.jpg)
Miljön och miljöfrågor påverkar oss överallt och praktiskt taget alla delar av naturvetenskapen har någon bäring till de miljöfrågor som diskuteras. Här presenterar vi en översikt om det som diskuteras idag.
Några milstolpar i människans historia Tidslinjen markerar våra tidigare släktingar samt några viktiga utvecklingssteg. Släktet Homo har funnits i nära 2,5 miljoner år. Flera olika människoarter har avlöst varandra. Homo sapiens skildes från Homo erectus för drygt 150 000 år sedan. Vår art har varit den enda av släktet Homo sedan Homo neanderthalensis dog ut för ungefär 30 000 år sedan.
Människan är biologiskt sett ett djur bland alla andra. Vi utvecklades ur någon av de primater som levde för miljontals år sedan. Människan genomgick sedan en utveckling som kom att skilja oss från de övriga primaterna. Vår upprätta gång och vår högt utvecklade hjärna möjliggjorde utveckling av en mänsklig kultur som skiljer sig stort från den antydan till kultur man kan se hos schimpanser. Den föregångare till oss som fanns för 2,3 miljoner år sedan kallas Homo habilis (den händiga människan) och är den första som man vet använde redskap. Dåtidens enkla stenredskap påverkade miljön mycket lite. Möjligen kunde jakten bli något effektivare, men några stora förändringar innebar det knappast. Senare utvecklades Homo erectus (den upprätta människan). De hade mer avancerade stenverktyg och använde dessutom eld. Eld i människans tjänst är känd från 500 000 år gamla fynd. De nya färdigheterna gjorde det möjligt för våra förfäder att effektivare än tidigare tillgodogöra sig omgivningens resurser. Homo erectus var en framgångsrik art som spred sig över stora delar av världen. Homo sapiens uppstod i Afrika och blev en allt skickligare jägare. Bytesdjurens egenskaper utvecklades parallellt med människan och de afrikanska djuren fick allt bättre förmåga att komma undan. På de andra kontinenterna fick djuren inte samma chans till anpassning. När människan koloniserade Europa, Amerika och Australien utrotades på kort tid mer än hälften av de stora växtätarna. I Nordamerika försvann ett sextiotal stora däggdjursarter när människan anlände dit för 10 000 år sedan. Sannolikt utrotades de av människans effektiva jakt som de saknade anpassningar för. På öar där djur inte är vana vid människor är många djurarter oskygga och därmed lättfångade. De arter som har överlevt, som älgen, är numera ganska skygga. Bara älgar som var extra rädda överlevde människans ankomst och alla nu levande älgar härstammar från dessa.
I Egypten fanns en av de första högkulturerna. Genom jordbruket blev människan bofast och därmed kunde riken bildas. Då jordbruket gav ett överskott av livsmedel kunde en del av befolkningen ägna sig åt annat än odling. Byggnadsprojekt som tempel och gravmonument kunde endast genomföras om man hade mat åt arbetarna.
För ungefär 10 000 år sedan inleddes det första stora steget i människans miljöhistoria. Då började människor att bruka jorden för odling och boskapsskötsel. Troligen skedde detta i nuvarande Turkiet eller Irak. De nya idéerna spreds snabbt inom regionen vid östra delen av Medelhavet. De grödor som odlades i Medelhavsområdet var korn, vete och baljväxter. Ris har odlats i Asien under minst 6 000 år. Senare startade odling även i Mellanamerika. Fick människor det bättre genom att jordbruk infördes? Det verkar inte så. Om man jämför skelett från forntida jägarfolk med dem från tidiga bondekulturer tycks det som om jägarna var längre till växten, hade friskare ben och tänder samt levde längre. De hade oftast en varierad kost genom att de använde allt ätbart som naturen erbjöd. Jordbrukarna var inriktade på grödor de kunde odla och djur som gick att föda upp. Jordbruket innebar att människan började påverka sin omgivning mycket mer än tidigare. Utvecklingen ledde fram till fasta boplatser och städer. Idag används 30 % av jordens landyta till odling och bete. Jordbrukets expansion har lett till att de ursprungliga ekosystemen har trängts undan.
Synligt ljus utgör bara en liten del av den elektromagnetiska strålning som finns. Andra djur kan ibland se våglängder som vi inte ser. Ormar uppfattar infraröd strålning (värmestrålning) och kan därför jaga i mörker. Ju kortare våglängden är desto mer energi har strålningen. Gammastrålning är den mest energirika strålningen.
Strålningsenergi finns hos elektromagnetisk strålning med olika våglängd. Hit räknas t.ex. synligt ljus, mikrovågor och röntgenstrålning. Strålningen består av små "strålningspaket". Ett sådant paket kallas för en foton. Det som skiljer de olika varianterna av elektromagnetisk strålning från varandra är våglängden och energiinnehållet i varje foton. Strålning som har kortare våglängd än synligt ljus kan skada oss om vi får för hög dos. Orsaken till detta är att fotonerna har så hög energi att de kan bryta kemiska bindningar. Därmed kan de skada DNA och andra viktiga molekyler i våra celler. Kortast våglängd, och därmed högst energiinnehåll, har gammastrålningen som avges från vissa radioaktiva ämnen.
Oljeutvinningen på Gotland har varit mycket måttlig men visar ändå på att lagrad energi i form av kemisk bunden energi kan finnas på de mest oväntade ställen.
Kemisk energi är den energi som finns i molekylernas bindningar mellan atomerna. Vid kemiska reaktioner kan energi frigöras genom att kemiska bindningar bryts och nya uppstår. Vid förbränning av en energirik sockermolekyl bildas vatten och koldioxid som har ett lägre energiinnehåll.
Modern monokultur med en gammal vetesort, speltvete. (Högestad i Skåne)
Enligt energiprincipen kan olika former av energi omvandlas till andra energiformer. I princip allt som sker innebär omvandling av energi. Vid energiomvandlingar ökar den totala entropin. Man får värmeutveckling i form av rörelseenergi hos atomer och molekyler.
En generator används för att omvandla rörelseenergi till elektrisk energi. I olika typer av kraftverk utnyttjas vind, rinnande vatten, havsvågor eller het ånga för att sätta en turbin i rörelse. Turbinens rörelse överförs till generatorn där en elektrisk ledning och ett magnetfält rör sig i förhållande till varandra. På detta sätt uppstår en elektrisk ström i ledningen.
Energiomvandling i kraftverk Elektrisk energi är den energiform som är mest användbar. Vi kan utnyttja den till hushållsapparater, uppvärmning, belysning, transporter och mycket annat. För att producera elektrisk energi använder vi kraftverk där elektricitet alstras i en generator. I generatorn omvandlas rörelseenergi till elektrisk energi genom att en ledning rör sig i ett magnetfält. Rörelseenergin kommer från en turbin som snurrar. Det finns många typer av kraftverk. Det som skiljer dem åt är på vilket sätt turbinen sätts i rörelse. I vattenkraftverk och vindkraftverk utnyttjas rörelseenergin i vatten och vind. En annan metod bygger på att het ånga som bildas vid förbränning av kol, olja eller biobränslen driver runt en ångturbin. Även kärnkraftverk innehåller ångturbiner.
Vid mitten av 1800 -talet ökade efterfrågan på energi, vilket gjorde att det kol som fanns i både England och på europeiska fastlandet började brytas i stor skala. På några år ersattes veden med kol som energikälla för lok och ångmaskiner. Ångbåtar ersatte segelfartygen. Under 1900 -talet kom olja att användas allt mer och tog så småningom över kolets roll som industrins viktigaste energikälla. Oljan gjorde det möjligt att driva motorer som var betydligt enklare att använda än de koldrivna ångmaskinerna. Många oljekällor innehåller naturgas som i början av oljeanvändningens historia inte utnyttjades. Nu är naturgas en av de viktigaste energikällorna och används ungefär lika mycket som kol. De fossila bränslena naturgas, kol och olja svarar tillsammans för drygt 80 % av världens totala energibehov. Kärnkraftverk har byggts sedan 1950 -talet. Det finns nu över 440 reaktorer i drift. Bränslet i verken är oftast grundämnet uran. Vind- och solenergi är ännu av liten betydelse, men kommer sannolikt att bli viktigare i framtiden. De räknas liksom vattenkraft och biobränslen till de förnybara energikällorna. Uttrycket förnybar syftar på att energikällan inte består av en ändlig resurs. Vinden kommer inte att ta slut för att vi använder den. När det gäller biobränslen finns dock en risk för att vi tar ut mer från naturen än vad som återskapas.
Nästan tre fjärdedelar av all olja som importeras till Sverige används för transporter. Inom sektorerna byggnader och industri minskar oljeanvändningen sedan många år medan användningen för transporter i stället ökar.
Industrialiseringen hade inte varit möjlig utan tillgång på energi. Energin används för transporter, industriproduktion och uppvärmning. Energikällorna kan delas in i tre kategorier. Soldrivna energikällor: solenergi, vindkraft, vattenkraft och biobränslen Fossila bränslen: olja, stenkol, brunkol och naturgas Geologiska energikällor: uran (kärnkraft) och geotermisk energi Ved var fram till 1800 -talets mitt den helt dominerande energikällan. Som komplement har man utnyttjat vattenkraft i smedjor och kvarnar. Även vindkraft har använts under lång tid för att driva väderkvarnar och pumpa vatten. För transporter till sjöss användes vindkraft.
Stadens invånare sysslar inte med jordbruk utan har yrken inom handel, religion, hantverk eller byggnation. Invånarna i städerna måste köpa mat, ved och andra råvaror från omgivningen.
Kolförekomsterna i Skåne är 200 miljoner år gamla. Kolet är mycket sprött och faller lätt sönder i småbitar. I Höganäs brändes keramik under en period med svenskt stenkol.
Sedan 1970 -talet har Sveriges användning av olja minskat med nästan 50 %. Under samma period har den totala energianvändningen ökat med drygt 30 %.
Fossila bränslen har bildats av döda organismer som inte brutits ned helt. De kolhydrater de innehöll har omvandlats till kolväten och vidare till stenkol, olja eller naturgas. Det mesta av det stenkol som bryts bildades av växtlighet som fanns under karbonperioden för 286 till 360 miljoner år sedan. En teori är att stenkolet bildades genom att havsnära skogar dog och täcktes över så att syrebrist uppstod. Syrebristen innebar att de döda växterna inte bröts ned. Under de många miljoner år som följde kom kollagret att täckas av tjocka sedimentlager. Stenkol och olja användes tidigt som energikällor i industrin. England har egna stenkolsfyndigheter och dessa togs i anspråk för en omfattande brytning som pågick från 1700 -talet fram till slutet av 1900 -talet. Problemen med koleldning började visa sig redan under 1700 -talet. Det man då lade märke till var att luften förorenades av sot och rök. Problemet ”löstes” genom att man byggde högre skorstenar. Av de miljöproblem som orsakas av fossila bränslen är det framförallt två som påverkar oss i Sverige, försurning och klimatförändringar.
Den andra av Barsebäcks två reaktorer lades ned år 2005 och kraftverket ska nu nedmonteras. Under den aktiva tiden mellan 1975 och 2005 producerades totalt 201,5 TWh.
Vid fissionen klyvs urankärnan när den träffas av en neutron. De radioaktiva grundämnen som då bildas är en del av problemen med kärnkraften.
I bränslestavarna sker de kärnreaktioner som frigör energi. Vattnet i reaktorn värms upp och kokar. Den heta ångan driver runt en ångturbin som är kopplad till en generator där elektricitet alstras. Vattnet kyls av och leds tillbaka in till reaktorhärden. Styrstavarna innehåller kadmium eller bor och kan fånga upp överskott av neutroner. De används för att hålla reaktionerna på rätt nivå. Om styrstavarna skjuts in helt sugs alla fria neutroner upp och reaktorn stängs av.
Vid Ranstad, utanför Skövde, bröts uranhaltig alunskiffer i slutet av 1960 -talet. Resultatet blev 155 ton uran. Den mycket kostsamma miljösaneringen är ännu inte avslutad. Bilden visar lakvattendammar vid deponin med innehåll av giftiga metaller.
Kärnkraftverken omfattas av sträng lagstiftning som innebär att allt som sker ska dokumenteras. Varje avvikelse från normaltillstånd noteras och graderas enligt INES-skalan som anger hur allvarlig en händelse anses vara.
I solen sker fusion av fyra protoner (fyra vanliga vätekärnor), till en heliumkärna. Samtidigt frisläpps enorma mängder energi. Enheten eV står för elektronvolt.
De svenska kärnkraftverken stod år 2013 för en produktion av 63,6 TWh elektrisk energi. Det utgör ungefär 43% av elproduktionen i Sverige. Den typ av kärnreaktion vi använder är enbart fission, kärnklyvning. Fusion, kärnsammanslagning, är inte utvecklad för industriell användning.
En åsna söker skugga under ett av de få träden på ön Ios i den grekiska övärlden. Skogen som tidigare fanns i Medelhavsområdet skövlades redan under antiken. Kullarna i bakgrunden täcks av en gles buskvegetation.
När en energirik foton träffar solcellen kommer en elektron att stötas ut från p-skiktet och ta sig över till n-skiktet. Elektronens energi ökar när den träffas av fotonen. Enda sättet för elektronen att ta sig tillbaka till p-skiktet går genom en ledning som förbinder de två skikten. En elektrisk ström uppstår som kan användas för t.ex. en miniräknare eller en lampa.
Uttrycket ”alternativa” energikällor tillkom under 1970 -talet när miljöeffekterna av kol- och oljeförbränning på allvar började diskuteras. Samtidigt med detta pågick också utbyggnad av kärnkraften världen över. De energikällor som då fördes fram betraktades som alternativ till kol, olja och kärnkraft. Nu använder man vanligen begreppet förnybara energikällor som tydligare anger vad som avses. De främsta alternativen utgörs av solenergi i olika former, men även värmen i jordens inre är en förnybar energikälla.
Solenergin värmer upp vattnet.
En bråkdel av den solenergi som når jorden skulle räcka för ett ersätta alla energikällor vi nu använder oss av. Hittills har vi mest utnyttjat solenergin i indirekt form. Ved och vindenergi har sitt ursprung i solens energirika strålning. Den direkta användningen av strålningsenergi genom solfångare och solceller ökar just nu mycket starkt världen över. Tillgången på solenergi varierar en hel del. Solinstrålningen är i genomsnitt 1 000 kWh/m2 per år i Sverige medan ökenområden i Afrika har 3 400 kWh/m2. Visa större karta Solcellsanläggning i Les Mées, Frankrike. Solfångare I solfångare värms vatten eller någon annan vätska upp med hjälp av solstrålning. Det uppvärmda vattnet kan direkt användas som tappvarmvatten eller för uppvärmning i hus. Solfångare ger 200 - 700 kWh värmeenergi per m2 och år. En villa som använder 20 MWh värmeenergi per år behöver mellan 30 och 100 m2 solfångare för att bli självförsörjande på värme. Ett problem är att under den period då man behöver mest värmeenergi skiner solen som allra minst. Man måste komplettera med andra system för uppvärmning. Uppskattningen är att 30 % av uppvärmningen av bostäder i Sverige skulle kunna ske med solvärmeanläggningar. Solceller I solceller omvandlas energin i solstrålningen till elektricitet. Under 1800-talet gjordes upptäckten att vissa material som solbelystes började leda ström. Fenomenet fick namnet ”den fotoelektriska effekten”. solcell solceller De första solcellerna tillverkades i slutet av 1800-talet, men effekten var låg. År 1954 framställdes den första kiselbaserade solcellen vilken kunde omvandla 4 % av strålningsenergin till elenergi. Dagens kiselsolceller har en verkningsgrad på upp till 15 %. Ett problem med kiselsolceller är att de är dyra att tillverka. Nu utvecklas tunnfilmssolceller som troligen kommer att bli viktiga i framtiden. Tunnfilmssolcellerna passar för industriell tillverkning, vilket kan medföra låga priser. Verkningsgraden är som mest 19 %. En storskalig utbyggnad av solceller i ökenområden skulle kunna ge tillräckliga energimängder för att försörja hela världen med energi. Räknat på 15 % verkningsgrad ger varje kvadratmeter solceller i Sahara 510 kWh elenergi per år. Sveriges elbehov skulle kunna framställas med 275 kvadratkilometer solceller, en yta något mindre än Hjo kommun.
Det vattenkraftverk som prucerar mest eleenergi i Sveriges är harsprånget. Det ligger vid Porjus och älven är Luleälven.
Skandinavien lämpar sig ovanligt väl för vattenkraft. Hög nederbörd i kombination med kuperad terräng har gjort att vi under lång tid har kunnat utnyttja åar och älvar för energiproduktion. Först användes vattenkraften i liten skala för lokala behov. Vattenkvarnar byggdes för att mala säd. Vattendragen fick även stor betydelse för metallindustrin. Vattendrivna stångjärnshammare i Bergslagen och Småland försåg landet med smidbart järn från medeltiden fram till 1900 -talet. I dessa tidiga "kraftverk" användes kraften i vattnet för att driva en process på platsen. Metallindustrin växte fram runt vattendragen där energin fanns. När glödlampor, elmotorer och generatorer utvecklades under 1800-talet föll det sig naturligt att använda vattenkraft för att producera elektricitet. Det första kraftverket i Sverige var placerat i Rydal vid Viskan och elektriciteten användes för belysning i en spinnerifabrik. Elen räckte för tre båglampor, en tidig typ av lysrör. De stora älvarna byggdes ut under de första årtiondena av 1900-talet. Sveriges största vattenkraftverk är Stornorrfors i Umeälven som producerar nästan 2,3 TWh per år. Totalt produceras knappt hälften av Sveriges behov av elenergi i våra vattenkraftverk. Miljöproblem med vattenkraft När floder däms upp förändras miljön från att vara ett strömmande vatten till att bli en insjö. Ekosystemet förändras då på ett sätt som gör att de arter som hör hemma i rinnande vatten försvinner medan andra tillkommer. Fiskar som vandrar uppför älvar för att leka hindras och även om de släpps förbi genom laxtrappor blir många av dem slamsor när de passerar turbiner på sin väg tillbaka till havet.
2020 produceras mer än 10% av elenergin med vinkraftverk.
I takt med att energipriserna går upp ökar intresset för vindkraften. Nu är vindkraftverken lönsamma även på platser som inte har ett perfekt vindläge. År 2007 producerades ca 1,4 TWh elenergi av svenska verk. Det motsvarar ungefär 1% av vårt elbehov. Kostnaden för ett vindkraftverk är relativt låg, ca 25 miljoner kronor för ett 2 MW-verk. Det finns därför många små företag inom branschen. I Sverige var ökningen av vindkraftsproducerad elektricitet hela 45% under 2007. Globalt sett växer vindkraften med 25% om året. Om tillväxten fortsätter att vara så hög kommer vindenergin att svara för en fjärdedel av världens energiförsörjning år 2030. Det är dock inte rimligt med en fortsatt tillväxt i samma nivå då det blir svårt att producera så många verk.
Bevattning av odlingar har förekommit under tusentals år. Det ökar skördarna många gånger om men kan innebära risker, både för de åkrar som bevattnas och för samhällen som förlitar sig på att det alltid fungerar.
Jordens inre har en mycket högre temperatur än jordskorpans yta. Denna värmeenergi kan användas för uppvärmning och elproduktion. Globalt ökar användningen av geotermisk energi med cirka 4 % per år. Hundra meter under markytan varierar inte temperaturen under året. Genom att leda rör med vätska djupt ned i berget kan energin transporteras upp till ytan och användas för uppvärmning av hus. Eftersom vätskan inte håller mer än 5°C måste energin koncentereras. Detta görs i en värmeväxlare som koncentrerar värmen från en stor mängd vätska med låg temperatur till en mindre mängd vätska med högre temperatur. Det går åt 8000 kWh elektrisk energi för att "skapa" 24000 kWh värme. Skulle huset ha värmts med direktverkande elektricitet hade det gått åt 24000 kWh elenergi. På vissa platser finns varma källor som håller en så hög temperatur att de går att använda direkt för uppvärmning. På Island utnyttjas geotermisk energi för 90% av all uppvärmning.
Alla biologiska råvaror kan förädlas för att användas som bränsle i fordon. Kolhydratrika produkter som potatis och sockerbetor kan både jäsas för etanolframställning och rötas för produktion av metangas. Rapsolja används för att genom esterisering framställa RME. Skogsråvara kan användas på samma sätt, men anses ha den största potentialen via förgasning. Svartlut är en restprodukt från framställning av pappersmassa.
Planteringar av snabbväxande pil (Salix) kan ge ett bidrag till Sveriges energiförsörjning. Buskarna brukar skördas efter tre till fem år. Energiskog används oftast till flis som eldas i fjärrvärmeverken, men skulle även kunna utnyttjas vid framställning av drivmedel för fordon.
Bioenergi är energi från växter. Ved och biprodukter från skogsindustrin är den stora källan, men även från jordbruket kommer ett stort tillskott i form av energigrödor. Över hela världen försöker man nu ersätta fossila bränslen för att minska koldioxidutsläppen. Sverige har goda möjligheter att öka användningen av biobränslen. I många fall utvinns energin genom direkt förbränning av materialet. Biobränslen kan även omvandlas till andra former av kemisk energi genom tillverkning av etanol, metanol, biogas (metan) eller olika typer av diesel.
Elektrolys delar upp vattenmolekyler i vätgas och syrgas. Vätgasen kan användas i bilar som drivs med bränsleceller och elmotorer.
I ett hållbart samhälle måste energiförbrukningen baseras på förnybara energikällor. Omställningen kommer att ta tid med tanke på att världen nu får nära 90 % av energin från naturgas, olja, kol och kärnkraft. Efterfrågan på energi ökar i takt med att fler länder industrialiseras. Hur kan Sveriges energiförsörjning se ut i framtiden? Vårt behov av energi kan grovt indelas i följande områden.
