Med växthuseffekt menas uppvärmning av atmosfärens lägre skikt på grund av koldioxid och andra växthusgaser (bl.a. vattenånga, metan och dikväveoxid). Den naturliga växthuseffekten möjliggör livet på vår planet och den uppstår när växthusgaserna släpper solens instrålning mot jordytan men saktar ner utstrålningen. Därför är atmosfärens temperatur nära jordytan cirka 33 grader högre än utan påverkan av växthusgaser då temperaturen skulle vara -18 grader.

Växthuseffekten kan förklaras mer detaljerad enligt följande: Elektromagnetisk strålning eller solstrålning har flera olika våglängder och olika växthusgaser kan absorbera värmestrålningen vid vissa våglängder och värma upp det omgivande ämnet, till exempel jordens atmosfär och yta. Det uppvärmda materialet (omgivande ämnet) emitterar, det vill säga strålar sin värmeenergi utåt på våglängdsområdet för infraröd strålning. Genomtränglighet för infraröd strålning eller värmestrålning är ganska dålig varför den i stället absorberas av eller reflekteras mot omgivande ämnen (i detta fall växthusgaser) lättare än värmestrålningen vid andra våglängdsområden. När det gäller växthuseffekten kommer solens elektromagnetiska strålning in i systemet (atmosfären) ganska lätt men strålar sämre ut ur systemet vilket höjer systemets grundtemperatur.

I dagsläget uppvärmer mänskligheten snabbt jorden genom att släppa mer växthusgaser ut i atmosfären. Med klimatförändring, eller förstärkt växthuseffekt, menas att när växthusgaserna ökar förstärks även gasernas värmande inverkan på atmosfären. Mängden koldioxid, metan och dikväveoxid i atmosfären har ökat avsevärt under de senaste två århundradena, dessförinnan var gasmängderna nästan oförändrade i tusentals år. Mest utsläpp orsakar boende, resor och matvanor samt de bakomliggande industribranscherna. De stora frågorna ur samhällssynvinkel är hur en kommun producerar energi, hur kollektivtrafiken fungerar och om den offentliga måltidsservicen erbjuder mer grönsaks- och säsongsbaserad mat.

Atmosfärens dominerande gaser kväve och syre kan inte fungera som växthusgaser på grund av strukturen på molekylerna. De viktigaste naturligt förekommande växthusgaserna i atmosfären är vattenånga (H2O), koldioxid (CO2), metan (CH4), dikväveoxid (N2O) och ozon (O3). Gemensamt för växthusgaserna är att molekylerna består av minst tre atomer som i påverkan av värmestrålning börjar vibrera på ett visst sätt i relation till varandra. Den starkaste växthusgasen i de lägre skikten av atmosfären är vattenånga som ensam står för över hälften av den globala uppvärmningen. En god tvåa är koldioxid. Dessutom har människor orsakat en stor mängd av naturligt förekommande gaser i atmosfären samt helt nya växthusgaser som inte förekommer där naturligt, såsom halogenerade kolväten.

Tack vare strukturen på molekylen hos växthusgaserna kan de absorbera värmestrålning vid vissa våglängder. Växthusgasmolekylen kan ändra energin åter till strålning varvid en del av strålningsenergin återvänder till att värma jordytan och en del försvinner ut i rymden.

Växterna behöver koldioxid till fotosyntesen. Genom primärproduktion är koldioxid och andra kolföreningar viktiga livsuppehållande kemiska föreningar. I normala förhållanden är koldioxiden en gas som är färglös, luktfri, ogiftig i små mängder, tyngre än luft, har dålig reaktionsförmåga samt förekommer i luften och upplöst i vatten. Koldioxidmolekylen (CO2) består av kol och syre. Dess struktur är linjär O = C = O) och den har två dubbelbindningar. Koldioxid är en viktig klimatvärmande växthusgas eftersom den liksom andra växthusgaser släpper genom det synliga ljuset men absorberar infraröd strålning eller värmestrålning. Den infraröda strålningen får CO2-molekylen att vibrera och åter stråla, det vill säga emittera värmestrålningen som den har absorberat.

I naturen bildas koldioxid genom cellandning och genom förbränning av substanser, till exempel när organiskt material bryts ner och förmultnar. Större delen av koldioxiden som mänskligheten är upphov till kommer från användning av fossila bränslen såsom olja, stenkol och naturgas. En annan viktig utsläppskälla är avskogning av tropiska skogar.

Koldioxiden är inte den starkaste av växthusgaserna men på grund av den stora mängden och ganska långa livslängden är dess förstärkande effekt på klimatförändringen överlägset viktigast. Koldioxidhalten i atmosfären har ökat sedan förindustriell tid från cirka 280 ppm (ppm = en miljondel av volymen) till cirka 390 ppm, nästan 40 procent. Halten ökar fortfarande, i genomsnitt cirka 2 ppm per år. I dagsläget står koldioxiden för cirka 0,039 procent av atmosfärens gaser. Halten är högre än någonsin under de senaste 600 000 åren och överstiger med en tredjedel nivån från slutet av senaste istiden.

Koldioxidekvivalent är ett mått på utsläpp av växthusgaser. Även andra växthusgasers utsläppseffekt än koldioxidens tas i beräkning för att kunna jämföra effekten från koldioxiden och de andra växthusgaserna. Sedan slås dessa siffror ihop och man får den totala mängden utsläpp mätt i koldioxid.

Ett annat sätt att jämföra växthusgaser med varandra är att använda Global warming potential-index (GWP). Skalan är relativ och uppger hur mycket värme gasen kan fånga i atmosfären, med andra ord hur mycket den kan påverka den globala uppvärmningen. Utsläppen från olika växthusgaser kan med hjälp av gasernas GWP-värde räknas om till koldioxidekvivalenter och jämföras med koldioxidens GWP-värde som är 1.0. Värdet beräknas för en viss tidsperiod som i allmänhet är 20, 50 eller 100 år. Som exempel kan anges metan vars GWP-värde är 86 (20 år) och 34 (100 år).

Kolet kretsar ständigt i naturen mellan olika lager (atmosfär, oceaner, växtlighet, djur och jord). Kolets kretslopp går så fort att en enskild koldioxidmolekyl uppehåller sig i atmosfären i cirka fem år. Större delen av koldioxiden som upptas av vegetationen och havets ytlager återgår förr eller senare tillbaka till atmosfären.

I fotosyntesen binder växter kol från atmosfären (koldioxid (O = C = O) och i processen frigörs syre i atmosfären. I fotosyntesen fungerar koldioxiden som byggmaterial för socker (glukos eller monosackarid) och syret frigörs från vattenmolekyler som sönderdelas genom ljusets påverkan. Via nedbrytarnas cellandning och när döda växter och organismer förmultnar återgår en del av kolet till atmosfären. Cellandning är en metabolisk reaktion som ger energi för att användas av kroppens celler. Enkelt uttryckt kan man säga att för cellandning behövs glukos och syre och slutprodukten blir koldioxid och vatten som frigörs i luften.

Största delen av jordens koldioxid lagras i haven. Havsvattnets ytlager upptar ständigt stora mängder koldioxid från atmosfären men samtidigt avges nästan lika mycket koldioxid tillbaka till atmosfären. Med hjälp av encelliga alger kretsar koldioxiden i oceaner. Vid fotosyntesen upptar alger koldioxid från havets ytlager och när de dör och sjunker till botten frigörs koldioxiden ännu djupare i havet. De djupare vattenlagren har inte kontakt med atmosfären så koldioxiden kan inte ha direkt kontakt med luften.

Oceanerna, växtligheten och jordlagren har länge upptagit kol från atmosfären, det vill säga de fungerar som så kallade kolsänkor. Studierna har dock antytt att uppvärmning av atmosfären skulle försvaga kolsänkornas funktion. Men fortfarande när mänskligheten släpper ut koldioxider fördelar sig kolet enligt det naturliga kretsloppet mellan atmosfär, vegetation och hav. Uppskattningsvis 45 procent av koldioxidutsläppen som människan är upphov till finns kvar i atmosfären. Ungefär 30 procent av koldioxiden hamnar i oceaner och resten 25 procent i växter och jord.

Atmospheric Infrared Sounder

Utöver koldioxiden har även andra växthusgaser på olika sätt och genom olika mekanismer inverkan på klimatsystemet. Nedan beskrivs kort några viktiga växthusgaser utöver koldioxid.

Metan är en mycket starkare växthusgas än koldioxid men mängden i atmosfären är mycket mindre och den har kortare livslängd så den är bara näst viktigaste av växthusgaserna som värmer upp klimatet. Metanmolekyl består av en kolatom och fyra väteatomer (CH4).

Metan uppstår när organiskt material förmultnar i syrefria förhållanden: på risfälten, i tarmarna hos kor och andra idisslare, i soptippen, våtmarker, myrar och i bottenlager av vattendrag. Metan hamnar i atmosfären även från kolgruvor och när naturgasrör läcker. Cirka två tredjedelar av metanutsläpp uppskattas vara resultat av den mänskliga verksamheten.

I atmosfären sönderdelas metan genom kemiska reaktioner i olika steg till vatten och koldioxid med hjälp av solljuset. Processen tar cirka 12 år. För närvarande är metanhalten i atmosfären drygt dubbel jämfört med nivån under förindustriella tiden.

I havens bottenlager och i permafrostområden finns stora mängder metan i fast tillstånd, så kallade metanhydrater. Om atmosfärens temperatur höjs tillräckligt kan hydraterna falla sönder och då skulle metan frigöras till atmosfären. Om det skulle hända att stora mängder metan frigörs skulle jordens klimat uppvärmas ganska mycket och snabbt. Fenomenet skulle vara en av de återkopplingseffekter som förstärker följderna av klimatförändringen. Det är osannolikt att det under detta århundrade skulle frigöras betydande mängder metan från hydrater men längre fram i tiden måste risken tas i beaktande.

Vattenånga är starkast av växthusgaserna i atmosfärens lägre skikt och står för över hälften av den naturliga växthuseffekten som orsakar den globala uppvärmningen. Även mänskligheten är på många sätt upphov till vattenånga i atmosfären. Vattnets kretslopp i naturen är dock en så massiv process att andelen vattenånga som människan orsakar är jämfört med den nästan obefintlig. När klimatet uppvärms ökar oundvikligen även mängden vattenånga i atmosfären eftersom den varma luften innehåller mycket mer vattenånga än den kalla. Man kan tänka sig att de andra växthusgasutsläppen på detta sätt indirekt ökar mängden vattenånga i atmosfären. Även här är det fråga om en av återkopplingseffektens mekanismer (du kan läsa mer om det i fysikartikeln).

Dikväveoxid eller kväveoxidul eller lustgas (N2O) uppstår i jordmånen när nitrater upplöses till följd av mikrobers verksamhet. Den är en viktig växthusgas som ökat på grund av mänsklig verksamhet. Halten i atmosfären är mycket liten men den har en stark uppvärmande effekt och gasens livslängd jämfört med till exempel metan är lång, cirka 110 år. En tredjedel av alla dikväveoxidutsläpp orsakas av den mänskliga verksamheten, särskilt till följd av nedbrytning av kvävet i gödseln. Resten, två tredjedelar av dikväveoxid, uppstår till följd av mikrobers verksamhet i marken och haven. Dikväveoxidmolekyler nedbrytes i atmosfärens övre skikt till följd av solens ultraviolettstrålning.

Ozon (O3) skyddar jordklotet från farlig ultraviolettstrålning men å anda sidan är det i stora mängder giftigt för växter och djur. Större delen av atmosfärens ozon är belägen ganska högt upp i mellanatmosfären, i stratosfären. Där har ozonmängden minskat på grund av att ozonskiktet har tunnats ut till följd av halogenerade kolväten. Detta har gjort att växthuseffekten har minskat en aning, den vill säga det har kylt ner klimatet. I nedre skiktet av atmosfären, i troposfären, är ozon en viktig växthusgas. Ozon uppstår när kväveoxider i bilarnas avgaser, kolmonoxider och kolväten reagerar med syret i luften i solljuset. Dessutom uppstår ozon även i kolvätereaktioner i växter och när metan oxideras. Ozongasen är kortlivad så halterna i atmosfären är inte så kända före bilismens tid. Man kan inte heller säga exakt hur mycket halterna har ökat i lägre atmosfären jämfört med den naturliga gasnivån.

Halogenerade kolväten är mycket starka växthusgaser: deras förmåga att absorbera värmestrålning är till och med tusentals gånger större än koldioxidens. Men mängden halogenerade kolväten är så liten i atmosfären att den totala påverkan som förstärker växthuseffekten blir mycket mindre än koldioxidens. Det finns tiotals olika halogenerade kolväten. Molekylstrukturen påminner om lätta kolväten men där har en del eller alla väteatomer ersatts med fluor och/eller klor. Beroende på molekyltyp växlar gasernas livslängd från cirka ett år ända till 50 000 år. Längsta livslängden har gasmolekyler där andelen fluor är störst, som till exempel hos koltetrafluorid (CF4).

De flesta av gaserna som hör till gruppen halogenerade kolväten förekommer inte naturligt i atmosfären utan de är helt och hållet en mänsklig produktion. Dessa används bland annat i kylapparater och utsläpp uppstår även inom industrin. Utöver att nämnda gaser förstärker växthuseffekten bidrar även CFC-gaser som innehåller klor (freoner) att bryta ner ozonskiktet.

brunobord

Fossila bränslen har uppstått i naturens processer för miljoner år sedan när plankton och övrigt organiskt material förmultnade i syrefattiga förhållanden, till exempel under vatten. Under årtusenden har materialet lagrats i tjocka lager och blandat sig med gyttja och annat mineralmaterial. När lagren begravdes under tunga sedimentlager började det organiska materialet under hårt tryck ombildas till en annan form.

Olja, kol och naturgas är de vanligaste formerna av fossila bränslen. De består av en blandning av många olika kolväten och blandningens struktur bestämmer de olika egenskaperna, såsom smälttemperatur och mängden kol. Eftersom fossila bränslen ursprungligen är organiskt material innehåller de relativt mycket kol. Vid förbränning (oxidation) av fossila bränslen lösgör sig molekylernas atomer, särskilt kol- och väteatomer, från varandra innan de reagerar med syret i luften och omvandlas till koldioxid- och vattenmolekyler. När ämnet förbränns frigörs kemisk energi som kan uppfattas som värme och vanligtvis även som ljus. Vårt energiproduktionssystem bygger fortfarande huvudsakligen på denna mekanism.

Under den förindustriella tiden var vedeldning, vattenhjul och vindkvarnar centrala energikällor för mänskligheten. På 1900-talet tiodubblades energianvändningen från 911 miljoner oljeekvivalentton till 9645 miljoner ton samtidigt som befolkningsmängden ökade från 1 miljard till 6 miljarder. De viktigaste icke förnybara energikällorna i dag är stenkol, olja och naturgas. Kärnkraftens del globalt är liten jämfört med dessa. Det sker ständig produktutveckling inom förnybara energikällor över hela världen och man har den senaste tiden tagit stora steg i energiutnyttjande när det gäller vind, sol, jordvärme och vatten.

Ibruktagande av fossila bränslen och industriell energiproduktion har i västvärlden möjliggjort expansion av industriell produktion och vår nuvarande materiella levnadsstandard. Det produceras allt mer varor och tjänster, allt effektivare och billigare, och dessa transporteras runt om i världen. Detta har ökat enormt vår energikonsumtion i form av el och värme. Allt fler har råd att köpa fler konsumtionsvaror och konsumtionsbehovet ökas genom effektiv marknadsföring. Vår livsstil som bygger på förbränning av fossila bränslen har samtidigt orsakat världsomfattande problem såsom klimatförändring.

Louis Vest

Petrokemi är en avdelning inom industriell kemi som sysslar med raffinering av råolja. Den har en viktig roll som orsak till klimatförändringen men den har även en roll i problemlösningen vad gäller klimatförändring.

Vid petrokemiska processer raffineras råoljan och omvandlas till en rad fossila bränslen såsom tjockolja, eldningsolja, fotogen och bensin samt en form av gaser som används bland annat i gasol. Av råoljan tillverkas även många slags plaster och annat material såsom syntetiska textilfiber (bl.a. polyester) och syntetiskt gummi. Oljeindustrin är en av de viktigaste orsakerna till klimatförändringen.

Å andra sidan hjälper petrokemin att förbättra effektiviteten av bränsleförbrukning i fordon, vädertåligheten i vindkraftverk och att producera nya material. Webbsidan Xperimania listar följande klimatvänliga petrokemiska lösningar:

• Isoleringar: effektivare isoleringsmaterial möjliggör fler energiekonomiska byggnader.
• Lätta kompositplaster hjälper till att minska bränsleförbrukning i bilar och flygplan.
• Bränsleceller: väteceller producerar vattenånga i bilar och motorcyklar i stället för avgaser.
• Ny belysningsteknik (t.ex. organiska ljusemitterande dioder – OLED-teknik) producerar mer ljus med mindre energi.
• Vindkraftverk och solceller: i båda behövs material producerad av kemisk industri. Metallbladen i vindkraftverk har till stor del ersatts av glasfiberförstärkt polyester så att de tål även hårda väderförhållanden.

Med bioenergi avses energi från biobränslen. Med biobränslen avses bränslen som tillverkas av biomassa, det vill säga växtbaserad biomassa, som kan produceras förutom av skogsbiomassa även av åkerbiomassa, bioavfall, gödsel och spillvatten. Avfall kan förbrännas direkt i avfallsverk eller användas för tillverkning av återvinningsbränsle. Med återvinningsbränsle som tillverkas av avfall avses bränsle eller återvinningsvirke av brännbart avfall från samhällen och företag. Dessutom kan man vidareförädla bränslet till biogas eller flytande bränsle såsom etanol och diesel.

I Finland används biobränsle (trä och torv) först och främst i kombinerad el- och värmeproduktion. Biobränslen används än så länge i ganska liten omfattning i trafiken trots att blandning av bensin och etanol är vanligt förekommande. Förhoppningar om att öka användning av bioenergi är höga och för närvarande pågår hårda politiska diskussioner kring detta. Den största bioenergipotentialen finns enligt uppskattningar inom jordbruk och skogsbruk. Svartlut från cellulosa- och pappersindustrin utnyttjas redan nu effektivt inom energiproduktion.

Minskning av växthusgasutsläpp är en av viktigaste faktorerna som talar för bioenergin. Bioenergins livscykel påverkar dock miljön på många sätt. Å ena sidan är mängden utsläpp mindre från biobränslen jämfört med fossila bränslen men å andra sidan kan biobränslen öka belastningen. Bioenergin är inte automatiskt klimat- och miljövänligt utan fördelarna och nackdelarna varierar beroende på vilken sorts biomassa som används.

När man analyserar miljöpåverkan under bioenergins livscykel ska man förutom klimatförändring och energieffektivitet och andra miljöaspekter även beakta de övriga dimensionerna av hållbarhet, nämligen de ekonomiska och sociala samt naturens mångfald. Naturresurserna ska användas hållbart och sparas till kommande generationer. Vid planering av olika produktionsalternativ för biobränslen ska man även ta hänsyn till råvarans alternativa användningssätt såsom livsmedel, kemikalier och skogsindustriprodukter.

Solstrålningen består av fotoner som överför solens strålningsenergi och soleltekniken bygger på att utnyttja denna strålningsenergi. Solcellerna kan indelas i tre generationer. Första generationens solceller i kommersiell användning är monokristallina och multikristallina kiselsolceller. Andra generationens solceller är tunnfilmssolceller. Båda dessa tekniker bygger på fotoelektrisk effekt och elektriska fält som bildas via PN-övergång när p- och n-dopade halvledare kommer i kontakt.

Tredje generationens solceller befinner sig fortfarande på forskningsstadiet. Som exempel av dessa kan nämnas solceller med nanokristaller som även kallas för färgämneskänsliga solceller eller Grätzelsolceller. Solcellerna tillverkas med silkestryckteknik på titanfilm. Ljuset upptas av färgämnesmolekyler som är tryckta på filmens yta. I nanosolceller finns således inte något elektriskt fält i motsats till PN-övergång utan elektronernas rörelse bygger på kemiska reaktioner. Således är nanosolcellernas funktionsprincip elektrokemisk i motsats till kiselceller som bygger på fysik.

Förutom nanosolceller finns det flera andra solcellstyper på forsknings- och utvecklingsskede, till exempel solceller med koncentrerad solenergi och flexibla solceller som redan används runt om i världen.

Jason-Morrison