Den er brukt som pensum for lærerstudenter og natur- og miljøstudenter, samt i andre videreutdanninger og kurs i klima- og miljøproblematikk. Boka gir en innføring i temaer som globale sirkulasjonsmønstre, drivhusgasser, naturlige klimavariasjoner, menneskeskapte klima endringer, mulige tiltak og fornybare energikilder. Denne tredje utgaven er gjennomgående revidert i henhold til kunnskap, forskning og teknologi som har kommet til siden forrige utgave fra 2015, herunder den siste rapporten fra FNs klimapanel i 2021.

Arne Myhre er tidligere førstelektor ved Universitetet i SørøstNorge, der han underviste i natur-, helse- og miljøvernfag.

Trykklart omslag klima miljo 3utg.indd 1

Klima, energi og miljø ARNE MYHRE

3. UTGAVE

OMSLAG AV STIAN HOLE

ISBN 978-82-15-06055-2

ARNE MYHRE KLIMA, ENERGI OG MILJØ 3. UTGAVE

Menneskeskapte klimaendringer er vår tids største globale utfordring. Hvordan vi håndterer disse i årene som kommer vil påvirke natur, miljø og menneskets vilkår på jorda i generasjoner framover. Det er helt nødvendig med solid faglig kunnskap om hva som styrer klimaprosessene for å ta gode avgjørelser og sette inn effektive tiltak.

FORSIDE: 170 MM

RYGG: 18 MM

10.10.2023 09:24

Klima, energi og miljø

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 1

16.10.2023 10:45

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 2

16.10.2023 10:45

Arne Myhre

Klima, energi og miljø 3. utgave

universitetsforlaget

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 3

16.10.2023 10:45

© H. Aschehoug & Co. (W. Nygaard) AS ved Universitetsforlaget 2023 1. utgave 2008 2. utgave 2015 ISBN 978-82-15-06055-2 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med rettighetshaverne er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning og kan straffes med bøter eller fengsel. Boken er utgitt med støtte fra Kunnskapsdepartementet ved Lærebokordningen for høyere utdanning. Henvendelser om denne utgivelsen kan rettes til: Universitetsforlaget Postboks 508 Sentrum 0105 Oslo www.universitetsforlaget.no

Omslag: Stian Hole Sats: ottaBOK Trykk og innbinding: Aksell AS Boken er satt med: Times New Roman 10/13 og Helvetica Neue Papir: 100 g Arctic Matt

NO - 1470

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 4

16.10.2023 10:45

Forord

Problematikken omkring klimaendringer har blitt stadig mer sentral i samfunnsdebatten. Menneskeskapte klimaendringer er et alvorlig globalt problem, som vil få store negative konsekvenser for kommende generasjoner. Det er lite kunnskaper om dette blant verdens befolkning, og dette gjelder også her i Norge. Undersøkelser viser at en stor andel av Norges befolkning ikke tror på menneskeskapte klimaendringer. Flere mener at det vi opplever nå, er naturlige svingninger. Det som er helt sikkert, er at vår menneskelige aktivitet påvirker atmosfæren, og denne boka gir en samlet framstilling av de største miljøproblemene som er knyttet til denne påvirkningen. Siktemålet er å gi leserne en naturvitenskapelig innføring i både klimarelaterte og andre miljøproblemer. I første og andre utgave av boka ble de tre store miljøproblemene forsterket drivhuseffekt (populært kalt drivhuseffekten), sur nedbør og bakkenær ozon utførlig behandlet. Disse problemene er hovedsakelig en følge av fossil energibruk, men også av andre menneskelige aktiviteter. Sur nedbør har blitt et mindre miljøproblem globalt, og dette er derfor tatt bort i denne utgaven. Noen mindre viktige avsnitt er også trukket ut, mens omtale av solcelleanlegg, litiumionebatterier, hydrogen og ammoniakk er kommet med i tredje utgave. Ozonlaget er viet et eget kapittel. Boka vil altså passe som faglitteratur på høyskoler og universiteter i emner som omhandler disse miljøproblemene. Dessuten vil personer som er opptatt av klima- og miljøproblematikk, og som ønsker å gå i dybden av stoffet, ha stort utbytte av å lese den. Ettersom de to nevnte miljøproblemene er sterkt knyttet til atmosfæren, starter boka med en generell omtale av den. Mange prosesser i atmosfæren er påvirket av stråling, og det er derfor tema for kapittel 2. Troposfærisk ozon nær bakken blir kalt bakkenær ozon, og denne gassen representerer et stort problem som har fått altfor liten oppmerksomhet i miljødebatten. Høye konsentrasjoner av troposfærisk ozon skader miljøet på mange måter, og dette temaet blir behandlet i kapittel 3. For å få innsikt i klimasituasjonen drøfter kapittel 4, 5 og 6 det globale sirkulasjonsmønsteret, meteorologi og naturlige klimavariasjoner. Det sentrale kapittel 7 gir god innsikt i hvordan den forsterkede drivhuseffekten blir behandlet i klimaforskningen. Her kommer det blant annet klart fram at denne effekten ikke er knyttet til et svekket ozonlag.

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 5

16.10.2023 10:45

Forord

Menneskelig aktivitet fører også til utslipp av en rekke ulike gasser og partikler som påvirker klimaet, og disse blir utførlig omtalt i kapittel 8. Den forsterkede drivhuseffekten påvirker natur og miljø på mange måter, og dette kan det leses mer om i kapittel 9. Dette kapittelet gir et bilde av hvordan klimautviklingen mest sannsynlig vil bli med forsterket drivhuseffekt. Her beskrives også de tiltakene som kan motvirke klimaendringene, og i tilknytning til dette er det et avsnitt om Kyoto-protokollen og Paris-avtalen. Ozonlaget er fortsatt ikke friskmeldt, men det har skjedd mye positivt med reduksjon i utslipp av ozonnedbrytende stoffer. Dette kan det leses mer om i kapittel 10. Vår moderne livsstil krever store mengder energi, og klimaproblemene er i stor grad knyttet til at denne energien kommer fra fossile stoffer. De fire siste kapitlene av boka har derfor energi som hovedtema. I kapittel 11 blir energi og energibruk grundig behandlet, og dette inkluderer også grunnleggende fysikkbasert energilære. Dette kapittelet gir innblikk i mulighetene for mer effektiv energibruk og ikke minst kunnskaper om fornuftig bruk av ulike energityper. Kapittel 12, om fornybar energi, beskriver hvordan bioenergi, solenergi, vind energi, bølgeenergi, vannkraft og geotermisk energi kan komme best mulig til nytte, og i tillegg blir fordeler og ulemper ved bruk av disse energiformene vurdert. Deretter følger et kapittel om kjernekraft. Her blir både fusjons- og fisjonskraftverk beskrevet. Som en avslutning blir varmepumper, brenselceller, stirlingmotor, litiumionebatterier, hydrogen og ammoniakk inngående behandlet i det siste kapittelet. Det er mer klimarelatert stoff som gjerne kunne ha vært med i denne boka, men vi har valgt å legge enkelte kapitler, blant annet om avskoging, ferskvannsressurser og befolkningsutvikling, ut på en egen nettside: www.universitetsforlaget.no/klima. På denne nettsiden ligger det også oppgaver med svar for de som vil teste kunnskapene sine. En rekke personer har hjulpet til i arbeidet med den første utgaven av boka. Først rettet jeg en spesiell takk til Bjørn Steen. Han leste gjennom alt stoffet og kom med forslag til rettinger og gode råd. I tillegg hadde han tegnet mange av førsteutkastene til figurene. Jeg takket Terje Berntsen, som var en svært dyktig fagkonsulent, og forlagsredaktør Eli Valheim i Universitetsforlaget for et utmerket samarbeid. Det ble også rettet en takk til Høgskolen i Telemark, Avdeling for allmennvitenskapelige fag i Bø og Institutt for natur-, helse- og miljøvernfag for økonomisk støtte til utgivelsen av boka. Andre bidrog også faglig med ideer og språklig veiledning både til boka og nettsiden. De fortjente takk, og jeg nevnte dem i alfabetisk rekkefølge: Jon Bjones, Ingerid Margrete Klaveness, Synne Kleiven, Karin Brekke Li, Espen Lydersen, Jan Mangerud, Cathrine Lund Myhre, Gunnar Myhre, Trond Myhre, Arvid Odland, Hans Martin Seip, Svein Solberg og Trond Aasland.

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 6

16.10.2023 10:45

Forord

Den andre utgaven var en oppdatering av kunnskapsnivået på de områdene som hovedsakelig er knyttet til global oppvarming. I arbeidet med den utgaven takket jeg først og fremst fagkonsulent Inger Hanssen-Bauer for svært godt utført arbeid. Ellers takket jeg forlagsredaktør Eli Valheim og i hennes fravær Marte Stapnes for et svært godt samarbeid. Det samme var tilfellet med manuskoordinator Hilde Cath. Fjellhøy Haug. Flere bidro både faglig og språklig til denne utgaven. Alle ble takket, og i alfabetisk rekkefølge var disse: Jon Bjones, Iver Boine, Åsmund Børsum, Helge Drange, Hanne Engevik, Else Mari Fauske, Per Jerstad, Cathrine Lund Myhre, Eskild Myhre, Gunnar Myhre, Ingrid P resthagen, Bjørn Steen, Ralph Stålberg og Live Semb Vestgarden. I arbeidet med tredje utgave vil jeg først takke forlagsredaktør Jannicke Bærheim for et utmerket samarbeid. Hennes forståelse og fleksibilitet i min sykdomsperiode har vært helt avgjørende for at tredje utgave har blitt en realitet. I siste del av samarbeidet med forlaget har Hedda Barratt-Due vært til svært god hjelp. Også denne gangen har andre bidratt til utgivelsen, og nevnt i alfabetisk rekkefølge er disse: Per Jerstad, Gunnar Myhre, Trond Myhre, Hans Renssen og Bjørn Steen. I alle bøker vil det forekomme feil, selv med dyktige fagkonsulenter og hjelp fra andre som har lest gjennom stoffet. Denne boka er nok ikke noe unntak. Den kan også inneholde uklare formuleringer og uheldige figurer. Forfatteren oppfordrer derfor leserne til å komme med kommentarer, spørsmål og kritikk til arne-my2@online.no. Til slutt vil jeg rette en stor takk til min kone Eli, som tålmodig har latt meg lese og arbeide med miljøstoff både i ferier og på fritiden gjennom mange år. Bø, september 2023 Arne Myhre

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 7

16.10.2023 10:45

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 8

16.10.2023 10:45

Innhold FORORD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 ATMOSFÆREN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Fordeling av temperatur og trykk i atmosfæren . . . . . . . . . . 1.2 Atmosfærens sammensetning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Levetid og tilpasningstid for gasser i atmosfæren . . . . . . . .

17 17 19 21

2 STRÅLING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Bølger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Elektromagnetiske bølger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Viktige prosesser i atmosfæren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Stråling fra en fast gjenstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Solstråling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Ozonets svekkelse av solstråling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Stråling fra jorda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25 26 28 30 33 36 37 38

3 TROPOSFÆRISK OZON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Oksidanter og nedbrytning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Produksjon av troposfærisk ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Nedbrytning av troposfærisk ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Skader av bakkenært ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Ozonforløperne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Nitrogenoksider (NOx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Karbonmonoksid (CO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 NMVOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43 44 45 49 51 53 53 57 58

4 DET GLOBALE SIRKULASJONSMØNSTERET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Stabil og ustabil luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Lavtrykk og høytrykk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Strålingsbudsjettet for jorda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Et tenkt globalt sirkulasjonssystem i atmosfæren . . . . . . . . 4.5 Corioliskraften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Luftstrømmer rundt lavtrykk og høytrykk . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Det idealiserte globale sirkulasjonsmønsteret i troposfæren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Havstrømmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63 64 66 67 68 68 69

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 9

71 73

16.10.2023 10:45

Innhold

5 METEOROLOGI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Værvarsling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Polarfronten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Sykloner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Konveksjon over land om dagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Inversjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Monsuner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7 Land- og sjøvind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8 Fønvind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9 Nedbør . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.10 Mikroklima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79 79 80 81 84 84 85 87 88 89 90

6 NATURLIGE KLIMAVARIASJONER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Variasjoner i innstrålingen fra sola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Variasjon i jordbanens form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Variasjon i jordaksens helningsvinkel . . . . . . . . . . . 6.1.3 Presesjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.4 Data om klimavariasjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.5 Følsomt klima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.6 Årsak og virkning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Variasjoner i den globale albedoen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Atmosfærisk albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Jordoverflatens bidrag til albedoen . . . . . . . . . . . . . 6.3 Variasjoner i gassinnholdet i atmosfæren . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Variasjoner i utstrålingen fra sola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Solas oppbygging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Energiproduksjon og energitransport i sola . . . . . . . 6.4.3 Solflekker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.4 Solflekker og klima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Vekselvirkninger i klimasystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Den nordatlantiske oscillasjonen (NAO) . . . . . . . . . 6.5.2 ENSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Teori for utvikling av istider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Temperaturutviklingen de siste 10 000 år . . . . . . . . . . . . . .

93 96 97 98 100 103 108 108 109 110 112 113 115 116 117 118 121 122 123 125 129 131

7 DRIVHUSEFFEKTEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Enkel beskrivelse av naturlig og forsterket drivhuseffekt . . 7.2 Den globale energibalansen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Den naturlige drivhuseffekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Forsterket drivhuseffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Toboksmodell for drivhuseffekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Strålingspådriv og klimafølsomhet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7 Tilbakekoblinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

137 137 138 142 143 143 145 147

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 10

16.10.2023 10:45

Innhold

7.8

Globalt oppvarmingspotensial (GWP) og globalt temperaturendringspotensial (GTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

150

8 DRIVHUSGASSER OG AEROSOLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Karbondioksid (CO2) og karbonsyklusen . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Direkte og indirekte målinger av CO2-konsentrasjonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Isotopmålinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.3 Antropogene globale CO2-utslipp . . . . . . . . . . . . . . 8.1.4 CO2-budsjettet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.5 Tilpasningstid for CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.6 CO2 og bilkatalysator for bensinbiler . . . . . . . . . . . 8.1.7 CO2-håndtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.8 Norske CO2-utslipp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Metan (CH4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Direkte luftmålinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Metankilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3 Metanslukene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.4 Levetiden og tilpasningstiden til metan . . . . . . . . . . 8.2.5 GWP til metan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.6 Norske metanutslipp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Lystgass (N2O) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Lystgasskilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Lystgasslukene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.3 Norske lystgassutslipp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Halokarboner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.1 Et tynnere ozonlag virker avkjølende . . . . . . . . . . . 8.4.2 Utfasing av gasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.3 Erstatningsstoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 SF6 og PFK og de totale, norske drivhusgassutslippene . . . 8.6 Klimapåvirkningen av CO, NMVOC og NOx . . . . . . . . . . . 8.7 Troposfærisk ozon som drivhusgass . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.8 Aerosoler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.8.1 Naturlige aerosoler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.8.2 Antropogene aerosoler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.8.3 Aerosoler og strålingsbalansen . . . . . . . . . . . . . . . . 8.9 Alle de effektive strålingspådrivene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.10 Fossile utslippsreduksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

157 159 160 162 164 164 165 167 169 169 171 172 173 173 174 175 176 178 178 179 180 181 183 183 186 187 188 188 189 189 192 192

9 VIRKNINGER OG TILTAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Sannsynlige virkninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Den forsterkede drivhuseffekten er i gang . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Etikk og klimaendringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

195 195 203 209

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 11

155 155

16.10.2023 10:45

Innhold

9.4 9.5 9.6

Virkemidler i klimapolitikken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tiltak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kyoto-protokollen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6.1 Internasjonal kvotehandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6.2 Felles gjennomføring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6.3 Grønn utviklingsmekanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paris-avtalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

211 212 215 215 216 216 217

10 OZONLAGET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Produksjon av stratosfærisk ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Transport av ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Omforming av UV-stråling til termisk energi . . . . . . . . . . . 10.4 Naturlig ozonnedbrytning i stratosfæren . . . . . . . . . . . . . . . 10.5 Menneskeskapt ozonnedbrytning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6 Passive reservoarkomponenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7 Ozonhullet over Antarktis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.8 Ozonhull over Nordpolen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.9 Vulkanutslipp påvirker ozonlaget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.10 Måleresultater av ozon i ozonlaget og totalozon . . . . . . . . . 10.11 Utviklingen av ozonlaget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.12 Skader av et svekket ozonlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

221 221 222 224 224 226 227 228 231 232 232 234 234

11 ENERGI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Energiformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1 Kinetisk energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2 Potensiell energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.3 Kjemisk energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.4 Indre energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Energioverføringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Første energilov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5 Andre energilov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6 Eksergi og anergi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7 Virkningsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8 Energibruk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.9 Global energibruk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.10 Fossil energibruk og sementproduksjon . . . . . . . . . . . . . . . . 11.11 Energibruk i Norge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.12 Energieffektivitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

239 239 239 240 241 241 242 242 243 244 245 246 248 250 253 255 256

12 FORNYBARE ENERGIRESSURSER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 Biomasseproduksjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Skog og CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

259 260 260

9.7

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 12

16.10.2023 10:45

Innhold

12.3 Bioenergi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.1 Ulike typer biobrensler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.2 Vedfyring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.3 Briketter og pellets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.4 Avfallsforbrenning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Solenergi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.1 Solkraftverk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.2 Solceller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.3 Solparker og solcelleanlegg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.4 Enkel soloppvarming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.5 Solvarmeanlegg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.6 Miljøvirkninger ved bruk av solenergi . . . . . . . . . . 12.5 Vindenergi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.1 Vindturbiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.2 Vindkraftverk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.3 Vindenergi i Norge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6 Bølgeenergi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.1 Bølgekraftverk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.2 Bølgeenergi i Norge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7 Vannkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.1 Vannkraft i Norge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.8 Geotermisk energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.8.1 Lavtemperatur geotermisk energi . . . . . . . . . . . . . . 12.8.2 Høytemperatur geotermisk energi . . . . . . . . . . . . . . 12.8.3 Bruk av geotermisk energi globalt og i Norge . . . . . 12.9 Saltkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.9.1 Saltkraftverk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

262 262 263 265 266 266 267 270 274 277 278 282 283 283 286 287 288 289 292 293 295 296 296 297 297 298 298

13 KJERNEENERGI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1 Fusjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Fisjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Kjernekraftverk eller kjerneenergiverk . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.1 Kjernekraftverk med termisk reaktor . . . . . . . . . . . 13.3.2 Kjernekraftverk med hurtige reaktorer . . . . . . . . . . 13.4 Radioaktivt avfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

301 301 304 304 305 306 307

14 EKSEMPLER PÅ BRUK AV ENERGI MED NY TEKNOLOGI . . . . . . . . . . 14.1 Varmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.1 Virkemåten til ei varmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.2 Varmepumper i Norge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2 Brenselceller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3 Stirlingmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4 Litiumionebatterier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

313 313 314 316 318 321 323

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 13

16.10.2023 10:45

Innhold

14.4.1 Bruk av litiumionebatterier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.5 Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.5.1 Produksjon av grønt hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.5.2 Produksjon av blått og grått hydrogen . . . . . . . . . . . 14.5.3 Bruk av hydrogen i industrien . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.5.4 Bruk av hydrogen og ammoniakk som energibærere i transportsektoren . . . . . . . . . . . . . . .

324 325 325 326 327

TILLEGG A VIKTIGE STØRRELSER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

329

TILLEGG B ORDLISTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

334

TILLEGG C REFERANSER OG LITTERATUR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

346

STIKKORD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

355

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 14

327

16.10.2023 10:45

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 15

16.10.2023 10:45

En atmosfære i forandring.

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 16

Foto: Scandinavian Stock Photo/Nancy Dresse

16.10.2023 10:45

1 Atmosfæren

Atmosfæren består av det tynne gasslaget omkring jordoverﬂaten. Presser vi hele atmosfæren sammen til den får samme trykk og temperatur som ved havnivået, vil høyden på laget bli bare ca. 8 km. I masse svarer dette til et vannlag på 10 m eller et granittlag på omkring 3,5 m. Atmosfærens sammensetning og egenskaper er viktige for alt liv på jorda. Den øvre atmosfæren skjermer oss mot farlig stråling fra sola og universet, og noen gasser som finnes i små konsentrasjoner, er viktige for temperaturen på jorda. For å kunne beskrive atmosfærens fysiske og kjemiske egenskaper må vi kjenne temperaturen T, trykket p og massetettheten d som funksjoner av høyden. I tillegg må vi vite hvilke gasser den består av.

1.1

Troposfæren Værsonen Tropopausen

Stratosfæren ligger over tropopausen

Fordeling av temperatur og trykk i atmosfæren

Atmosfæren deles inn i flere høydeområder. Denne inndelingen er bestemt av temperaturvariasjonene oppover i atmosfæren, slik det er vist i figur 1.1. I den nederste delen av atmosfæren faller temperaturen med høyden, og dette laget kalles troposfæren eller værsonen. I store områder i atmosfæren er det et skarpt temperaturskille på toppen av troposfæren. Dette skillet blir kalt tropopausen. Figuren viser et gjennomsnitt av temperaturprofilen rundt tropo pausen. Jordoverflaten har i gjennomsnitt en temperatur på i underkant av 15 °C eller 288 K, og tropopausen med en gjennomsnittshøyde på 11 km har gjennomsnittstemperaturen −57 °C. I troposfæren avtar derfor temperaturen i gjennomsnitt med ca. 0,65 °C per 100 m. Temperaturnedgangen skyldes i hovedsak at troposfæren får det meste av solenergien via jordoverflaten. Over polområdene avtar temperaturen oppover til om lag 9 km, men over ekvator kan dette fortsette til en høyde på ca. 17 km. Disse høydene varierer litt med årstidene. Troposfæren har omtrent 90 % av all massen i atmosfæren, og det er den som inneholder nesten all vanndamp, skyer og nedbør. Det skjer ofte en omrøring av lufta i troposfæren, og den er karakterisert ved en sterk vertikal blanding. Vi sier at lufta er ustabil. Omrøringen kommer i stand når temperaturen faller tilstrekkelig raskt oppover i troposfæren. Dette er fenomener som er viktige for værsituasjonen.

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 17

16.10.2023 10:45

1818

1 Atmosfæren

160 140

Høyde (km)

120 100 Mesopause

Mesosfære

Stratopause 40 Stratosfære 20

Tropopause Troposfære 100

200

300

400

500

600

700

Temperatur (K) Figur 1.1 Atmosfæren med navnet på de ulike lagene. Figur 1.1 Atmosfæren med navnet på de ulike lagene.

Stratosfæren Stratosfæren ligger over troposfæren Ozonlaget

Stratosfæren Ozonlaget

Mesosfæren

Absorpsjon Mesosfæren

Absorpsjon

og det er den som inneholder nesten all vanndamp, skjer Over tropopausen kommer et høydeområde oppskyer til ca.og50nedbør. km derDet temperatuofte ren en omrøring av lufta i troposfæren, og den er karakterisert ved en sterk I stiger med høyden, og denne delen av atmosfæren kalles stratosfæren. vertikal blanding. Vi sier at lufta er ustabil. Omrøringen kommer i stand når stratosfæren ligger ozonlaget. Temperaturøkningen skyldes at det meste av temperaturen faller tilstrekkelig raskt oppover i troposfæren. Dette er fenomener UV-strålingen fra sola blir tatt opp i ozonlaget. Denne temperaturprofilen som er viktige for værsituasjonen. medfører svært stabil luft med lite vertikal blanding. Luft kan derfor bruke Over tropopausen opp til visse ca. 50deler km hvor temperaomkring ett år påkommer å flytte et seghøydeområde vertikalt gjennom av stratosfæren. turenStratopausen stiger med høyden, ogpå denne delen av atmosfæren kalles stratosfæren. er toppen stratosfæren. Under stratopausen finner vi omI lag stratosfæren ligger ozonlaget. Temperaturøkningen skyldes at det meste av UV99,9 % av all massen i atmosfæren. strålingen fra sola blir tatt opp i ozonlaget. Denne temperaturprofilen medfører Av figuren ser vi at mesosfæren strekker seg fra stratopausen og oppover til svært luft lite høydeområdet vertikal blanding. Luft kan derfor igjen, bruke og omkring ett ca.stabil 80–90 km.med I dette synker temperaturen mesopausen, år påsom å flytte seg vertikalt gjennom stratosfæren. I troposfæren og stratosfæren er toppen av mesosfæren, er det kaldeste området i atmosfæren. Videre finner vi om lag 99,9 % av all massen i atmosfæren. Stratopausen toppen på oppover stiger temperaturen på nytt gjennom termosfæren. er Oppvarmingen stratosfæren. skyldes at nitrogen og oksygen absorberer UV-stråling. Absorpsjon betyr Av figuren vi at2.3). mesosfæren strekker seg fra stratopausen og oppover opptak (seser avsnitt til ca. 80–90 km. I dette synker temperaturen og mesoEn annen inndelinghøydeområdet av de øvre atmosfæriske områdene igjen, tar hensyn til andre pausen, som er toppen av mesosfæren, er det kaldeste området i atmosfæren. egenskaper ved atmosfæren. Fra ca. 70 til 400 km er det et lag med frie elektroVidere på ny atomer temperaturen gjennom Oppvarminneroppover og en godstiger del ladede og molekyler, ogtermosfæren. dette laget kalles ionosfæren. gen Gasser skyldessom at nitrogen ogladede oksygen absorberer UV-stråling. Absorpsjon betyr og består av partikler, kalles plasma. Det er solstrålingen opptak (se avsnitt 2.3).

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 18

16.10.2023 10:45

1.2 Atmosfærens sammensetning

Grenselaget

Lufttrykket

Lufttrykket avtar med høyden

kosmisk stråling som produserer plasmaet. Denne delen av atmosfæren er viktig for radiosamband og navigasjon. Den nederste delen av troposfæren er direkte påvirket av jordoverflaten, og denne delen av atmosfæren blir kalt grenselaget eller atmosfærens grenselag. Luftstrømmene blir bremset opp av friksjonen mot jordoverflaten. Mellom jordoverflaten og grenselaget foregår det også utveksling av energi, partikler og fuktighet. Tykkelsen på grenselaget kan variere fra noen få titalls meter til om lag 2 km. Vanligvis regner vi tykkelsen til å være 1,5 km. Grenselaget er oftest tynnest om natten når det er en svak varmestrøm mot bakken med en lavere temperatur. Forurensningsgasser blandes raskt i dette laget, men de har ofte vanskelig for å trenge gjennom toppen av grenselaget. Atmosfæren mellom grenselaget og tropopausen kalles den frie troposfæren eller den frie atmosfæren. Lufttrykket på et sted i atmosfæren er lik tyngden per areal av ei vertikal luftsøyle over stedet og ut til atmosfærens yttergrense. Flytter vi oss oppover, blir det mindre luft over oss. Tyngden av luftsøyla per areal over oss vil derfor avta, og lufttrykket synker med økende høyde. Det avtar tilnærmet eksponentielt med høyden opp til ca. 100 km. Over denne høyden er trykkreduksjonen mindre. Det gjennomsnittlige lufttrykket ved havoverflaten er 1013 hPa. En generell regel er at lufttrykket avtar med 1 hPa på 8 m. Beveger vi oss ca. 5 km vertikalt oppover i atmosfæren, blir lufttrykket om lag halvert. Massetettheten til luft minker når trykket avtar, men den øker når temperaturen synker. Vi har sett at både trykket og temperaturen avtar med økende høyde i troposfæren, men trykkreduksjonen har størst betydning, og massetettheten avtar også tilnærmet eksponentielt med høyden i troposfæren.

1.2

Atmosfærens sammensetning

Atmosfæren er for det meste en blanding av nitrogen og oksygen. Molekylene til disse gassene dominerer og utgjør til sammen omkring 99 % av alle luftmolekylene i tørr luft. Molbrøken for nitrogen er 78,08 %, og for oksygen er den 20,95 %. Det er alltid en varierende vanndampmengde i atmosfæren. Over fuktige og varme områder kan den være 3–4 %, men over ørkenområder er lufta nesten uten vanndamp. Et vanlig vanndampinnhold er ca. 1 %. Vanndampmengden blir derfor holdt utenfor når molbrøken til de andre gassene blir angitt. Alt vannet i atmosfæren i form av vanndamp, skydråper og nedbør svarer til et vannlag på ca. 2,5 cm rundt hele jordoverﬂaten. Sammensetningen av en tørr troposfære er vist i tabell 1.1. I tillegg til disse gassene er det en rekke andre gasser som finnes i ytterst små mengder. Edelgassene argon, neon, helium, krypton og xenon er svært stabile, og de reagerer ikke med andre gasser og påvirker heller ikke energibalansen i atmosfæren.

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 19

16.10.2023 10:45

1 Atmosfæren

I den tidligste atmosfæren etter at jorda ble dannet for om lag 4,6 milliarder år siden, var det ikke ozon. Ozon produseres av oksygen, og dette var en gass som det fantes svært lite av i den unge jordatmosfæren. Senere, for minst 3,8 milliarder år siden, utviklet livet seg på jorda. Dette må ha skjedd i havet fordi landjorda var bestrålt av farlig UV-stråling. De øvre vannmassene i havet stopper en del av denne strålingen. Tabell 1.1 Molbrøken for gasser i tørr luft i troposfæren i 2020

Type gass Nitrogen Oksygen Argon Neon Helium Krypton Xenon Hydrogen Karbondioksid Metan Lystgass Ozon Karbonmonoksid Ammoniakk KFK-11 KFK-12

Kjemisk formel N2 O2 Ar Ne He Kr Xe H2 CO2 CH4 N2O O3 CO NH3 CFCl3 CF2Cl2

Molbrøken i 2020 78,08 % 20,95 % 0,93 % 16 ppm 5,2 ppm 1,1 ppm 80 ppb 0,58 ppm 412 ppm 1866 ppb 333 ppb 52 ppb 70–90 ppb 1 ppb 225 ppt 500 ppt

Etter hvert utviklet det seg alger med fotosyntese, og i denne prosessen ble det brukt karbondioksid og produsert oksygen. Når algene døde og ble brutt ned, foregikk noe av dette ved havbunnen med svært lite oksygenforbruk. Algene ble derfor i løpet av sin totale livssyklus nettoprodusenter av oksygen og nettoforbrukere av CO2 i atmosfæren. På denne måten har oksygenmengden i atmosfæren bygd seg opp samtidig som det ble produsert mer og mer ozon. Da ozonlaget var tykt nok, kunne en del av organismene ﬂytte opp fra havet, og livet kunne utvikle seg også på landjorda. I dag sender vi mennesker ut gasser som reduserer ozonmengden i ozonlaget. Noen av disse er kunstige gasser som aldri tidligere har vært i naturen. Tilstanden til ozonlaget blir grundig beskrevet i kapittel 10.

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 20

16.10.2023 10:45

1.3

Forsterket drivhuseffekt, sur nedbør og for høye verdier av bakkenær ozon

Levetiden

Vår menneskelige aktivitet, som brenning av kull, olje og gass, påvirker også atmosfæren på andre måter. Den fører til at innholdet av ﬂere gasser og partikler øker i atmosfæren. Dette gir oss blant annet de tre store miljøproblemene forsterket drivhuseffekt, sur nedbør og for høye verdier av bakkenær ozon. Kull, olje og gass kalles for fossile stoffer.

1.3

Sluk

Levetid og tilpasningstid for gasser i atmosfæren

Atmosfæren fungerer som et lager for flere typer gasser. Det finnes flere prosesser som fjerner gassmolekyler fra atmosfæren. Mange av gassene blir brutt ned i kjemiske reaksjoner, eller de blir tatt opp av vegetasjonen, jordsmonnet, nedbøren eller vannflater. Sluk er et fellesnavn for slike prosesser. Ofte er det flere sluk som er med på å fjerne en gass. Hvor fort fjerningen skjer, varierer med typen sluk. Vi skal ta for oss det tilfellet at det fjernes like mye av en type gass som det tilføres atmosfæren per tid. Atmosfæren inneholder derfor en konstant masse av denne gasstypen. Det viser seg at det er en viss spredning i hvor fort de opprinnelige gassmolekylene skiftes ut med nye molekyler. I denne sammenhengen er levetiden en viktig størrelse. Levetiden er gjennomsnittlig tid en gass er i atmosfæren. For å få mer innsikt i begrepet levetid må vi ty til litt matematikk. Et sluk starter med gassmasse mo ved tiden t = 0. Massen som fjernes fra atmosfæren per tid mʹ, er proporsjonal med massen m som til enhver tid er igjen av den opprinnelige gassen. Dette gir differensiallikningen mʹ = −k · m, som har løsningen m = m0 · e–kt. k er en karakteristisk størrelse for sluket. Det kan vises at levetiden t er bestemt av likningen –kt = –1, som gir t =1/k. Etter levetiden er det igjen e-1 % = 37 % av den opprinnelige gassen i atmosfæren. Gassmassen reduseres eksponentielt med tiden, og figur 1.2 viser et eksempel på dette. Vi ser at gassen aldri blir helt borte. Det er viktig å merke seg at leve tiden ikke er avhengig av tilført masse. Fjernes en gass med flere sluk, må levetiden for hver av slukene beregnes og deretter kobles sammen. Alle utregningene av levetider tar utgangspunkt i tilsvarende likning som ovenfor, men med k-verdier som passer for sluket. Ved beregning av levetiden til gassene i atmosfæren tas det altså ikke hensyn til at slukene blir påvirket av størrelsen på massen som fjernes. Imidlertid er det flere sluk som påvirkes av massestørrelsen. For å få en bedre tilpasset tid for sluket justeres det med massekorreksjon, og denne tiden kalles for tilpasningstiden. Tilpasningstiden er tiden det tar før det er 37 % igjen av massen

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 21

16.10.2023 10:45

1 Atmosfæren Massen m M0 = 1000 tonn

1000 tonn · 37 % = 37 tonn

Levetid

Tid

Figur 1.2 Endringen i masse med tiden i atmosfæren med bare ett sluk som ikke

er avhengig av tilført masse.

Tilpasningstiden er vanligvis ulik levetiden

med massekorreksjon etter et gassutslipp. Denne definisjonen gjelder også for andre partikler enn gasser i atmosfæren. Fjerningen av metan fra atmosfæren skjer hovedsakelig med ett dominerende sluk, og kurven for massen ved nedbrytingen har omtrent samme form som i figur 1.2. Økes utslippene av metan, reduseres nedbrytningsfarten. Tilpasningstiden på om lag 12 år er derfor lengre enn levetiden på ca. 9 år. For lystgass er det motsatt, og i dette tilfellet øker nedbrytningsfarten med økende tilførsel av gassen. Både levetid og tilpasningstid blir beregnet for en god del gasser i atmosfæren. Beregninger av tilpasningstiden for CO2 i atmosfæren er kompliserte. Flere sluk virker samtidig over ulike tidsskalaer. Resultater av ﬂere beregninger med klimamodeller er vist i figur 1.3. I dette tilfellet er formen på kurven for nedgangen i massen ganske forskjellig fra kurven i figur 1.2. Figuren viser hvordan prosentandelen av pulstilført CO2 som er igjen i atmosfæren, varierer med tiden. Vi ser at tilpasningstiden varierer med størrelsen på pulstilførselen. De blå kurvene er gjennomsnittsverdier for disse resultatene med et pulsutslipp på 100 PgC = 100 milliarder tonn C. Den venstre delen viser dette i løpet av hundre år, og den høyre delen fram til tusen år. De røde kurvene viser tilsvarende prosentandelen CO2 som er igjen i atmosfæren etter et pulsutslipp på 5000 PgC = 5000 milliarder tonn C. De fargelagte områdene omkring kurvene viser usikkerheten i resultatene. Det minste pulsutslippet ligger nærmest dagens utslipp. Med et slikt pulsutslipp er tilpasningstiden om lag 70 år med et usikkerhetsområde fra 40 til 150 år. Figuren viser at med dette pulsutslippet vil det etter tusen år fortsatt være om lag 15 % igjen av denne gassen i atmosfæren.

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 22

16.10.2023 10:45

Levetid og tilpasningstid for gasser i atmosfæren Andelen CO2 som er igjen i atmosfæren (%)

1.3

100 100 PgC 5000 PgC

80 60 40 20

100

200

400

600

800

1000

År etter CO2-pulsutslippet Figur 1.3 Prosentandelen av CO2 som er igjen i atmosfæren, etter et CO2-pulsutslipp.

Kilde: IPCC (2013).

Med et pulsutslipp på 5000 milliarder tonn C vil det være igjen så mye som 40 % av gassen i atmosfæren etter tusen år. Det er spesielt vanskelig å beregne tilpasningstiden for CO2. Dette skyldes at det til stadighet blir utvekslet CO2-molekyler mellom atmosfæren, vegetasjonen, vannﬂater og jordsmonnet. For eksempel kan en del CO2-molekyler bli tatt opp i vegetasjonen ved fotosyntesen, men samtidig kan andre molekyler bli avgitt ved celleånding. Det foregår heller ikke kjemisk nedbrytning av CO2 i atmosfæren, og sluttlageret for CO2 er i form av karbonat under havbunnen. Prosessene som fører fram til karbonat, går svært langsomt.

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 23

16.10.2023 10:45

Både sola sola og ogjorda jordasender senderututstråling. stråling

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 24

Foto:Scandinavian ScandinavianStock StockPhoto/David Photo/David Jones Jone Foto:

16.10.2023 10:45

2 Stråling

Høyere temperatur

Kortbølget stråling

Solstrålingen driver vær og klima

Reﬂeksjon Absorpsjon

Vi vet at strålingen fra sola varmer på samme måte som strålingen fra en varm ovn. En kald ovn sender også ut stråling, men den merker vi ikke. Alle gjenstander sender ut stråling, og dette gjelder derfor også både jorda og sola. Så kan vi stille oss spørsmålet hvorfor vi kjenner solstrålingen, men ikke strålingen fra den kalde ovnen. Dette skyldes at det er mer energi i strålingen fra sola enn fra den kalde ovnen. Grunnen til dette er at sola har høyere temperatur. Desto høyere temperatur en gjenstand har, desto mer energirik er strålingen som blir sendt ut. All slik stråling består av bølger med varierende bølgelengde. Hver gjenstand sender ut bølger med mange forskjellige bølgelengder. Stiger temperaturen i gjenstanden, domineres den utsendte strålingen av kortere og kortere bølgelengder. Kortbølget stråling er altså energirik. I det følgende skal vi ta for oss solstrålingen og strålingen fra jorda. Sola har så høy overﬂatetemperatur som litt i underkant av 5800 K, og den sender derfor ut kortbølget og energirik stråling. Noe av denne strålingen kan vi mennesker se, men den ligger innenfor et forholdsvis smalt bølgelengdeområde. Noe av energien i den synlige strålingen fra sola er drivkraften bak fotosyntesen i planter med klorofyll. Livet på jorda er derfor helt avhengig av strålingen fra sola. Den farlige UV-strålingen fra sola har kortere bølgelengder enn det synlige lyset og inneholder derfor mer energi. Når slik energirik stråling treffer et molekyl, kan molekylet bli spaltet i to deler. Dette kan sammenliknes med en geværkule som slår i stykker en gjenstand. I atmosfæren kan slike spaltinger gi opphav til svært reaktive stoffer. På denne måten er sollyset delaktig i prosessene som renser atmosfæren for skadelige stoffer, men sollyset kan også starte prosesser som bygger opp nye stoffer i atmosfæren. Produksjon av ozon i troposfæren er et eksempel på dette som begynner med at sollyset spalter en nitrogenholdig gass, se avsnitt 3.2. Solstrålingen er også energikilden som driver været og klimaet på jorda. Litt over halvparten av denne strålingen som passerer toppen av atmosfæren, treffer jordoverﬂaten. Mye av strålingen blir altså stoppet på vei nedover gjennom atmosfæren. Skyene, molekylene og andre partikler i atmosfæren sender en god del av solstrålingen tilbake til universet. Dette kalles refleksjon, og reflektert stråling gir ingen oppvarming. Noen molekyler kan imidlertid ta opp bølger med bestemte bølgelengder i solstrålingen, og dette kan resultere i absorpsjon eller spredning. Disse to prosessene blir utførlig omtalt i avsnitt 2.3. Den absorberte

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 25

16.10.2023 10:45

Drivhusgassene

Stråling

energien medfører at atomene i molekylene får større fart og svinger kraftigere med økt bevegelsesenergi, og dette varmer opp atmosfæren. Ved å sammenlikne måleresultater av solstrålingen på toppen av atmosfæren og ved bakken kan vi se hvilke bølgelengder i solstrålingen som blir absorbert i atmosfæren. Dette viser at vanndamp, CO2 og ozon bidrar mest til absorpsjonen, og dette virker oppvarmende på atmosfæren. En varmere atmosfære sender ut mer stråling enn en atmosfære uten denne absorpsjonen. Jorda sender ut usynlig stråling av samme type som solstrålingen, men ettersom jorda har en middeltemperatur på i underkant av 15 °C, er dette langbølget stråling. Litt upresist kan vi si at denne strålingen har bølger med bølgelengder som er om lag 30 ganger lengre enn bølgelengdene i solstrålingen. Den langbølgede strålingen fra jorda er derfor mindre energirik enn solstrålingen. Bølger med bestemte bølgelengder i strålingen fra jorda på vei ut mot verdensrommet blir stoppet og absorbert av gassmolekyler og skyer i atmosfæren. Denne absorpsjonen sammen med andre prosesser fører også til oppvarming av troposfæren. Disse gassene, som kan absorbere langbølget stråling med bestemte bølgelengder fra jordoverﬂaten, er sentrale i klimasammenheng. Som du kanskje allerede har mistanke om, er dette drivhusgassene. Drivhusgassenes evne til å absorbere langbølget stråling er helt sentral i drivhuseffekten. Vanndamp og skyer bidrar mest til absorpsjonen av strålingen fra jorda. Hvilke bølgelengder de ulike drivhusgassene kan absorbere, kan beregnes ut fra kvantemekanikk. Dette er ikke bare ren teori, for denne absorpsjonen kan påvises ved målinger. Fra satellitter er det foretatt målinger av strålingen fra atmosfæren på vei ut mot verdensrommet. Målingene viser at det er mye mindre av den strålingen med bølgelengder som drivhusgassene kan absorbere, og det er fullt samsvar mellom teori og målinger. Dette blir grundigere gjennomgått i kapittel 7. For å få bedre innsikt i noen av disse aktuelle strålingsfenomenene må vi gå nærmere inn på hva denne typen stråling er. Dette er stråling som vi kaller elektromagnetisk stråling eller elektromagnetiske bølger. Vi sier også at radioaktive stoffer sender ut stråling, men her er det bare gammastråling som er elektromagnetisk stråling. Det andre som blir sendt ut fra radioaktive stoffer, er massepartikler. Radioaktiv stråling blir ikke behandlet i dette kapittelet, men denne typen stråling kommer vi litt tilbake til i kapittel 14. Synlig lys, røntgenstråling, radiobølger og TV-bølger er andre eksempler på elektromagnetisk stråling. Disse skiller seg fra hverandre ved at de har forskjellige bølgelengder. Synlig lys har bølgelengder fra ca. 380 nm til ca. 780 nm. Alle elektromagetiske bølger har lysfarten c = 3,0 · 108 m/s i vakuum.

2.1

Bølger

For å få et bilde av hvordan elektromagnetiske bølger oppstår, kan vi sammenlikne dette med en person som svinger en tauende vertikalt opp og ned.

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 26

16.10.2023 10:45

Synlig lys har bølgelengder fra ca. 380 nm til ca. 780 nm. Alle elektromagnetiske 8 bølger bølger har har lysfarten lysfarten cc = = 3,0 3,0 ·· 10 108 m/s m/s ii vakuum. vakuum.

2.1 Bølger

Bølgelengden Bølgelengden Bølgelengden

2.1 åå Bølger 27 For få For få et et bilde bilde av av hvordan hvordan elektromagnetiske elektromagnetiske bølger bølger oppstår, oppstår, kan kan vi vi samsammenlikne menlikne dette dette med med en en person person som som svinger svinger en en tauende tauende vertikalt vertikalt opp opp og og ned. ned. Den andre enden av tauet er festetfast fasttiltilen envegg, vegg, slik slik det ervist vistii figur figur 2.1. 2.1. Den andre enden av tauet er festet som Den andre enden av tauet er festet fast til en vegg, slik som vist i figur 2.1. I første omgang kan vi tenke oss at personen svinger tauet i en bestemt takt. II første første omgang omgang kan kan vi vi tenke tenke oss oss at at personen personen svinger svinger tauet tauet ii en en bestemt bestemt takt. takt. Håndbevegelsene til personen får tauet til å svinge opp og ned. Det oppstår en en Håndbevegelsene til til personen personen får får tauet tauet til til åå svinge svinge opp opp og og ned. ned. Det Det oppstår oppstår Håndbevegelsene en bølgebevegelse som frakter energi fra personen bortover tauet. Før vi går videre, bølgebevegelse bølgebevegelse som som frakter frakter energi energi fra fra personen personen bortover bortover tauet. tauet. Før Før vi vi går går videre, videre, måvividefinere definerenoen noenviktige viktigestørrelser. størrelser. Bølgelengden Bølgelengden λλ til til en en bølgebevegelse er må bølgebevegelse må vi definere noen viktige størrelser. Bølgelengden λ til en bølgebevegelse er er avstanden mellom to nabotopper. Den er vist i figur 2.2. avstanden avstanden mellom mellom to to nabotopper. nabotopper. Den Den er er vist vist ii figur figur 2.2. 2.2.

Figur et 2.1 Bølger på et tau. Figur Figur 2.1 2.1 Bølger Bølger på på et tau. tau.

λλ

Figur 2.2 Bølgelengden mellom to nabotopper. Figur Figur 2.2 2.2 Bølgelengden Bølgelengden mellom mellom to to nabotopper. nabotopper.

Svingetiden Svingetiden Svingetiden

Nårpersonen personen harført ført håndafra fra toppen til til bunnen og og tilbake til til toppen, har har han Når Når personen har har ført hånda hånda fra toppen toppen til bunnen bunnen og tilbake tilbake til toppen, toppen, har han han utført en hel svingning. Tiden som ei hel svingning tar, blir kalt svingetiden, eller utført ei hel svingning. Tiden som ei hel svingning tar, blir kalt svingetiden, eller utført ei hel svingning. Tiden som ei hel svingning tar, blir kalt svingetiden, eller perioden T.. Mens Mens personen utfører utfører ei hel hel svingning, vil vil et vilkårlig vilkårlig punkt på på perioden perioden T T . Mens personen personen utfører ei ei hel svingning, svingning, vil et et vilkårlig punkt punkt på bølgensvinge svinge isamme sammetakt taktsom sombølgekilden bølgekilden og og dermed dermed utføre utføre ei ei hel hel svingning. svingning. bølgen bølgen svinge ii samme takt som bølgekilden og dermed utføre ei hel svingning. I løpet av denne tiden har bølgen flyttet seg en bølgelengde mot høyre. Vi er er nå nå løpet av av denne denne tiden tiden har har bølgen bølgen flyttet flyttet seg seg en en bølgelengde bølgelengde mot mot høyre. høyre. Vi Vi II løpet er nå i stand til å sette opp et uttrykk for bølgefarten v til bølgen. Bølgen flytter seg ii stand stand til til åå sette sette opp opp et et uttrykk uttrykk for for bølgefarten bølgefarten vv til til bølgen. bølgen. Bølgen Bølgen flytter flytter seg seg enbølgelengde bølgelengdeλλiiløpet løpetav avtiden tidenTT,, og og dette dette gir gir vv = = λ/T eller en λ/T eller en bølgelengde λ i løpet av tiden T , og dette gir v = λ/T eller · λ... vvv= ·· 1/T == λ λ1/T 1/T

Frekvensen Frekvensen Frekvensen

(1)

(1) (1)

En og ii mange Enannen annenviktig viktigstørrelse størrelseer frekvensenf En annen viktig størrelse ererfrekvensen frekvensen ff,,, og mange sammenhenger sammenhenger er er det det mer mer fordelaktig å uttrykke v med f enn T . Frekvensen til en bølgekilde er antall hele fordelaktigååuttrykke uttrykkevvmed medff enn T T.. Frekvensen fordelaktig Frekvensen til en bølgekilde er antall hele

svingninger per tid. I vårt tilfelle er det personen som lager bølgebevegelsen, og som er en svinge- eller bølgekilde. Et vilkårlig punkt på bølgen svinger imidlertid med samme frekvens som bølgekilden, og bølgen må ha samme frekvens som bølgekilden. Vi skal benytte oss av en enkel sammenheng mellom T og f. Gjør et svingende system n hele svingninger i løpet av tiden t, så er perioden T = t/n.

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 27

(2)

16.10.2023 10:45

Stråling

Frekvensen er antall hele svingninger n per tid t, og dette gir f = n/t.

(3)

Av (2) og (3) får vi f · T = t/n · n/t = 1 eller f = 1/T.

(4)

Bruker personen 0,50 s på ei hel svingning, utfører han to hele svingninger i løpet av 1,0 s. Frekvensen er f = 2,0 1/s. Enheten for frekvens er 1/s = Hz, som uttales hertz. Ved å kombinere (1) og (4) får vi den viktige sammenhengen v = fλ.

(5)

Figur 2.3 Høyere frekvens og kortere bølgelengde.

Farten som en bølgebevegelse brer seg med, er altså produktet av frekvensen og bølgelengden. Bølgefarten er avhengig av mange faktorer, men for et bestemt tau med konstant stramming er den alltid den samme. Dersom personen svinger tauet med en lavere frekvens, må bølgelengden bli lengre for at farten skal være den samme. I figur 2.3 har bølgen kortere bølgelengde enn i figur 2.2, fordi frek vensen er høyere. Svinger personen tauenden med en høyere frekvens, bruker han mer energi, og mer energi blir overført til bølgebevegelsen langs tauet.

2.2

Elektromagnetiske bølger

Tar vi en ladet partikkel og svinger den opp og ned med en bestemt frekvens på tilsvarende måte som personen svinger tauenden, blir det sendt ut elektromagnetiske bølger med samme frekvens som bølgekilden. Ved en slik svingebevegelse forandrer partikkelen hele tiden farten. Forandring av fart per tid er akselerasjon, og slike bølger oppstår når ladede partikler er akselerert. Øker vi frekvensen ved å svinge ladningen raskere, blir det sendt ut mer energirik stråling på samme måte som personen tilfører bølgebevegelsen mer energi ved å øke frekvensen. Men hva er det som svinger i slike bølger? Når bølgebevegelsen brer seg bortover tauet, er det jo selve tauet som svinger. I en elektromagnetisk

9788215060552_Myhre_Klima energi og miljø 3 utgave 210923.indd 28

16.10.2023 10:45

BAKSIDE: 170 MM

HØYDE: 240 MM

Arne Myhre er tidligere førstelektor ved Universitetet i SørøstNorge, der han underviste i natur-, helse- og miljøvernfag.

Trykklart omslag klima miljo 3utg.indd 1

Klima, energi og miljø ARNE MYHRE

3. UTGAVE

OMSLAG AV STIAN HOLE

ISBN 978-82-15-06055-2

ARNE MYHRE KLIMA, ENERGI OG MILJØ 3. UTGAVE

FORSIDE: 170 MM

RYGG: 18 MM

10.10.2023 09:24