Drivhuseffekt

Drivhuseffekt - Kortbølget stråling fra Sola, sollys (synlig lys og kortbølget varmestråling, bølgelengde ca. 320 - 3000 nm) går gjennom atmosfæren og absorberes av vegetasjon, vann, jord og andre objekter på jordoverflaten, og er avhengig av albedo. Objektene sender deretter ut langbølget (infrarød) varmestråling (bølgelengde 2-18 mikrometer (µm)) som blir absorbert av drivhusgassene vanndamp (H2O), karbondioksid (CO2), metan (CH4), troposfæreozon (O3), lystgass (N2O), samt klorfluorokarboner kalt freoner (CFC-11, CFC-12)) fra kjølemaskiner og aerconditionanlegg. Uten naturlig drivhuseffekt ville ikke livet på Jorden eksistert i den form vi kjenner.

Det er tre hovedreservoarer for karbon: havet, ferskvann, atmosfæren og den terrestre biosfæren inkludert jordsmonnet.  Allerede i 1896 gjorde Svante Arrhenius beregninger som viste at middeltemperaturen ville stige med ca. 5 o C hvis konsentrasjonen av karbondioksid i atmosfæren ble doblet (Phil. Mag. S5 41 (1986) 237-277)).

Økte utslipp av karbondioksid fra forbrenning av fossilt brensel vil påvirke og øke drivhuseffekten og derved klima på Jorden med tilhørende følger (forsterket antropogen drivhuseffekt). Havet har en stor bufferkapasitet når det gjelder å løse karbondioksid, som også kan lagres som bikarbonat eller karbonat (pH-avhengig likevekt). Havets overflatetemperatur vil påvirke hvor mye vanndamp som kommer ut i atmosfæren, og er derfor den viktigste parameter siden vanndamp er den drivhusgassen som gir det største bidraget til drivhuseffekten. Størstedelen av fordampning fra terrestre økosystemer skjer gjennom skog og vegetasjon. Ved massiv nedhogging av skog som blir omgjort til dyrkningsjord gir dette store endringer i den globale vannsyklus. Hogging av skog og fjerning av naturlig vegetasjon gir økt respirasjon av organisk materiale i jorda (økt CO2-utslipp), og redusert fotosyntese (redusert CO2-opptak). Grøfting av myrer gir oksidasjon og frislipp av drivhusgassen metan. Metan blir dannet anaerobt i rismarker og i vomma hos drøvtyggere, hvor husdyr utgjør et viktig bidrag. Denitrifikasjon av kunstgjødsel i landbruket kan gi lystgass (N2O) som virker som en drivhusgass. De fleste områdene på Jorden som kan dyrkes er allerede tatt i bruk. Produksjon av korn, den viktigste matkilden for menneskene på Jorden, er avhengig av nitrogen i form av nitratgjødsel (dypvannsris er ammoniumspesialist og gjødsles med urea), og under assimilasjonen av nitrogen fra nitrat, via nitritt til ammonium blir 0.02-0.2% av nitritt redusert til lystgass.

Det fysiske prinsippet for et vanlig drivhus er å beskytte plantene mot konveksjon (varmestrømning) som derved gir høyere temperatur, altså en noe annen betydning av ordet "drivhus" brukt ifm. drivhuseffekt, men i begge tilfeller øker temperaturen "innendørs".

Metan virker sterkere som drivhusgass enn CO2 og hos drøvtyggere kan opptil 10% av maten de spiser gå tapt som metan. Svovelheksafluorid (SF6) som brukes i elektronikkindustri, og for å lage magnesium er også en drivhusgass, samt perfluorokarbon for å etse og rense halvledere. Flyktige organiske forbindelser fra vegetasjon og menneskelig aktivitet kan gi opphav til troposfæreozon som virker som drivhusgass og deltar i dannelsen av fotokjemisk smog. Under anoksiske forhold i oversvømte rismarker, søppelfyllinger med organisk materiale, i myr og smeltet taiga, i vomma på drøvtyggere, kan ikke lenger oksygen være elektronakseptor for mikroorganismer som respirerer organisk materiale. I stedet bruker de anaerobe metanogene bakterier CO2 som elektronakseptor og danner metan. I komplekse næringsnett vil aerobe metanotrofe bakterier bruke metan som karbon- og elektronkilde.

Iskjerneprøver fra Antarktis viser en dobling av konsentrasjonen av CO2 på 420.000 år. I Kritt-tiden for 70 millioner år siden antar man at CO2  konsentrasjonen var ca. 1000 ppm og den har de siste 50-70 millioner vist en nedgang inntil den industrielle revolusjon hvor det nå skjer en økning med 1-3 ppm CO2  per år.  Den preindustrielle konsentrasjonen av CO2  antar man var ca. 280 ppm. Keeling startet i 1958 med systematiske målinger av konsentrasjonen av CO2  på Hawaii. Kurven viser årstidssvingninger som skyldes effekten av fotosyntesen på CO2 konsentrasjonen, hvor CO2-konsentrasjonen i atmosfæren synker når fotosyntesen (vesentlig på den nordlige halvkule) kommer i drift. CO2-konsentrasjonen øker om vinteren når respirasjon og forbrenningsreaksjoner dominerer. Fotosyntesen i terrestre økosystemer og hos alger og planteplankton i havet er så gigantisk at den ville ha tømt hele atmosfæren for CO2 i løpet av ca. 10 år, men dette motvirkes av de respiratoriske prosesser som bringer CO2 tilbake til atmosfæren.  CO2-konsentrasjonen har inntil nå økt med 20%, er nå ca. 400 ppm (0.04%) CO2 og man antar at i år 2100 vil konsentrasjonen av CO2  være 600-700 ppm. Stidningen av CO2-konsentrasjon viser at det er endring i CO2-fluksene.  I tillegg stiger konsentrasjonen av metan og lystgass, og mer skyer og vanndamp i atmosfæren med økt vanndamptrykk,  og mindre refleksjon fra is ettersom den smelter vil bidra til oppvarmingen. 

Det har gjennom millioner av år vært store svingninger i klima på Jorden, en rekke istider etterfulgt av varmeperioder, men aldri har det skjedd raskere endringer enn i vår tid, antropocen. De naturlige endringene i klima styres av Jordens bane rundt sola i løpet av et år, rotasjonen av kloden i løpet av et døgn, helningen av jordaksen 23.5o i forhold til baneplanet hvor aksen heller vekk fra Sola i vinterhalvåret på den nordlige halvkule, gir årstidsvariasjon på sørlige og nordlige breddegrader, mens ekvator får samme avstand til Sola hele året og tilsvarende lik daglengde året rundt. På den nordlige halvkule vender jordaksen mot Sola i perioden mars til september og vekk fra sola i resten av året. Ved vintersolverv er soldeklinasjonen -23.5o og ved sommersolverv er den +23.5o. Ved vårjevndøgnene vår og høst er soldeklinasjonen 0o. Jorden følger en ellipsebane og er nærmere Sola om vinteren enn om sommeren. Den skrå jordaksen roterer med en syklus på ca. 43.000 år fra 22o-23.5o-25o, aksen normalt på baneplanet roterer rundt på ca. 21.000 år, ellipsebanen roterer eksentrisk rundt på ca. 100.000 år. Eksempel: se hvordan aksen på en snurrebass roterer. Solas aktivitet er i dynamisk endring, det samme er vårt solsystems plassering i i galaksen Melkeveien. Vulkanutbrudd slipper ut CO2, og når kontinentalplater forflytter glir fra hverandre kan det komme CO2 og metan ut fra det indre av jorda. Løseligheten av gasser i vann er avhengig av temperatur og partialtrykk til gassene. Grunnet pH-likevektene mellom karbondioksid (CO2), hydrogenkarbonat (HCO3-) og karbonat (CO32-) eller karbonsyre (H2CO3) løses mer karbon i havet enn det som kan beregnes ut fra Henrys lov og partialtrykk. Her er det imidlertid mye upresist i samfunnsdebatten om klimaendringer. Når man snakker om CO2 som blir løst i hav og ferskvann blir dette raskt assimilert i fotosyntesen hos alger og fytoplankton, og blir omdannet til organisk materiale hvis det ikke er vekstbegrensende faktorer for fotosyntesen. Det virker litt underlig når man snakker om at økning i CO2 i atmosfæren gir forsuring av havet. Karbonatsystemet virker som et kraftig buffersystem. Konsentrasjonen av CO2 i atmosfæren har endret seg fra 0.028% fra førindustriell tid til ca. 0.04% idag. Kan dette virkelig gi forsuring av de enorme havområdene på Jorden ? Når vi mennesker spiser mat som blir respirert produseres mye karbondioksid som vi puster ut via gassutveksling i lungene. Imidlertid er det nøye pH-regulering i blodet slik at det holder seg konstant pH 7.35-7.45, til tross for stor produksjon av CO2. I luften vi puster ut kan det være 5% CO2.  Syrebasehomeostase i kroppen vår er regulert på flere nivåer: 1) karbonat buffersystemet (i hemoglobin i blodet, karbon anhydrase, organiske fosforforbindelser, apatitt i bein), 2) regulering av lungerespirasjonen, samt 3) nyrenes pH-regulering.  Når fotosyntesen i neddykkete vannplanter, alger og planteplankton  tar ut CO2 fra vannet så stiger pH, og generelt har havvann høy pH, pH ca. 8,  grunnet at det meste av karbonet i  CO2 foreligger som hydrogenkarbonat (HCO3-).

Det er ikke tvil om at sapienserne (Homo sapiens) har blitt så mange og har en slik ekstrem ressursforbrukende og lite konsekvenstenkende atferd med kort tidshorisont at det påvirker de globale biogeokjemiske syklusene, spesielt karbonsyklus, hydrogensyklus, oksygensyklus og nitrogensyklus. Bare det å brenne opp og svi av i løpet av et par hundre år store deler av alt fossilt brensel dannet gjennom fotosyntesen gjennom geologiske tidsperioder på hundrevis av millioner år er ganske imponerende (og skremmende). Produksjon av mat, biomasse og biodrivstoff har endret store deler av landområdene på Jorden og nære kystområder. Er kanskje den menneskeskapte effekten på syklus for vannet på Jorden, fordampning og kondensering,  som er den viktigste faktoren for endring av klima ?

  I tillegg er det variasjon i solflekkaktivitet hvor det med solvinden blir kastet ut store mengder plasma og magnetisk energi ut i verdensrommet. Solvinden med stor hastighet, 1.5 millioner km/time, beveger seg 15 milliarder kilometer ut i verdensrommet hvor den møter den kosmiske stjernevinden i sjokksone med høy temperatur som bølger fram og tilbake. Solvinden kan også påvirke klima på jorda. I 2003 var det et stort utbredd fra sola, registrert på jorda og av Voyager 1 og 2. Det ligger en ring av isobjekter utenfor vårt solsystem, Kuiperbeltet, og isplaneten Pluto kan bevege seg ut i Kuiperbeltet. Når det dannes is og snø over store områder under istider blir mye av solstrålingen reflektert ut i verdensrommet. Vi kan spekulere over hvilke prosesser det er som gir så mye temperaturøkning slik at istidene blir erstattet med varmeperioder, som i løpet av relativ kort tid kan smelte et flere kilometer tykt islag på relativt kort tid.

Fortidens dyreliv sier noe om tidligere klima, og i boreprøver fra havbunnen har forholdet mellom bentiske og pelagiske foraminiferer  blitt brukt i slike studier. Havstrømmene har stor betydning for livet og klima på Jorden. Polhavet er ca. 140 millioner år gammelt, og havisen bestående av flak med forskjellig tykkelse, 1/6 over vann og 5/6 under vann, er et dynamisk system i bevegelse.  Nordenskiöld hadde seilt Nordøstpassasjen med  Vega 1878-1979. Fridtjof Nansen hadde bl.a. ut fra drivtømmer fra Sibir og fra rester av Jeanetteksepedisjonen som ble funnet igjen på Grønland, kommet med hypotesen om at det gikk en havstrøm fra øst mot vest over Nordpolen, og for å vise dette seilte han langs kysten av Sibir,  frøs han inne i drivisen med Fram ved de Ny-sibirske øyer og hadde planer om å drive nordvest over polpunktet. Da han skjønte at det ikke gikk startet han den berømte ferden med ski og hundesleder mot Nordpolen sammen med Hjalmar Johansen i mars 1895 med overvintringen på Frans Josef land på veien tilbake. Se Fram over Polhavet (1897).   Nansen studerte havdyp og havbunnen i Polhavet. Amundsen gjorde et nytt forsøk med Maud 1922-24.

   Tre lange fjellrygger strekker seg gjennom Polhavet. Lomonosovryggen, som ble oppdaget i 1948, strekker seg som en lang undersjøisk fjellkjede fra Novosibirsk til den nordlige delen av Grønland, deler Polhavet i to  og får stor betydning for strømforholdene. Noen steder kan isfjell skrape havbunnen i gruntvannsområdene. 

Havisen roterer rundt i Polhavet og gjør en syklus i løpet av 7-8 år, men det ser nå ut til at rotasjonen går raskere. Polis og kaldt vann med lav saltholdighet  fra polbassenget driver ut i stredet mellom Grønland og Svalbard med Øst-Grønlandsstrømmen. Øst-Grønlandsstrømmen går videre gjennom Danmarkstredet mellom Grønland og Island, passerer sydspissen ved Kap Farvel og beveger seg nordvest som Vest-Grønlandsstrømmen opp Davisstredet.  Amerikanske ubåter og radarsatelitter overvåker tykkelsen av polisen, og tidligere var den gjennomsnittlig 3 meter tykk, nå er den ca. 1 meter.  Med Golfstrømmen kommer det varmt havvann mot nord. Saltvann er tyngre enn ferskvann. Med issmeltingen kommer det mer ferskvann. Mindre is betyr at det blir presset ut mindre salt når isen fryser, og det blir mindre tungt saltvann som synker ned i havdypet. Når vann fryser frigis varme og når det smelter forbrukes energi. Mindre havis og mer åpent vann gir mindre refleksjon av sollyset. Innlandsisen på Grønland dekker omtrent 4/5-deler av Grønland og kan være opptil 3 kilometer tykk. Isbreene kalver i havet, og mye av havisen er forsvunnet.

Alle faktorer med tilhørende data som påvirker klima legges inn i kompliserte klimamodeller, hvor man med meget avanserte datamaskiner  simulerer tidligere klimadata og forsøker å framskrive et framtidsscenario for Jordens klima. Noen av disse modellene sier at i løpet av 100 år vil temperaturen kunne stige 3-4 oC på flere steder på jorda. Vi hadde den lille istid rundt 1750, hvor breene i Norge hadde stor utbredelse, med en kombinasjon av mye nedbør og lite isavsmelting, men det er nå indikasjoner på at Jorden vil nå går inn i en varmeperiode. Spørsmålet er om dette er en naturlig svingning, eller om den skyldes menneskelig aktivitet. Det er dessverre flere og flere indikasjoner på at det siste er tilfelle og en medvirkende faktor. Sjøvann utvider seg når det oppvarmes og når innlandsisen på Grønland og i Antarktis smelter vil havnivået stige.

Det er store varmemengder og gigantiske varmepumper involvert når vann forflytter seg mellom fasene flytende vann, is og vanndamp. I den tropiske regnskogen i Brasil fordamper mye av vannet som kommer med nedbøren via den tropiske regnskogen, og det samme vannet kan regne ned og fordampe flere ganger innen lufta har passert Amazonasbeltet. Nedhogging av regnskoger på jorda kan påvirke slike varmepumper og det kan tenkes å kunne påvirke klima og havstrømmer, med uanede konsekvenser.  Når havisen smelter i Antarktis kan ikke lenger isbjørn fange sel på isen. Atferdsresponser på endret klima vil bli at fisk søker seg til kaldere dypere vann om sommeren når overflatevannet blir for varmt. Torsken søker nye gyteområder lenger mot nord og øst.  Oppvekstområder og trekkveier for fisk og andre marine organismer vil endre seg. Sykdommer og parasitter som nå er begrenset til tropiske områder vil kunne spre seg nord- og sydover. 

   Vi kan i årene som kommer forvente oss mildere vintre, varmere somre, større variasjon i temperatur og nedbør fra år til år, kraftigere regn skybrudd (sjokknedbør), hvor elver, bekker,  kloakk- og avløpssystem ikke klarer å ta unna vannmassene.

Kyotoprotokollen av 1997 var en avtale om å redusere mengden drivhusgasser til 5.2% lavere enn 1990-nivå og dette målet skal oppnås innen 2008-2012. Norge har store vanskeligheter med å innfri disse forpliktelsene. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ble  dannet i 1988 av FN og World Meteorological Organization, og består av hundrevis av vitenskapsmenn som vurderer tilgjengelige klimadata som kan føre til endring i nedbørsmønstre og havnivå, med tilhørende store økologiske konsekvenser. Mer og mer tyder på at det nå skjer en klimaendring på jordkloden og klimamodellene viser at menneskelig aktivitet er en medvirkende faktor til klimaendringene. Riktignok har vi påvirket de fleste områdene av kloden, men at arten menneske nå også er i ferd med å påvirke klimasystemene viser hvor dramatisk påvirkningen er.

Effekt av økt CO2 på plantevekst

   Hvilke effekter vil økt konsentrasjon av karbondioksid i atmosfæren ha på biosfæren og spesielt fotosyntesen, plantevekst og produktivitet ? De første hypotesene gikk ut på at effekten av økt CO2-konsentrasjon (karbondioksidgjødsling) vil bli økt CO2-assimilasjon via fotosyntesen, redusert transpirasjon og dette til sammen skulle gi økt utnyttelse av vannopptaket i plantene. Det vil si økt vannutnyttingseffektivitet (WUE) ("water use efficiency", molar vannutnyttingskoeffisient, [CO2] tatt opp/[H2O] tatt opp, mmol mol-1). Økt fotosyntese behøver ikke nødvendigvis bety økt vekst. Hvis det er mangel på et annet stoff, vanligvis nitrogen, vil økt konsentrasjon av CO2 ikke gi noen økt fotosyntese. Økning i produktivitet er mindre enn det man kan forvente ut fra økning i fotosyntese ved økt CO2 tilgang. "CO2-gjødsling" kan gi økt vekst hos C3-planter i et vanlig drivhus, hvor alle de andre vekstparameterne er optimale, men det skjer ikke i naturlige økosystemer, hvor det er flere begrensende faktorer.   Nå viser det seg at økt vekst for en plante som følge av økt CO2 konsentrasjon ikke gjenspeiles i vegetasjonen. Oppdagelsen at spalteåpningene (stomata) responderer på CO2-konsentrasjonen ble gjort allerede i 1916 av Linsbauer og Freudenberger, men det er stor forskjell mellom arter varierende fra ingen effekt til 10 x minskning i stomatakonduktansen. Effekten av CO2 på stomata varierer i tillegg med bladalder, lysfluks, fuktighet og temperatur. Mindre spalteåpninger vil kunne redusere skadene av luftforurensninger som ozon, SO2, NOx og vil således kunne gi en positiv veksteffekt. Woodward (1987) fant nedgang i stomatatettheten de siste 200 år ved studier av herbariemateriale, noe som indikerer at økt konsentrasjon av CO2 gir færre spalteåpninger på ladene. Fotorespirasjonen kan hemmes med 50 % ved en økning i CO2 til 600 ppm. Hva med konkurranse ? Vil C3-planter utkonkurrere C4-planter, og vil trær utkonkurrere busk- og feltvegetasjonen ? Noe entydig svar er det ikke.   Planteveksten reguleres av bladareal og lystilgang. Hvordan planten fordeler sine fotosynteseprodukter og ressurser mellom røtter og deler over jorda, blomster, frukt, frø vil være avgjørende. Når tilgangen på lys,  nærings, og vann er lav responderer plantene lite på økt tilførsel av karbondioksid, disse faktorene kan til og med være viktigere enn CO2 konsentrasjonen.

Woodward, F I.: Stomatal numbers are sensitive to increases in CO2 from pre-industrial levels. Nature 327 (1987) 617-618.

Drivhuseffekt

Mer om globalt karbon- og vannkretsløp via plantene

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:15 - Sist endret 14. juni 2019 11:33