NV-Rapport - Klimaændringer og Albedo

Side 1

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

STX 1.g

Naturvidenskabelige grundforløb

- Global opvarmning

Indholdsfortegnelse

Sidetal

Redegørelse for drivhuseffekten 3-7

Energiproduktioner, der er CO neutrale og vedvarende 7-8

2

Redegørelse for afsmeltningen af indlandsisen og påvirkningen af udviklingen i den globale gennemsnitstemperatur. 8-11

Redegørelse for forsøg med vand og is, samt forklaring på om det kan spille en rolle med afsmeltning af indlandsis og havis. 11-12

Udregninger for Jordens gennemsnitstemperatur ved hjælp af

Stefan-Boltzmanns lov og dynamisk ligevægt. 13-14

Side 2

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

1) Redegør for drivhuseffekten og på hvilken måde mennesket forstærker den naturlige drivhuseffekt. Inddrag det elektromagnetiske spektrum og modellen for jordens strålingsbalance.

Drivhuseffekten er det fænomen, som vi omtaler mest, når vi snakker om den globale opvarmning.

Den globale opvarmning er en betegnelse for den klimaændring, som resulterer i en stigning i den globale gennemsnitstemperatur. Der findes både den atmosfærisk drivhuseffekt (den naturlige) og den antropogene drivhuseffekt (den menneskeskabte).

Som billedet på forsiden også demonstrerer, er der en bestemt grund til, vi kalder det "drivhuseffekten". Solen udsender kortbølgede stråler, da den er meget varm. Jo varmere, desto kortere er bølgelængden. Nogle af de stråler formår at trænge gennem atmosfæren (vores drivhus).

Nogle af strålerne bliver absorberet af atmosfæren, andre bliver reflekteret, og de sidste passerer videre igennem. Når den kortbølgede stråling kommer ned og rammer jorden (i drivhuset), bliver en stor del af strålerne absorberet (inde i drivhuset) eller reflekteret tilbage (på jorden er det sne, som præsterer at reflektere bedst tilbage, grundet dens albedo).

Albedo er en form for måleenhed for refleksionsevnen hos forskellige former for overflader.

Albedoen kan være mellem 1-100%. Hvis et legeme er under 3%, betegner man det som sort, og hvis albedoen er over 80%, betegner man det som hvid. De procenter man måler albedoen i, er hvor meget af strålingen overfladen reflekterer. Lava reflekterer f.eks. 4%, dvs. ud af de 100% stråling den får, er det kun 4%, der reflekteres tilbage. De sidste 96% bliver absorberet i lavaen, og dermed bliver det også opvarmet. Antarktis’ overflade har en albedo på 81%. Det vil sige, at det kun er

19%, der bliver absorberet, resten bliver reflekteret tilbage. Skema på figur 5.

Når massen bliver varmet op, vil den automatiske udsende infrarøde stråler. De infrarøde stråler er langbølgede og elektromagnetiske, da de kommer fra en kølig masse i forhold til solens varme masse. På figur 1 kan strålernes bølgelængde aflæses på det elektromagnetiske spektrum.

Figur 1: Det elektromagnetiske spektrum.

Der bliver nu udsendt infrarøde stråler fra jorden ud mod universet, men en stor del af dem bliver

Side 3

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

stoppet på grund af drivhusgasserne i atmosfæren (glasset rundt om drivhuset), derfor bliver de tilbagestrålet som IR-stråler, der tydeligt kan mærkes som varme i drivhuset (mellem jorden og atmosfæren). Alle ved, at går man ind i et drivhus om sommeren, føles det nærmest som en sauna sammenlignet med temperaturen udenfor. Og står man foran en brændeovn hjemme i stuen, mærkes de infrarøde stråler tydeligt på huden. Det kaldes emission, når energi bliver afgivet i form af stråling.

Jorden har en strålingsbalance, som vi kan aflæse på modellen nedenfor. På figur 2 kan jordens

                                                       2.
strålingsbalance aflæses. Alle tal, der er opgivet på billedet, er i W/m Det første man bemærker på

denne model er, at der står noteret "342" på en stor gul streg, der repræsenter UV-strålingen. Dvs. at

342 W/m^{2} ankommer til jordens atmosfære fra solen. Man kan imidlertid også se, at ud af de 342
W/m^{2}, der udsendes fra solen, når kun 168 W/m^{2} til jorden. Resten bliver reflekteret af skyer,

aerosol, molekyler og jordoverfladen eller absorberet af atmosfæren. I højre side af billedet ser man,

at 390 W/m^{2} infrarød stråling er på vej ud mod rummet igen. Det er kun 40, der fortsætter gennem
atmosfæren og ud i verdensrummet. Resten absorberes af skyer og drivhusgasser, mens 324 W/m^{2}

tilbagevender.

Alt i alt, hvis man analyserer modellen, fremgår det, at vi modtager 342 W/m^{2} og tilbagesender 342
W/m^{2.}. Dvs. at der er balance i "strålingsregnskabet".

Figur 2: Strålingsbalancen på Jorden.

Den antropogene drivhuseffekt, som vi omtaler som den menneskeskabte drivhuseffekt, er den der diskuteres mest. Det er de ændringer i den atmosfæriske drivhuseffekt, som vi mennesker har forårsaget. Problemet med dette er, at jorden udleder flere drivhusgasser, primært kulstof, end jordens planter og havets plankton kan optage, grundet menneskelig aktivitet. Der er mange teorier, der bygger på, at når mængden af drivhusgasser bliver øget i atmosfæren, så vil den globale middeltemperatur også stige.

På figur 3 demonstrerer billedet den forventede temperaturstigning i slutningen af det 21.

århundrede og om 10 år. På billedet kan vi med farverne analysere, at det forventes at temperaturen stiger 1°C-7,5°C, alt efter hvor man befinder sig. På denne figur fremgår det altså tydeligt, at der frygtes en stigning i den globale middeltemperatur.

Side 4

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

Figur 3: Modellen til venstre viser den forventede temperaturstigning i år Modellen til højre viser den forventede temperaturstigning i år

De gasser som har en påvirkning på drivhuseffekten er lattergas (N O), methan (CH), Hydro-

2 4 chloro-fluoro-kulstoffer og Chloro-Fluoro-Carbon (HCFC- og CFC-gasser) og kuldioxid (CO),

2 som også er den gas, vi snakker mest om. Disse drivhusgasser forværrer vi med vores egne menneskeskabte kilder. På figur 4 ses et skema som viser flere af kilderne til den menneskelige påvirkning på drivhuseffekten. Her uddrager jeg kun 2 eksempler og forklarer.

Drivhusgas Menneskeskabte Opvarmningen af Opvarmningsevne

kilder kloden i % CO = 1

2

Kuldioxid CO Afbrænding af fossile 50% 1

2 brændsler (kul, olie, gas). Fældning og afbrænding af skove.

HCFC- og CFC-gasser Anvendes i køleanlæg, 20% 12-15.000 til aircondition, skumplast, opløsningsmidler, sterilisation m.m.

Methan CH Gæringsgasser fra 15% 21

4 rismarker og lossepladser. Udslip fra gas- og olie-udvinding

Lattergas N O) Kvælstofbaseret 5% 200

2 kunstgødning.

Afbrænding af fossilt brændsel og biomasse.

Figur 4: Skema der viser de vigtigste menneskeskabte drivhusgasser.

Den første gas er kuldioxid, som vi udleder gennem afbrænding af fossile brændstoffer, som kul, olie og gas.

Vores udledning af CO er konstant og sker gennem ganske dagligdagsting som f.eks. transport,

2 lysenergi m.m. Det er et globalt og alvorligt problem, som flere forskere forsøger at finde en løsning på, f.eks. ved at udvikle vedvarende og CO -neutrale energiformer.

2

Den anden gas er methan. Der bliver udledt gæringsgasser fra rismarker, lossepladser og udslip fra gas- og olie-udvinding. Methan-gas bliver også udledt fra køer, når de prutter. Methan har en opvarmningsevne, der er 21 gange så stor som kuldioxid, det kan vi aflæse i højre side af skemaet.

Side 5

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

2. Forklar kort hvilke former for energiproduktion, der er CO

2

neutrale/vedvarende.

Vedvarende energi er en fællesbetegnelse for energiformer, der ikke har begrænsede lagre (som vi i disse dage oplever, at olie har), men dog kan være begrænsede i deres øjeblikkelige forekomst. De fleste vedvarende energiformer stammer fra solen, med undtagelse af nogle få energiformer der stammer fra Månens påvirkning af Jorden (tidevandsenergi) og Jordens kerne (jordvarme). F.eks. er vind og bølger et resultat af solens stråler, der opvarmer jord og luft.

CO -neutralitet vil sige, når planten/massen har absorberet lige så meget CO før afbrænding, som

2 2 den udleder ved selve afbrændingen. Derfor er der hele tiden balance i CO -niveauet, og det er

2 dermed neutralt for balancen.

Atomkraftværker er en vedvarende energikilde. Atomkraft virker godt og genererer elektricitet i en troværdig, miljøvenlig og økonomisk realisabel måde uden at slippe skadelige gasser ud i atmosfæren. Et atomkraftværk er et termisk kraftværk, der frembringer elektricitet ved hjælp af kernekraft.

Vindmøller er en vedvarende energiproduktion. Den omdanner kinetiskenergi (bevægelsesenergi) til elektricitet. Vindmøller er blevet meget populære, hvis de er placeret i vindmølleparker eller et godt stykke ude på havet. Problemet med vindmøller er nemlig, at de larmer meget.

Bioenergi er CO

2 2

-neutralt. Man kan sige, at en plante er CO

-neutral, når den før afbrænding absorberer lige så meget CO

2

, som den udleder ved afbrænding. Biogas, halm korn osv. hører til under denne energiproduktion. En rapsplante er en af de planter, der er CO -neutrale. Den udleder

2 ikke mere CO end den optager, derfor tiltager atmosfæren ikke ekstra af denne drivhusgas.

2,

Solenergi hjælper til mange af de vedvarende og CO

2

-neutrale energiproduktioner. Principielt set er solen ikke en vedvarende energikilde, men fordi der er 5-6 milliarder år til den dør ud og dermed også sluger jordens bane, så er det ikke relevant. Solceller kan producere strøm direkte.

Hydroelektrisk energi er en vedvarende energiform, som i forvejen er meget populær på det globale

Side 6

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

plan. Det er den kinetiskenergi i vandet, der udnyttes. Der findes rigtig mange former for hydroelektrisk energi i verden, da der bygges forskellige turbinetyper. F.eks. bølgeenergien.

Osmotiske kraftværker er også en miljøvenlig CO

2

-neutral vedvarende energikilde. Den udvinder mekaniske energi via en vandturbine. Dette foregår ved både saltkraft og vandkraft.

Geotermisk energi er en vedvarende energiproduktion, der er udvundet fra Jordens indre. Det skal selvfølgelig foregå et sted, hvor det i forvejen er nemt at få adgang til de varme jordlag og også et sted, hvor der er varme geysere.

Side 7

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

3. Forklar på baggrund af forsøget med albedo, som du kort skal redegøre for, hvordan afsmeltningen af indlandsisen på Grønland, Arktis

(Nordpolen) og Antarktis (Sydpolen) vil påvirke udviklingen i den globale gennemsnitstemperatur. Inddrag modellen for jordens strålingsbalance.

                                                                     2
Hvis vi kigger på jordens strålingsbalance igen (figur 2), så kan vi se, at det er 30 W/m , der lige nu

bliver reflekteret i Jordens overflade. Det er f.eks. alt den sne, vi har omkring polerne, isen der ligger på Grønland, græsplæner, sand osv.

Overflade Albedo

Havoverflade | 3,5%
Lava | 4%
Sumpområder | 9-14%
Løvfældende skov | 13%
Bar jord | 5-40%
Græsområder | 20%
Sand | 25-30%
Is | 30-50%
Nyfalden sne | 80-85%
Gammel sne | 50-60%
Overfladen af Antarktis | 81%
Jordens overflade | 37-39%

Figur 5: Skema over forskellige overfladers albedo.

Vi lavede et forsøg i det naturvidenskabelige grundforløb, for at finde ud af, hvor stor forskellen er på en hvid, sort og sølv overflade med vand som indhold. Der blev sat en stor halogenlampe foran flaskerne med de forskellige overflader. Starttemperaturen var lidt ujævn, så som en fejlkilde burde der trækkes 1°C fra den hvides sluttemperatur.

Som det kan ses på figur 6 absorberede den sorte markant bedre end de andre. Dvs. at sort har den

Side 8

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

laveste albedo, da den var dårligst til at reflektere. Vandet i den sorte flaske nåede altså at stige

20,1°C, mens vandet i den sølvfarvede flaske kun steg 3,5°C. Forskellen mellem den sølvfarvede

flaske og den sorte flaske er altså 20,1 grader divideret med 3,5 grader = 5,7. Dvs. den sorte er

næsten seks gange mere absorberende end den sølvfarvede. Den hvide lå midt imellem med en temperaturstigning på 8,2°C.

Vores hypotese før forsøgets start var, at den hvide ville reflektere mest, da det virkede åbenlyst, at den skulle have den mindste albedo. Den hypotese blev markant afkræftet efter forsøget. Der er ingen usikkerhed om misvisning under forsøget, da der alligevel er minimum 3 graders forskel på den hvide og den sølvfarvede flaske.

Her er resultaterne fra forsøget: varmest <--------------------------------------> mindre varm sort hvid sølv temp. før: 23,8°C 24,8°C 23,8°C temp. efter: 43,9°C 33,0°C 27,3°C stingning: 20,1°C 8,2°C 3,5°C

Figur 6: Forsøg med albedo.

Via dette forsøg kan man let visualisere, hvorfor det vil være et kæmpe problem, hvis indlandsisen fortsætter med at smelte. Lige nu smelter indlandsisen med stor fart, det er bl.a. grundet alle de sodpartikler og kulstøv fra kraftværker osv, som lægger sig på isen og sneen og dermed formørker overfladen med det resultat, at albedoen falder. Sneen og isen har ikke mulighed for at trænge gennem soden og kullet, så derfor bliver der absorberet store mængder af varme, der øger

Side 9

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

problemet. Et andet stort problem er temperaturstigningen grundet drivhuseffekten. Når den globale middeltemperatur stiger, er det svært at undgå, at isen smelter.

Som det også ses af den hvide og sølvfarvede flaske, så har is og sne en meget høj refleksionsevne.

Klippe og sort har derimod en rigtig dårlig refleksionsevne.

Når isen begynder at smelte på f.eks. Grønland, så kommer der mere jord og klippe til syne. Ved denne proces sker der ligeledes det, at jordens overflade pludselig begynder at absorbere langt mere stråling og dermed varme, end overfladen har gjort før. Denne proces er det vi kalder is-albedo-feedback (en ond cirkel), idet den betyder, at det pludselig går hurtigt med afsmeltning og absorbering. Dette kan også aflæses på figur 7.

Figur 7: Is-albedo-feedback.

Et tilbageblik på figur 3 viser den forventede temperaturstigning om 10 år samt temperaturstigningen i slutningen af det 21. århundrede. Jo mørkere og mere lilla farven er på tegningen, desto højere temperaturstigninger forudser man. Det ses tydeligt, at i området omkring Arktisk og Grønland forudser man en stigning på 7,5°C, hvor man ved Danmark kun forudser

2,5°Cs stigning. Det er potentielt 3 gange så meget, temperaturen vil stige i området omkring Arktisk og Grønland set i forhold til Danmark.

Ovenstående teori og forudsætning er sandsynligvis baseret på faktorerne om højere absorbering, hvis isen begynder at smelte. Isen smelter i store masser, hvilket forårsager stigning i havstanden.

Havoverfladen reflekterer kun 3,5%, dvs. det ses som en næsten kulsort masse, der absorberer en masse stråling, som forårsager opvarmning. Den nuværende strålingsbalance på jorden ville hurtigt blive påvirket, hvis afsmeltningen fortsætter i det omfang, som ses for øjeblikket.

4. Redegør kort for forsøget med smeltning af is flydende på vand og forsøget omkring sammenhængen mellem vands temperatur og rumfang.

Forklar på den baggrund hvorfor forskere mener, at en fortsat stigning i den globale gennemsnitstemperatur vil føre til stigende havniveau.

Diskuter i forklaringen om det spiller en rolle, at isen på Grønland og

Side 10

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

Antarktis er indlandsis mens isen på Arktis er havis.

Forsøg 1 - smeltning af is flydende på vand.

Vi fyldte et glas med vand, så der stadig var et stykke til kanten. Derefter puttede vi så mange isterninger i, at glasset var fyldt helt til randen, men uden at løbe over.

Isterningerne stak omkring 10 % over vandet. Efterhånden som isen smeltede, observerede vi, at vandstanden ikke bevægede sig, selv om den flydende del af isterningen stillede og rolig blev mindre. Vandet var ikke løbet over, men gik stadig præcis til glassets kant. Med dette forsøg kunne vi dermed konkludere, at eftersom is’ masse er mindre end vands, så vil vandstanden ikke stige, selv om det umiddelbart ser sådan ud ved forsøgets begyndelse. De ca. 10 % der stikker over vandet, er

de ca. 10 % som is' massefylde er mindre end vands. Vands massefylde er knap 1000 kg/m^{3}, mens
is' massefylde er 920 kg/m^{3}. Det kan derfor konkluderes, at præcis 8 % af isen har været synlig over

vandstanden.

Verdenshavene vil af samme grund derfor ikke stige hvis f.eks. et isbjerg smeltede.

Forsøg 2 - vands udvidelse ved temperaturstigning.

I dette forsøg hældte vi 100 ml. vand op i en kolbe, hvorefter vi dryppede frugtfarve i. Vi målte vandets temperatur, 25,4, og noterede det som starttemperaturen. Derefter blev en dyppekoger placeret i kolben, mens vi holdte vandet i bevægelse. Efter noget tid målte vi temperaturen igen,

29,3, det blev noteret som sluttemperaturen. Ved hjælp af en pipette målte vi, at der var en forøgelse af vandstanden i kolben 1,1 ml, inde for den temperaturstigning vi havde foretaget.

Ud fra dette forsøg kan vi hermed konkludere, at vand udvider sig ved opvarmning.

Verdenshavene vil af denne grund stige, hvis den globale gennemsnitstemperatur stiger.

Efter at have foretaget disse forsøg har vi en klar formodning om, hvorledes vandstanden vil stige.

Baseret på resultaterne fra første forsøg kan vi desuden afkræfte påstanden om, at vandstanden vil stige, hvis Arktis' havis smelter. Vandstanden vil være den samme verden over, da massefylden for den smeltede is er lavere end vands. Isen vil gå ud i et med havet.

Hvis indlandsisen på Grønland og Antarktisk smelter, vil der til gengæld forekomme en markant vandstandsstigning i verdenshavene. Indlandsis ligger ikke i vandet, men på et fast klippestykke.

Isen på Antarktisk ligger også på en sådan bund og ikke i selve havet. Derfor går den ikke ud i et med havet. Vandstanden vil til gengæld stige med helt op til 60 meter, hvis indlandsisen smelter.

For at skabe en forståelse for disse faktorer, kan vi sammenligne med forsøg 1, som bekræftede, at vandstanden ikke stiger, hvis havisen smelter. Fylder vi et glas vand til kanten og lægger derefter en

Side 11

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

isterning oven i, ser vi straks, at vandet i glasset flyder over. Det sker, fordi isterningen ikke hele tiden har været en del af indholdet i glasset.

Hvis indlandsisen på Grønland smeltede, ville der forekomme en ændring i havniveauet på 6 meter i verdenshavene.

Side 12

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

5. Redegør ved hjælp af Stefan-Boltzmanns lov for, hvad Jordens gennemsnitstemperatur bliver, hvis jorden betragtes som et sort legeme i dynamisk ligevægt. Beregningerne skal udføres både, hvis du tager hensyn til drivhuseffekt, og hvis du ikke gør.

Dynamisk ligevægt består ofte af mange forskellige former for naturlige processer. Ser vi f.eks. på Furesøen, så er vandstanden i søen mere eller mindre konstant i en periode. I dette tilfælde opfatter man den dynamiske ligevægt som den mængde vand, der bliver tilført søen, f.eks. nedbør, og den mængde vand der føres væk fra søen, f.eks. vandløb. Dvs. at selv om Furesøen har en næsten konstant vandstand, bliver der alligevel tilført ekstra, som kan give en vandstandsstigning. Denne stigning i vandstanden er dog aldrig markant, da der altid er vand, der forsvinder ved f.eks.

fordampning.

Her er Jorden betragtet som et sort legeme i dynamisk ligevægt. Derfor bliver der ikke fratrukket 31

% af strålingsenergien, som de hvide flader i virkeligheden reflekterer. Jorden modtager en effekt

(P) fra Solen, som er på ca. 1,2 * 10^{17} W. Men da Jorden også har en næsten konstant

gennemsnitstemperatur, kan vi konkludere, at der ligeledes er tale om dynamisk ligevægt i dette

                                                 17
tilfælde. Jorden og dens atmosfære afgiver altså også 1,2 * 10 W. Et fuldstændig sort legeme

udsender stråling i form af temperaturstråling. I denne beregning har vi taget udgangspunkt i, at

Jorden er en kugle med radius 6,37 * 10^{6} m. Derfor er A (overfladearealet) regnet ud således: A =
4π * R^{2} = 4π * (6,37 * 10^{6} m)^{2} = 5,10 * 10^{14} m^{2}.

Af Stefan-

Boltzmanns lov fås:

Side 13

10/10-11 [navn fjernet] 1.E

Ved indsætning i den sidste formel findes temperaturen:

Beregningen er foretaget uden hensyn til drivhuseffekten.

Beregningen er foretaget med hensyn til drivhuseffekten.

Det skal lige nævnes at computeren ikke kunne få sat 4-tallet rigtig på ligningerne ovenover. Det er ment som den n'te rod.