Den stora tråden om global uppvärmning/växthuseffekten

Växthuseffekten
Att delta i en diskussion om klimatet utan att förstå växthuseffekten är ungefär som att köra bil utan ratt och pedaler. Man kör ner i diket.

För att förstå växthuseffekten är det några grundläggande fysikaliska begrepp och fakta från termodynamik och om elektromagnetisk strålning som man måste känna till:
– Energiprincipen. Energin bevaras i alla slutna system.
– Energi kan överföras med elektromagnetisk strålning.
– Strålning från Solen består mest av kortvågig strålning, som synligt ljus.
– Strålning från Jorden består mest av långvågig IR-strålning.
– Jordens atmosfär släpper igenom det mesta av strålningen från Solen.
– Det mesta av strålningen från Jorden tas upp eller skickas tillbaka till Jorden av atmosfären.
– Det är atmosfärens sammansättning som bestämmer dess transparens för olika sorters strålning.

Energi, effekt och effekttäthet
Effekt är energi per tidsenhet.
Effekttäthet är effekt per ytenhet.

Effekttätheter
Från solen, utanför Jordens atmosfär: 1366 W/m^2

I medeltal, per kvadratmeter jordyta, fortfarande utanför atmosfären: 341,5 W/m^2

Utan växthuseffekt
Om vi räknar med att 64% av den effekten värmer Jorden så blir det: 218,5 W/m^2

I atmosfären, med dess nuvarande sammansättning, så vet vi att ca 69% av solstrålningen når ner till Jorden.
Som Jorden ser ut nu, så vet vi att den har ett albedo på ca 0,29.
Om vi räknade med dessa siffror så skulle ca 49% av solstrålningen värma Jorden.
Om det är rejält kallt på Jorden och vi har en atmosfär utan växthuseffekt och som är nästan fri från vatten så kommer en betydligt större andel än 69% ner till Jorden. Jag uppskattar andelen till nära 100%. En betydligt kallare Jord är till stor del täckt av is eller snö. Kanske ner/upp till 45°N/45°S? I så fall är ca 29% av Jorden täckt av is eller snö, mot nuvarande ca 10%. Då ökar albedot från nuvarande 0,29 till kanske 0,36?

Vi räknar med att Jordens emissivitet är 0,91.

När Jordens medeltemperatur antagit värdet 255,1°K, (ca -18°C) så är utstrålningen och instrålningen i balans, utan växthuseffekt.

Med växthuseffekt
Det är samma effekttäthet utanför atmosfären: 1366 W/m^2
Vi delar med fyra för att få vad som "teoretiskt" kan värma jorden: 341,5 W/m^2
Atmosfären reflekterar och tar upp: 107 W/m^2
Återstår, som når ner till jordytan: 234,5 W/m^2
Jordens albedo, ca 0,29 gör att "bara" 71% värmer jorden: 166,5 W/m^2

Nu ska vi ta hänsyn till atmosfären och växthuseffekten.
Vi gör en förenklad kalkyl för atmosfären. Den är inte exakt, men för att den ska bli förståelig så skiljer vi mellan kortvågig och långvågig strålning.

Kortvågig strålning:
In mot atmosfären, från Solen: 341,5 W/m^2
Reflekteras av atmosfären, tillbaka till rymden: 79 W/m^2
Tas upp av atmosfären och värmer denna: 78,5 W/m^2
Reflekteras av Jorden, tillbaka till rymden: 23 W/m^2
Tränger igenom atmosfären och tas upp av och värmer Jorden: 161 W/m^2
Netto: 78,5 W/m^2 värmer atmosfären.
Netto: 161 W/m^2 värmer Jorden.

Långvågig strålning
Ut från Jorden, "In" mot atmosfären (15°C, emissivitet 0,91): 396 W/m^2
In mot Jorden, ut från mot atmosfären ("växthuseffekt"): 333 W/m^2
Ut från atmosfären, mot världsrymden: 238,5 W/m^2
Netto: Atmosfären avger 175,5 W/m^2. Av detta kom 78,5 W/m^2 från solen.

Atmosfären avger alltså 175,5 W/m^2 och tar upp 78,5 W/m^2 från solen. Återstår 97 W/m^2.

Var kommer den effekten från?
80 W/m^2 tillförs atmosfären genom vattenånga. Värmen tas upp vid förångningen och avges vid kondensationen i atmosfären.
De återstående 17 W/m^2 tillförs atmosfären från Jorden genom konvektion.

Effektflöde till- och från Jorden
Kortvågig strålning från solen: 161 W/m^2.
Långvågig strålning från atmosfären (växthuseffekt): 333 W/m^2.
Netto tillförd energi: 494 W/m^2.
Långvågig strålning från Jorden: 396 W/m^2
Värme som åtgår för förångning: 80 W/m^2
Värme som lämnar Jorden genom konvektion: 17 W/m^2
Netto energi som lämnar Jorden: 493 W/m^2

Sammanfattning
Det här är en sammanfattning av varför Jordens medeltemperatur skulle vara ca -18°C utan växthuseffekt och varför den är ca +15°C med den växthuseffekt som vi har nu. Skillnaden, 33°K (eller 33°C) finns som en följd av växthuseffekten. CO2 är tillsammans med H2O den viktigaste växthusgasen i atmosfären. Mängden H2O som finns där är en följd av mängden CO2, eftersom CO2 gör att atmosfären får en temperatur och temperaturen bestämmer hur mycket H2O atmosfären kan bära. Detta resulterar i en positiv återkopplingseffekt.

Här är en bild som sammanfattar de energiflöden (eller egentligen effekttätheter, energin får man genom att ta effekten gånger tiden) som jag skrivit om ovan:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/imgheat/eebal.gif
Bilden finns här:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/Earthebal.html

Jag har använt spectralcalc.com's kalkylator för att beräkna strålning från Jorden:
http://www.spectralcalc.com/blackbody_calculator/blackbody.php

Validering
Med reservation för att siffrorna ovan inte är exakta, så är dom ändå "nära nog" för att kunna verifieras med mätningar av olika slag. Detta görs också eller har gjorts med atmosfärens nuvarande sammansättning.
Det gäller bl.a.:
– Kortvågig och långvågig strålning.
– På Jordens yta, i atmosfären och i rymden.
– Inkommande och utgående strålning.