Kategori: Metan

Hvorfor er metan en «sterkere» drivhusgass enn CO2?


Vi leser ofte at metan er en mye kraftigere drivhusgass enn CO2 – en faktor 20-30 sterkere oppgis ofte.

Forskning.no gir en forklaring: «Metan er en kraftigere klimagass enn CO2. Det skyldes bindingene i molekylene. Enkeltbindingene i metan, eller CH4, kan fange opp mer av den infrarøde varmestrålingen enn dobbeltbindingene i CO2-molekylet.»

Dette der ut til å være hentet fra Dag O. Hessens eminente bok «C. Karbon – en uautorisert biografi» (2017). På side 82 leser man: «Kort fortalt bidrar enkeltbindingene i CH4 til å fange opp mer av den infrarøde varmestrålingen fra jorda enn dobbeltbindingen i CO2.»

Hessen skriver videre: «På molekylbasis, CH4 mot CO2, er CH4 40 ganger mer effektiv som drivhusgass. Siden atomvekten av CH4 bare er 16, mens den er 44 for CO2 endres regnestykket med en faktor 2,75 i metanets favør om vi gjør om til vekt (altså 120 ganger mer effektivt). Men så var det dette med utholdenheten. Mange klimamodeller, samt det internasjonale klimapanelet IPCC, beregner forskjell i oppvarmingspotensial over 100 år, og da kommer 1 kilo CH4 ut som 20-30 ganger så potent som en kilo CO2 fordi CH4 brytes mye raskere ned i atmosfæren«.

Meldingen er altså krystall-klar: Det skyldes forskjeller på de to molekylene.

Samtidig er ikke forklaringen en forklaring: For HVORFOR spiller enkeltbindinger versus dobbelbindinger så avgjørende rolle?

Gassers termiske egenskaper har mye med vibrasjoner å gjøre, og det er jo klart at da spiller stivheten til bindingene en rolle. Og en dobbeltbinding er vel stivere enn en enkeltbinding! Men, massen er også viktig for frekvensen, og CH4’s hydrogenatomer er 16 ganger så lette som CO2’s oksygenatomer.

Og ganske riktig: Man finner at den relevante vibrasjonsfrekvensen for CO2 er mindre enn den for CH4!

I tillegg kommer at frekvensen for CO2 treffer nesten midt på toppen av intensiteten for naturlig varmestråling, mens metan ligger ute på flanken.

Begge har en viss overlapp med vanndamp, og det er forskjeller i energien for rotasjon (den er størst for metan pga de lette H-atomene) som har betydning for linjebredde, men det er vanskelig å se at forskjeller i det skal gi så stort utslag. Det er faktisk nærliggende å tenke at molekyl for molekyl kunne CO2 være noe mer effektivt en CH4 – pga plasseringen nesten midt på toppen.

Figurene under viser varmestrålingsspekteret ved 14 grader og de relevante linjene for CO2 (midten) og CH4 og vanndamp (nederst).

Figur 1: Varmestrålingsspekteret ved 14 grader Celcius.
Figur 2: Absorpsjons-spekteret for CO2. CO2-linjen ligger nær toppen av varmestrålingsspekteret over. Data fra hitran.org
Figur 3: Absorpsjons-spekteret for CH4. CH4 ligger på flanken av varmestrålingsspekteret over. Data fra hitran.org
Figur 4: Absorpsjons-spekteret for vanndamp. Blå punkter er ren rotasjon, gule kombinert rotasjon og vibrasjon. CO2 og CH4 ligger på hver sin flanke – ingen åpenbar forskjell er tydelig. Data fra hitran.org

Men Hessen sier altså en faktor 120 i metanets favør. Man kan bli forvirret av mindre.

Heldigvis er ikke oppklaringen langt unna. I 1998 publiserte de to norske forskerne Gunnar Myhre og Frode Stordal sammen med engelske kolleger artikkelen «New Estimates for radiative forcing due to well mixed greenhouse gases».

Den viser at «radiative forcing» er sterkt ikke-lineær med mengden – den faller av når mengden øker. Deres Tabell 3 viser at med nåtidens CO2 på noen hundre ppm og nåtidens CH4 på rundt 2 ppm modelleres CO2 logaritmisk og CH4 som kvadratrot. Altså: Jo flere molekyler som er sluppet ut, jo mindre er virkningen av neste.

Formlene er tilnærmelser til meget kompliserte forhold, og kan ikke ekstrapoleres uhemmet. En direkte sammenlikning ved samme konsentrasjon av CO2 og CH4 vil ikke være presis. Metanformelen viser at med økning fra 2 ppm til 3 ppm øker pådrivet med rundt 22 %. Bruker vi formelen for 400 ppm til 401 ppm, finner vi at pådrivet øker omtrent 12 ganger mindre. Antar man logaritmisk oppførsel, blir faktoren 162.

Det er lett å finne mer dagligdagse eksempler som illustrer det samme: Tenk deg at du strør sand over et sluk. Etter bare litt er det ganske tett, og det må mye mer sand til for å gjøre det dobbelt så tett.

Eller tenk deg du har en spenningskilde som leverer 1 volt. Kopler man inn en motstand på 1 ohm, får man en strøm på 1 ampere. Med to motstander i serie blir strømmen 1/2 ampere, med tre 1/3 ampere osv. Forskjellen mellom motstand 100 og 101 er minimal – selv om alle er helt like.

Konklusjonen blir altså: Hovedgrunnen til at CH4 framstår som en kraftigere klimagass, er at det er å mye mindre av den i atmosfæren. Det er IKKE primært en egenskap ved selve molekylene.

Hvor «sterk» en drivhusgass er avhenger av molekylets egenskaper, hvor mye det er av det, hvordan overlapp med andre molekyler er, og hvilken tidshorisont man ser på.

Se også

— Arne Marius Raaen —

Hvilken drivhusgass er viktigst?


«Klimaskeptikere» er ofte opptatt av å presisere at vanndamp er den desidert viktigste drivhusgassen. Lindzen og Happer sier i en betenkning til en rettsak i California: «The most important greenhouse gas, by far, is water vapor» (side 12 i Exhibit A).

Jan-Erik Solheim et al. opplyser (uten referanse) i vanligvis stødige Fra Fysikkens Verden at «CO2 bidrar med 5,6 % av absorbsjonen» (side 79). (Det er kanskje litt overraskende at noe så komplekst kan spesifiseres med såpass høy presisjon?)

For et bredere perspektiv kan det være greit å starte med Wikipedia. Der finner vi referanse til en artikkel av Kiehl og Trenbert fra 1997, og en nyere studie av Schmidt et al. (2010).

Schmidt et al. oppgir i tabell 1, som gjennomsnitt:
– Vanndamp, 50%
– CO2, 19%
– Skyer, 25%
– Alle andre, 7%

Selv om Solheims lave tall ikke støttes, er det klart at vanndamp står for den største andelen. Og i denne forstand kan man forsvare at vanndamp er klart viktigst.

Men det er et viktig forbehold: Vanndamp er en kondenserende gass. Når det blir kaldere kan lufta holde på mindre vanndamp – vi får regn. Hvor mye vanndamp som er i lufta, er derfor helt avhengig av bidraget fra CO2.

Lacis et al. 2010 forsøkte å modellere hva som skjer om man plutselig fjerner all CO2 fra atmosfæren. De viser kurver som forteller at på få år faller temperaturen og vanndampinnholdet i atmosfæren drastisk.

Slik sett blir spørsmålet om hva som er den viktigste drivhusgassen uavklart: Vanndampen trenger CO2 for å kunne gjøre jobben sin!

Eller man kan si: Spørsmålet er like relevant som «Hva er viktigst på en bil: Motoren eller hjulene?»

Drivhusgassen metan

Biolog Morten Jødal, forfatter av Miljømytene, hevder på sin blogg at metan er irrelevant som klimagass.

Det kan være på sin plass å sammenlikne Jødals utgreiinger med det som mer konvensjonelt sies om metan.

Som et utgangspunkt er det da greit å starte med plott som viser hvor mye strålingsenergi et fast stoff  (som jordoverflaten) sender ut avhengig av bølgelengde, den såkalte Planck-fordelingen.

Utstrålt energi fra et legeme med temperatur omtrent 15 °C. x-aksen er bølgelengde i µm (mikrometer), y-aksen er relativ intensitet.

Figuren viser at strålingen er mest intens rundt 10–11 µm. Energien fordeler seg med en halvpart på hver side av omtrent 15 µm. 99 % av energien ligger i området 4,6–102 µm, mens 95 % av energien ligger i området 5,8–57 µm.

Jødal tar ikke hensyn til dette i sin figur. Han tar med bølgelengder som er kortere enn det interessante området, men dropper omtrent halvparten av energien ved å kutte alt over 15 µm. Dette får likevel ikke vesentlig betydning for hans argumentasjon; det er metan-linjen rett under 8 µm som er den relevante, mens den litt over 3 µm kan ignoreres, og det er ingen kraftige metan-linjer over 15 µm.

Jødal opplyser at det er 1–2 % vanndamp i atmosfæren. Det er en tilsnikelse, for andelen vanndamp er sterkt temperatur-avhengig, og avtar derfor fort oppover i atmosfæren. Dette til forskjell fra CO2 og metan som er «godt blandet» og har omtrent samme andel i hele atmosfærens høyde.

Drivhusgassene er viktige fordi de styrer fra hvilken høyde varmestråling unnslipper til verdensrommet. For de aller fleste bølgelengder er det et godt stykke opp i atmosfæren. Skal vi sammenlikne metan og vanndamp som drivhusgasser blir det ikke riktig å bruke konsentrasjonen ved overflaten.

HITRAN er en offentlig tilgjengelig database over de spektroskopiske egenskapene til mange gasser. Fra nettstedet kan man også laste ned et Python program som kan brukes til å gjøre enkle beregninger, f.eks. hvor mye stråling som slippes gjennom en viss tykkelse gass.

Som en illustrasjon har jeg brukt modellen til å beregne hvor mye stråling som går gjennom 1 km atmosfære med én drivhusgass om gangen. Trykket er satt til 0,5 bar og temperaturen til 270 K, som omtrentlig svarer til forholdene 5 km oppe.

Transmisjon av stråling gjennom en atmosfære bestående av 1,85 ppm metan og for øvrig ikke-drivhusgasser slik at trykket er 0,5 bar. y-verdi 1 betyr at alt går gjennom, 0 betyr at ingenting går gjennom.

Transmisjon av stråling gjennom en atmosfære bestående av 0,2 % vanndamp og for øvrig ikke-drivhusgasser slik at trykket er 0,5 bar.

Man ser at vanndamp gjør et mye større innhogg i strålingen enn metan. Området 8-12 µm benevnes «det atmosfæriske vindu» fordi verken vanndamp eller andre drivhusgasser stopper særlig stråling der (med et lite unntak for ozon).

Legger vi vanndampfiguren oppå metan-figuren, ser vi at det er stort overlapp:


Metan legger seg på flanken inn mot «det atmosfæriske vindu», og dekkes godt av vanndampens bidrag.

Så da har vel Jødal rett? Metan er irrelevant? Men hvorfor sier da vitenskap og media noe annet?

Det er to poenger her:

  • For det første, siden vanndampbidraget ikke er mettet, vil metan bidra selv om andelen er mindre enn for vanndamp
  • For det andre, det er mye detaljstruktur i spektrene

La oss zoome inn litt:


Saken er klar: På denne skalaen ser en at metan gjør innhogg for bølgelengder hvor vanndamp slipper så å si alt gjennom.

I tillegg kommer at den enkle modellen fra HITRAN, med konstante egenskaper over en gitt lengde, blir for enkel. Den kan og bør brukes for å få forståelse, men ikke til å modellere atmosfæren. For man må modellere hvordan vanndampen avtar med høyden, og man må ta hensyn til hvordan spektrene for vanndamp og metan forandrer seg når trykk og temperatur endrer seg.

Regnestykket blir rimelig komplisert – men det er gjort, naturligvis. To norske fagfolk var sterkt involvert i en publikasjon i 1998 som fortsatt siteres mye, og som stemmer med det som sies i IPCC’s siste rapporter (se f.eks. Figur 8.17 i Working Group 1 rapporten fra 2013):

CO2 er den viktigste drivhusgassen, men metan må definitivt regnes med!

Og her må jeg vel umiddelbart presisere, egentlig er vanndamp den viktigste drivhusgassen, men CO2 er den viktigste av de som påvirkes direkte av menneskelig aktivitet.

Det hører også med til historien at metan har kort levetid i atmosfæren – den «brenner opp» etter noen få år og blir til CO2 og vanndamp. Dette gir et ekstra vanndampbidrag i den øvre del av atmosfæren som ikke er neglisjerbart.

Animasjonen under viser hele metan-linjen. Lyseblå skravering viser hvor metans bidrag er større enn vanndampens (man kan selvsagt ikke glemme metans bidrag når det er mindre enn vanndampens heller! Beregningen er gjort i den litt tilfeldige valgte HITRAN modellen over: 1 km veilengde rundt 5 km høyde)