Solen

Solen är en relativt vanlig typ av gul stjärna, som befinner sig i centrum av vårt solsystem. Det finns 100 miljarder stjärnor i denna storlek bara i vår galax Vintergatan1). Solen med sina planeter rör sig i 250 km/s runt Vintergatans centrum på ett avstånd om 26.000 ljusår. Ett varv tar 250 miljoner år. Fn befinner sig solen i nebulosan Local Fluff2), ett gasmoln som är 30 ljusår brett. Detta gasmoln ingår i sin tur i Local Bubble3) som består av en tunn men varm vätgas.

Solsystemet bildades då ett moln av vätemolekyler kollapsade. Varje sekund omvandlas 4 miljoner ton av solens massa till neutriner och solstrålning. Solen kommer att fungera som nu under ytterligare ca 4 miljarder år, sedan börjar vätet ta slut och kärnreaktionen övergår till en heliumfusion. Det gör att solen växer till en röd jätte för att sedan bli en vit dvärg. Det är oklart vad som händer med jorden under den senare tiden av solens utveckling, men förmodligen kommer jordens vatten dunsta bort till följd av att solen blir allt varmare.4)

Solsystemets åtta planeter, varav en är jorden, rör sig i elliptiska omloppsbanor runt solen. Solens utstrålande energi i form av ljus och värme som når jorden är en förutsättning för allt biologiskt liv på planeten jorden och den globala jämvikt som råder sedan miljarder år tillbaka i vädersystem och havsströmmar.


Milanković-cyklerna5) är långsamma variationer hos instrålningen av solljus till jordytan, orsakade av regelbundna förändringar av jordens rörelser kring solen och kring sin egen axel. De inverkar på jordens klimat och anses vara upphovet till de senaste årmiljonernas skiftningar mellan istider och mellanliggande varmare interglacialer. Solinstrålningens cykliska variationer har fått sitt namn efter den serbiske ingenjören, astrofysikern och matematikern Milutin Milanković (1879–1958), som bedrev mycket forskning på området, även om de ursprungligen påvisades och studerades av forskare verksamma längre tillbaka i tiden.

Jordens bana runt solen och dess rotation kring sin egen axel kan tyckas oföränderliga, men det har länge varit känt att dessa rörelser genomgår långsamma variationer. Orsaken är att jorden inte bara påverkas av solens dragningskraft utan också av gravitationskrafterna från månen samt övriga planeter i solsystemet, främst Jupiter och Saturnus. Tillsammans ger dessa krafter upphov till tre viktiga förändringar hos jordens banrörelse och rotation:

  • Varierande excentricitet – Förändringar av jordbanans form.
  • Varierande axellutning – Förändringar av vinkeln mellan jordaxeln och jordbanans plan.
  • Precession – Förändringar av jordaxelns och jordbanans riktning.

Ingen av de ovan nämnda förändringarna av jordens rörelser har någon nämnvärd inverkan på den totala mängd solenergi som jorden tar emot under loppet av ett år. Däremot ger de upphov till regelbundna variationer av solinstrålningens fördelning mellan olika delar av jordklotet och olika tider på året. På så sätt kan de få en betydande inverkan på jordens klimat. Exempelvis kan sommartemperaturen på norra halvklotet bli ovanligt låg när jordaxelns lutning är liten samtidigt som jordbanan är påtagligt elliptisk och sommaren inträffar när jorden är som längst från solen. Långt uppe i norr kan somrarna då bli så svala att föregående vinters snö- och istäcken aldrig hinner smälta innan det blir vinter igen. Därigenom kan en istid ta sin början.

Solen är det största objektet i jordens närhet och dess diameter är cirka 109 gånger större än jordens, vilket gör den drygt en miljon gånger större än jorden. Den har en massa på cirka 1,99×1030 kg, vilket motsvarar 333 000 jordmassor. Omkring 99 procent av hela solsystemets massa finns i solen, och den påverkar därför genom sin stora gravitationskraft alla planeters rörelser.

Solen har ingen fast kropp utan är en plasma, som dock har en tydlig struktur. Kärnan omges av en strålningszon (Radiative zone) som i sin tur omges av en Convection zone som följs av fotosfären och så – längst ut solens atmosfär.

Fotosfären är den synliga solens yta, då den kringliggande atmosfären är genomskinlig. Den inre delen av atmosfären är hetare än fotosfären. Atmosfären är som kallast, ca 4.000 grader, 500 km ovanför fotosfären, men ökar sedan längre ut till flera miljoner grader. Det är inte helt klarlagt varför.

Det yttersta lagret av atmosfären kallas för heliosfären som omfattar hela solsystemet och alltså inkluderar jorden.

Merparten av solens massa, ungefär 73,46 procent, består av väte (H). Den höga temperaturen i solens centrala delar, som beräknas vara 15 miljoner °C, gör att väte omvandlas till helium (He) genom fusion.

Fusionen producerar en stor mängd energirika fotoner (gamma- och röntgenstrålning), som så småningom ger vårt solsken. Energin som alstras av solen motsvarar 400 kvadriljoner watt, eller 400 Yottawatt, eller 4*1026 watt (400 000 000 000 000 000 000 000 000 W).

Solen har ingen fast kropp utan är en plasma, som dock har en tydlig struktur. Kärnan omges av en strålningszon (Radiative zone) som i sin tur omges av en Convection zone som följs av fotosfären och så – längst ut solens atmosfär.

Solfläckar är mörka fläckar på solen som beror på att solen är något kallare i de områdena pga en störning i solens magnetfält. Mycket solfläckar innebär att det blir varmare på jorden då solen får mer energi att avge värme.

Solfläckarna varierar i cykler vanligen 9–13 år. Det finns olika sätt att försöka räkna fram medelvärden, man brukar hamna mellan 11,05 och 11,09 år.6)

Man har länge haft svårt att förklara solfläckarna, men numera anser man dock att de orsakas av inhomogeniteter i solens magnetfält. Orsakar till dessa är okänd.

Solytan håller ungefär 6 000 °C, men fläckvis är temperaturen lägre, omkring 4 000 °C. Det mörkaste området kallas umbra, skugga. Vid randen finns ett övergångsområde med temperatur 5 000–5 500 °C, som kallas penumbra, halvskugga. Alla områdena är i själva verket vitglödande heta, men temperaturskillnaderna gör att fläckarna vid jämförelse med omgivningen syns mörka.

Antalet solfläckar varierar kraftigt med en cykel om drygt elva år. Tar man hänsyn till den samtidigt inträffande polomkastningen finner man att perioden i stället bör sättas till det dubbla, något över 22 år. Cykeltiden kan variera åtskilligt från period till period. Den hittills kortaste noterade perioden var sju år och den längsta fjorton år. Vi befinner oss nu i cykel nummer 24 sedan man började räkna solfläckar systematiskt.

De processer i solen, som påverkar solfläckarna styr också de partikelstrålningar, som sänds ut från solen, solvinden, Solstrålningen, som även inbegriper röntgenstrålning, styr egenskaperna i jonosfären i de övre delarna av jordens atmosfär. Joniseringens styrka på olika höjd har mycket stor inverkan på radiovågutbredningen inom vida frekvensområden, främst kortvågområdet. Solfläcktalet är därför en utomordentligt betydelsefull faktor vid utarbetande av radioprognoser.

Maunder Minimum är en period mellan 1645 och 1715 då antalet solfläckar var ovanligt lågt.

Enligt en rapport inverkar längden på en solfläckscykel på jordens temperatur under den efterföljande solcykeln. Den långa cykel 23 förutsäger att temperaturen blir minst 1.0 C lägre i Norge och Nordatlanten under cykel 24. I Norge förklarar solfläckscyklerna 25–56% av temperaturökningen under de senaste 150 åren. Motsvarande uppgift för Nordatlanten är 63–72%.7)

Källor:

Solvinden träffar jorden

Solen slungar ständigt ut materia åt alla håll, med en takt av cirka en miljon ton per sekund (109 kg/s). Denna materia, som till största delen består av elektroner och protoner (och alltså är ett plasma), utgör den så kallade solvinden8). Solvindens intensitet varierar ständigt, och är bland annat knuten till olika former av solaktivitet (se solfläckar), vilket gör att det också finns en elvaårig variation med solfläckscykeln.

Det mesta av solvinden avlänkas av jordens magnetfält och flödar runt magnetosfären istället för att nå atmosfären. Elektrisk växelverkan mellan solvinden och magnetosfären ger dock upphov till elektriska strömmar i magnetosfären, vilka i sin tur orsakar norrsken och sydsken. Vid ovanligt kraftig solaktivitet kan jorden drabbas av en geomagnetisk storm, vilken i sällsynta fall kan orsaka stora störningar i elkraftsystemen.

De elektriska partiklarna strömmar från solen i väldigt hög hastighet. Strömmen kan vara på flera miljoner ampere. Partiklarna fångas av magnetfältet och styrs ned mot de elektriskt laddade polarområdena. Partiklarna bromas av molekylerna i jordens atmosfär vilket orsakar norrskenet.9)

Solen har ett starkt och varierande magnetfält med magnetiska poler som kastas om ungefär var 11 år. Detta fält skapar solfläckar på solens yta, solutbrott, som sänder ut strålar av laddade partiklar som kan störa radiosignaler och skapa strömavbrott på jorden, och solvind. Trots omfattande forskning är kunskapen om dessa aktiviteter begränsad.

Solens storskaliga magnetfält delas in i sektorer, antingen utåt- eller inåtriktat. Skiljelinjen mellan sektorerna ser ut som sicksacksömmen på en baseboll. Nära solfläcksmaximum har vi mycket krökning som sedan helt vänds. Vid norra polen har det redan skett.

Heliosfären delas upp av den heliosfäriska strömytan, som motsvaras av sektorgränserna (basebollen). Jorden befinner sig alltså i olika sektor och berörs av antingen utåt- eller inåtriktade magnetfält. Jorden korsar sektorgränserna olika ofta berodde på solcykeln. Även om solens polbyte är en kolossal process, och oerhört fascinerande, så bör vi emellertid inte påverkas nämnvärt och speciellt inte Sverige.10)


Solen värmer upp jorden och dess atmosfär. Solens utstrålar energi om 136111) watt/kvadratmeter på det avstånd jorden har till solen, med jordens atmosfär reducerar den mängd energi som når markytan till ca 1000 watt/kvadratmeter i klart väder och då solen står i zenit. Dess solstrålar är en drivande faktor i fotosyntesen som ger upphov till växter och i förlängningen allt liv på jorden.12)

Ljuset från solen är en form av elektromagnetisk strålning. Ljuset har en våglängd mellan 400-700 nanometer vilket är det intervall som uppfattas av det mänskliga ögat. När ljuset träffar materia ökar rörelsen på materians elektroner och molekyler. När denna rörelse minskar avger materian strålning med längre våglängd inom området 700 nanometer till 1 mm, dvs infraröd strålning, som människan uppfattar som värme.

Hur mycket av solens ljus som omvandlas till värme beror på en stor mängd faktorer t.ex. solvinden, jordens avstånd till solen och jordens atmosfär.13)

Jorden bana runt solen är ellipsformad. Jorden är en aning närmare solen tidigt i januari än i juli. Det gör att jorden mottar 7% mer solljus i januari än i juli.14)

Nyligen har det upptäckts att solen elektromagnetiska strålning varierar sitt spektrum (SSI), vilket har betydelse på jorden. 15) 16)

En ny studie från Lunds universitet har för första gången rekonstruerat solaktiviteten under den senaste istiden. Studien visar att det regionala klimatet påverkas av solen och ger möjligheter att bättre förutsäga ett framtida klimat i till exempel Sverige. Studien visar att solens variation påverkar klimatet på samma sätt oavsett om klimatet är extremt, som under istiden, eller som idag.

Det påvisade sambandet mellan solaktivitet och klimatförändringar visar dels att förändringar i solaktiviteten inte är något nytt och dels att solaktiviteten påverkar klimatet, framför allt regionalt. Studien pekar på att det inte är den direkta solenergin som är den viktigaste faktorn utan istället indirekta effekter på atmosfärens cirkulationen. 17) 18)

Källor

Det finns bara två källor till den värmeenergi som finns i jordsystemet: solen och den heta jordkärnan. Huvuddelen av den värme som finns inom systemet kommer från solen.

Jordssystemets strålningsbalans bygger på att jorden både tar emot och avger värme. Jorden tar emot värme från solen – direkt genom solinstrålningen och indirekt från atmosfären kring jordklotet, som också värms upp av solinstrålningen. Jorden avger sedan denna värme till atmosfären tillsammans med den värme som jorden själv genererar genom vulkanisk aktivitet.

Om temperaturen nära jordytan skall vara konstant måste den här ekvationen gå jämnt ut: jorden måste avge lika mycket värme som den tar emot utifrån. I annat fall kommer temperaturen vid jordytan antingen successivt öka eller minska. Ibland rubbas balansen med följd att temperaturen på jorden förändras. Jordens historia bär spår efter flera sådana temperaturförändringar.

NASA har reviderat jordens energibudget. Bilden visar såväl de tidgare uppgifterna och de nya (i rött)

Sådana rubbningar kan uppstå om atmosfären förändras på ett sätt som ökar eller minskar den mängd solinstrålningen som når fram till jordytan. Om till exempel förekomsten av moln kring jorden minskar under en längre tid kan detta påverka den globala temperaturen i en varmare riktning, eftersom mer solstrålning får möjlighet att nå fram till jordytan. Om förekomsten av små luftburna partiklar (s.k. aerosoler) ökar, kan detta i stället verka nedkylande på jordytan genom att solinstrålningen till jordytan minskar. Denna bild kompliceras ytterligare av att moln och aerosoler även påverkar hur mycket solinstrålning som reflekteras från jordsystemet ut till rymden. Dessutom absorberas utgående värmestrålning av vattenånga, som är en växthusgas.

Således kan uppvärmning också ske om atmosfären förändras på ett sätt som påverkar avgången av värme från jorden. Om till exempel den kemiska sammansättningen av atmosfären förändras genom att koncentrationen av vissa gaser ökar, kommer atmosfären att absorbera mer av den värme som kommer från jorden och på så sätt motverka avkylning. De så kallade växthusgaserna fungerar på det sättet. 19)

Källor:

Värmeutbytet mellan jord och atmosfär

Inom jordsystemet – d.v.s. jorden tillsammans med den omgivande atmosfären – upprätthålls normalt en jämvikt mellan den värme som kommer in i systemet från solen och den värme som försvinner ut ur systemet till rymden. I annat fall skulle jordytan gradvis antingen värmas upp eller kylas ned så mycket att biologiskt liv inte skulle vara möjligt i sin nuvarande form.

Instrålningen från solen till jordsystemet

Av den solinstrålning, som tränger in i jordens atmosfär, är det bara knappt hälften (49 procent) som absorberas direkt av jordens yta. Cirka 30 procent av den inkommande solstrålningen återgår till rymden, antingen på grund av att den reflekteras bort från jordens yta eller på grund av att den sprids ut i atmosfären utan att absorberas och sedan reflekteras ut i rymden igen. 20 procent av solinstrålningen blir kvar i atmosfären innan den har nått jordytan. Se figuren bredvid (siffrorna i figuren skall läsas som procent av mängden inkommande solstrålning).

Den strålning som kommer direkt från solen är kortvågig. Men den värmestrålning som avges från den uppvärmda jorden och atmosfären är långvågig, eftersom både jorden och atmosfären är kallare än solen.

Värmekretsloppet inom jordsystemet

Denna långvågiga värmestrålning skapar ett eget litet kretslopp i atmosfären: Värme tillförs kretsloppet dels i form av den solstrålning som tas upp direkt av atmosfären, dels i form av den värme som avges av jordytan i olika former. Värmen i atmosfären tas sedan till stor del återigen upp av jorden, medan resten avges till rymden och försvinner ut ur systemet.

Figurkommentar: Alla siffror i figuren anger storleksordning av olika flöden i förhållande till mängden inkommande solstrålning och kan med läsas som procent av mängden inkommande solstrålning (se föregående figur). Ex: Den mängd värmestrålning som avges från jorden motsvarar 114 procent av den inkommande solstrålningen.

Atmosfären får med andra ord ta emot rätt mycket värmestrålning, både från solen och, framför allt, från jorden, som sedan antingen återgår till jorden eller försvinner ut i rymden. Om atmosfärens förmåga att ta upp mer av den värme jorden avger ökar, kommer mindre värme att försvinna ut i rymden. I stället kommer hela systemet jord-atmosfär att värmas upp. 20)


Solens instrålning till jorden

Från solen till jorden instrålad värmeenergi absorberas och reflekteras i olika delar på jorden med följande ungefärliga fördelningen: Om den totala instrålade energin sätts till 100 % erhålls följande fördelning;

  Reflekterad av jordens atmosfär ut i universum: 6 %
  Reflekterad av täta molnformationer ut i universum: 20 %
  Reflekterad från jordens yta ut i universum: 4 %
  Absorberad av land och hav: 51 %
  Absorberad av moln: 3 %
  Absorberad av atmosfären: 16 %

Totalt reflekteras alltså 30 % och absorberas 70 % av den totala solinstrålningen. Uppskattningar har gjorts som anger att den totala solinstrålningen till jorden är cirka 15 000 gånger större än vad människan förbrukar totalt i form av industriell verksamhet, uppvärmning och transporter.21)

Det förefaller som om att uppgifterna om reflextion och absortionen skiljer sig åt mellan källorna. /Red

Källor

Jordens utstrålning

Jordens utstrålning, kallad terrestrisk eller terrest strålning, är den infraröda strålning som emitteras av jorden. Denna strålning ligger ungefär i våglängdsintervallet 4-100 μm med en intensitetstopp på cirka 10 μm. Jordens utstrålning kallas långvågig. Solens strålning mot jorden kallas kortvågig strålning.

Omkring 94% av den terrestriska strålningen som emitteras av jorden absoroberas av atmosfären, huvudsakligen av vattenånga.22)

Outgoing longwave radiation (OLR). Utgående strålning från toppen på jordens atmosfär enligt NOAA. 2011-02-13. Climate4you

Jordens utstrålning mäts av satellit vid atmosfärens topp (TOA). Mätningen görs med instrumentet Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR)23) ombord på ”NOAA polar orbiting spacecraft”. Data från AVHRR omvandlas med hänsyn till konvektion och molnlighet.24)

Clouds and Earth's Radiant Energy System - CERES

Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) är ett klimatologiskt experiment som använder satelliter inom NASAs Earth Observing System (EOS) för att mäta både reflexionen av solens instrålning mot jorden och jordens utstrålning vid atmosfärens övre gräns (top of the atmosphere (TOA)). Molnens inverkan bestäms med användning av mätinstrument som Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) och Visible and Infrared Sounder (VIRS).

Resultaten från CERES och andra NASA-verksamheter, som Earth Radiation Budget Experiment (ERBE), kan leda till en bättre förståelse för molnens betydelse vid förändring av det globala klimatet. 25) 26) 27)


Nettoinflöde av energi till Jorden

Avgörande för om jorden blir varmare är att solen instrålning av energi är större än den energi som jorden utstrålar till rymden. Denna differans har många namn, t.ex. energy Imbalance och net flow.

I IPCCs rapport AR4 WG1 2007 uppges den inkommande strålningen från solen vara 342 W/m-2. Den utgående strålningen från jorden är, enligt bilden, 107+235=342 dvs lika mycket. Något energiöverskott fanns inte. 28)

2009 angav Kenneth Trenberth den inkommande strålningen från solen till 341,3 W/m-2 och att nettoinflödet till jorden var 0,9 W/m-2. 29) NASA skriver 2009 ”The exact amount of the energy imbalance is very hard to measure, but it appears to be a little over 0.8 watts per square meter.” 30)

The NASA Earth's Energy Budget Poster, http://science-edu.larc.nasa.gov/energy_budget/

Den aktuella uppgiften från NASA är 340,4 W/m-2. Nettoinflödet anges till 0,6 W/m-2.31) I NASAs utbildningsmaterial anges dock nettoinflödet till endast 0,2 W/m-2.32)

NASA/GISS angav 2012 nettoinflödet till 0.58± 0.15 W/m2. Det framgår inte hur mätningen gjordes annat än att det baserades på Argosystemets mätningar 2005-2010. Observationerna var dock begränsades. Av artikeln framgår det att den globala aerosol har stor inverkan på energibalansen och att det saknades metoder för att mäta hur stor aerosolens inverkan är. Under perioden 1975-2011 varierade solinstrålningen mellan 1365,5 till 1366,7 W/m2, dvs med ca 1 W/m2. Det innebar att jordens absorberade energi varierade mellan 239,5 till 240,5 W/m2.33)

Det framstår som att uppskattningen av en obalans på 0,58 är osäker.

Mätningar med satelliter

  • Glory var en satellit som skulle mäta aerosolens och molnens inverkan på klimatet men uppskjutningen 2011 misslyckades. 34)
  • GRACE består av två satelliter som sköts upp 2002 och mäter jordens dragningskraft. Grace ger data som underlättar förståelsen av havens cirkulation, havsnivån, glaciärer och havens termiska expansion.35) 36) Analysen visar att glaciärerna smälter med 300 miljarder37) ton per år. Det är dock oklart om avsmätningen kommer att ske isamma takt i framtiden. Därför planerar NASA en ny satellit för uppskjutning 2017. 38)

Kommentar: Uppgifterna om solens instrålning varierar liksom om nettoinflödet. Nettoinflödet är i storleksordningen 0,2% av instrålningen och är betydligt mindre än solinstrålningens variation. Tyvärr har det varit svårt att finna uppgifter om osäkerhetsgraden för solinstrålningen. /red


Solenergins ökning i Sverige

SMHI har instrument som mäter solenergin mot en horisontell yta. Storheten kallas globalstrålning som kan delas upp i komponenterna direkt solstrålning och diffus solstrålning.

På några platser finns också instrument som följer solen och mäter den direkta solstrålningen (vinkelrätt mot solstrålningen). Dessa och enklare instrument mäter även tiden som den direkta solstrålningen är större än 120 W/m2. Denna tid kallas solskenstid och är ett bra mått på hur vi upplever vädret.

I grova drag ligger ett solrikt år 10% över och ett solfattigt år 10% under långtidsmedelvärdet för både solskenstid och globalstrålning.

Solskenstiden ökade från ca 1600 1982 till 1800 timmar 2006 vilket är 0,7%/år under denna period. Globalstrålningen ökade med 0.4%/år.Orsaken är inte helt klarlagd men det finns en hypotes att det skulle ha med molnens albedo att göra även om minskad molnmängd är den enklaste förklaringen.39)

För globalstrålningen finns även data för senare period. Sedan mitten av 1980-talet fram till omkring 2005 har den årliga globalstrålningen ökat med nästan 8 % i Sverige. Liknande tendens ser man i stora delar av Europa. Det gjordes även mätningar före 1980-talet och dessa data tyder på att globalstrålningen var högre under 1960-talet än under 1980-talet. Nedgången från 1960-talet till 1980-talet och den därpå följande ökningen in på början av 2000-talet benämns ofta inom den internationella klimatforskningen för global dimming and brightening. 40)

Källor

Kom gärna med synpunkter på Klimatfakta