Klimat och väder

Nästan all energi på jorden kommer ifrån solen. Det är solen som är motorn i hela vädersystemet. Nästan allt ljus passerar atmosfären och träffar jorden.

Varje ”solstråle” innehåller samma mängd energi. I den översta strålen, som träffar ungefär på Sveriges breddgrad, ser vi att energin fördelas på en större yta än vad som är fallet för strålen i mitten som träffar vid ekvatorn. Man säger att solstrålningen är störst vid ekvatorn.

När solljuset träffar jorden kommer den att vara olika bra på att absorbera det, beroende på var någonstans det träffar. Den andel (i procent) av strålningen som istället reflekteras iväg kallas för albedo.

Jorden strålar också ut energi precis som solen, dock i ett våglängdsområde som är osynligt för våra ögon som kallas infrarött ljus. Infraröd strålning har svårt att passera genom luften. Den reflekteras och sprids i atmosfären så att en stor del återkommer till jordytan vilket gör att medeltemperaturen höjs. Den förhindrar även att jorden snabbt svalnar av när den hamnar i skuggsidan från solen. Även molnen reflekterar och absorberar en del av strålningen.

Atmosfären Jordens yta avger inte bara sin värme som strålning utan en stor del överförs till luften genom ledning. Luften närmast marken blir varmare än luften högre upp eftersom luft i sig leder ganska dåligt. När luften blir varmare så ökar dess volym och densiteten minskar. Den varma luften stiger uppåt.

Så länge som luften över är kallare så fortsätter stigningen. Ju högre upp man stiger desto större blir utvidgningen eftersom trycket minskar och när gas expanderar så kyls den av. Vid cirka 1 mils höjd så ligger ozonskiktet och där är det varmare än vad den stigande luften är så den kommer inte högre upp

Hur ser atmosfären ut? Atmosfären delas in i olika lager som kallas sfärer. Det luftlager som ligger närmast jordytan kallas för troposfären. Medelhöjden för detta luftlager är 12 km. Här finns 90 % av atmosfärens massa och nästan all vattenånga. Här finns även allt det som vi kallar väder. Troposfären är genomskinlig för det solljus som träffar den. Det gör att den i stort sett bara värms upp nedifrån av land och hav. Detta är orsaken till att temperaturen sjunker till mellan -40° och -80° i toppen.

Stratosfären Nästa luftlager finns på en höjd mellan 12 och 45 km och här är vindarna oftast svagare än i troposfären. Här absorberas en hel del av solens ultravioletta strålar. När det sker splittras syremolekylerna till syreatomer. En syreatom kan i sin tur förena sig med en syremolekyl till en treatomig ozonmolekyl. Ozonet absorberar i sin tur ultravioletta strålar av andra våglängder och splittras och så håller det på i det så kallade ozonlagret. Absorptionen av UV leder till att stratosfären värms upp och att en del av det skadliga ljuset inte når oss på jorden. Dessutom så ökar temperaturen med ökande höjd och når ungefär 0°C.

Mesosfären Nästa luftlager finns på mellan 45 och 85 km höjd. Här sjunker återigen temperaturen med ökande höjd ända ned till ungefär -100°C. Här kan det blåsa rejält, men inte ens vindar i orkanstyrka skulle förmå en vanlig flagga att fladdra i den tunna luften.

Termosfären Över 85 km höjd ligger termosfären där solstrålning med mest energi (UV och nedåt) absorberas. Temperaturen ökar på nytt och kan nå höga temperaturer. Solstrålningen har energi nog att jonisera luftmolekyler så luften här är en elektriskt ledande gas, ett plasma. Tack vare detta så speglar den elektromagnetisk strålning vilket gör det möjligt att sända radiosignaler till platser under horisonten. Det är även här uppe som norrskenet fladdrar.

Exosfären Det översta lagret i atmosfären kallas exosfären och består mest av väte och helium som läcker ut i rymden. Gasen är så tunn att en atom kan röra sig flera kilometer mellan varje kollision.

Cirkulation Det är viktigt att förstå varför det finns en cirkulation i luft och hav Vi tittar på en modell av förloppet: Föreställ er en vanna fylld med vatten och som är avdelad med en skiljevägg med två hål i. Trycket på botten av vannan är lika stort på båda sidor på grund av ett hål på botten av väggen som låter vattnet strömma fritt.

Vi täcker för hålen och värmer upp vattnet på högra sidan. Vattnet värms upp och utvidgar sig. Trycket på botten är detsamma på båda sidorna eftersom det finns lika mycket vatten, massan har inte ändrats.

Vi öppnar det översta hålet. Eftersom det varma vattnet har utvidgat sig och når högre upp forsar det vatten från den varma sidan till den kalla. Nu är det mer vatten på den kalla sidan och trycket på botten är därmed högre.

Vi öppnar även det understa hålet och kallt vatten flödar in till den varma sidan eftersom det högre trycket pressar vattnet mot det lägre trycket. Vi fortsätter att värma vattnet, får det att utvidga sig och cirkulationen är igång. Så länge som vi har en temperaturskillnad mellan två områden så får vi en cirkulation.

Varför blåser det? Temperaturskillnader ger upphov till tryckskillnader som i sin tur resulterar att luftmassor rör sig. Ju större temperaturskillnaden är desto kraftigare blir vinden.

När solen skiner så värms marken upp snabbare än vattnet eftersom vatten har lägre albedo och bra värmeledningsförmåga. Luften ovanför marken blir varm, utvidgar sig och sväller uppåt. Detta startar en cirkulation och det börjar blåsa en vind från havet in mot land, en sjöbris.

Samma mekanismer ligger bakom de väldiga monsunvindarna. Där är det temperaturskillnaderna mellan de varma tropikerna och de kalla polarområdena som är drivkraften.

Vad händer då med den varma luften då den utvidgar sig och sväller uppåt? När ett område med varm, fuktig luft börjar stiga i en kallare omgivning sänks temperaturen i luften och det bildas små vattendroppar eller iskristaller, vattenångan kondenseras. Detta ser vi i form av dimma eller moln.

Moln Moln består av små vattendroppar eller iskristaller. När dessa kolliderar med varandra slås de ihop och när de blir tillräckligt stora faller de ned som regn eller snö beroende på temperatur. Så trots att det finns mindre än en halv procent vattenånga i hela atmosfären så ligger den bakom mycket av det vi kallar väder, t.ex. regn, is, snö, dimma, dagg, frost eller moln.

Varför finns alla regnskogar vid ekvatorn? Solstrålningen avger mest energi per kvadratmeter vid ekvatorn. Luften värms upp snabbare där jämfört med områden norr eller söder om. Vi får samma fenomen som vid sjöbris.

Luften vid ekvatorn stiger snabbare. Man får ett undertryck nere vid marken som suger in luft från norr och söder, så kallade passadvindar. När den fuktiga luften stiger uppåt kondenserar vattnet och bildar moln. Dessa byggs på mer och mer så under eftermiddagen blir det regn och luften töms på vatten. Luften som strömmar ut från ekvatorn är därför torr medan luften som strömmar in fortfarande är fuktig. På så sätt transporteras varje dag vatten från områdena norr och söder om ekvatorn in mot ekvatorn. Detta medför stora ökenområden medans ekvatorn frodas av grönska.

Diskutera: Varför regnar det så mycket i regnskogen? Varför bildas ett litet moln precis vid flaskans mynning när man öppnar en flaska kolsyrat vatten? Har vi allmänhet lågt eller högt lufttryck vid ekvatorn? Hur blåser därför vindarna vid ekvatorn? Hur ser det ut vid polerna?