Vi kan alle kjenne hvordan solen varmer og gir energi til jordsystemet. Solen sender sin energi til jorden ved hjelp av elektromagnetisk stråling. Vi må derfor se nærmere på hvordan strålingen påvirker jordsystemene våre.
Gå til 1) NDLA Elektromagnetiske bølger, 2) NDLA Egenskaper hos ulike EM-bølger og 3) NDLA Forsøk: Elektronsprang og absorpsjonsspekter (simulering)
Viktige moment fra Vg1 Naturfag som du trenger for å forstå dette kapittelet:
- Kortbølget stråling er mer energirik enn langbølget stråling
- Ulike gasser absorberer ulike bølgelengder
3.1 Begreper om stråling
Strålingsfysikken er en del av Fysikk 1. Men det er et par begreper fra strålingsfysikken dere også må kunne i Geofag 2.
3.2 Svartlegemestråling og strålingslovene
Alle objekter som har en temperatur over det absolutte nullpunkt (–273,15 °C eller 0 K), sender ut elektromagnetisk stråling. Denne strålingen kalles termisk stråling eller varmestråling. Mengden og typen stråling som sendes ut avhenger av objektets temperatur og egenskaper ved overflaten.
Et svart legeme er et idealisert legeme som absorberer all innkommende stråling1, uavhengig av bølgelengde og innfallsvinkel. Når et svart legeme er i termisk likevekt, vil det sende ut stråling med et karakteristisk spektrum som kun avhenger av legemets temperatur. Denne typen stråling kalles svartlegemestråling.
1 Et svart legeme har derfor en albedo lik 0,00. All strålingen absorberes og ingenting reflekteres.
Intensiteten og bølgelengdefordelingen til svartlegemestrålingen beskrives av Plancks strålingslov. Ved lave temperaturer sender svarte legemer ut det meste av strålingen i den infrarøde delen av spekteret. Etter hvert som temperaturen øker, vil mer av strålingen sendes ut ved kortere bølgelengder, og objektet vil til slutt gløde i et synlig, rødlig lys.
Kilde: Universitetet i Bergen. (Videoen er transkribert i vedlegg E.2.1)
Stråling fra et legeme er avhengig av temperaturen på to måter. Bølgelengden blir kortere ved høyere temperatur som forklarer at solen med sin høye temperatur primært sender ut kortbølget stråling. I tillegg øker intensiteten når temperaturen øker. Den mest kortbølgete strålingen stoppes ytterst i atmosfæren, blant annet ved ozonlaget, mens resten av den kortbølgete strålingen fra solen passerer relativt lett gjennom atmosfæren. Jordoverflaten, som har en mye lavere temperatur, sender ut stråling med mye lengre bølgelengder, infrarød stråling, som ofte kalles varmestråling. Stråling ved slike bølgelengder absorberes av enkelte gasser i atmosfæren og bidrar til å heve temperaturen i atmosfæren (dette er drivhuseffekten, og vi kommer tilbake til det i kapittel 4).
Utstråling fra svarte legemer
Selv om svarte legemer er en idealisering, kan mange objekter tilnærmet beskrives som svarte legemer. Solen er et godt eksempel på et objekt som stråler som et svart legeme, med en overflatetemperatur på ca. 5800 K. Jordens overflate og atmosfære sender også ut stråling tilnærmet som et svart legeme, med en effektiv temperatur på ca. 255 K (–18 °C), se Figur 3.1. Vi ser at den totale strålingsintensiteten øker med økende temperatur, og at vi får kortere og kortere bølgelengder når temperaturen øker.
3 I Oppgave 3.2 skal du studere Figur 3.2. Legger du merke til at solspekteret er ganske likt et svartlegemespekter?
2 Forståelse av utstrålingstetthet er en del av læreplanen i Fysikk 1, og forventes ikke at dere skal kunne i Geofag 2. Dette kan dere derfor se på som tilvalgsstoff i Geofag 2.
3.3 Absorpsjon i atmosfæren
3.4 Strålingsbalanse
Solen er hoveddrivkraften i klimasystemet vårt. Solstrålene som kommer inn mot jorden, treffer først det ytterste laget i atmosfæren. Dette kaller vi toppen av atmosfæren, og forkortes typisk TOA (“Top Of Atmosphere”). Når vi snakker om en energibalanse eller en strålingsbalanse, så stråler det like mye energi inn i jordsystemene som det som stråler ut igjen. Strålingsbalanse betyr ikke at det stråler inn like mye på hele jordkloden, men at jordkloden som helhet mottar og sender ut like mye energi eller stråling.
3.5 Utstråling ved toppen av atmosfæren
Animasjonen viser den reflekterte kortbølgete solstrålingen fra toppen av atmosfæren til venstre, samt den emitterte langbølgete utstrålingen fra atmosfæren til høyre.
3.6 Fordeling av solinnstråling og jordrotasjon
Strålingen fra solen treffer en roterende jordklode. Det betyr at den solinnstrålingen som stoppes av jordens skygge, skal fordeles på hele jorden.
Sirkelarealets størrelse på bildet over representerer det arealet som solinnstrålingen treffer jordoverflaten med, vi kaller det jordskyggen. Solinnstrålingen har en gjennomsnittlig intensitet på 1361 W/m\(^2\). Denne verdien kalles solarkonstanten.
Jordens samlete areal er omtrent lik overflatearealet av en kule. Overflatearealet av en kule er lik \(4\pi r^2\), altså 4 ganger så stort som arealet av en sirkel. Den strålingen som treffer jorden skal altså fordeles på et areal som er 4 ganger så stort. Den gjennomsnittlige solinnstrålingen per m\(^2\) på jordoverflaten er dermed 340 W/m\(^2\).
3.7 Solinnstråling ved jordoverflaten
Jordens krumning er den primære årsaken til at solinnstrålingen ikke er jevnt fordelt over jordoverflaten. Den kuleformede jordkloden fører til at det blir lavere intensitet av stråling ved polene enn vi får ved ekvator.
Ved ekvator treffer solstrålene jordoverflaten med en nesten rett vinkel. Her fordeles en gitt mengde solenergi over et relativt lite areal, noe som gir en høy konsentrasjon av strålingsenergi per kvadratmeter og dermed stor oppvarming. Jo lenger mot polene vi beveger oss, desto lavere blir solvinkelen. Den samme mengden solenergi må da fordeles over et stadig større område, noe som resulterer i lavere energi per arealenhet.
For å forstå dette prinsippet bedre, kan du gjøre et veldig enkelt forsøk:
Lommelykteksperimentet forklarer hvorfor energien “smøres tynnere ut” mot polene. I tillegg må solstrålene reise en mye lengre vei gjennom atmosfæren når solvinkelen er lav. Den lengre reiseveien fører til at en større andel av strålingen blir reflektert, spredt og absorbert i atmosfæren før den i det hele tatt når bakken (som vi studerte i oppgave 3.2).
Samlet sett gjør disse to effektene at strålingsintensiteten er enormt mye større per kvadratmeter nær ekvator enn ved polene. Dette er illustrert i figur 3.5.
Figur 3.6 viser hvordan resultatet i årlig solinnstråling blir fordelt ved toppen av atmosfæren. Vi ser tydelig at det strålingsintensiteten ved ekvator er mye høyere enn ved polene. Benevningen er i \(W/m^2\).
3.8 Strålingsbalanse ved jordoverflaten
Overflatetemperaturen på jorden er avhengig av strålingsbalansen, eller energibalansen ved jordoverflaten. Også her er strålingsbalansen balansen mellom innkommende og utgående stråling (eller innkommende og utgående energi).
Den innkommende strålingen kommer både fra solen og fra atmosfæren over bakken. Den delen av innkommende solstråling som blir absorbert av jordoverflaten gjør bakken varmere. Jordoverflaten sender ut varmestråling basert på temperaturen, med lengre bølgelengde enn solstrålingen. Noe av solstrålingen som treffer jordoverflaten blir derimot reflektert tilbake, siden jorden ikke er et perfekt svart legeme. En stor del av varmestrålingen som sendes ut fra jordoverflaten, absorberes av drivhusgasser i atmosfæren4.
4 Dette gjenkjenner dere gjerne som drivhuseffekten? Vi skal jobbe mer med drivhuseffekten i kapittel 4.
Vi tar nå utgangspunkt i Figur 3.3 og zoomer inn mot det som skjer i atmosfæren. Vi ser fortsatt grenseflaten ved TOA. Punktene under refererer til markeringene i figur 3.7.
En stor del av den kortbølgete strålingen som treffer TOA går gjennom atmosfæren og absorberes av jordoverflaten.
Noe av solstrålingen reflekteres av gasser og skyer i atmosfæren, som da gjør at kortbølget stråling sendes ut fra atmosfæren igjen.
Og en del av solstrålingen reflekteres også av overflater på jordoverflaten med høyt albedo som for eksempel snø og is.
Jordoverflaten sender ut langbølget stråling basert på sin temperatur.
En stor del av den langbølgete strålingen som jorden sender ut blir absorbert i atmosfæren. Atmosfæren vil også stråle ut langbølget stråling basert på sin temperatur, som gjør at det sendes langbølget stråling tilbake til jordoverflaten. Noe langbølget stråling sendes også ut mot TOA.
3.9 Oppsummering strålingsbalanse
Når vi sier at jorden er i strålingsbalanse, så betyr det at det stråler inn like mye energi som det stråler ut igjen. Den totale energien som klimasystemet mottar fra solen er like stor som den totale energien som klimasystemet stråler ut igjen til verdensrommet med. Det samme gjelder atmosfæren. Den vil også være i en strålingsbalanse om den mottar like mye stråling som den sender ut igjen, og — ikke overraskende — det samme gjelder jordoverflaten.
Illustrasjon 3.8 viser mye av det samme som Figur 3.7, men den inkluderer også gjennomsnittlig energi for jordens samlede strålingsbalanse.
3.10 Strålingsfordeling
Vi har nå sett at innstrålingen fra solen er svært ujevnt fordelt over breddegradene, med mye større innstråling ved ekvator enn ved polområdene.
Jorden sender også hele tiden ut termisk (langbølget) varmestråling, og intensiteten på denne utstrålingen er bestemt av temperaturen på overflaten og i atmosfæren. Selv om vi i hverdagen opplever temperaturforskjellen mellom polene og ekvator som enorm, er faktisk ikke forskjellen i utstrålt varmeenergi like dramatisk. Utstrålingen følger dermed ikke det samme stupbratte mønsteret fra ekvator mot polene som innstrålingen gjør.
Dette misforholdet mellom energi inn og energi ut skaper en stor geografisk ubalanse i klimasystemet vårt, noe som illustreres tydelig i grafen nedenfor.
Figur 3.9 viser at polområdene i gjennomsnitt stråler ut mye mer energi enn de mottar fra solen. Rundt ekvator er det stikk motsatt; her er absorbert solstråling betydelig større enn utstrålingen til verdensrommet.
Vi sier derfor at vi har et geografisk strålingsoverskudd ved ekvator, og et strålingsunderskudd ved polene. Områdene ved strålingslikevekt, altså der innstrålingen og utstrålingen er like stor, finner ved omtrent \(38^\circ N\) og \(38^\circ S\).
Dette enorme energioverskuddet ved ekvator (og underskuddet ved polene) er selve “motoren” i klimasystemet vårt. Hadde det ikke vært for at atmosfæren og havet hele tiden jobber med å flytte dette overskuddet fra ekvator og ut mot polene, ville tropene kokt og polene frosset til is.