25.1 Strålingspådriv
Hva er et strålingspådriv?
I kapittel 4 lærte du at jorda er i strålingsbalanse, det kommer like mye energi inn i klimasystemet som det stråler ut. Vi så også at endring i albedo fører til en endring i likevektstemperaturen. Å endre albedo vil dermed være et strålingspådriv.
Et strålingspådriv er en ytre faktor som forstyrrer denne balansen. Begrepet beskriver hvor mye en gitt faktor endrer mengden energi som holdes tilbake i klimasystemet, målt i watt per kvadratmeter (W/m²).
Et positivt strålingspådriv betyr at faktoren tilfører ekstra energi til klimasystemet og bidrar til oppvarming. Et negativt strålingspådriv betyr at faktoren reduserer energimengden og bidrar til avkjøling. Tenk på det som en termostat som noen skrur opp eller ned: strålingspådriv er det som flytter termostaten fra der den sto.
Hva viser figuren?
Figur 25.1 viser de viktigste årsakene til strålingspådriv siden førindustriell tid (ca. 1750), basert på FNs klimapanel (IPCC AR6, 2021). De røde søylene bidrar til oppvarming, mens de blå bidrar til avkjøling. Helt til høyre i figuren ser du den mørkerøde søylen som viser det samlede menneskeskapte pådrivet – summen av alle menneskelige bidrag sett under ett.
Noen viktige ting å legge merke til i Figur 25.1:
- CO₂ er den klart viktigste enkeltfaktoren. Med et pådriv på 2,16 W/m² er CO₂ nesten fire ganger så sterk som neste faktor på lista. Det er grunnen til at CO₂-utslipp er kjernen i klimadiskusjonen.
- Aerosoler kjøler klimaet, men med stor usikkerhet. Aerosoler er fine partikler i atmosfæren fra for eksempel forbrenning og industri. De reflekterer sollys og påvirker skyenes egenskaper, noe som gir et negativt (avkjølende) pådriv. Legg merke til at feilstengene for aerosoler er mye lengre enn for de andre faktorene – dette er ett av de største usikkerhetsmomentene i klimaforskningen.
- Sola bidrar lite. Solirradians har et pådriv på bare 0,05 W/m², noe som er svært lite sammenlignet med de menneskeskapte pådrivene. Dette er en viktig grunn til at klimaforskere er sikre på at dagens oppvarming ikke primært skyldes endringer i solaktivitet.
Det samlede menneskeskapte pådrivet er 2,72 W/m². Dette er nettosummen av alle menneskelige faktorer – de oppvarmende minus de avkjølende. Legg merke til at den store usikkerheten i aerosoleffekten gjør at også totalbidraget har et relativt bredt usikkerhetsintervall (1,96–3,48 W/m²). Vi kommer tilbake til dette med usikkerhet i klimamodeller i en senere modul.
Hvorfor er dette viktig?
Strålingspådriv er klimaforskningens målestokk for å sammenligne ulike drivkrefter bak klimaendringer. Uten dette begrepet er det vanskelig å svare på spørsmål som: Hvor mye betyr metan sammenlignet med CO₂? Bidrar aerosoler til å dempe oppvarmingen? Kan økt solaktivitet forklare temperaturøkningene vi har sett?
Figuren viser også noe annet viktig: menneskeskapte pådriv dominerer fullstendig over naturlige pådriv som solaktivitet.
25.2 Tilbakekoblinger
Et strålingspådriv setter klimasystemet i bevegelse. Men hva skjer videre? Strålingspådrivet kan endre lufttemperatur, isbreer eller vanndamp, som igjen setter i gang nye prosesser som enten forsterker eller demper den opprinnelige endringen. Slike selvforsterkende eller selvdempende prosesser kalles tilbakekoblinger.
Tilbakekoblinger finnes overalt i naturen og i hverdagen. La oss se på noen eksempler.
Dempende tilbakekoblinger (negative tilbakekoblinger)
En dempende tilbakekobling motvirker den opprinnelige endringen og bidrar til at systemet stabiliserer seg.
- Termostaten i huset ditt er et klassisk eksempel. Hvis temperaturen inne synker under det du har stilt inn, skrur termostaten på varmen. Temperaturen stiger, termostaten registrerer dette og skrur varmen av igjen. Resultatet er at temperaturen holder seg relativt stabil rundt det innstilte niveauet. Endringen (kulde) utløser en respons (varme) som motvirker endringen.
- Kroppens temperaturregulering fungerer på samme måte. Hvis du blir for varm, begynner du å svette – fordampingen av svette kjøler kroppen ned. Blir du for kald, begynner du å skjelve – muskelarbeidet produserer varme. Kroppen bruker altså dempende tilbakekoblinger for å holde kjernetemperaturen stabil rundt 37 °C.
Forsterkende tilbakekoblinger (positive tilbakekoblinger)
En forsterkende tilbakekobling forsterker den opprinnelige endringen og driver systemet videre i samme retning.
- En mikrofon som holdes for nær høyttaleren gir et hverdagslig, og gjerne ubehagelig, eksempel. Lyden fra høyttaleren plukkes opp av mikrofonen, forsterkes og sendes ut igjen – enda høyere. Denne lyden plukkes opp igjen, forsterkes ytterligere, og resultatet er en selvforsterkende spiral av støy som raskt blir uutholdelig.
- En snøball som ruller nedover en bakke viser det samme prinsippet i en mer visuell form. Jo større snøballen blir, jo mer overflate har den til å samle ny snø, og jo raskere vokser den. En liten endring i starten – at snøballen begynner å rulle – forsterkes kontinuerlig av sin egen vekst.
Positiv betyr ikke bra
I hverdagsspråket assosierer vi gjerne “positiv” med noe godt og “negativ” med noe dårlig. I klimasammenheng betyr dette ingenting om ønskelig eller uønsket – det beskriver bare om tilbakekoblingen forsterker eller demper en endring. En forsterkende (positiv) tilbakekobling i klimasystemet er derfor som regel noe vi er bekymret for, siden den kan drive oppvarmingen videre utover det det opprinnelige pådrivet alene ville gitt.
Koblingen til strålingspådriv
Tilbakekoblinger og strålingspådriv er to ulike ting, og det er viktig å skille dem fra hverandre:
- Et strålingspådriv er det som setter endringen i gang – for eksempel økt CO\(_2\)-konsentrasjon som absorberer mer varmestråling i atmosfæren.
- En tilbakekobling er systemets respons på den endringen – for eksempel at varmere temperaturer smelter is, som endrer albedo, som gir enda mer oppvarming.
Pådrivet er årsaken, tilbakekoblingen er forsterkeren eller demperen. For å se hvorfor tilbakekoblinger faktisk er avgjørende, kan vi se på et konkret eksempel: hva skjer om vi dobler mengden CO\(_2\) i atmosfæren?
En dobling av CO\(_2\) gir et strålingspådriv på 3,93 W/m\(^2\). Hvis klimasystemet hadde vært enkelt – uten tilbakekoblinger – ville dette bare gitt en global oppvarming på omtrent 1,2 °C. Men klimasystemet er ikke enkelt. Varmere temperaturer setter i gang en rekke tilbakekoblinger: mer vanndamp i atmosfæren, smelting av is og snø, endringer i skydekke.
Summen av disse tilbakekoblingene gjør at den faktiske temperaturøkningen ved en CO\(_2\)-dobling anslås å ligge mellom 2,5 og 4 °C – altså to til tre ganger mer enn pådrivet alene ville gitt. Tilbakekoblingene er med andre ord ikke detaljer i klimasystemet, de er en sentral del av forklaringen på hvorfor klimaet er så følsomt for endringer i strålingspådriv.
25.3 Planck-responsen
Klimasystemet vårt har en helt fundamental egenskap som alltid fungerer, uansett hva som ellers skjer med isbreer, vanndamp eller skyer: en varmere overflate sender alltid ut mer energi. Dette er ikke en komplisert prosess som avhenger av andre ting i naturen – det er en direkte og uunngåelig fysisk reaksjon (styrt av Stefan-Boltzmann-loven). Denne mekanismen kalles Planck-responsen, og du kan tenke på den som klimasystemets aller viktigste “innebygde brems”.
Uten Planck-responsen ville jorda vært et ekstremt ustabilt sted. Hvis vi ga klimasystemet et positivt strålingspådriv (for eksempel ved å slippe ut mer klimagasser), ville temperaturen bare fortsatt å stige i det uendelige uten å stoppe. Det er Planck-responsen som sørger for at jorda til slutt finner en ny balanse etter en forstyrrelse. Derfor er den også referansepunktet som alle andre tilbakekoblinger måles mot.
Hvordan fungerer Planck-responsen?
Alt som har en temperatur, sender ut stråling. Jo varmere en gjenstand er, desto mer energi sender den ut i sekundet.
Når jorda treffes av et positivt strålingspådriv, oppstår det en energiubalanse: det kommer inn mer energi enn det slipper ut. Dette gjør at jordoverflaten blir varmere. Men i samme sekund som overflaten blir varmere, begynner jorda automatisk å stråle mer langbølget varmeenergi ut igjen mot verdensrommet.
Etter hvert som jorda blir varmere og varmere, sender den ut så mye ekstra energi at den til slutt klarer å “ta igjen” det opprinnelige pådrivet. Da blir innstråling og utstråling like store igjen, og energiubalansen forsvinner.
Systemet har funnet et nytt likevektspunkt. Men legg merke til én viktig ting: denne nye balansen oppstår ved en høyere temperatur enn jorda hadde i utgangspunktet. Planck-responsen stopper altså selve temperaturstigningen, men den kjøler ikke jorda tilbake til start (se flytskjemaet i Figur 25.3).
Hvorfor er dette en “direkte respons” og ikke en “tilbakekobling”?
Det er lett å blande Planck-responsen med de andre mekanismene i klimasystemet, men den skiller seg fra dem på en veldig viktig måte: Den er ikke en ekte tilbakekobling.
For at noe skal være en tilbakekobling, må det skje i flere ledd via en omvei. En temperaturendring må først påvirke noe annet i klimasystemet (som å smelte en isbre eller øke mengden vanndamp), og så må dette “noe andre” påvirke temperaturen tilbake igjen.
Planck-responsen har ingen slike mellomledd. Den skjer direkte og umiddelbart: \[\text{Jorda blir varmere} \longrightarrow \text{Jorda stråler ut mer energi}\]
Siden denne reaksjonen er en ren og uunngåelig fysisk konsekvens av selve temperaturøkningen, kaller klimaforskere den for en direkte respons i stedet for en tilbakekobling.
Når vi skal beregne hvor følsomt klimaet er, starter vi alltid med Planck-responsen som selve grunnmuren. Alle de andre mekanismene vi skal lære om – som is-albedo, vanndamp og skyer – regnes som “tillegg” eller “justeringer” som legges på toppen av denne grunnmuren.
25.4 Is-albedo-tilbakekoblingen
Når vi skal studere hvordan klimaet reagerer på endringer, kommer vi ikke utenom det som kanskje er den viktigste og mest kjente tilbakekoblingen i klimasystemet: is-albedo-tilbakekoblingen.
Du husker at albedo er et mål på hvor mye solstråling en overflate reflekterer. Hvit snø og ren is har en svært høy albedo. De fungerer nesten som et speil og reflekterer opptil 90 % av sollyset direkte ut igjen i verdensrommet. Åpent hav, derimot, har en veldig lav albedo, og absorberer hele 94 % av solenergien som treffer det. Denne enorme forskjellen er selve nøkkelen til å forstå hvordan mekanismen fungerer.
Hvordan virker is-albedo-tilbakekoblingen?
Tenk deg at temperaturen i Arktis stiger litt, for eksempel fordi økt CO\(_2\) i atmosfæren forsterker drivhuseffekten. Denne opprinnelige temperaturendringen setter i gang en kraftig kjedereaksjon:
- Varmere luft- og havtemperaturer gjør at sjøis og snø smelter.
- Når isen forsvinner, avdekkes det mørke havet eller den mørke jorda som lå under. Overflaten endrer seg altså fra å være veldig lys til å bli veldig mørk.
- Siden overflaten nå har blitt mørk, synker albedoen. Det betyr at den reflekterer mindre sollys, og i stedet absorberer mye mer solenergi.
- Når mer solenergi absorberes, blir jordoverflaten og lufta enda varmere.
- Den økte temperaturen gjør at enda mer is smelter… og slik fortsetter sløyfen rundt og rundt.
Dette er en forsterkende (positiv) tilbakekobling. En liten oppvarming i starten setter i gang en prosess som gjør at klimasystemet varmer seg opp enda mer på egen hånd. Det blir en selvforsterkende spiral av smelting og oppvarming (se flytskjemaet i Figur 25.4).
Arktisk sjøis i dag
Is-albedo-tilbakekoblingen er ikke bare en teori i læreboka – vi kan tydelig observere at den skjer i virkeligheten akkurat nå. Figur 25.5 viser utbredelsen av sjøis i Arktis på sitt årlige minimum (det tidspunktet på tidlig høst hvor det er på det aller minste).
Den gule linjen i figuren viser den normale minimumsutbredelsen for noen tiår siden (gjennomsnittet fra 1981 til 2010). Forskjellen er dramatisk: Det hvite speilet på toppen av jorda har krympet betydelig, og store områder med mørkt hav har tatt over.
Fordi det mørke havet i Arktis absorberer mer og mer varme for hvert år som går, varmes polområdene opp mellom to og fire ganger raskere enn resten av jordkloden. Dette fenomenet kalles arktisk forsterkning, og det drives i stor grad av nettopp is-albedo-tilbakekoblingen.
25.5 Tilbakekoblinger fra vanndamp og skyer
Is-albedo-tilbakekoblingen er bare én av flere mekanismer som bestemmer jordas klimafølsomhet. To andre helt sentrale tilbakekoblinger er knyttet til vann i atmosfæren: vanndamp og skyer. Begge disse mekanismene påvirker klimasystemet gjennom atmosfærens evne til å absorbere og reflektere stråling, men de fungerer på helt ulike måter – og de har også ulik grad av usikkerhet.
Vanndamp – en forsterkende tilbakekobling
Målt i absolutt effekt er vanndamp faktisk den aller kraftigste drivhusgassen i atmosfæren, og den bidrar mer til den naturlige drivhuseffekten enn CO\(_2\). Likevel klassifiseres vanndamp primært som en tilbakekobling, og ikke som et direkte klimapådriv.
Årsaken til dette er at mengden vanndamp i atmosfæren styres direkte av temperaturen: varm luft kan holde på mer vanndamp enn kald luft. Menneskelige utslipp kan ikke øke mengden vanndamp i atmosfæren direkte på lang sikt, men når vi slipper ut CO\(_2\) og øker temperaturen, øker også vanndampnivået som en direkte respons.
Mekanismen fungerer slik: Når temperaturen stiger som følge av et strålingspådriv (for eksempel økt CO\(_2\)), øker fordampingen fra hav- og landoverflater. Den økte mengden vanndamp i atmosfæren absorberer mer langbølget varmestråling og forsterker drivhuseffekten. Dette gir ytterligere oppvarming, som igjen fører til enda mer fordamping. Vi har dermed en forsterkende (positiv) tilbakekobling (se Figur 25.6).
Et viktig fysisk trekk ved vanndamp is at sammenhengen mellom temperatur og luftas maksimale vanninnhold ikke er lineær, men eksponentiell. Det betyr at atmosfærens evne til å holde på vanndamp vokser stadig raskere for hver grad temperaturen øker (se tilbake til figur 6.1). Dette forholdet har vært kjent i over 150 år, og i dag viser beregninger at vanndamp-tilbakekoblingen alene gjør jorda omtrent dobbelt så følsom for endringer i strålingspådriv som den ellers ville vært.
Skyer – en tilbakekobling med to ansikter
Skyer representerer den mest komplekse og usikre tilbakekoblingsmekanismen i klimasystemet. Til enhver tid dekker skyer nesten 70 % av jordoverflaten, og de spiller en dominerende rolle i jordas energibalanse. Kompleksiteten skyldes at skyer har to motstridende effekter på strålingsbalansen, og nettoresultatet avhenger helt av skyenes høyde, tykkelse og geografiske plassering.
- Avkjølende effekt (Albedoeffekt): Skyer har høy albedo og reflekterer en stor andel av den innkommende kortbølgede solstrålingen tilbake til verdensrommet før den når bakken. Dette gjelder spesielt for lave, tykke skyer, som utstrakte lagskyer eller store haugskyer (cumulus). Denne effekten virker dempende på temperaturen (se Figur 25.7 (a)).
- Oppvarmende effekt (Drivhuseffekt): Skyer absorberer langbølget varmeenergi fra jordoverflaten og re-emitterer deler av den tilbake igjen, på samme måte som drivhusgasser. Tynne, høye skyer, som fjærskyer (cirrus), er særlig effektive her. De slipper det meste av det synlige sollyset igjennom ovenfra, men er kalde på toppen og holder godt på den terrestriske varmestrålingen nedenfra. Denne effekten virker forsterkende på temperaturen (se Figur 25.7 (b)).
Klimaendringer påvirker både den totale mengden skyer, hvor høyt i atmosfæren de dannes, og hvilke skytyper som dominerer (se samspillet i Figur 25.8). Fordi alle disse endringene skjer samtidig, er nettoeffekten av sky-tilbakekoblingen fremdeles en av de største usikkerhetskildene i moderne klimaforskning.
25.6 Vertikal temperaturgradient og lapse rate-tilbakekoblingen
Du har nå lært at vanndamp fungerer som en kraftig, forsterkende tilbakekobling i klimasystemet. Men naturen er sjelden så enkel at én enkelt mekanisme får virke helt alene. Økt vanndamp i atmosfæren setter faktisk også i gang en dempende tilbakekobling – ikke på tross av vanndampen, men nettopp på grunn av den.
Denne mekanismen kalles tilbakekoblingen grunnet vertikal temperaturgradient, men i faglitteraturen brukes nesten alltid det engelske begrepet lapse rate-tilbakekoblingen (lapse rate feedback). Dette er en av de mest krevende mekanismene å forstå i klimafysikken, men den er helt avgjørende for å forklare hvorfor jordas temperatur ikke bare eskalerer ukontrollert når drivhuseffekten øker.
Hva er den vertikale temperaturgradienten?
Temperaturen i troposfæren er ikke jevn fra bakken og opp; jo høyere du kommer, desto kaldere blir det. Denne temperaturendringen med høyden kalles for den vertikale temperaturgradienten.
Hvor effektiv drivhuseffekten er, avhenger sterkt av temperaturforskjellen (\(\Delta T\)) mellom jordoverflaten og det nivået høyt oppe i atmosfæren der varmestrålingen endelig klarer å unnslippe ut i rommet. Dette nivået kalles gjerne for utstrålingsnivået.
- Stor temperaturgradient (stor \(\Delta T\)): Hvis utstrålingsnivået høyt oppe er veldig kaldt sammenlignet med bakken, vil det stråle ut lite langbølget energi til verdensrommet (Stefan-Boltzmann-loven). Dermed holdes mer varme tilbake i klimasystemet.
- Liten temperaturgradient (liten \(\Delta T\)): Hvis utstrålingsnivået varmes opp slik at temperaturforskjellen mellom bakken og høyden blir mindre, vil atmosfæren stråle ut mer energi til verdensrommet. Dette vil virke avkjølende på jordoverflaten.
Hvordan temperaturprofilen i atmosfæren endrer seg etter et strålingspådriv, bestemmer om vi får en forsterkende eller dempende effekt. I Figur 25.9 ser vi fire mulige scenarioer for hvordan denne profilen kan utvikle seg.
- Panel 1 – Uforstyrret profil: Viser utgangspunktet i en stabil atmosfære, der temperaturen synker jevnt fra den varme overflaten opp mot den kalde tropopausen.
- Panel 2 – Ingen tilbakekobling: Viser hva som ville skjedd dersom hele atmosfæren reagerte helt likt i alle høyder. Hele profilen forskyves parallellt mot høyre. Temperaturgradienten (\(\Delta T\)) forblir uendret.
- Panel 3 – Negativ lapse rate-tilbakekobling (dempende): Her varmes den øvre troposfæren opp mer enn selve jordoverflaten. Temperaturgradienten blir slakere (en mindre \(\Delta T\)). Siden utstrålingsnivået har blitt varmere, stråler jorda ut mer energi til verdensrommet, noe som demper oppvarmingen ved bakken.
- Panel 4 – Positiv lapse rate-tilbakekobling (forsterkende): Her varmes jordoverflaten opp mer enn de øvre luftlagene. Temperaturgradienten blir brattere (en større \(\Delta T\)). Utstrålingsnivået forblir kaldt, noe som blokkerer utstrålingen og forsterker oppvarmingen ved bakken ytterligere.
Hvordan skaper vanndampen en dempende effekt?
Det kan virke ulogisk at vanndamp – som er en drivhusgass – kan virke avkjølende. Men her spiller vanndampen en mekanisk rolle gjennom konveksjon (oppadstigende luftstrømmer).
Når den globale temperaturen stiger, fordamper mer vann, og luftmassene nær bakken blir fuktigere. Når denne varme, fuktige lufta stiger oppover i atmosfæren, avkjøles den, og vanndampen begynner å kondensere til vanndråper. I kondensasjonsprosessen frigjøres store mengder latent varme (kondensasjonsvarme). Denne varmen frigjøres høyt oppe i troposfæren.
I tropiske og subtropiske strøk fører denne prosessen til at den øvre troposfæren varmes opp betydelig mer enn overflaten (som vist i Panel 3 i Figur 25.9). Temperaturgradienten minker, utstrålingen til verdensrommet øker, og den opprinnelige oppvarmingen ved bakken bremses. Dette er en dempende (negativ) tilbakekobling.
I polare strøk er situasjonen stikk motsatt. Her er atmosfæren kald, stabil og tørr, og konveksjonen er svært svak. I stedet synker kald luft ned fra høyere lag – et fenomen som kalles subsidens. Denne synkende lufta hindrer vertikal blanding og låser oppvarmingen fast i et tynt lag helt nær jordoverflaten (som vist i Panel 4 i Figur 25.9). Temperaturgradienten øker, og oppvarmingen ved bakken forsterkes.
De to geografiske effektene er oppsummert i flytskjemaet i Figur 25.10.
Nettoresultatet på global skala
Siden de polare og de tropiske mekanismene trekker i hver sin retning, må vi se på nettoeffekten for hele kloden under ett. Tropiske og subtropiske områder dekker et langt større geografisk areal enn polområdene. Den dempende (negative) effekten fra tropene veier derfor tyngre globalt sett enn den forsterkende effekten fra polene.
Når klimaforskere regner ut den samlede verdien for hele jorda, konkluderer de med at lapse rate-tilbakekoblingen globalt sett er en dempende (negativ) tilbakekobling.
Vanndamp: To tilbakekoblinger i samspill
Vi har nå sett at økt vanndamp i atmosfæren utløser to helt ulike tilbakekoblingsmekanismer samtidig:
- Vanndamp-tilbakekoblingen (forsterkende): Mer vanndamp i atmosfæren absorberer mer langbølget varmestråling og øker overflatetemperaturen via drivhuseffekten.
- Lapse rate-tilbakekoblingen (dempende): Mer vanndamp fører til kraftigere konveksjon og frigjøring av latent varme i høyden. Dette reduserer temperaturgradienten og øker utstrålingen til verdensrommet.
Drivhuseffekten fra vanndamp-tilbakekoblingen er klart sterkest og dominerer overflateoppvarmingen, men lapse rate-tilbakekoblingen fungerer som en viktig brems. Dette viser et helt sentralt prinsipp i klimasystemet: Tilbakekoblingene virker aldri uavhengig av hverandre. De oppstår i et komplekst samspill, og det er nettoeffekten av alle mekanismene til sammen som bestemmer hvor følsomt jordas klima er for et strålingspådriv.