Jeg har fått en lengre epost om et av mine tidligere oppslag om drivhuseffekt. Det interessante med uvante spørsmål er at man tvinges til å tenke på nytt, men det er også krevende. Jeg har derfor brukt en del ressurser på å trenge inn i denne materien, og har derfor valgt å svare på påstandene her, slik at alle kan få del i dem og eventuelt korrigere meg.

Dette innlegget vil være under bearbeidelse de neste dagene. Påstandene er formulert med mine ord, men i samsvar med hvordan jeg oppfatter at de var ment.

1. Påstand: Drivhuseffekten er bare en del av oppvarmingen av atmosfæren. Den største delen av oppvarmingen skyldes fordampning og kondensering av vann.

Svar: Jeg ser ikke bort fra at det er riktig når det gjelder andelen av energioverføringen til atmosfæren, men det påvirker i seg selv ikke temperaturen.

Drivhuseffekten er et fenomen som skaper høyere temperatur i de lave atmosfærelag enn det som tilsvarer strålingsbalansen. Man kan måle Jordens strålingstemperatur fra rommet, og det er denne som er i balanse med innstrålingen fra Sola. Jordens strålingstemperatur er – 18 oC, og dette ville vært Jordoverflatens temperatur hvis vi ikke hadde hatt noen drivhuseffekt.

En tilsvarende planet med en atmosfære uten drivhuseffekt, men en hydrologisk balanse med et annet tenkt stoff, ville også hatt en overflatetemperatur på -18 oC. Fordampning og kondensering ville også her ha hatt stor betydning for energioverføringen, og det ville økt energimengden i atmosfæren, men det ville ikke ha påvirket atmosfærens temperatur.

Venus har en vesentlig høyere temperatur enn Jorden, og en vesentlig større forskjell mellom overflatetemperturen og strålingstemperaturen. (Venus har overflatetemperaturer opp til 470 oC, uten drivhuseffekt ville middeltemperaturen på dagsiden maksimalt ha vært rundt 50 oC). Venus har ingen hydrologisk syklus.

2. Påstand: Drivhuseffekten av CO2 er brukt opp på de første to metrene.

Svar: Dette kan enkelt motbevises da det ville medført en helt umulig temperaturstigning i det laveste luftlaget.

Hvis drivhuseffekten var oppbrukt, så betyr det at varmeenergien var absorbert i dette luftlaget. Innstrålingen til Jorden, og følgelig også utstrålingen ved termisk likevekt, er en sommerdag i Norge rundt 3-400 W/m2. Hver kubikkmeter luft har en varmekapasitet på knappe 1500 J/K (Beregning: Molvolum på ca. 20 L gir 50 mol per kubikkmeter, og varmekapasiteten for N2 og O2 er begge ca. 29 J/Kmol).

Varmekapasiteten for de to laveste metrene vil derfor være knappe 3000 Ws/m2. Hvis all varme ble absorbert ville det altså bety mer enn 1 grad temperaturstigning per tiende sekund.

Nå betyr ikke drivhuseffekten at all varme absorberes. Eksakte tall har jeg ikke, men hvis jeg tar utgangspunkt i at varmestrålingen er proporsjonal med T4 (Absolutt temperatur i fjerde potens) så betyr det at ca. 40% av energien må absorberes. Fremdeles betyr dette en temperaturøkning på over to grader per minutt, eller langt over 100 grader per time.

Fordi påstanden baseres på de Beers lov, betyr det at det aller meste av denne oppvaringen vil skje på de første desimetrene, og da snakker man om virkelig dramatiske oppvarmingshastigheter.

(Jeg er klar over at påstanden gjelder CO2 og ikke vanndamp, som står for størstedelen av drivhuseffekten. Men det er ingen ting som skulle tilsi at effekten av vanndamp skulle være annerledes enn effekten av CO2 i så måte.)

3. Påstand: Temperaturen synker i høyden på grunn av avkjøling ved ekspansjon, og ikke på grunn av mindre drivhuseffekt.

Svar: Jeg skal villig innrømme at påstanden min om at temperaturfallet skyldes mindre drivhuseffekt var et dårlig argument. Dels er den feil, redusert drivhuseffekt er bare en del av årsaken, dels er det veldig vanskelig å forklare.

For å komplisere det ytterligere. Temperaturen synker 6,5 grader for hver 1000 m stigning. Men hvis man tar med seg luft fra bakkenivå 1000 m opp i høyden, da skaper ekspansjonen en temperaturreduksjon på 10 grader. Den virkelige temperaturreduksjonen er altså mindre enn den teoretiske, så ekspansjonen ser ut til å være mer enn nok til å forklare temperaturendringene. Denne forskjellen kan forklares ved varmestrømning ved konveksjon, dvs. lufttransport som utjevner temperaturene.

Men disse to forholdene kan ikke forklare den observerte temperaturprofilen. At vi har en effekt som virker riktig vei, og en som kan forklare gapet, betyr ikke at summen av dem beviser noe som helst, før vi har beregnet begge effektene. Det er ikke mulig å beregne temperaturprofilen riktig uten å ta hensyn til drivhuseffekten.

Men heller ikke drivhuseffekten kan forklare hele forskjellen. I normalt flyhøyde er temperaturen gjerne under – 50 oC, mens strålingsvarmen fra Jorden tilsvarer -18 oC. Temperaturen her er dermed over 30 grader lavere enn hva den ville vært uten drivhuseffekt. Følgelig er dette et argument jeg ikke burde ha brukt, og som ikke bør brukes.

4. Påstand: Jeg har forvridd Massevirkningslova.

Guldberg og Waages massevirkingslov er en naturlov. Det betyr at den ble formulert av Guldberg og Waage, men at den senere er verifisert, presisert og modifisert av andre og dermed fått status som naturlov.

I utgangspunktet var massevirkningsloven formulert som en hastighetslov, og det grunnleggende nye var observasjonen og hypotesen om at reaksjonshastigheter var avhenging av “aktiv masse”, hva vi i dag vil kalle konsentrasjon. Problemet er at loven på denne formen er veldig vanskelig å bruke, den gjelder for enkelttrinn i reaksjonen og reaksjon i en retning. Det man måler vil derimot ofte være et resultat av flere reaksjonstrinn og den målte hastigheten vil påvirkes av tilbakereaksjoner. Det siste tok Guldberg og Waage hensyn til, men endte opp med en matematisk ligning som i alle fall da ikke var mulig å løse.

Den største nytten av loven kom da man innså at ved likevekt er reaksjonshastighetene like store begge veier, og at hastighetsloven da kunne brukes uten å kjenne til reaksjonsmekanismene. Forenklet kan man si det slik: Høyere konsentrasjon av det som reagerer, vil øke reaksjonshastigheten og drive likevekten mot produktene. Høyere konsentrasjon av produktene vil øke hastigheten for tilbakereaksjonen og drive likevekten tilbake.

Det kan fremdeles bli komplisert i virkeligheten hvis reaksjonsligningene er kompliserte, men for oppløsning av CO2 i vann er dette helt enkelt.

CO2 (i luft) <–> CO2 (løst i vann)

eller slik kjemikerne gjerne skriver det:

CO2 (g) <–> CO2 (aq)

Dette gir en likevektskonstant som er slik:

K = (konsentrasjon av CO2 i vann)/(konsentrasjon av CO2 i luft)

(Det har ingen ting å si hvilken vei man skriver reaksjonen eller setter opp likevektskonstanten. Snur man likevekten, så snur man brøken, men da blir også verdien invertert. Forholdet mellom de to verdiene blir derfor det samme.)

Hvordan måler man så de to konsentrasjonene? For CO2 løst i vann er det problemløst. Enten måler man konsentrasjonen i g/L eller (slik kjemikerne gjør) i mol/L. Tallene blir forskjellige, med resultatet til slutt blir det samme.

For CO2 i gassfasen kan man i utgangspunktet regnet det i g/L eller mol/L. Det er kronglete, men ikke feil. Igjen ville tallverdien av K blitt en annen, men resultatet til slutt ville blitt riktig.

Det man normalt gjør for gasser er å bruke partialtrykketav gassen P(CO2). Partialtrykket av gassen er totaltrykket ganget med volumandelen (tilsvarende molandelen) av gassen. Fordi totaltrykket i atmosfæren er 1 atm, betyr det at man også kan bruke volumandelen av gassen i atmosfæren (målt i ppm) direkte i uttrykket for K.

Den enkleste framstillingen av denne likevektskonstanten er dermed:

K = (antall ppm CO2 i atmosfæren)/(g CO2 løst per L vann i havet)

Likevektskonsentrasjonen av CO2 i vann er det man kan kalle løseligheten av CO2 i vann. Ligningen sier derfor entydig at:

Løseligheten av CO2 i havvannet øker proporsjonalt med CO2-mengden i atmosfæren.

Dette resultatet av massevirkningsloven har også fått status som naturlov, nemlig Henry’s lov, som sier av løselighet av en gass er proporsjonal med dens partialtrykk.

(Merk at begge lovene har status som naturlov, som betyr at begge to er bekreftet eksperimentelt. Lovene må derfor være samsvarende, med mindre man er utenfor en lovs gyldighetsområde. Det er ikke tilfelle her.)

Når CO2-nivået har steget fra 270 ppm til over 330 ppm, betyr det telleren i brøken ovenfor har steget med mer enn 20%. Det betyr igjen at løseligheten av CO2 i vann (nevneren i brøken) må ha steget like mye, dvs. løseligheten må også ha steget med over 20%.

Den opprinnelige Massevirkningsloven forteller derfor at hastigheten for oppløsning av CO2 i vann har økt. Hastigheten for frigjøring av CO2 vil også øke, men det vil først skje når mer CO2 har blitt oppløst.

Massevirkningsloven vil derfor uvegerlig føre til at mer CO2 løses i havet, ikke mindre.

Likevektsforholdet påvirkes også av temperaturen, høyere temperatur vil redusere løseligheten av CO2 i vann. En temperaturøkning på 1 grad vil i snitt redusere løseligheten med mindre enn 5% (ca. 3% ved 20 oC). Dette er mindre enn en fjerdedel av økningen som skyldes økt CO2-innhold i atmosfæren, så totalt sett er det ingen tvil om at løseligheten av CO2 i verdenhavene har økt. Det er for øvrig i samsvar med observasjonen av at pH i vedenshavene i gjennomsnitt har sunket med 0,01 på grunn av økt mengde CO2.

5. Påstand: Jeg burde sprøytvarsle Siri Kalvig som påstår at hele oppvarmingen av atmosfæren skyldes CO2.

Hvis hun påstår at all drivhuseffekt skyldes CO2, så er det sprøyt. Men jeg sprøytvarsler aldri noen ut fra påstander om at noen har sagt noe. Jeg må ha en klar kilde som jeg kan kontrollere selv, eller som jeg i alle fall kan få bekreftet fra andre, uavhengige kilder.

6. Påstand: Det er misforstått fysikkkunnskap å påstå at CO2 stråler varmen videre.

Det er velkjent fysikk at alt som absorberer IR også vil sende det ut igjen. Det er et mye brukt teknikk å studere stoffer ved hjelp av deres varmestråling (emmisjonsspektroskopi), og du kan enkelt måle temperatur ved å måle deres varme-stråling (pyrometri).

Gjenutsendelse av stråling ved avgivelse av absorbert energi kalles relaksasjon, og relaksasjonstiden minker når et molekyl kolliderer med andre molekyler. Relaksasjonstiden for CO2 i atmosfæren ble i 1971 målt til å være rundt 100 mikrosekund, så det vil ta under ett tusendedels sekund før mesteparten av strålingen er sendt videre.

Litt mer: Når et CO2-molekyl absorberer IR, vil vibrasjonsfrekvensen for en av vibrasjonene øke fra grunn-nivået til neste nivå. Denne energien kan ikke molekylet bli kvitt på annen måte enn ved å sende den ut igjen som varmestråling, eller ved å utveksle energi gjennom kollisjon med andre gassmolekyler, støv eller overflaten. Så lenge energien forblir i gassen, vil det føre til at temperaturen øker, og som for all annen materie vil det bety at varmestrålingen øker.

Bare molekyler som kan absorbere IR-stråling, kan sende ut IR-stråling, og absorbsjon og utstråling vil skje ved de samme frekvensene. I atmosfæren betyr det at nitrogen og oksygen ikke selv kan sende ut stråling. Varmeenergien som drivhusgasser har gitt til N2 og O2 gjennom kollisjoner vil derfor forbli i disse molekylene inntil de igjen har kollidert med og gitt energien tilbake til drivhusgasser som kan sende den ut.

Utsending av varmestråling er den eneste mekanismen atmosfæren kan bruke for å bli kvitt energi (unntatt gjennom kollisjon med bakken). Hvis ikke dette skjedde, ville all varmestråling som ble absorbert blitt holdt igjen. Som jeg har påpekt i punkt 2, er energimengden i varmestrålingen fra bakken så høy at det ville medført en temperaturstigning som er veldig mye høyere enn det vi faktisk observerer.

(Spørsmål:Er det noen her som kan hjelpe meg å finne informasjon om absolutt båndbredde for IR-spektre av CO2 i atmosfæren? Denne båndbredden er direkte relatert til eksitasjonens levetid gjennom Heisenbergs usikkerhetsprinsipp. Med en levetid på 100 mikrosekunder (10-4), som er lang i IR-sammenheng, betyr det at båndbredden er mindre enn jeg noen gang har vært i stand til å måle.)

Tips oss hvis dette innlegget er upassende