mini|upright=1.8|Enkelt diagram som viser mekanismene for drivhuseffekten. Solstråling varmer opp jordoverflaten, noe som fører til at jordoverflaten sender ut varmestråling som atmosfæren delvis absorberer. Atmosfæren sender noe av denne strålingen tilbake til jorden. Selve drivhuseffekten er strålingen tilbake til jorden (atmosfærisk tilbakestråling) markert med den oransje pilen nedover. Illustrasjon: Finn Bjørklid
Drivhuseffekt er oppvarming av atmosfæren og Jordens overflate som følge av at noen av atmosfærens gasser absorberer en del av den infrarøde varmestrålingen fra jordoverflaten. Temperaturen på planetens overflate og i atmosfæren blir dermed høyere enn den ville vært uten denne effekten. En forutsetning for drivhuseffekt er at atmosfæren inneholder såkalte klimagasser (drivhusgasser). Drivhuseffekt er en naturlig prosess som kan oppstå på alle planeter som har atmosfære.
Den naturlige drivhuseffekten er en forutsetning for livet på jorden slik vi kjenner det. Uten drivhuseffekten ville temperaturen på jorden i gjennomsnitt vært , mens middeltemperaturen i virkeligheten er . De viktigste klimagassene i jordens atmosfære er vanndamp (H2O), karbondioksid (CO2), metan (CH4), lystgass (N2O) og ozon (O3). Vanndamp står for rundt 50 % av drivhuseffekten. Betegnelsen drivhuseffekt er et bilde på at atmosfæren, i likhet med et drivhus, holder varmeenergien fra solstrålene innfanget.
På grunn av økning av klimagasser, spesielt CO2 fra energiproduksjon basert på fossile energikilder, har den naturlige drivhuseffekten blitt forsterket siden den industrielle revolusjon. Dette er årsaken til global oppvarming, som var på i perioden 1880–2012. Selv om CO2 ikke er en spesielt kraftig klimagass, er den et klimapådriv som sammen med tilbakekoblingsmekanismer og dynamikken i klimasystemet kan øke oppvarmingen betydelig mer enn gassens bidrag alene skulle tilsi. Den viktigste positive tilbakekoblingen er at høyere temperatur fører til økt innhold av vanndamp i atmosfæren. Dette fører igjen til videre oppvarming på grunn av kraftigere atmosfærisk tilbakestråling mot jordoverflaten, altså en forsterkning av det opprinnelige klimapådrivet.
Historie mini|Svante Arrhenius beskrev hvordan økt innhold av CO2 i atmosfæren ville påvirke jordens temperatur i artikkelen «Über den Einfluss des atmosfärischen Kohlensäuregehalts auf die Temperatur der Erdoberfläche». Dette var i 1896.
Den franske vitenskapsmannen Joseph Fourier (1768–1830) forsto i 1824 at det er atmosfæren som gjør at jordens klima er gunstig for liv. Han mente at temperaturen ville være mye lavere om det ikke fantes en atmosfære. For å forklare dette brukte han en analogi med en boks med glass over. Luften i en slik boks vil varmes opp dersom solen lyser gjennom glasset. Dette var den første teorien om en atmosfære som omhyller jorden og holder varme inne i systemet. Teorien ble videre utvidet av den franske fysikeren Claude Pouillet (1791–1868), og i 1856 underbygget ved en serie eksperimenter utført av den amerikanske vitenskapskvinnen Eunice Newton Foote (1818–1888)).
De første teoriene om drivhuseffekten Etter Foote gjorde den britiske vitenskapsmannen John Tyndall (1820–1893) flere eksperimenter for å kartlegge strålingsegenskapene til gassene i atmosfæren. Han fant i 1859 ut at synlig sollys går så å si rett gjennom atmosfæren. Sollyset fører til oppvarming av jordoverflaten, noe som igjen leder til utstråling av usynlig langbølget stråling. Tyndall fant ut at de fleste av gassene i luften slipper også denne strålingen rett gjennom, men at mengden karbondioksid (CO2) påvirker hvor mye langbølget stråling som absorberes, og at dette er merkbart selv for små konsentrasjoner. Han fant ut at denne absorberte strålingen fører til oppvarming av luften.
I 1896 tallfestet den svenske fysikeren Svante Arrhenius (1859–1927) drivhuseffektens betydning for oppvarming av jordoverflaten og atmosfæren. Han oppdaget med sine beregninger at en viktig positiv tilbakekobling oppstår på grunn av økende konsentrasjon av vanndamp i atmosfæren. Dette oppstår som en respons på høyere temperatur, med det resultat at den opprinnelige forstyrrelsen av klimasystemet forsterkes av indre prosesser. Slik forklarte han at endringen mellom istider og varme perioder oppstod som respons på endringer i atmosfærens innhold av CO2. Den amerikanske geologen Thomas Chamberlin (1843–1928) studerte dette på samme tid, og presenterte blant annet en teori om at jordens karbonlagre, i hav og i mineraler, opptar og frigjør CO2 i sykluser som kunne forklare istidene. Arrhenius beregnet også, basert på sine studier, at fremtidig klimaendringer ville oppstå som følge av menneskeskapte utslipp. Han anslo at en dobling av atmosfærens CO2-innhold ville gi en temperaturøkning på .
I 1930-årene viste målinger at temperaturen i Nord-Amerika og nordlige deler av Atlanterhavet hadde økt siden siste halvdel av 1800-tallet. Det ble antatt at dette var et resultat av en naturlig syklus og at virkningen var regional. Disse målingene ble spesielt studert av den britiske ingeniøren og amatørvitenskapsmannen Guy Stewart Callendar (1897–1964). Han fikk publisert et arbeid om disse temperaturendringene, hvor han hevdet at en oppvarming av jorden kunne forventes som en konsekvens av forbrenning av fossile energikilder. På denne tiden anså både Callendar og andre forskere dette som en fordel.
Den amerikanske geofysikeren Edward Olson Hulburt (1890–1982) gjorde nye beregninger av drivhuseffekten med oppdaterte data i 1931. I sine regnemodeller tok han med vertikale luftstrømmer (konveksjon) i tillegg til varmestråling. Han kom frem til at dobling av CO2 ville gi en temperaturøkning på 4 °C. Dette var konsistent med resultatene til Arrhenius.
Forskningen som Callendar og andre hadde utført, fikk nye forskere i 1950-årene til å ta saken mer alvorlig. Med bedre teknikker og mer omfattende regnemetoder kunne vitenskapen gå dypere inn i dette enn tidligere. Også militæret i USA fattet interesse for temaet, både for å få kunnskap som kunne være nyttig i fremtidig krigføring, og av hensyn til prestisje. Dermed fikk denne forskningen stor statlig finansiering. Studiene bekreftet at mer CO2 i atmosfæren ville kunne føre til oppvarming.
Omfattende klimaforskning begynner mini|Utover i 1960- og 1970-årene fikk interessen for miljøspørsmål og forurensning stadig større interesse både blant folk flest og innenfor vitenskapen.
I 1960-årene fikk en også indikasjon på at innholdet av CO2 i atmosfæren virkelig økte. Den amerikanske geokjemikeren Charles David Keeling (1928–2005) hadde på denne tiden startet målinger av CO2 på Mauna Loa-observatoriet på Hawaii. Målingene viste at nivået økte jevnt hvert eneste år. Andre vitenskapsfolk fant metoder for å beregne temperaturendringer på jorden i tidligere tider. Ved hjelp av matematisk modellering og reguleringsteknikk så de på tilbakekoblingsmekanismer og klimasystemets dynamikk. De fant ut at det eksisterte mekanismer som kunne forsterke selv små endringer, slik at resultatet ble store endringer i klimasystemet totalt.
Utover i 1970-årene begynte vitenskapsfolk også å se på mulige virkninger av klimaendringer. På denne tiden ble folk flest også mer interessert i naturvern, og nå begynte en å forstå at klimaendringer neppe bare ville gi fordeler. Forskerne mente at selv noen få graders oppvarming kunne være skadelig for landbruk og muligens også føre til havnivåstigning.
Et annet fenomen som ble undersøkt av noen få vitenskapsfolk i 1970-årene, var luftforurensning i form av støv og smog. Slik forurensning kunne blokkere for sollys og gi nedkjøling av jorden (global dimming). Dette kunne være forklaringen på en trend med synkende temperatur siden 1940-årene. Disse motstridende teoriene ble forvirrende for massemedia. Skulle de tro på forskere som mente at verden ville bli varmere og havnivået stige, eller skulle de tro på at verden kanskje ville gå mot en ny istid, kjent som global nedkjøling? Det forskerne kunne enes om, var at vitenskapen hadde for liten kunnskap om klimasystemet, men at noen konsekvenser kunne forventes av den omfattende forurensningen av atmosfæren. Forskerne anbefalte større bevilgninger for å få økt kunnskap om sammenhenger mellom luftforurensning og klima.
Økende uro for en kommende klimaendring fikk det amerikanske National Academy of Sciences til å nedsette en vitenskapskomité i 1979, for å finne ut hva som kunne forventes. Komiteen kom frem til at en dobling av atmosfærens CO2-nivå i forhold til innholdet før industrialiseringen, sannsynligvis ville gi en oppvarming på rundt . Estimatet ble oppgitt med et usikkerhetsintervall på . Komiteens arbeid ble kjent som Charney-rapporten.
Global oppvarming blir et politisk tema I slutten av 1970-årene var det klart at global gjennomsnittstemperatur på ny viste en tydelig økende tendens. Noen klimaforskere estimerte at rundt år 2000 ville den globale oppvarmingen bli merkbar i form av uvanlig høye temperaturer. Den amerikansk klimaforskeren James Hansen (1941–) skapte stor interesse for fagfeltet i 1988 da han presenterte sine resultater for Kongressen. Han advarte mot at menneskeskapte klimaendringer var underveis og utgjorde en trussel for fremtidige generasjoner.
Da franske og russiske forskere i 1985 kom med resultater basert på proxy-data fra Antarktis, vakte det stor internasjonal interesse. De hadde tatt ut iskjerneprøver som kunne fortelle noe om klimaet og CO2-nivået flere år tilbake i tid. Dataene viste at CO2-nivået og temperaturen hadde sammenheng via tilbakekoblinger: En endring av den ene størrelsen, førte til endring av den andre, noe som igjen virket tilbake på den første og så videre. Dette ble underbygd av datasimuleringer, som viste at en dobling av CO2 ville gi en temperaturøking på rundt 3 °C.
Naturlig drivhuseffekt Drivhuseffekten er en naturlig prosess i enhver atmosfære som inneholder klimagasser. I solsystemet er drivhuseffekten sterkest på planeten Venus. Bakketemperaturen på skyldes at atmosfæren til Venus nesten bare består av CO2. Uten klimagasser ville overflatetemperaturen vært . Planeten Mars har også drivhuseffekt, men i svært liten grad. Et tynt lag med CO2 gir kun en økning fra til . Saturns måne Titan har også drivhuseffekt. Den naturlige drivhuseffekten er en forutsetning for livet på jorden slik vi kjenner det.
Komponentene i klimasystemet Sollys og stråling mini|Solens overflate fotografert i et øyeblikk med stor solaktivitet. Det er spesielt når solen har sine aktive perioder at energiutsendelsen er på sitt mest intense.
Solen sender ut energi i form av elektromagnetisk stråling som spres ut i verdensrommet. Det er flere måter å måle denne strålingen på, en kan for eksempel uttrykke den ved hjelp av irradians eller bølgelengde. Irradians forteller om strålingens effekt per flateenhet, og måles i W/m2. Bølgelengde har å gjøre med strålingens bølgeegenskaper, og måles i μm (mikrometer). Strålingen fra solen er av forskjellige typer. Disse har ulike bølgelengder og dermed ulik energiintensitet, slik at kort bølgelengde innebærer sterk energiutstråling, mens lengre bølgelengder gir svakere stråling. Den sterkeste strålingen fra solen har bølgelengde rundt .
Alle legemer sender ut elektromagnetisk stråling, eller som en også sier: De emitterer energi eller stråling i et spekter av ulike bølgelengder. Temperaturen til legemet er det som først og fremst bestemmer bølgelengden til strålingen, slik at høy temperatur betyr mer energiutsendelse og altså kortere bølgelengder. Et objekt som har en temperatur på eller høyere, sender ut stråling i form av synlig lys. Legemer med lavere temperatur sender ut stråling som ikke kan sees av det menneskelige øyet, men som kan føles som varmestråling.
Strålingen fra et legeme (objekt) beskrives av Stefan-Boltzmanns lov: