Nedan: Laboration om koldioxids påverkan på temperaturen i atmosfären

1. Strålning allmänt
2. Växthuseffekten
3. Hur fungerar då växthuseffekten?
4. Vilka är då växthusgaserna?
5. Koldioxid som växthusgas - laboration - diskussion

Strålning allmänt
Modern vetenskap säger att solen strålar ut alla typer av elektromagnetiska vågor. En del av dessa är synligt ljus. Annan strålning syns inte men kan kännas och upplevas som värme ex. Infraröd strålning (IR-strålning). Denna strålning upplevs behagligt och gör att vi gärna värmer oss i solen. Den del av solstrålningen som ger upphov till solbränna är UV-strålningen. Denna reduceras i atmosfären genom ozonskiktet men en del passerar genom skiktet ner till jorden.

Elektromagnetiska vågor med våglängd mellan 290-400 nm (nanometer) utgör en del av UV-strålningen. Denna reduceras av ozonskiktet.

Elektromagnetiska vågor med våglängd mellan 400-700 nm utgör det synliga ljuset. Detta kan representeras av regnbågens färger.

Elektromagnetiska vågor med våglängd mellan 700-10000 nm utgör infraröd strålning (IR-strålning) - värmestrålning.


Växthuseffekten

Växthuseffekten jämnar ut temperaturen på jorden så att temperaturvariationerna mellan dag och natt blir mindre. Växthuseffekten höjer även temperaturen i atmosfären ca: 30 ^oC.

En sommardag kan vi i Sverige ha ca 20 ^oC och på natten kanske 10 ^oC. Detta gör att temperaturskillnaden är ca: 10 ^oC. Vintertid är skillnaden mellan natt och dag ungefär densamma. Denna temperaturskillnad kan jämföras med de i öknen där temperaturen kan uppgå till 50 ^oC dagtid och någon minusgrad nattetid. Större temperaturskillnader förekommer inte speciellt ofta på jorden. Anledningen är att vi har en atmosfär som jämnar ut temperaturerna.

Om vi använder planeten mars som referens kan vi säga att den nästan saknar atmosfär. Dagtid har mars en atmosfärtemperatur på kanske 15 ^oC maximalt medan den nattetid har –150 ^oC. Detta gör att planeten praktiskt taget är obeboelig om man inte gräver ned sig och skapar hela konstgjorda städer. Således är jorden den enda planet i vårt solsystem som kan härbärgera organiskt/biologiskt liv.

Hur fungerar då växthuseffekten?


Vår atmosfär har sakta ändrats sedan tidernas begynnelse. Från början bestod den av vattenånga, svavelsyra, koldioxid, ammoniak och andra otrevliga gaser. Jorden var i början helt obeboelig. Då den geologiska aktiviteten så småningom minskade började syre produceras av världshaven. Blågröna alger använde den koldioxid som lösts i vattnet och skapade istället syre. Syret började lagras i haven och efter ett tag hamnade gasen även i atmosfären. En jämvikt ställde in sig som innebär att vi nu har en atmosfär som består av: 21 % syrgas, 0,04 % koldioxid, 78 % kvävgas samt en varierande mängd vattenånga (1-4 %) och vissa ädelgaser, etc.

Vattenånga och koldioxid deltar aktivt i växthuseffekten. Dessa ämnen har nämligen förmåga att absorbera långvågig strålning och senare skicka iväg den igen. Detta gör att den långvågiga värmestrålningen hålls kvar nära jordytan – låt oss ta ett exempel:

Solen skiner på jorden. Solen sänder ut alla möjliga våglängder och vissa av dessa träffar jordytan. Kortvågig UV-strålning stoppas till stor del av ozonlagret. Den del av strålningen som tar sig förbi detta hinder når jordytan. Här tas strålningsenergin upp och jorden avger denna energi som långvågig värmestrålning. Denna värmestrålning (IR-strålning) absorberas av vattenånga och andra växthusgaser som finns i atmosfären. Atmosfören tar alltså hand om värmen. Värmestrålningen skickas sedan mellan växthusgaserna i atmosfären och värmen hålls kvar. Solens långvågiga strålning kan direkt absorberas av jordatmosfären. På det hela taget kan man alltså säga att solens både långvågiga och kortvågiga strålning används av växthusgaserna för atmosfärens uppvärmning.

Vilka är då växthusgaserna?

De naturliga växthusgaserna är vattenånga och en begränsad mängd koldioxid. Dessa höjer medeltemperaturen på jorden till 15^oC. Utan dessa hade jorden haft en medeltemperatur på –18 ^oC. Vi ser att den naturliga växthuseffekten leder till en temperaturhöjning på ca: 30 ^oC. Utan växthuseffekten hade jorden varit obeboelig. Vattenånga är den absolut viktigaste växthusgasen.

De växthusgaserna som människan släpper ut är: koldioxid, freoner, metan, dikväveoxid, ozon och vissa partiklar som vi släppt ut i atmosfären – damm och liknande partiklar.

Metangas bildas naturligt genom nedbrytning av organiskt material. Den kommer från risodlingar, utsläpp från kolgruvor samt från boskapsskötsel.

Koldioxidhalten ökar då människan eldar bl.a. olja, kol, naturgas och ved. Koldioxidhalten i atmosfären har ökat lite sedan 1850 (industriella revolutionen). Men temperaturdata säger att först har temperaturen höjts och därefter har koldioxidhalten i atmosfären höjts (föreläsning av Prof. Tim Ball). En lite kallare period slutade 1840 och temperaturen steg, dvs. naturliga variationer hos solen. Dessa efterföljande ökade koldioxidtillskott som människan bidragit till är små då vi jämför med ett rejält vulkanutbrott. Av atmosfärens 0,04 % CO² så sägs människan bidraga med 3,4 %, dvs. 3,4 % av 0,04% vilket ger: 0,00136%, 13,6 ppm.

Uppgift: Påvisa om koldioxid har en värmande eller avkylande effekt som "växthusgas".

Material: 2 st termometrar (gärna digitaltermometrar), två stycken mineralvattenflaskor med kolsyrevatten, aluminiumfolie, silvertejp, solig fönsterplats.

Utförande: Termometrarna måste vara synkrona, dvs. visa samma gradantal (^oC) vid samma temperatur. De skall i isvatten visa 0 ^oC och i kokande vatten 100 ^oC. Om de skulle avvika från varandra lite så måste man ta reda på hur de avviker från varandra.

Ta bort etiketterna från pet-flaskorna. Det är enkelt om etiketterna är av plast och sitter löst. Häll ut vatten ur pet-flaskorna så att det återstår ca 7 cm vatten i ena flaskan. Låt all kolsyra i denna flaska gasas av under ett par dagar. Skaka flaskan och ha öppen kork. Gör ett litet hål i korken så att antingen en laborationstermometer (stavtermometer) eller digitaltermometer kan ha sin givare ca 3 cm ner i flaskan. Det går att smälta hål i korken med en metallsyl värmd över stearinljus. Fixera termometerns givare med silvertejp och låt ej givaren vara i kontakt med flaskans innervägg utan den skall vara fri. Se till att den andra flaskans kork också får ett hål med termometergivare nerstucken på samma sätt som i första flaskan. Fixera och täta med silvertejp så gott det går. Låt andra flaskans vattenmängd vara lika den i första flaskan. Låt kolsyran vara kvar. Täck översta delen av pet-flaskorna lika mycket med aluminiumfolie så att solen ej direkt kan lysa på givarna. Låt båda flaskorna stå i ett söderfönster och invänta solsken. Se till att gastrycken i flaskorna är desamma, dvs. gas skall kunna passera ut eller in i flaskorna beroende på olika lufttryck - det skall vara samma tryckförhållanden i båda flaskorna. Det åstadkomms även om man tätar ordentligt med silvertejp.

Uppställning: enl. figur nedan, och som beskrivs i texten under "utförande". Det går att göra om experimentet i olika fönster för att se ev. avvikelser.

Resultat: Termometrarnas samstämmighet: Termometrarna visar samma gradantal vid samma temperatur. (I detta experiment verkar det som om termometer 2 visar 0,0-0,3 ^oC mer än termometer 1 vid samma temperatur. Många tester visar det vid olika temperaturer.)
 

Bilden visar experimentet nattetid i rumstemperatur (elementet är inte på).

Temperatur vid solbelysning (bilden nedan): flaska nr 1, som endast har atmosfärisk vattenånga ovan vattenytan (vanlig luft), börjar få en högre temperatur jämfört med flaska nr 2, som har extra koldioxid i sin atmosfäriska gas. Som synes i bilden nedan skiljer sig gradantalet ca en grad Celsius.

På natten utan solexponering var det samma temperatur i båda flaskorna. Så var det natt efter natt och även dag efter dag då inte solen låg på. Temperaturen var samma i båda flaskorna. Så fort solen började lysa på experimentet och temperaturen ökade uppstod en temperaturdeviation mellan flaskorna på omkring en grad Celsius. Experimentet var uppe under ca två veckor och resultatet var detsamma varje gång solen sken på flaskorna och speciellt då temperaturen gav uppemot 30 grader eller mer. Koldioxidhalten i flaska 2 behövde initialt sjunka lite innan vi kom fram till de förhöjda koldioxidhalterna som gav temperatursänkning under solsken.

Slutsats: Koldioxid (i detta experiment) verkar minskar atmosfärens värmehållande effekt, och bidrar till avkylning av atmosfären, jämfört med vattenånga. Koldioxid bidrar till en minskande "växthuseffekt", och har en avkylande effekt på jordens atmosfäriska klimat, som växthusgas.

Bilden ovan visar att nu lyser solen på pet-flaskorna. Nedan visas temperaturen i de båda flaskorna.


Diskussion:

Den allmäna gaslagen:

p * V = n * R * T
p = tryck (N/m²)
V = volym (m³)
n = substansmängd (molantal; 1 mol = 6,02 * 10²³ st molekyler eller atomer)
R = gaskonstanten (8,3145 J/(mol * K))
T = absoluta temperaturen (K (Kelvin))

I experimentet kan p, V, R anses vara konstant. Detta gör att när temperaturen ökar så minskar antalet molekyler i gasen. På samma sätt när temperaturen minskar så tillåts fler molekyler i flaskans atmosfär.

När temperaturen ökar så ökar kollisionerna av gaspartiklar. Trycket är samma i båda flaskorna vilket gör att det finns färre gaspartiklar i flaska 1 (luft) jämfört med i flaska 2 (luft och extra koldioxid). Då flaska 2 har lägre temperatur tillåts fler gaspartiklar att finnas i flaskans atmosfär.

Ett tillskott av koldioxid till luften får en del vattenånga att kondensera till vatten. Detta kan ses om istället två pet-flaskor som flaska nr 1 ställs upp (vanlig luft i båda). Låt dessa flaskor stå ett tag. Därefter i flaska 2 av dessa löses lite bakpulver till vattnet och lite ättiksyra hälls sedan i. Den kemiska reaktion som sker skapar koldioxid som går upp i flaskans atmosfär enl. reaktionen:

Natriumvätekarbonat (bakpulver) + ättiksyra natriumacetat + vatten + koldioxid

NaHCO₃ + CH₃COOH CH₃COONa + H₂O + CO₂

Detta gör att vattenånga kondenserar på flaskans insida (eller försvinner ut ur flaskan). Atmosfärens värmehållande egenskap ("växthuseffekt") avtar och temperaturen sjunker. Koldioxid är en rejält sämre växthusgas jämfört med vattenånga, vilket gör att ett extra tillskott av koldioxid till jordatmosfären sänker dess temperatur. Man kan alltså inte påstå att koldioxid skulle höja temperaturen på jorden, då vattenånga inte tillåts befinna sig i atmosfären i samma mängd som innan koldioxidtillskottet.

Resultat är att Koldioxid minskar jordatmosfärens nuvarande växthuseffekt och temperatur.

Här kommeer felkällor till denna laboration som måste tas i beaktande. Denna laboration visar inget absolut scenario för växthushuseffekten för själva uppställningen lämnar en del frågetecken och interaktionerna mellan ingående gaser är också komplicerad då de alla har olika egenskaper.

Att korken är öppen med ev. "litet pys":
===============================
När solen ligger på så kommer gas från flaskan att lämna flaskan. Att vi med detta experimentet kan säga att båda flaskorna lämnar lika mkt gas - det vore ett falskt påstående. När solen minskar kommer istället luft utifrån att ta sig in i flaskan - en liten "andning" hos flaskan. Vid konstant solsken och ökande temperatur kan vi däremot säga att flödet av gas borde vara riktat utåt från flaskorna.

Temperaturgivaren:
=======================
Denna skall vara centrerad i flaskan och på samma höjd. Inte heller detta kan garanteras.

Konvektionsceller:
=======================
Flaska nr 2 med koldioxid kan komma att ha två huvudsakliga konvektionsceller (varmare luft stiger och kallare sjunker). Koldioxid är en tyngre (CO₂; 0,04%, 44 g/mol) gas än luft som huvudsakligen innehåller Kvävgas (N₂, 78%, 28 g/mol), Syrgas (O₂, 21%, 32 g/mol) och Argon (Ar,1%, 40 g/mol). Vi får anta att om koldioxidhalten är ganska hög i experimentet så kommer koldioxid självt att ha konvektionsceller ovan vattenytan. Resternade luft kommer at ha konvektionsceller ovan dessa, och skulle dessutom kunna ha en lägre temperatur. Nu har detta experiment gjorts med temperaturgivarna placerade längre ner i flaskorna också, och experimentet har fortfarande visat att när solen ligger på så har flaska nr 2 med lite adderad koldioxid en lägre temperatur. Vi får anta att koldioxiden blandats ut i experimentet då dess halt är låg och locket är minimalt-pys-öppet. För att minimera lågtemperaturkonvektion över koldioxidkonvektionscellerna skulle aluminiumfolien stoppa detta, eftersom solen inte kan skina igenom aluminiumfolien och värma gasen i den övre delen av flaskan där temperatursensorn är.

Varning - Felaktigheter i laborationer som vill visa på att koldioxid höjer atmosfärisk temperatur.
- Dessa utförs idag i skolor.
============================================================================
Flera laborationsuppställningar med referensflaska har satts upp i skolor runt om i världen för att visa på koldioxidens uppvärmande effekt i en atmosfär. Dessa experiment har designats för att visa på att koldioxiden är ansvarig för temperaturhöjningen mellan 1980 och 2000. Man har satt upp experiment för att "påvisa" detta. Här kommer de två vanligaste laborationsuppställningarna som visar detta bedrägeri.

Belysning med IR-lampa på referens-pet-flaska med luft (1) och flaska med koldioxid (2):
======================================================================
Inget vatten finns i flaskorna, det kan vara luft i en flaska och bara koldioxid i flaska 2. Flaskan med luft innehåller då: 21% syrgas, 78% kvävgas, 1 % Argon minimalt med vattenånga och koldioxid. Den andra flaskan innehåller då ren koldioxidgas (100%). Det säger sig självt att den andra flaskan med enbart koldioxid kommer att visa högre temperatur, då koldioxid är en växthusgas. Den första flaskan innehåller transparenta gaser (syrgas, kvävgas) som inte tar upp solstrålning. På detta sätt kan man alltså inte sätta upp ett experiment då det säger sig självt att en flaska med enbart växthusgas visar högst temperatur. Med en sådan uppställning vill man visa att en koldioxidrikare atmosfär visar högre temperatur.

Ex. på denna typ av laboration:
https://www.rsc.org/Education/Teachers/Resources/jesei/co2green/home.htm
https://serc.carleton.edu/eslabs/weather/2d.html

I referensflaskan med vanlig luft, kommer luftfuktigheten inte att öka nämnvärt - vilket är normalfallet i naturen. Mer vattenånga kommer inte tillföras luften, vilket gör att knappt någon extra vattenånga kan komma till undsättning och hjälpa till att lagra värmen i flaskans atmosfär.

IR-lampa
====================
Det går inte att använda IR-lampa eftersom IR-lampa (kort och längvågig värmestrålning) inte är detsamma som solljus. IR-lampa värmer CO₂-gasen direkt (ej "växthuseffekt") men kan inte värma luften i referensflaskan. Solen befinner sig väldigt långt borta.

Frånvaro av vatten i flaskorna
=========================
70% av jorden är täckt med vatten och vatten finns i mark och atmosfär. När koldioxidhalten ökar så kommer vatten att kondensera. En bra växthusgas (vatten) kommer ersättas av en dålig växthusgas (koldioxid). Den värmehållande effekten i atmosfären blir sämre och "systemet" arbetar för att motverka en temperaturhöjning. I flera skolexperiment saknas vatten i behållarna och vattnets fasövergångar tas inte i beaktning.

Specifik värmekapacitet
====================
För att höja luft 1 grad celsius eller Kelvin behövs det 1.01 KJ / (kg * K). Här kommer specifika värmekapaciteten för några gaser.
Luft    1,01 KJ / (kg * K)
CO₂   0,84 KJ / (kg * K)
Ar      0,52 KJ / (kg * K)
Cl₂     0,48 KJ / (kg * K)
CH₄    2,22 KJ / (kg * K)
H₂O    4,19 KJ / (kg * K)

Det åtgår alltså mindre energi för att värma upp koldioxid en grad jämfört med luft. Härav stiger temperaturen snabbare i koldioxid. Temperaturen stiger ännu snabbare hos klorgas.

Bakpulver och ättiksyra
==================
När man använder bakpulver och attiksyra i vatten för att framställa koldioxid och använder ett överskott av ättiksyra. Då känner man det på lukten i flaskan att dess atmosfär är stickande. Ättiksyra löser sig till vattenångan och vi får löst ättiksyra i vattenångan. För att detta experimentet skall vara någorlunda i enlighet med naturen måste man räkna ut exakt hur mkt syra som behövs och exakt hur mkt bakpulver som behövs för att höja koldioxidhalten till en viss nivå, ex. 900 ppm eller 1 % eller liknande. Allt måste reagera i reaktionen och inget extra ättiksyra får finnas, som löser sig i vattenångan och ger en stickande lukt. Detta experiment har Adrian Vance gjort och redovisat i sin bok "Vapor Tiger". Han visar att vid 910 ppm koldioxid så sjunker den atmosfäriska temperaturen 1 grad jämfört med vanlig luft.

Extra gällande universums dimensioner:
================================
Detta experiment är tredimensionellt med rummets tre axlar x, y, z samt tid. Universum är uppbyggd av fler dimensioner (10 totalt) vilka också givetvis påverkar experimentet, men hur återstår att forska på.

Flaskmaterial
============
Detta material kan absorbera viss typ av strålning - här kan finnas en felkälla.

Att använda kranvatten
=======================
Kranvatten kan inehålla ex klorgas eller andra tillsatser som skulle kunna påverka resultatet. Klorgas har lägre specifik värmekapacitet och skulle kunna ge en större temperaturökning. Använd mineralvatten istället.

Övrigt
=====
Vi kommer att uppdatera denna laboration ytterligare. Har ni synpunkter så skriv gärna in dem nedan i kommentarsfältet.

Referenser
===========
https://principia-scientific.org/the-deliberately-false-greenhouse-gas-co2-experiment/
http://www.climatechangeeducation.org/hands-on/difficulties/heating_greenhouse_gases/
http://www.rsc.org/Education/Teachers/Resources/jesei/co2green/home.htm
https://serc.carleton.edu/eslabs/weather/2d.html
https://www.researchgate.net/figure/Greenhouse-Gas-Bottle-Demonstration-97-Bottles-with-CO2-and-air-are-radiated-and_fig77_324751934
http://chem-www4.ad.umu.se:8081/Skolkemi/Experiment/experiment.jsp?id=74
Boken "Vapor Tiger" av Adrian Vance (rekommenderad läsning).
https://webapps.kemi.se/flodesanalyser/Amnesinformation/attiksyra_sv.htm

Sökmotorn google visar i sina sökresultat endast "flasklaborationer" som vid en närmare undersökning vilseleder för att ge en definitiv uppfattning att extra koldioxid till atmosfären höjer den atmosfäriska temperaturen. I experimentet ovan visar vi motsatsen. Använd sökmotorn ex. Yahoo istället.

 

Kursen är sammanfattad av Admin

De naturvetenskapliga grundkurserna för högstadiet är skrivna av Lars Helge Swahn. Kurserna är utvecklade under 9 års tid och har använts för höstadiets åk 8 och 9. De är ämnade att ge snabbt eleven en övergripande bild om respektive arbetsområde. För LPO 94 täcker kurserna nivån G och ger även viss information för betyget VG. Just denna kurs är justerad efter den använts som kursmaterial.