Redigerer Atmosfærisk tilbakestråling (avsnitt)

== Jorden og atmosfærens strålingsbalanse ==
[[Fil:Drivhuseffekten.png|mini|upright=2|[[Drivhuseffekt]]en vist forenklet: [[Solstråling|Solstrålene]] går gjennom [[Jordens atmosfære|atmosfæren]], og rundt halvparten av dens energi absorberes av jordoverflaten. Dette fører til oppvarming av jordoverflaten og til at en del av energien sendes tilbake til atmosfæren, blant annet som langbølget varmestråling. Denne varmestrålingen blir absorbert av drivhusgassene i atmosfæren, som sender energien ut igjen som langbølget stråling. Atmosfærisk tilbakestråling er den delen av denne strålingen som sendes tilbake mot jordens overflate.]]

=== Atmosfærens absorpsjon av langbølget stråling – Drivhuseffekten  ===
{{Hoved|Drivhuseffekt}}

Atmosfærisk tilbakestråling (fra engelsk «atmospheric back radiation» eller «atmospheric download longwave radiation» og fra tysk «Atmosphärische Gegenstrahlung») er en sentral del av drivhuseffekten. Drivhuseffekten gjør det levelig på jorden fordi «atmosfæren ligner et tak som slipper gjennom solstrålingen og samtidig absorberer den termiske strålingen fra bakken.»<ref>{{ Kilde bok | forfatter = Egeland, Alv | utgivelsesår = 1990 | tittel = Drivhuseffekten: jordens atmosfære og magnetfelt | isbn = 8299207304 | utgivelsessted = [Oslo] | forlag = [Universitetet i Oslo, Fysisk institutt] | url = http://urn.nb.no/URN:NBN:no-nb_digibok_2007082904021 | side = 89}}</ref> Kunnskap om denne strålingen har betydning for praktiske vitenskaper som meteorologi, kjølesystemer, et cetera. For eksempel i meteorologi, der en ønsker å forutsi nattefrost, tåke, temperaturvariasjoner og [[sky]]dannelse.<ref name=Iziomon>{{Kilde artikkel | forfattere = M.G. Iziomon, H. Mayer, A. Matzarakis | tittel = Downward atmospheric longwave irradiance under clear and cloudy skies: Measurement and parameterization | publikasjon =  Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 65 | år = 2003 | bind =  | hefte =  | sider = 1107–1116 | doi =  | url = http://www.urbanclimate.net/matzarakis/papers/IziomonMayerMatzarakisJASTP2003.pdf}}</ref>

Solstrålingen, som er elektromagnetiske stråler med kort [[bølgelengde]], slipper nokså lett gjennom jordens atmosfære og mye av denne strålingen absorberes av jordoverflaten. Jordoverflaten varmes opp i større eller mindre grad, og dette fører til at den sender ut varmestråling, ofte kalt [[infrarød stråling]]. Denne varmestrålingen, som også er elektromagnetisk stråling, skiller seg fra solstrålene ved at den har betydelig lengre bølgelengde.<ref name=Henriksen36>[[#Henriksen|Henriksen : ''Deilig er den himmel'' side 36.]]</ref> I møte med atmosfærens gasser, spesielt drivhusgassene, fører dette til at den langbølgede strålingen absorberes. Den absorberte energien sendes ut igjen fra molekylene i gassene, både ut i verdensrommet og tilbake til bakken som atmosfærisk tilbakestråling.<ref name=Henriksen38>[[#Henriksen|Henriksen : ''Deilig er den himmel'' side 38.]]</ref> Forenklet kan en si at drivhuseffekten forhindrer varmestrålene fra å forlate jorden, dermed får jorden et klima egnet for liv, med en middeltemperatur på rundt +15&#x20;°C ([[grad celsius]]).<ref name=Henriksen36/>

=== Jordens mottak av solstråling ===
[[Fil:Atmospheric Transmission.png|mini|upright=2|Figuren viser [[absorpsjonsbånd]]ene (intervaller) i jordens atmosfære i midten, og effekten som dette har på både solstråling og oppadgående termisk stråling, øverste graf. Individuelle absorpsjonsspekteret for vanlige drivhusgasser og [[Rayleigh-spredning]]
er vist i nedre panel. {{byline|Robert A. Rohde|type = Diagram av }}]]

Både solen og jordkloden kan betraktes som såkalte ''[[svart legeme|svarte legemer]]'', det vil si et idealisert fysisk objekt som absorberer all elektromagnetisk stråling, dette i motsetning til et såkalt hvit legeme som reflekterer all slik stråling. Et slikt legeme kjennetegnes videre ved at stråleenergien emitteres, altså sendes ut som elektromagnetisk stråling. Solen sender ut vesentlig synlig og ultrafiolett stråling, mens jordkloden sender ut varmestråling, også kalt ''[[terrestrisk stråling]]''. Generelt er strålingen som et svart legeme emitterer bestemt av dets temperatur, og beskrives av [[Stefan-Boltzmanns lov]], mens fordelingen av energien for bølgelengden beskrives av [[Plancks strålingslov]].<ref>[[#Stordal|Stordal: ''Luftforurensninger'' side 14.]]</ref> Solen med en overflatetemperatur på 6000&#x20;K ([[Kelvin]], en [[SI-systemet|SI-enhet]] for måling av temperatur) sender ut stråler med en bølgelengde på 0,2–4&#x20;μm ([[mikrometer]]), mens jorden ved en overflatetemperatur på 255&#x20;K emitterer stråler i området 4–100&#x20;μm.<ref name=Mitchell>{{Kilde artikkel | forfatter = Mitchell, John F. B. | tittel =  The «Greenhouse» effect and climate change | publikasjon = Reviews of Geophysics | år = 1989 | bind = 27 | hefte = 1 | sider =  115 139 | doi =  | url = http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro202/Mitchell_GRL89.pdf }}</ref>

Den terrestriske strålingen er mest intens ved bølgelengder rundt 10 μm, se figuren der den øverste grafen viser sterkest intensitet for denne bølgelengden. Strålingen spres ikke mye i atmosfæren, men noen av gassene der absorberer langbølget stråling. Energistrømmen oppover i atmosfæren avtar derfor etterhvert som gassene tar til seg energien. I henhold til [[Kirchhoffs strålingslov]] vil gasser som absorberer stråling i neste omgang emittere denne som stråling med samme bølgelengde.<ref>[[#Stordal|Stordal: ''Luftforurensninger'' side 17.]]</ref> Når gasser absorberer og emitterer langbølget stråling kan det skje bare for enkelte bølgelengder eller i smale ''bånd'' (intervaller) av bølgelengder. Som et eksempel absorberer [[karbondioksid]] stråling med bølgelengde rundt 15&#x20;μm, mens [[ozon]] absorberer rundt 9,6&#x20;μm.<ref name=Stordal18>[[#Stordal|Stordal: ''Luftforurensninger'' side 18.]]</ref> I figurens nedre del kan en se hvorledes hver av disse gassene absorberer rundt disse bølgelengdene, mens det sammenlagte absorpsjonsspekteret i midten viser effekten for hele atmosfæren. Størst effekt har imidlertid atmosfærens [[vanndamp]] som absorberer sterkt for flere bånd av bølgelengder.

Solstrålene som absorberes av jorden fører til oppvarming av bakken og verdenshavene, som igjen stråles ut som langbølget stråling. Men ikke all denne energien sendes ut som stråling, en god del fører til [[fordampning]] (evaporasjon) av vann som stiger opp i atmosfæren. Dessuten er det en liten del som gir varme oppadgående luftstrømmer, også kalt [[konveksjon]]. I tall er det 17&#x20;% av den innkommende solenergien som gir langbølget stråling, 25&#x20;% som evaporasjon og 5&#x20;% som konveksjon. Alle disse tre energistrømmene oppover fører til oppvarming av gassene i atmosfærens lavere lag. I tillegg blir atmosfæren oppvarmet av at 23&#x20;% av den innkommende kortbølgede strålingen fra solen absorberes. Det er særlig skyer, [[aerosol]]er, vanndamp og ozon som absorberer solstrålingen direkte.<ref name=Lindsey>{{Kilde www | forfatter= Rebecca Lindsey | url= https://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/ | tittel= Climate and Earth’s Energy Budget | besøksdato = 11. juli 2017 | utgiver= Earth Observatory – NASA | arkiv_url= | dato = 14. januar 2009 }}</ref>

=== Emisjon av langbølget stråling og atmosfærisk tilbakestråling ===
[[Fil:Flickr - Nicholas T - Autumnal (1).jpg|mini|Overskyete høstmorgener er ofte varmere, enn om himmelen er helt skyfri, noe som følger av skyenes store bidrag til tilbakestråling. {{byline|Nicholas A. Tonelli}}]]

Når gassmolekylene i atmosfæren absorberer langbølget stråling og mottar energi på andre måter, øker deres temperatur, og molekylene vil emittere langbølget stråling i alle retninger.<ref name=Lindsey/> Ved betraktning av absorpsjon og emisjon i atmosfæren, kan også den betraktes som et svart legeme.<ref name="Henriksen38"/> Den utsendte strålingen oppover fortsetter og treffer nye gassmolekyler som absorberer strålingen, de varmes opp, og det skjer en energitransport med temperaturøkning som resultat oppover i atmosfæren. En del av den emitterte varmestrålingen spres nedover, det som altså kalles for tilbakestråling.<ref name=Lindsey/>

Atmosfærens spesielle egenskap ved at den lar solstråler slippe relativt uhindret ned mot jorden, mens den langbølgede strålingen blir holdt tilbake, har ført til sammenligningen med et glasstak i et [[drivhus]]. I et drivhus slipper solstrålene lett gjennom glasset, mens varmestrålingen fra bakken og plantene blir holdt tilbake inne i det.<ref name=Roedel44>[[#Roedel|Roedel: ''Die Atmosphäre'' side 44.]]</ref>

Det som avgjør hvor mye en gass i atmosfæren absorberer av langbølget stråling, altså dens styrke som  drivhusgass, er dens konsentrasjon og hvert molekyls evne til å absorbere strålingen.<ref name=Mitchell/> Ved absorpsjon og emisjon av langbølget stråling endres molekylenes vibrasjons og rotasjonstilstand. Når molekylene så skifter energinivåer, enten ved å ta opp eller gi fra seg energi i form av elektromagnetisk stråling, skjer dette i diskrete overganger. Altså i sprang, kjent som [[kvant]]er. Dette gir seg utslag i at absorpsjon og emisjon skjer med samme bølgelengder for opptatt og utsendt stråling. Figuren (med tekst «Radiation Transmittet by the Atmosphere») viser de seks nederste panelene absorpsjonsspekteret til seks forskjellige gasser. En ser at karbondioksid, ozon og vanndamp absorberer mest effektivt. Spesielt har vanndamp egenskapen med å absorbere stråling i brede bånd.<ref name=Stordal18/>

Videre ser en i figuren at alle gassene i atmosfæren absorberer lite stråling i bølgelengdeområdet 10–12&#x20;μm. Dette kan også sees i det sammensatte absorpsjonsspekteret i midten av figuren. En sier at atmosfæren er ''[[Transparens|transparent]]'' («gjennomsiktig») for dette bølgeområdet for langbølget stråling, og den øverste kurven viser sterk intensitet for dette frekvensbåndet. Stråling med denne bølgelengden går gjennom atmosfæren og ut i verdensrommet, og en kaller dette for det ''atmosfæriske vinduet''.<ref name=Stordal18/>

En del av de menneskeskapte gassene som har økt konsentrasjon i atmosfæren absorberer stråling i dette bølgelengdeområdet. Dette gjelder [[lystgass]], [[metan]] og mange av [[klorfluorkarbon]]ene  (KFK-gasser). Disse gassene som absorberer i dette bølgelengdeområdet påvirker drivhuseffekten kraftig.<ref name=Stordal18/><ref>{{ Kilde bok | forfatter = Egeland, Alv | utgivelsesår = 1990 | tittel = Drivhuseffekten: jordens atmosfære og magnetfelt | isbn = 8299207304 | utgivelsessted = [Oslo] | forlag = [Universitetet i Oslo, Fysisk institutt] | url = http://urn.nb.no/URN:NBN:no-nb_digibok_2007082904021 | side = 95}}</ref>

En pioner innenfor forskning på atmosfærisk tilbakestråling var den svenske fysikeren [[Anders Jonas Ångström|Anders Ångström]] (1814–1874), blant annet utviklet han en empirisk formel for å beregne størrelsen av tilbakestrålingen.<ref name=Iziomon/>

=== Jordens energibudsjett ===
{{Hoved|Jordens strålingsbalanse}}

Overflaten av jorden har et gjennomsnitt energiopptak, regnet globalt og over lang tid, på cirka 160&#x20;[[Watt]] pr. kvadratmeter (forkortet W/m², benevnes som [[irradians]]) på grunn av solstråling. Siden jorden, om en ser bort fra klimatologiske svingninger, verken varmes opp eller nedkjøles i noen særlig grad over lang tid, er den i stråblingsbalanse med solen. Dermed vil den i gjennomsnitt gi fra seg en varmestrøm av samme størrelse.<ref name=Roedel43>[[#Roedel|Roedel: ''Die Atmosphäre'' side43.]]</ref> Den gjennomsnittlige temperaturen på jordens overflate er rundt 288&#x20;K (15&#x20;°C).<ref name=Roedel44/> Om jorden forenklet betraktes som en klode med uniform overflatetemperatur, utstråler den i henhold til Stefan–Boltzmanns-lov en varmeeffekt på 395&#x20;W/m² ved 288&#x20;K (15&#x20;°C) (og antatt [[emissivitet]] på 0,95), som er betydelig over innkommende solstråling og tilsynelatende er ikke strålingsbalanse oppfylt.<ref name=Roedel43/>

Denne tilsynelatende ubalansen er ikke tilstede  hvis strålingsbidraget fra atmosfæren tas hensyn til. Jordoverflaten mottar i gjennomsnitt ikke bare 160&#x20;W/m² fra solstråling, men også rundt  330&#x20;W/m² via tilbakestråling.<ref name=Roedel44/> Totalt blir dette en innkommende strålingseffekt på rundt 490&#x20;W/m². Med et strålingstap på cirka 395&#x20;W/m² oppnår dermed jordoverflaten en totalt netto energitilførsel på 95 – 100&#x20;W/m². Lokalt og over døgnet eller over året, varierer dette mye, og bidraget kan også være negativt.<ref>[[#Roedel|Roedel: ''Die Atmosphäre'' side 54.]]</ref> Denne energitilførselen fører hovedsakelig til konveksjon og [[Evapotranspirasjon|fordampning]] av fuktighet til atmosfæren. Energibalansen på jordens overflate forblir altså takket være atmosfærisk tilbakestråling opprettholdt.<ref>[[#Roedel|Roedel: ''Die Atmosphäre'' side 55.]]</ref> For snø og isdekte landområder gjelder helt andre forhold, her vil solstrålingen i større eller mindre grad reflekteres tilbake til atmosfæren og ut i verdensrommet, et fenomen kjent som ''[[albedo]]''.