Solen är den primära energikällan för jordens klimatsystem.

Solens energi driver klimatsystemet

Solen värmer upp planeten, driver den hydrologiska cykeln och gör livet på jorden möjligt. Mängden solljus som tas emot på jordens yta påverkas av ytans reflektionsförmåga, solens vinkel, solens effekt och de cykliska variationerna i jordens bana runt solen.

Den grundläggande vetenskapen om solenergi och den roll den spelar för jordens klimat kan förstås av elever på mellanstadiet, men komplexiteten i jordens energibalans förblir ett område för aktiv vetenskaplig forskning. Därför är detta ämne både elementärt och komplext.

Denna princip är relaterad till princip 2 om energikunskap: Fysiska processer på jorden är resultatet av energiflödet genom jordens system.

Visa eleverna den grundläggande mekaniken i klimatsystemet

En förståelse för solstrålningens roll i jordens klimatsystem kan hjälpa oss att förstå viktiga begrepp som:

Orsakerna till årstiderna.

×

Denna figur visar lutningen av jordens axel, som orsakar årstiderna. (Anmärkning: Avstånd och diameter är inte skalenliga.)

Årstiderna orsakas av jordaxelns lutning. Den lutande axeln innebär att de norra och södra delarna av jorden inte får lika mycket solstrålning (energi per ytenhet). När det södra halvklotet lutar mot solen är det sommar på det södra halvklotet och vinter på det norra halvklotet. (Princip 1c)

Förklaringarna till varför istider uppstår.

Istiderna orsakades av förändringar i fördelningen av den solstrålning som tas emot över jordens yta. Banan för jordens omloppsbana är inte konstant. Variationer i jordens omloppsbana gör att den solstrålning som når en punkt på jordens yta förändras. (Princip 1d)

Hur mängden energi som avges från solen (solens luminositet) förändras över tiden.

Solens avkastning är inte konstant. Dess luminositet (den totala energi som solen avger) har ökat under geologisk tid och varierar något under kortare tidsskalor.

Varför den senaste tidens klimatuppvärmning inte har orsakats av en ökning av solens energiproduktion.

Solens energiproduktion har inte förändrats tillräckligt mycket under de senaste decennierna för att förklara de temperaturökningar som observerats under samma tid. (Princip 1e)

De flesta former av energi som människan använder härrör från solenergi.

Många former av energi som människor använder härrör i slutändan från solstrålning, t.ex. mat, kolväten (t.ex. olja och naturgas), vindenergi, vattenkraft och naturligtvis solenergi.

Hjälpa eleverna att förstå dessa idéer

×

Den här figuren visar en 1 000 000-årsbild av variationerna i jordens omloppsbana (så kallade Milankovitch-cykler), och den därav följande effekten på solens pådrivning. Den nedre kurvan visar cyklerna för de senaste istiderna.

I de flesta naturvetenskapliga utbildningsprogram och standarder ingår solens roll när det gäller att tillhandahålla energi till jordens system, men ofta på ett osammanhängande sätt. Årstiderna och deras betydelse för att styra säsongsmässiga vädermönster och djurens migration kan undervisas i grundskolan och sedan inte tas upp igen på många år, om ens alls.

För övrigt har elever i alla åldrar, inklusive högskolestudenter och vuxna, svårt att förstå vad som orsakar årstiderna. Förutom axiella lutningen är faktorer som spelar in i människors mentala modeller bland annat tron att jorden kretsar kring solen i en långsträckt elliptisk bana, förvirring om jordens relativa storlek, rörelse och avstånd från solen, hur ljuset färdas, längden på jordens omlopp runt solen och till och med rotationsperioden. En strategi för att mildra denna vanliga missuppfattning är att se till att ”orsakerna till årstiderna” tas upp på lämpligt sätt i gymnasiet, när eleverna har tillräcklig bakgrund i geometri och fysik för att förstå begreppen (McCaffrey & Buhr, 2008).

×

Mängden solenergi som jorden tar emot har följt solens naturliga elvaårscykel med små upp- och nedgångar utan nettoökning sedan 1950-talet. Under samma period har den globala temperaturen ökat markant. Det är därför ytterst osannolikt att solen har orsakat den observerade globala temperaturuppvärmningen under det senaste halvseklet. Bild från NASA.

En ihållande missuppfattning är att den senaste tidens uppvärmning av klimatet beror på förändringar i solens inkommande energi, snarare än på ökade utsläpp av växthusgaser. Detta kan åtgärdas genom att man undersöker register över solens produktion och jämför dem med register över den globala temperaturen. Uppgifterna visar tydligt att solens strålning inte är korrelerad med jordens temperatur.

Utmärkta förklaringar till detta finns på Skeptical Science: Sun and Climate: Moving in Opposite Directions och med en grafik från Bloomberg: Vad är det som verkligen värmer upp världen? Denna engagerande graf är gjord med hjälp av NASA-data och modellresultat.

Ta med dessa idéer in i ditt klassrum

Solstrålning är den grundläggande energin som driver vårt klimatsystem, och nästan alla klimatmässiga och biologiska processer på jorden är beroende av solens input. Energi från solen är avgörande för många processer på jorden, bland annat uppvärmning av ytan, avdunstning, fotosyntes och atmosfärisk cirkulation. Att undersöka hur solen driver olika processer på jorden kan därför ingå i många typer av naturvetenskapliga kurser. Många av de vetenskapliga begrepp som rör denna princip kan behandlas genom att uppmuntra säsongsbetonade observationer, delta i medborgarforskningsprogram tillsammans med elever (t.ex. GLOBE) och regelbundet se över grunderna för hur mängden och intensiteten av solenergi påverkar jordens klimat.

Det sätt på vilket solens energi driver klimatsystemet kan läras ut från en mycket grundläggande nivå och uppåt genom de mest sofistikerade vetenskapliga tillvägagångssätten.

Integrering av lösningar – De vetenskapliga begrepp som rör solstrålning kan utvidgas till att omfatta solenergiteknik och -teknik, inklusive solugnar, passiv soldesign, solvärmeenergi och solelektricitet. Detta kan bidra till att öka medvetenheten om alternativ till användningen av fossila bränslen och skapa ett forum för diskussioner om lösningar på klimatförändringarna som vårt samhälle kan anta.

Undervisningsmaterial från CLEAN-samlingen

×

Den här figuren visar hur vit is reflekterar solljus medan mörkare havsvatten absorberar solljus. Detta kallas albedo, eller reflektivitet.

Mellanstadiet

• Glober och andra fysiska modeller kan användas för att visa lutningen av jordens axel och hur den påverkar fördelningen av solljuset under olika årstider, till exempel i My Angle on Cooling: Effekter av avstånd och lutning.
• Introduktion till jordens klimat – Den här lektionen är en introduktion till jordens klimat och behandlar viktiga principer om jordens unika klimat, atmosfären och regionala och tidsmässiga klimatskillnader.
• Är du sugen på äventyr? Amazing Albedo är en praktisk aktivitet som går ut på att mäta temperaturen på olika färgade ytor.

Högstadiet

• Klimatet: A Balancing Act-applet låter eleverna justera parametrar som påverkar jordens energibalans: inkommande solstrålning, albedoeffekten, växthuseffekten och utgående strålning.
• Studenterna kan lära sig hur omloppscykler och istider är väl korrelerade med appletten Milankovitch Cycles Climate Applet.
• Detta interaktiva visualiseringsverktyg för årstiderna kan bli en utgångspunkt för en öppen undersökning av hur solstrålningen varierar med plats och årstid.
• The Solar Influence: Climate Change video från National Academies kan bidra till att stärka bevisen för att solaktiviteten inte orsakar den globala uppvärmningen.

College

• Earth’s Heat Budget är en praktisk laboratorieaktivitet som undersöker effekterna av avstånd och vinkel på inflödet av solstrålning, albedo, markens och vattnets värmekapacitet och hur dessa orsakar årstiderna.
• Motions of the Sun Lab använder en animerad simulator som gör det möjligt för eleverna att manipulera variabler för att förstå solens skenbara rörelse på himlen.
• Observera förändringar i jordens omloppsbana som bidrar till klimatförändringarna – Denna animerade visualisering av Milankovitch-cyklerna kan lägga grunden för en mer avancerad diskussion om klimatpåverkande faktorer.
• En kvantitativ metod kan användas med denna steg-för-steg-inledning till en enkel STELLA-modell: Modeling Earth’s Energy Balance.
• Modeling Early Earth Climate with GEEBITT hjälper eleverna att bli mer bekanta med de fysikaliska processer som gjorde att jordens tidiga klimat skilde sig så mycket från dagens.