Fossila bränslen – olja, gas

De fossila bränslena består av rester från tidigare biologisk aktivitet på jorden, som inte förmultnat eftersom den befann sig i en syrefattig miljö. Dagens användning ligger långt över uppskattningar av tillskotten av nya fossila bränslen.

Idag kommer ungefär 80% av världens energiresurser från fossila bränslen - kol, olja och naturgas. Av dessa är olja mänsklighetens viktigast energi källa framförallt därfor att stora delar av transportsektorn är beroende av oljebaserade drivmedel. Det finns två huvudproblem med vårt beroende av fossila bränslen: den ändliga tillgången och den eventuella miljöeffekten. Det viktigaste miljöhotet är en möjlig växthuseffekt p.g.a. ökade koldioxidhalter i atmosfären som orsakas av förbränningen av fossila bränslen. Uppskattningar av tillgången på fossila bränslen varierar, men enligt de flesta prognoser, kommer det inom några decennier att vara nödvänligt att minska oljeanvändningen. Senare kommer det att bli ont om naturgas. Det finns dock fortfarande mycket stenkol och andra källor, till ex. oljeskiffer,oljesand, och torv, mm, men bruk av dessa är mindre gynnsamt (ekonomiskt och miljömässigt) än för olja och gas. Prospektering efter olja och gas kommer därför att vara mycket viktigt även i fortsättningen. Förekomsterna blir allt svårare att hitta och kommer att kräva nära samarbete mellan geovetare och ingenjörer. Detta gäller även om en förstärkt växthuseffekt innebär att vi måste minska bruket av fossila bränslen snabbare än de begränsade tillgångarna skulle kräva. Priset på fossila bränslen kommer att öka i takt med ökad behöv och minskad tillgång och kommer att gynna framtagning av alternativa energikällor.

Våra forskningsprogram

Utbildningar vid institutionen

Jordens inre värme utgör en miljövänlig energiresurs.

Dagens teknologi ger enbart tillgång till geotermisk energi från de allra översta delarna av jorden. Småskaliga geotermiska värmepumpar (jord- och bergvärme) värmer en kraftigt ökande andel av Sveriges hus. Jordens temperatur ökar med djupet, i genomsnitt 30C per kilometer. Större anläggningar, som extraherar värmen från större djup, är därför mycket intressanta. Den största i Sverige finns utanför Lund där mycket av stadens fjärrvärme hämtas från en geotermisk källa 700 meter under jordytan. Storskaliga geotermiska kraftverk fungerar dock idag enbart i speciella geologiska miljöer, främst vulkaniska så som på Island där mycket el produceras med hjälp av ånga från geotermiska områden.

Geotermisk energi finns överallt under våra fötter. Frågan är hur djupt den behöver hämtas ifrån, hur mycket vatten finns tillgängligt i berggrunden till att transportera den och hur lätt vattnet/ångan kan röra sig, d.v.s. hur permeabel berggrunden är. Utveckling av djupborrningsteknologi och bättre kunskaper om jordskorpans värmekällor är också viktiga för vidare utveckling av geotermisk energi.

Forskning inom geotermi i Uppsala pågår främst med geovetenskapliga syften. Pågående projekt inom geofysikgruppen vid Uppsala Universitet i samarbete med universitet och andra institutioner i Island och USA fokuserar på detaljerade strukturstudier av de översta 5 km av jordskorpan i vulkaniska områden på Island och USA där ett antal geotermiska kraftverk finns. Strukturen skådas med hjälp av små jordskalv och de seismiska vågor de skapar. Vi kan då kartlägga hur vågornas hastighet varierar inom jordskorpan, hur vågorna dämpas och hur beroende vågornas egenskaper är på deras riktning, och på det sätt lära oss om värmekällorna i skorpan, permeabilitetens natur och effekterna av utvinningen av energi från kraftverkens reservoarer. En del av forskningen går också ut på att tolka tilsammans olika geofysiska mätningar så som seismiska och electromagnetiska mätningar som möjliggör kartläggning av berggrundens konduktivitet som också beror starkt på temperatur och tryck. Geofysikgruppen är också starkt inblandad i djupborrningsprojekt i Sverige tillsammans med flera svenska och utländska institutioner där man hoppas lära sig bland annat om fördelningen av potentiella geotermiska energiresurser i Sverige. Ett program för att mäta temperatur och värmeflöde i befintliga borrhål i svensk berggrund är igång för detta ändamål. 

Glaciärer är landformer av is, som är känsliga indikatorer på förändringar i
klimat och miljö. Isfält och inlandsisar är fantastiska arkiv för utforskande av
hur klimat och miljö har förändrats i historien och hur framtidens klimat kommer
att se ut.

Iskärnor En stor del av dagens glaciärforskning är fokuserad på studier av de iskärnearkiv som borras ut ur isfält och inlandsisar. Iskärnorna analyseras, antingen direkt i fält, eller så sparas prov ur iskärnorna för senare analyser. Ur isens biologi, fysik och kemi, kan man utröna hur platsen påverkats av klimat och miljöförändringar under den tid som iskärnan representerar. I Uppsala jobbar vi främst med iskärnor från Grönland och Svalbard.

Massbalans En viktig egenskap hos glaciären är dess massbalans. Massbalans kan beskrivas som nettosumman av volymtillskottet (ackumulation) i form av snö som faller på glaciären och en volymförlust (ablation) genom smältning från glaciären räknat över en viss tid. I och med att både smältning och snöackumulation är relaterad till klimatet, så är massbalansen en bra indikator på hur glaciären reagerar på det rådande klimatet. Genom att studera förhållandet mellan massbalans och klimatet hoppas vi kunna säga något om hur de framtida glaciärerna kommer att reagera på den globala uppvärmningen och hur mycket de smältande glaciärerna bidrar till havsnivåhöjningar. I det nordiska excellenscentret SVALI arbetar vi även med klimat och vädermodeller för att tillsammans med mätdata få en bättre kontroll över regionala variationer i isens massbalans, för att kunna göra framtida prognoser om förändringar av ismassorna. Vi jobbar främst med den atmosfäriska modellen WRF, samt att integrera bättre smältningsmodeller i geosystemmodeller (ESM).

Isdynamik En annan domän inom glaciologin är isdynamiken, dvs. de mekaniska egenskaperna hos isen och hur ismassorna deformeras och rör sig ut från sina ackumulationsområden. En viktig komponent som påverkar isens rörelse är de förhållanden som råder vi botten av glaciären. Om glaciären är smältande vid botten, fungerar smältvattnet som smörjmedel och får glaciären att accelerera markant jämfört med kalla (och torra) förhållanden. Kunskapen om isdynamik har en stor betydelse för förståelsen av hur glaciärer reagerar på klimat och massbalansförändringar. Dessutom är kunskapen om deformationshistorien av de isfält där iskärnor tas mycket viktigt, för att förstå lagerföljd och tidsekvenser i de iskärnor som tagits. För att studera isdynamiken använder vi markradarmätningar (GPR) för att få en uppfattning om isgeometri (bottentopografi) och temperaturförhållandena vid botten av isen samt isrörelse vid glaciärytan uppmätta med satellitpositioneringsteknik (GPS). 

Numerisk modellering. En stor del av ismassan som lämnar istäcken och mindre glaciärer genom sk. snabba utlöparglaciärer. Att förstå dessa utlöparglaciärers dynamik är viktigt för att få en uppfattning av deras nuvarande och framtida bidrag till havsyteförändringarna. Ett vikitgt redskap i detta arbete är numeriska isflödesmodeller.  Med hjälp av högre ordningens modeller (Full Stokes) kan vi modellera de inblandade komplexa processerna och därigenom kunna förutse deras framtida bidrag till havsyteförändringar.

Den hydrologiska forskningen är koncentrerad på naturvetenskapliga problem rörande kvantitet och kvalitet i ytvatten och grundvatten samt vattenutbytet i gränsytan land/atmosfär. Hydrologisk modellering i olika skalor och statistisk nedskalning ger stöd till grundforskningsinriktade processtudier och i olika tillämpningar. I tillämpade studier är syftet ofta att skapa beslutsstöd i vattenförvaltningsfrågor.
 

Ytvatten och grundvatten i avrinningsområdet Avrinningsområdet är ett centralt koncept för alla hydrologiska, och även flertalet ekologiska, studier. Avrinningsbildningen styrs av avrinningsområdets landskapsegenskaper, som också påverkar de biogeokemiska processerna som styr vattenkvaliteten i såväl ytvatten som i mark- och grundvatten. Vi studerar dessa processer genom att använda bl. a spårämnesmetodik. Vattenbalansmodeller utgör en viktig komponent för att kvantifiera avrinningen, vilket är centralt för vattenförsörjning samt vid problem rörande torka och översvämningar. Studier av de specifika delarna av avrinningsområdet sker också. Markvatten och markvärmeflöde modelleras och vi har en stark komponent i grundvattenmodellering och modellering av föroreningstransport.
 

Vattenföroreningar; miljöeffekter och åtgärder Vattenresursförvaltning är den samlande beteckningen på syntetiserande studier med syfte att behålla och förbättra vattenresursmiljön för framtida generationers bruk. Vi har flera åtgärdsinriktade projekt som riktar sig på rening av otjänligt yt- och grundvatten. Vi studerar också klimatförändringars påverkan på vattensystem. Även i dessa projekt är det avrinningsområdet som är utgångspunkten och den grundläggande enheten.
 

Utbyte av energi och massa (vatten och CO₂) mellan atmosfär och land Förståelse av klimatsystemet med dess hydrologiska och meteorologiska processer är en viktig förutsättning för att förutsäga klimatförändringars påverkan på våra vattenresurser. Utbytet av energi, vattenånga och koldioxid mellan atmosfären och markytan är grundläggande i detta system och studeras i fält för både skogs- och jordbruksmark.

Vatten är en förnyelsebar resurs om den används på ett hållbart sätt. I många regioner är vatten av bra kvalitet en bristvara och kraven på hållbar förvaltning avgörande. Forskning för hållbart utnyttjande av vattenmiljön inbegriper en rad processer, från grundläggande till tillämpad forskning inom hydrologi, ingenjörsvetenskap, socioekonomi och i beslutstödsprocesser.

Samhällen över hela världen är beroende av en tillförlitlig vattenförsörjning, industrier av processvatten och jordbruket av vatten till grödor. Hydrologiska modeller, som beskriver vattenbalansen på åtminstone månadsbasis är en bas för vattenförvaltning och –planering. För att tillämpa modellerna behövs en hydrologisk-klimatologisk databas och ett övervakningssystem som är specifikt anpassat till den studerade regionen. Som ett resultat av de scenarier som produceras av den valda hydrologiska modellen kan behovet av olika faciliteter, t ex dammar, distributions- och reningssystem, identifieras så att tillräckliga vattenvolymer av tillräckligt god kvalitet kan erhållas. Översvämningsrisker kan bedömas från statistiska analyser av historiska data och belysas med den hydrologiska modellen. Med en hydraulisk modell kan risken för översvämning av olika områden identifieras. När man på detta sätt har identifierat ramarna för vattenförvaltningen kan åtgärder för att optimera vattenbehovet diskuteras, vattenförluster i distributionssystem kan bedömas och vattenanvändningen ses över. Ett korrekt pris för vatten hjälper till att ekonomisera vattenanvändningen.

Övre Cholutecaflodens avrinningsområde Övre Cholutecaflodens avrinningsområde förser Honduras huvudstad Tegucigalpa med vatten. De största problemen för huvudstaden är brist på dricksvatten, dålig vattenkvalitet i floden och stor risk för översvämningar. De två första problemen hänger samman då allt flodvatten används till dricksvatten och gör floden till mottagare av det avloppsvatten som staden genererar. Översvämningar orsakas av passerande orkaner. Vår forskning i området fokuseras på att bygga en hydrologisk-klimatologiska databas, att utveckla övervakningsprogram och en hydrologisk modell som kan användas för att beräkna områdets vattenbalans. En annan forskningsgren berör vattenförvaltningen i regionen. Avloppsrening och dammar för att säkra vattenkvantitet och –kvalitet ingår i denna gren. I Honduras är ett stort antal myndigheter inblandade i vattenförvaltningens olika aspekter; vattenanvändning, energiproduktion, dricksvattenförsörjning, vattenkvalitet, översvämningsrisker, vilket gör att samordning och dataförsörjning försvåras.

Den meteorologiska forskningen är fokuserad på det atmosfäriska gränsskiktet, och studerar de fysikaliska processerna i atmosfären upp till några hundar meter eller som mest någon kilometers höjd.

Forskningen i gränsskiktsmeteorologi består av grundläggande studier av
gränsskiktet över land och hav, tillsammans med studier inom mer tillämpade
områden såsom vindenergi, ljudutbredning och luftföroreningar. Därvid utnyttjas
i huvudsak mätningar med specialicerade instrument, ofta monterade på olika
höjder i master, tillsamman med numeriska modeller.

Gränsskiktsmeteorologi ägnas åt studier av de fysikaliska processerna i de
lägsta hundratalet metrarna, eller som mest någon kilometer, av atmosfären.
Gränsskiktet utgör länken mellan den överliggande atmosfären och den
underliggande land- eller havsytan. Här sker en vertikal transport av förnimbart
(sensibelt) värme och vattenånga från ytan upp i atmosfären, eller i imotsatt
riktning. Av stor betydelse är också den rörelsemängd som transporteras ned från
atmosfären till ytan, vilket medför att den storskaliga atmosfäriska strömningen
bromsas in, vilket slutligen leder till att stormar bryts ned. Dessa transporter
är alla resultatet av oregelbundna turbulenta fluktuationer i det atmosfäriska
gränsskiktet. Dessa skapas is sin tur via två mekanismer: (i) instabilitet
skapad av skuvning i det skikt vari luften bromsas av den underliggande ytan och
(ii) konvektion, vilken över land under den varma årstiden är resultatet av
markytans uppvärmning dagtid som en följd av absorption av solstrålning. Också
kall luft som strömmar ut över ett mycket varmare hav kan skapa konvektion.

Korrekt hantering av de fysikaliska processerna i atmosfärens gränsskikt är av
yttersta betydelse för väderprognoser och för numerisk modellering av
klimatförändringar. De lägsta delarna av gränsskiktet är också den del av
atmosfären som människor, djur växter på jordytan kommer i direktkontakt med.
Den ständigt närvarande turbulensen i gränsskiktet orsakar utspädning och
transport av allt material som släpps ut i den. För att framgångsrikt minska
luftföroreningarna är det nödvändigt att ha djup kunskap om de fysikaliska
processer som är orsak till denna transport och utspädning. Också för ett
effektivt utnyttjande av vindenergi krävs detaljerade kunskaper om vindarna och
turbulensen. 

Ämnesområdet paleontologi innefattar forskning kring biosfärens uppkomst och utveckling, dvs ofattbara 4.500.000.000 år av utveckling. Forskningsmaterialet utgörs av fossila växter, djur och andra organismer. Paleontologisk forskning spänner över både biologi och geologi

Jordens historia spänner över ofattbart långa tidsrymder som inkluderar både dramatiska massutdöenden och uppblomstringar. De bevarade fossila resterna från tidigare biosfärer utgör ett unikt arkiv för studier av de storskaliga förändringar som jorden och dess livsformer har genomgått. Därmed kan detta fossila arkiv bidra till att utveckla nya hypoteser som kan användas för att tolka och förklara de miljömässiga och evolutionära förändringar som ägt rum under jordens och livets historia.

Paleontologisk forskning är till sin natur ämnesöverskridande och paleontologisk forskning i Uppsala har en väl framskjuten plats framförallt inom följande ämnen: Den tidiga diversifieringen av encelliga organismer (prokaryoter och eukaryoter) och deras ekologi under Proterozoikum; Forskning kring prekambriska fotosyntetiserande mikroorganismer med organiska cellväggar; Kambriska autotrofa mikroorganismers systematik och deras roll i utvecklingen av ekosystem under den kambriska explosionen; De tidiga metazoernas utveckling, i synnerhet under den kambriska explosionen; Exceptionella bevaringstillstånd, i synnerhet Siriuspassets fauna (Grönland); Blötdjurens och brachiopodernas fylogeni och paleobiologi; Jämförelse av data från fossil med evolutionära teorier baserade på data från nutida organismer; Gränsområdet mellan paleobiologi och evolutionär utvecklingsbiologi.

Seismologi är den i särklass viktigaste vetenskapen för att inhämta information om jordens inre. De seismiska vågornas färd genom jorden talar om för oss hur jorden är uppbyggd och vilken sammansättning den har. Jordbävningskällorna ger dessutom information om hur jordskorpan och plattorna överst på jorden rör sig.

Struktur Jordens storskaliga uppbyggnad, med en inre fast och yttre flytande kärna, manteln och jordskorpan, har upptäckts genom noggranna studier av hur olika jordbävningsvågor fortplantas i jorden. Liknande undersökningar kan göras i mindre skala och ge information om tex. jordskorpans uppbyggnad, var man kan hitta olja eller hur berget under Forsmark ser ut. I Uppsala använder vi vågor både från stora jordskalv på andra sidan jorden och små jordskalv i Sverige för att med tomografiska och andra metoder undersöka strukturer i jordskorpan och övre manteln under Sverige.

Jordskalvskällor Jordskalv ger oss också mycket information om närområdet vid källan. Hur sprickan som rör sig är orienterad, tillsammans med rörelsens riktning och storlek, ger oss på den stora skalan kunskap om plattornas dynamik och på den mindre kunskap om rörelser i spricksystem, portryck och krafterna i berget. Informationen från källan är också vital för att öka kunskapen om hur jordskalv uppkommer. I Uppsala arbetar vi med jordens mekaniska och dynamiska egenskaper med utgångspunkt från jordskalvsmekanismer. Vi kartlägger spricksystem nere i jorden, modellerar och beräknar jordskalvens källmekanismer och analyserar spänningarna som utlöst skalven. Vi undersöker hur jordskalv uppkommer i vulkaner, vid plattgränser och i den stabila svenska jordskorpan.

Varningssystem Att i tid kunna varna samhället om förestående naturkatastrofer är en viktig del av seismologin. Vulkanutbrott kan numera förutsägas väldigt noggrannt och Uppsalaseismologen deltar i vulkanvarningssystemet på Island. Jordskalv är svårare att förutsäga men forskningsintresset för ett varningssystem är stort och seismologerna i Uppsala har i många år deltagit i forskning om jordskalvsvarningar på Island. Uppsala deltar också aktivt i seismisk riskanalys i många utvecklingsländer, tex. i centralamerika och östafrika.

Idag har vindkraften nått relativt långt vad gäller teknik och storskalighet. Ändå är den inte konkurrenskraftig utan ekonomiskt stöd. Vindens variationer gör att installerad effekt inte kan utnyttjas fullt ut. Forskningen syftar till att med ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt finna nya lösningar. Forskningen fokuseras mot vertikalaxlade vindkraftverk med direktdrivna generatorer.

Det ökande priset på elenergi underlättar visserligen för vindkraften, men för att den ska bli riktigt lönsam måste den vara extremt billig och pålitlig. Vindkraften är fortfarande så pass ung att bara vindkraftverk med relativt omogen teknik från början av 80-talet har haft chansen att bevisa sin tillförlitlighet under den projekterade livslängden.

Forskningen vid avdelningen för Elektricitetslära syftar till enklare, effektivare och tillförlitligare (och därmed billigare) vindkraftverk med mindre oönskade effekter på människor och natur. Arbetet inriktas särskilt på vertikalaxlade vindkraftverk med långsamtgående permanentmagnetiserade generatorer; en teknik som har stor utvecklingspotential. Forskningen berör även andra vetenskapliga discipliner med relevans för vindkraften såsom ekonomi och miljö.

Vid Institutionen för geovetenskaper pågår forskning syftande till att erhålla den meteorologiska information som behövs för lokalisering av vindkraft. Detta inkluderar både medelvind- och turbulensförhållanden.