Om värmets kretslopp

Idag tänker jag göra det som experterna tycker så illa om att vi amatörer ägnar oss åt, nämligen att tänka högt. Min utgångspunkt är att jag tycker mig ha en bild av kolets kretslopp, något som i viss mening är relativt lättförståeligt. Den totala mängden kol i det kretsloppet är i stort sett konstant. Mängden kol i de olika depåerna mäts i gigaton, Totalt finns det lite drygt 40 000 gigaton varav mer än 9/10-delar finns i haven. Den årliga omsättningen är ungefär 1/200-del av det totala, och även om det tillförs en aning så handlar den mängd som tillförs om c:a 1/4000-del av den totala mängden.

Kolets kretslopp lämpar sig därför för att studeras med enkla matematiska modeller, och som en del av KU:s läsare vet så har jag gjort min egen enkla ”dynamiska modell” av kolets kretslopp där huvudpunkten är en jämförelse mellan användning av fossila bränslen jämfört med en övergång till biobränslen.

När det gäller värmets kretslopp är situationen betydligt svårare eftersom det där inte handlar om ett ”slutet system”. Därför måste man tänka mer som en fysiker där det inte är de totala mängderna som är relevanta utan det istället handlar om små men viktiga skillnader mellan stora tal. Det som gör att jag ändå vill försöka är att om man antar att skillnaden mellan utstrålning och instrålning är av storleksordningen 1 watt per kvadratmeter jordyta, så innebär det att förändringen av klimatsystemets totala energi-innehåll är av storleksordningen 15 gånger 10 upphöjt till 21 Joule.

Om vi dividerar detta med 4000 för att få det gamla praktiska måttet kilokalori så har vi alltså c:a 4 gånger 10 upphöjt till 18 kilokalorier. Haven innehåller ungefär en och en halv gånger 10 upphöjt till 20 liter vatten. Den årliga förändringen handlar alltså om en energimängd som motsvarar en förändring av havstemperaturen med 1/40-dels grad. Eftersom man brukar räkna klimatförändringar i tiondels grader så kan man om man begränsar sig till några få år bortse ifrån förändringarna av den totala värmemängden.

Det som man då kan fundera över är ju det som Magnus Cederlöf tog upp för några veckor sedan, nämligen det som kan kallas årtidsvariationer och det som gör att även jag vill ta upp ämnet är att såvitt jag förstår så finns det ett samband mellan kolets kretslopp och värmens.

En startpunkt kan då vara att koldioxidhalten i atmosfären är som högst någon gång runt 1 maj men att den sedan sjunker fram till någon gång i slutet av september innan den börjar stiga igen. Eftersom de årliga variationerna, om jag minns rätt, är åtminstone dubbelt så stora som förändringen från år till år, så tycker jag att de är intressanta.

Det brukar antas att minskningen av koldioxidhalten under norra halvklotets sommar beror på att det finns mycket mer landväxter på norra halvklotet och att fotosyntesen därför ökar under sommaren. Min bild av kolets kretslopp är att utbytet mellan hav och luft är ungefär lika stort som utbytet mellan växter och luft. Eftersom norra halvklotets sommar är södra halvklotets vinter så innebär det också att haven på södra halvklotet blir kallare och att de därmed kan ta upp koldioxid ur atmosfären.

Samtidigt sker det en värmeöverföring mellan halvkloten som visserligen beror av solinstrålningen, men som ändå kanske kan uppskattas. Hos oss är temperaturskillnaden mellan sommar och vinter ungefär 30 grader, och om man antar att ett genomsnitt över jorden skulle ligga mellan 15 och 20 grader så skulle det innebära en energimängd om 3000 gånger 20 kilokalorier per kvadratmeter, en energimängd som exempelvis räcker för att smälta 750 kg is.

Jag kommer kanske att återvända till dessa funderingar senare, men just nu vill jag bara notera att om vi tänker oss tre ”depåer för värme”, luften (atmosfären), isen (kryosfären) och haven (hydrosfären), så är så är förhållandet mellan värmekapaciteterna ungefär 1:20:1000. Det bör dock också påpekas att om vi skulle ta värmen från haven för att smälta all is så skulle havens temperatur sjunka ungefär en grad.

Dela detta inlägg

21 reaktion på “Om värmets kretslopp

  1. 1
    Lasse

    Bra sammanställning för oss som har andra kunskaper, i bästa fall ;-)
    Skall försöka minnas 1:20:1000-var det atmosfären:isen:vattnet.

    Minnet är begränsat -därför fokuserar jag på vattnet!
    IPCC konstaterar följande i senaste rapporten med sina reservationer ang havsnivåändringen:
    1,7 mm/år mellan 1901 och 2010 vilket ger 187 mm
    2,0 mm/år mellan 1970 och 2010 vilket ger 80 mm
    3,2 mm/år mellan 1993 och 2010 vilket ger 54 mm
    Därtill 3,2 mm mellan 1930-1950 vilket ger 96 mm

    Vad de säger med dessa siffror är att det är mycket troligt att perioden mellan 1901 och 1930 samt mellan 1950 till 1970 medförde betydligt lägre ökning än de 1,7 mm som medel uppgår till.
    Vad varierar som detta? Både temperatur och PDO
    http://www.woodfortrees.org/plot/hadcrut4gl/from:1900/to:2013
    http://www.woodfortrees.org/plot/jisao-pdo/from:1900/to:2013

  2. 2
    Lasse

    För att återknyta till dina funderingar så är variationen i CO2 förklarad av Norra halvklotets större biomassa.
    Kan detta inte även förstärkas av södra halvklotets större havsareal. Högre temperatur gasar av vattnet-väldigt effektivt! Det döljer även den ökade instrålning som sker på södra halvklotet.
    Var det inte 1:20:1000?

  3. 3
    Sten Kaijser Inläggsförfattare

    Tack Lasse,
    någon gång har jag tänkt tanken att ha en så förenklad modell av jorden att man låter södra halvklotet vara hav och norra vara land. Men precis som du tror jag att södra halvklotets hav har ungefär lika stor betydelse för kolets kretslopp som fotosyntesen på norra.

  4. 4
    t0pe

    Värmens kretslopp är intressant, men jag tycker att man ska räkna på alla värmekällor, inte bara kol.
    Enligt BP-Statistical_Review_of_world_energy_2014_workbook uppgår konsumtionen av energi mellan 1974-2013 till 14,6 ZJ
    Försumbart säger de flesta, men”många bäckar små” osv.
    Det finns ju flera värmekällor som aldrig redovisas offentligt, eller t.ex. vedeldning och människans förbränning

  5. 5
    sibbe

    Har inte GISS och NASA övergått att mäta väder/ klimattemperaturdata nuförtiden i hundradelar, för hur skulle de annars få det till den varmaste dagen, varmaste veckan, varmaste etc. som vi får läsa och höra vecka efter vecka i våra medier. Och det rekordkalla vädret med rekordartat snöfall i staterna är ju, helt logiskt, att det blir kallare på grund av att det blir varmare. Hur dumma vi är som inte tror på sådana enkla ”sanningar”…

  6. 6
    Sten Kaijser Inläggsförfattare

    Hej t0pe
    för mig handlar det alltid om enklast möjliga modell och enklast möjliga räkningar. Kan man få ut något som säger något om storleksordningarna så kan man sedan se om andra saker har någon betydelse.
    Det som intresserar mig är värmefördelningen mellan halvkloten och förändringarna mellan sommar och vinter.

  7. 7
    Thomas P

    t0pe #4 Omvandla de där 14,6 ZJ till W/m2 och se hur mycket det rör sig om i förhållande till andra faktorer. Än så länge är det försumbart, men fortsätter energiförbrukningen att växa, t ex genom att vi får billig kärnkraft kan det börja bli ett problem framemot andra halvan av seklet.

    Vedeldning tillför ingen värme annat än lokalt. Det är solenergi som binds i träd och som frigörs när träden bryts ned oberoende av hur det går till. Ett träd som multnar ute i skogen frigör precis lika mycket energi, om än utspritt under längre tid och om solljuset istället för att bindas i ved hada absorberats på marken hade energin frigjorts direkt.

  8. 8
    Lasse

    #7 Thomas P
    Du tänker nog mest på CO2?
    Ett multnande träd ger ingen sot!
    Vi eldar och släpper ut stoft som kan påverka klimatet mer än den energi som förbränns.
    Effekten på strålbalansen ligger i samma storleksordning som CO2 har jag för mig.
    Grönlands istäcke smälte raskt när sotpartiklarna gjorde det svart.
    #3 Sten -såg att du skrev om södra halvans vattenyta-jag tror du är något på spåren! Det måste väl finnas fler än du och jag som ser detta? Kan man se på lokal variation av CO2 i atmosfären?

  9. 9
    Johan M

    DN hade idag en ”skrämmande” video från NASA som visar en simulering av koldioxid-koncentrationen under ett år. DN vill gärna ha det att alla utsläpp är från industrin men ”utsläppen” från naturen är ju det helt överskuggande. Undrar om inte en simulering av förhållandet 1914 hade sett likadant ut?

    http://www.dn.se/nyheter/vetenskap/vacker-varning-fran-nasa/

    Sen kan man ju fråga sig varför man inte färgar koldioxiden grön, det hade väl stämt bättre med dess funktion :-)

  10. 10
    Mats G

    ”skrämmande” video från NASA”

    NASA? Jag trodde det var Disney.

  11. 11
    Thomas P

    Lasse #8 Frågan jag besvarade handlade om den energi som frigörs vid förbränning, inte om sekundära effekter av olika sorter. Hur mycket sot som bildas beror t ex helt på hur förbränningen sker.

  12. 13
    t0pe

    Thomas P
    Jag gjorde tvärtom och omvandlade solens energi och det uppgår till 3850 ZJ, men då skulle det teoretiskt inte påverka temperaturen på jorden.

    För att sätta det i relation till något annat har jag hämtat det här från Wikipedia (jag vet, inte tillförlitlig källa) ”Det krävs ungefär en yottajoule för att värma allt vatten på jorden 1°C.”. 1ZJ = 0,001YJ

    Min tanke är att vi tillför/frigör energi som har lagrats i eller på jorden.
    Under de senaste 40 åren har vi ”frigjort” 0,0146 YJ, hur påverkar det?

    Vi har andra ”energier” som frigörs vid t.ex. skogsbränder och vulkanutbrott för att nämna några, visst en del säger att att ”elda ved” har ingen påverkan mer än sotutsläpp, men var tar värmen vägen då?

    Jag säger inte att det här är någon förklaring på temperaturökningen på jorden, men man kan inte enbart hänvisa till koldioxidutsläpp och metan utan även ta hänsyn till detta.

    För övrigt är väl 0,8 grader försumbart =)

  13. 14
    Stickan no1

    Visst skall jorden också vara med.
    Manteln från ca 35 km djup ner till nästan 3000 km ddjup har en temperatur från ca 500 C till 4.000 C
    Kärnan från ca 3000 till jordens medelpunkt på 6378 km är 4000- 6700C
    Består dessutom till stora delar av flytande järn.
    Mycket energi blir det. Och stor effekt.
    Från Wiki:
    ”Jordens värmeinnehåll är 10^31 joule. Jordens inre värme strömmar mot ytan med en effekt om 40 TW och den termiska energin ökar med en effekt om 30 TW tack vare radioaktivt sönderfall. Detta energiflöde är mer än dubbelt så stort den mängd energi som förbrukas. Emellertid är större delen av den här energin allt för utspridd för att det ska vara lönsamt att utnyttja den (0,1 W/m² i genomsnitt)”

    Men Gore tror att det är miljoner grader i kärnan:
    http://www.youtube.com/watch?v=EnpdjXIZVro

  14. 15
    Jonas N

    #9 #10 #12

    Kul simulering med fina röda färger. Men fanns där ngn substansiell information också? DNs artikel var ju bara ett omtugg av samma klimatfloskler de har malt på om under år. Även den helt utan ngn reell substans.

    Videon visade (en simulering av) att CO2 halten varierar över året, och mer så på norra halvklotet. Existerande mätningar indikerar fö att den variationen inte alls har ändrats med mänskligt fossilbruk, snarare att andra faktorer påverkar detta mer.

  15. 16
    Thomas P

    t0pe #13 Du kanske har intuition för ZJ , för mig är W/m^2 mer relevant.

    ”men var tar värmen vägen då?”

    Som jag skrev: det är precis samma energi lagrad via fotosyntes som avgår i form av naturliga nedbrytningsprocesser. Det förändrar inte ett jota om man eldar upp träden i en ugn istället (ur energisynpunkt). Avskogning, dvs att man minskar mängden biomassa, ger et nettoutsläpp av energi, men så länge man odlar tillräckligt mycket nya träd för att vara i balans påverkar man ingenting. Precis detsamma gäller f.ö. vattenkraftverk. Vattnets potentiella energi skulle utan kraftverket bara omvandlats till värme under vattnets färd ner mot kusten.

    Ytterst strålar värmen ut i rymden igen om det var det du undrade över.

    Stickan #14 ”0,1 W/m² i genomsnitt”

    Dvs rätt försumbart i förhållande till solstrålningen, och dessutom en konstant term som inte kan bidra till några förändringar i klimatet.

  16. 17
    t0pe

    #16
    Joule eller W/m^2 har mindre betydelse

    Vad jag vill påvisa är att vi frigör lagrad energi. De förnyelsebara energislagen är tyvärr så små i förhållande till de fossila och nukulära energislagen så de påverkar inte min beräkning mer än ”försummbart”

    Hur vet vi att ”man odlar tillräckligt mycket nya träd för att vara i balans”?
    Det brukar komma rapporter om skövlade regnskogar och gigantiska skogsbränder, men det ska man bortse ifrån då?

    Hur snabbt binds energin genom fotosyntesen?
    OM vi har ökat avskogningen under 1900-talet borde det väl påverka

    Jag vet att värmen strålar ut, det var mer ett sätt att påvisa att det kommer mer än CO2 från biomassa

  17. 19
    Johan M

    #15 Jonas N

    Jag tror nog videon mer var ett utslag av:

    – Nu har vi fått anslag för att bygga den hör superdatorn så nu fasiken måste vi ju beräkna något … några förslag?

    – …. ehh, en simulering?

    – Toppen, simulera koldioxidens kretslopp, det ger nya anslag.

  18. 20
    Jonas N

    Johan #19

    Nu tror jag ju iofs inte att en vädersimulation (som detta väsentligen är) om hur luften flödar och blandas är ngt dåligt i sig.

    Men jag vill minnas från ngn annan stan att de högsta CO2-halterna inte alls fanns kring de tätbefolkade och industritäta områdena, iaf inte generellt. Vilket skulle betyda att de inte fått kol-cykeln så där värst rätt i just detta försök att simulera CO2 kortsiktigt.

    Men valet av färgsalor var extremt, och det var säkerligen gjort just för oreflekterat alarmistbruk så som också skedde …

Kommentarer inaktiverade.