Klimaendringer – enkelt forklart

KLIMAENDRINGER

– enkelt forklart KLIMAENDRINGER

Anja Røyne

KLIMAENDRINGER

– enkelt forklart

© Universitetsforlaget 2023

ISBN 978-82-15-06150-4

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.

Forfatteren har mottatt støtte fra Det faglitterære fond.

Henvendelser om denne utgivelsen kan rettes til: Universitetsforlaget AS

Postboks 508 Sentrum

0105 Oslo

www.universitetsforlaget.no

Omslag: Maria Hammerstrøm

Omslagsfoto: Kari Margrethe Sabro

Sats: Maria Hammerstrøm

Trykk og innbinding: Aksell

Boken er satt med: 11/13,8 Minion Pro

Papir: 100 g Arctic Matt

Illustrasjoner av Maria Hammerstrøm

1 Introduksjon

Klimaet på jorda er i endring. Menneskeskapte klimaendringer er en av vår tids viktigste utfordringer og påvirker alle deler av samfunnet. Derfor har de fleste av oss behov for kunnskap om klimaproblemet. Målet med denne boka er å gi en konsis og forståelig introduksjon til klimasystemet: de fysiske prosessene som styrer klimaet på jorda. Det vil gi oss en naturvitenskapelig plattform for å forstå årsaker, utfordringer og løsninger når vi står overfor menneskeskapte klimaendringer.

Klimasystemet

De fysiske prosessene i jordas atmosfære, hav, landoverflate og biosfære som bestemmer klimaet på jorda.

Aller først: Hva er klima? En vanlig definisjon er at klima er forventet, eller typisk, vær for et bestemt område. Mens klima kan virke litt abstrakt, har vi alle et forhold til været. Vi kan beskrive været på ett bestemt sted og ved ett bestemt tidspunkt ved hjelp av størrelser som temperatur, skydekke, luftfuktighet, nedbør og vind. Gjennomsnittsverdiene av disse størrelsene over tid, hvordan de varierer med årstidene, og hvor stor variasjon man kan forvente innenfor en årstid, er det som utgjør klimaet i samme område.

Klima

Forventet eller typisk vær i et bestemt område i løpet av året.

Hvorfor skal vi bry oss om klima? Det kan være mange grunner til det, men en viktig grunn er at den infrastrukturen vi som samfunn har bygget opp, og som

sørger for at vi har tilgang på vann, mat og energi, er tilpasset det klimaet vi har i dag. Som oftest er kapasiteten til denne infrastrukturen utnyttet i stor grad for å dekke etterspørselen, og vi har ikke mye å gå på når klimaet endrer seg. Det gjør at selv små endringer i klimaet kan føre til store forstyrrelser i samfunnet, for eksempel når økt nedbør gir oversvømmelser som ødelegger hus og veier. Hva vet vi om klima? Det er fysikkens lover som styrer både vær og klima på jorda, og denne fysikken er godt kjent. De grunnleggende prosessene som bestemmer temperaturen til en planet, har vært studert siden midten av 1800-tallet, og i løpet av 1900-tallet ble det utviklet gode modeller for å forstå de fleste aspektene av klimaet på jorda. Nobelprisen i fysikk i 2021 anerkjente nettopp den solide forståelsen av klimasystemet som forskere kom frem til i løpet av det 20. århundre. Det gjaldt spesielt modeller som beskriver hvordan luftfuktighet og temperaturer fordeler seg oppover i atmosfæren, som vi skal komme inn på i kapittel 4, og metoder for å forstå hvorfor og hvordan klimaet endrer seg mens man tar hensyn til den naturlige variasjonen i været. Naturvitenskapelig klimaforskning er fortsatt et viktig og aktivt fagfelt. Siden de grunnleggende sammenhengene er godt etablert, jobber mange klimaforskere nå med å utforske lokale effekter og konsekvenser av ulike valg vi mennesker kan komme til å gjøre i årene fremover.

I denne boka skal vi bygge opp en grunnleggende forståelse av klimasystemet trinn for trinn. Vi starter med å introdusere noen fysiske begreper, som temperatur, energi og varme, og de fysiske lovene som styrer hvordan varme flyter mellom ulike deler av klimasystemet. Deretter skal vi se på hvordan temperaturen til planeten vår bestemmes av balansen mellom hvor mye stråling jorda får fra sola, og hvor mye stråling planeten sender ut igjen til verdensrommet. Vi skal beskrive hvordan denne temperaturen endres når vi tar med drivhuseffekten, som bestemmes av mengden drivhusgasser i atmosfæren. Så ser vi på hvordan varme fordeler seg i atmosfæren og i havene, og rollen til skyer, støv og is. Når vi kjenner disse grunnleggende prinsippene, kan vi gå videre til å snakke om naturlige og menneskeskapte klimaendringer og hvilke muligheter vi har for å sørge for at også våre etterkommere kan få leve i et behagelig klima. Det skal gå an å forstå boka også for dem som ikke har naturvitenskapelig bakgrunn, eller ikke husker mye av matematikken fra skolen. Allikevel må vi bruke litt matte, spesielt i starten av boka. Hvis du synes at matematikken ser overveldende ut, så gi det en sjanse. Vi tar det steg for steg. Det blir mindre matte senere i boka, der vi ser mer kvalitativt på ulike aspekter av klimasystemet og -problemet.

Eksempel: Litt om matematikken

I denne boka bruker jeg matematikk-notasjon som er vanlig i fysikken. Det betyr at jeg skriver likninger med bokstaver eller symboler. For eksempel kan jeg si at jeg vil finne arealet til jordkloden. Den er formet omtrent som en kule. I utgangspunktet husker jeg ikke hvor stor jordkloden er, så jeg kaller radius, avstanden fra jordas sentrum og ut til overflaten, for rj. Denne bokstaven, eller variabelen, kan jeg bytte ut med tall senere. Det er vanlig å skrive variabler i kursiv slik jeg har gjort her. I tillegg har jeg gitt variablene en liten merkelapp nederst til høyre, bokstaven j for jorda. I denne boka vil små bokstaver eller ord som står nederst til høyre for variablene, være nettopp slike merkelapper.

Jeg slår opp arealet av en kule og skriver ned likningen slik:

Aj = 4π rj 2

Her bruker jeg variabelen Aj for jordas areal. Symbolet π står for tallet 3,14, og 2-tallet øverst til høyre på rj betyr at vi skal gange med rj to ganger. I denne boka er alltid tall øverst til høyre på en variabel en potens, som sier hvor mange ganger variabelen skal ganges med seg selv. Legg merke til at jeg ikke skriver gangetegn mellom elementene i høyre side av likningen. Når det står 4π rj2, betyr det at alle de tre elementene skal ganges med hverandre.

Det er to ukjente i likningen over: jordas areal og jordas radius. Dersom jeg kjenner den ene, har jeg bare én ukjent, og når jeg har én likning og én ukjent, kan jeg regne ut verdien av den ukjente. For eksempel kan jeg slå opp og finne at jordas radius er rj = 6371 km. Det er ofte best å bruke de standardiserte SI-enhetene (for eksempel m, kg og s i stedet for km, tonn og år) i regnestykker, siden det gir mindre mulighet for feil. Derfor gjør jeg om fra km til m og får rj = 6

(106 betyr 1 000 000). Nå kan jeg regne ut arealet til jorda:

Nå er vi klar til å gå løs på klimafysikken, og det første vi skal gjøre, er å se på begrepene energi og varme

2 Energi, temperatur og varme

Dette er en bok om klimaendringer. Ofte omtales de klimaendringene vi opplever i dag, som global oppvarming. Det betyr at temperaturen på planeten vår stiger, og det skyldes at energien i klimasystemet øker fordi jorda mottar mer energi i form av varme enn den sender fra seg.

Fysikkbegrepene energi, temperatur og varme er verktøy vi trenger for å kunne forstå hvordan klimasystemet fungerer. Vi bruker også disse ordene i dagligtalen, men ofte med en betydning som ikke stemmer helt overens med hvordan begrepene er definert i fysikken. Derfor skal vi bruke dette første kapittelet til å gi en introduksjon til energi, temperatur og varme i fysikken. Vi skal også se på hvordan energi kan overføres mellom ulike objekter i form av varme, og innføre begrepet effekt, som forteller hvor fort energien overføres.

Klimasystemet består av ulike stoffer, som befinner seg både i gassform (luft), væskeform (vann) og fast stoff (for eksempel is, jord og stein). Varmeoverføringen mellom de ulike delene av klimasystemet avhenger av egenskapene til disse stoffene. Derfor skal vi også komme inn på begreper som varmekapasitet, som er et mål på hvor mye varme man trenger for å øke temperaturen til stoffet, latent varme, som sier hvor mye varme man trenger for å få et stoff til å smelte eller fordampe, og emissivitet, som forteller hvor mye varmestråling overflaten til stoffet tar opp og sender fra seg. Disse begrepene vil vi få god bruk for i de videre kapitlene i boka.

2.1 Energi

I dagligtalen bruker vi begrepet energi når vi snakker om fysiske fenomener som elektrisitet, oppvarming og drivstoff, men også som et uttrykk for følelser og stemninger. Om du «føler deg full av energi», er du klar til å komme i gang og få utrettet ting. I fysikken handler energi om fysiske størrelser som kan måles og

tallfestes, men betydningen likner vår dagligdagse forståelse: Energi er noe man trenger for å få ting til å skje. For eksempel trengs det energi for å sette bilen i bevegelse, for å få liv i datamaskinen og for å koke opp vann. Det samme gjelder klimaet. Om det blir mer energi i klimasystemet, kan det gi høyere temperaturer, mer nedbør, kraftigere vinder og mer uutholdelige hetebølger. Hvorfor det er slik, skal vi se i de neste kapitlene av boka.

I fysikken er energi en tilstand ved et system eller noe systemet «har». Denne energien kan eksistere i ulike former, for eksempel som bevegelsesenergi, stillingsenergi, termisk energi og kjemisk energi. Du har større bevegelsesenergi når du kjører fort på sykkel enn når du kjører sakte, og du får tilsvarende mer vondt om du faller av sykkelen i stor fart. En vase som står på en hylle høyt oppe, har høyere stillingsenergi enn en som står på det nederste trappetrinnet, og har derfor større risiko for å knuse om den skulle falle ned fra hylla. Den termiske energien i en kopp varm kaffe er større enn i en kopp kaldt vann, og det er mer kjemisk energi i en kopp kakao enn i en kopp sukkerfri te.

Den kanskje viktigste fysikkloven for energi er termofysikkens første lov: Energi kan hverken oppstå eller bli borte. Energi kan bare flytte på seg, eller overføres, fra et system til et annet, og den kan omdannes fra en form til en annen. For eksempel overføres både kjemisk og termisk energi til kroppen min når jeg drikker en kopp varm kakao. Den kjemiske energien i sukkeret i kakaoen kan i neste omgang omdannes til bevegelsesenergi når jeg setter meg på sykkelen og tråkker den i gang.

Måleenheten for energi er joule (J), men ofte brukes også enheten kilowattime (kWh), der 1 kWh = 3,6 · 106 J = 3,6 MJ (se eksempel 2.3).

Energi

«Det som får ting til å skje»

Kommer i ulike former, som for eksempel bevegelsesenergi, stillingsenergi og termisk energi

Måles i joule (J) eller kilowattime (kWh)

Vanlige symboler: E, U

Eksempel 2.1: Vedfyring

Du ankommer hytta en kald vinterkveld. For å få opp varmen fyrer du i vedovnen med tre vedkubber, som du tar fra en kurv ved siden av ovnen. Energiinnholdet i hver vedkubbe er 7,0 MJ (der 1 MJ = 106 J). Hvor mye har energiinnholdet i hytta endret seg når de tre vedkubbene har brent opp?

Gå for enkelhets skyld ut ifra at hytta er perfekt isolert.

Svar: At hytta er perfekt isolert, betyr at det ikke vil strømme energi ut av hytta når du fyrer opp ovnen.

Før du fyrer opp, har de tre vedkubbene 3 · 7,0 MJ = 21 MJ i form av kjemisk energi. Forbrenningen i ovnen gjør at den kjemiske energien omdannes til termisk energi.

Siden energi hverken kan oppstå eller bli borte, og vedkubbene allerede var inne i hytta før du fyrte opp, er den totale mengden energi i hytta konstant mens veden brenner. Imidlertid har mengden kjemisk energi sunket med 21 MJ og mengden termisk energi økt med 21 MJ når vedkubbene er brent opp.

2.2 Temperatur

La oss holde oss på hytta i eksempel 2.1 en stund til. Jo mer av vedens kjemiske energi som omdannes til termisk energi, desto høyere blir temperaturen inne i hytta, og etter hvert kan du ta av deg både lua og ullgenseren. Det vi kaller temperatur, er et direkte mål på den termiske energien til et system, som også kalles følbar varme, fordi vi kan kjenne forskjeller i temperatur.

Dersom vi ønsker å forstå sammenhengen mellom energi og temperatur på et mer grunnleggende nivå, kan vi tenke på at alle objekter består av stoffer som er bygget opp av atomer og molekyler (grupper av atomer som er knyttet tett sammen). Atomene og molekylene beveger seg i forhold til hverandre, enten de farer fritt rundt hverandre i en gass (innelufta), glir forbi hverandre i en væske (vannet i en mugge på kjøkkenbenken), eller bare vibrerer i forhold til naboene sine i et fast stoff (støpejernet i vedovnen). Temperaturen til systemet er bestemt av gjennomsnittsfarten til all denne bevegelsen. Om objektet er blitt så kaldt at alle molekylene står helt i ro, går det ikke an å få temperaturen lavere. Da har objektet nådd «det absolutte nullpunktet».

Termometeret på hytteveggen måler temperaturen ved å utnytte et stoff eller en kombinasjon av stoffer som forandrer seg på en forutsigbar måte når temperaturen endres, vanligvis ved at det utvider seg eller produserer en gitt elektrisk spenning. Siden termometeret er i direkte kontakt med innelufta, vil termometeret etter hvert få samme temperatur som lufta. Da kan vi lese av tempera-

turen til termometeret og bruke det som mål på det vi egentlig er interessert i, nemlig lufttemperaturen. Vanligvis måler vi temperatur i grader celsius (°C), der vann fryser ved 0 °C og det absolutte nullpunktet har temperaturen –273,15 °C.

I regnestykker er det imidlertid ofte bedre å bruke temperaturenheten kelvin. Avstanden mellom hver grad er like stor i begge skalaene, men kelvinskalaen har ikke negative verdier, slik at det absolutte nullpunktet er på 0 K. For å komme fra grader celsius til kelvin må du derfor legge til 273,15. Noen steder i verden oppgis temperaturer i grader fahrenheit, der både frysepunktet, kokepunktet og avstanden mellom hver grad er forskjellig fra celsius-skalaen.

Temperatur

Mål på den termiske energien (følbar varme) til et objekt Måles i celsius, kelvin eller fahrenheit. Det er ekstra viktig å bruke kelvin i regnestykker.

Vanlig symbol: T

Eksempel 2.2: Temperatur

a) Når du ankommer hytta, viser termometeret på veggen 8 °C. Hva er temperaturen i kelvin?

b) Etter tre timers fyring har temperaturen økt med 9 K. Hva er temperaturen da, målt i celsius?

Svar:

a) For å komme fra grader celsius til kelvin må vi legge til 273,15. Siden vi ikke har fått oppgitt temperaturen med desimaler, runder vi av 273,15 til 273. Temperaturen i kelvin er (8 + 273) K = 281 K.

b) Avstanden mellom hver grad er den samme i de to skalaene, så en temperaturøkning på 9 K er det samme som en temperaturøkning på 9 °C. Temperaturen etter fyringen er altså (8 + 9) °C = 17 °C.

2.3 Varme: overføring av energi

I eksempel 2.1 fyrte vi opp i ovnen inne i en kald hytte, som var perfekt isolert. Vi måtte ta det forbeholdet for å forsikre oss om at energien ble værende inne i hytta. I virkeligheten ville dét neppe ha vært tilfellet: Det ville ha strømmet energi gjennom pipa, vinduene og veggene fra den varme hytta til de kalde om-

Klimaendringene er vår tids største utfordring. Vil du forstå årsakene og kunne vurdere mulige løsninger på disse, trenger du grunnleggende kunnskap om de fysiske prosessene som styrer klimasystemet.

Klimaendringer – enkelt forklart bygger opp en naturvitenskapelig forståelse av klimaet steg for steg. I begynnelsen av boken lærer du om viktige fysiske begreper som energi, varme og stråling, og sammenhengene mellom disse. Med de fysiske størrelsene på plass er du rustet til å forstå hvordan jordas temperatur bestemmes av den såkalte strålingsbalansen, hva drivhuseffekten er, og hvilke andre faktorer som må inkluderes i en god klimamodell.

Forfatteren tar for seg både naturlige og menneskeskapte klimaendringer, ulike scenarier og konsekvenser av endringene som skjer nå, samt mulige løsninger og tiltak.

Du trenger ingen naturvitenskapelige forkunnskaper for å lese boken, da alle begreper og utregninger blir enkelt forklart.

Anja Røyne er førstelektor i fysikk ved Universitetet i Oslo. Hun har gitt ut flere bøker tidligere, blant annet Fysikk – enkelt forklart (Universitetsforlaget, 2020).

ISBN 978-82-15-06150-4