sunnuntai 23. syyskuuta 2018

Kaikkien aikojen kesä?

Nyt kun median hypettämä mittaushistorian kuumin kesä on ohi, lienee paikallaan tarkastella miten ainutlaatuinen ja kuuma se sitten oikeasti oli.

Kesän kuumin päivä oli  18. heinäkuuta, jolloin Vaasassa mitattiin +33.7°C. Kaikkien aikojen tilastossa tämä oikeuttaa kunniakkaaseen viidenteen sijaan. Alla taulukko muista korkeampaan ennätyslämpöön yltäneistä vuosista. Muitakin saattaisi löytyä, jos jaksaisi arkistoja enemmän penkoa.

       +37.2 °C   Liperi    29.07.2010
       +35.9 °C   Turku      9.07.1914
       +35.6 °C   Lieksa   15.07.1934
       +33.8 °C   Ähtäri    24.06.1935
       +33.7 °C   Vaasa    18.07.2018

Hellepäivien luvussa kesä sijoittui paremmin. Tänä vuonna niitä oli  64 kpl, kun niitä ennätysvuonna 2002 oli 65.

Ennätyksiäkin toki tehtiin. Heinäkuussa koko maan keskilämpötila oli +19.6 °C, mikä oli mittaushistorian korkein ja ylitti edellisen, vuoden 1941 ennätyksen  0.4 asteella. Myös koko kesän keskilämpötila toukokuulla vahvistettuna oli mittaushistorian korkein ja sai mediassa laajasti ansaitsemaansa huomiota. Tällaista vanhaa jäärää valittu tarkasteluväli, 4 kuukautta, alkoi kuitenkin kummastuttaa - miksi näin, kun yleensä kesäkuukausiksi lasketaan vain kesä, heinä ja elokuu, mitä jakoa myös ilmatieteen laitos on vuodenaikatilastoissaan  noudattanut.

Alla kuvapari, mistä selviää arvoituksen syy?  Niissä ilmatieteen laitoksen  kesäkartat vuosilta 1972 ja 2018 esittävät  hilapisteverkon keskilämpötilojen poikkeamia verrattuna vertailukauteen 1981-2010.

 Kuva 1.  FMI:n laskemat keskilämpötilojen poikkeamat vertailukaudesta  1980-2010.   Hilapisteiden  keskiarvo vuonna 1972 oli +2.1°C ja vuonna 2018 +1.9°C.


Karttojen väristä jo voi päätellä, että kesä 1972 on ollut lämpimämpi kuin kesä 2018. Tarkempi lasku hilapisteiden keskiarvoista osoittaa samaa. Vuonna 1972 se oli +2.1°C  mutta vuonna 2018 vain +1.9°C.  Vertailukautena kesä, heinä ja elokuiden keskilämpötilat ovat olleet 12.6, 15.6 ja 13.4°C, jolloin  normaalikesän keskilämmöksi saadaan +13.9°C ja  vuosien 1972 ja 2018 lämmöiksi  +16.0°C ja +15.8°C.  (FMI:n arkistosta löytyy kartat myös suoraan hilapisteiden lämpötiloista mutta valitsin tänne poikkeamat, koska niiden väriero on mielestäni helpompi havaita.)

Voidaan siis todeta, että ainakin yhtenä vuonna kesä on ollut kuumempi kuin  kesä 2018 ja arkistoista saattaisi etsivä löytää niitä vielä lisää.  Alla yksi ehdokas, vuosi 1901, jonka lämpötiloja kuva 2 alla esittää.

Kuva 2. Kesän 1901 keskilämpötila +16.5 °C.
Kuvassa 2 on kokoomataulukko  FMI:n avoin data  palvelun vuodesta 1901, joka Petsamoa lukuun ottamatta esittää kaikki arkistosta löytyvät kesäkuukausien keskilämpötilat. Tulos ei tietenkään ole täysin vertailukelpoinen hila-aineistoon perustuvan mittaustavan kanssa mutta on kuitenkin suuntaa antava ja todistaa, että on sitä kuumaa saanut ennenkin pidellä. Kuva ei sitä paitsi ole täydellinen. Jostain syystä FMI ei anna tietoja esim. Turun, Tampereen tai Oulun lämpötiloista vaikka näilläkin paikkakunnilla havaintoja on jo tuolloin  suoritettu.

Yhteenvetona voidaan siis todeta, että mennyt kesä (kesä- heinä- ja elokuu) oli kyllä lämmin mutta ennätyksiä syntyi heinäkuun ohella vain paikkakuntakohtaisesti.

****

Ilmatieteen laitoksen virallisten arkistojen lisäksi myös vanhoissa sanomalehdissä on paljon tietoa menneistä säistä. Niitä on helppo etsiä esim. Kansalliskirjaston sanomalehtiarkistosta vaikkapa hakusanalla "lämpömittari". Muitakin hakusanoja kannattaa kokeilla. Tuossa malliksi Joensuun lämpötiloja vuodelta 1882, joita "lämpömittari" haku ei löydä. Pankaa merkille siinä 19.7. päivän hirmuinen keskilämpötila, +24,3°C, mikä tarkoittaa, että maksimilämpötilan on silloin pitänyt olla lähellä +30°C astetta.

Myös kesällä 1914 Suomessa vallitsi ankara helle ja kova kuivuus, josta lehdet paljon kirjoittivat. Silloin mm. Helsingin sanomissa oli 9.7.  asiantunteva katsaus kuluneen vuoden alkukesän säistä. Jutussa ei vielä silloin tiedetty Turun ennätyslämmöstä mutta 12.7. Turun Sanomien tutkiva journalisti pääsi pakinassaan  jo hämmästyttävän lähelle totuutta, kun kertoi tutkimustensa osoittaneen seudun lämpötilaksi +36.01°C.

Virallista ilmoitusta Turun lämpöennätyksestä saatiin kuitenkin  vielä odottaa, vasta
16.8. Uusi Suometar kertoi asiasta kaikelle kansalle.Tosin se, että kyseessä oli mittaushistorian korkein virallinen lämpötila, sitä ei lehti osannut lukijoilleen kertoa. Osittain saattoi syynä olla myös, että lehdissä noina aikoina  oli usein  juttuja paljon korkeammistakin lämpötiloista. Alla kuvakaappaus yhdestä niistä.

Kuva 3.

Kuvan 3 uutinen liittyy lapin kultalöydöstä kertovaan juttuun, jonka  Uusi Suometar  julkaisi 13.8.1901 ja joka myöhemmin ilmestyi monissa muissakin lehdissä ympäri maata. Uutisen sanamuoto "ilmoitettiin" näyttäisi viittaavan, että joku Helsingin herra oli sen antanut toimitukselle tiedoksi, mahdollisesti jopa joku Meteorologisen laitoksen virkamies. Että lämpötila annettiin kymmenesosien tarkkuudella ja että havaintoon liittyi myös ilmanpaine, näyttäisi samoin viittaavan, että kyseessä olisi oikea ammattilaisen tekemä meteorologinen havainto.

Jostain syystä  (katso linkin toinen kommentti) havainto  kuitenkin on hylätty ja Suomen virallinen lämpöennätys edelleen on tuota vanhaa havaintoa alempi. Saattaa myös olla, että tuona aikana havaittu lämpötila oli niin uskomattoman korkea, ettei sitä silloin pidetty mahdollisena tai  lämpöhuippu on voinut kestoltaan olla niin lyhyt, että se siitä syystä on tulkittu vain havaitsijan tekemäksi virheeksi. (Myös nykyinen voimassa oleva lämpöennätys oli kestoltaan vain puolisen tuntia vanhaa ennätystä korkeampi.) Joka tapauksessa olisi mielenkiintoista kuulla, jos jollakin lukijoista on jotain asiaan liittyvää tietoa.

Ilman tuota haamuhavaintoakin kesä 1901 näyttää kuitenkin sanomalehtiuutisten valossa  olleen hyvin lämmin ja kuiva - aivan  kuten tämä nykyinenkin, nyt jo mennyt kesä oli.  Lokakuun 8. 1901 Viipuri lehti ja myöhemmin muutama muu julkaisi artikkelin Kesä Suomessa 1901, jossa kirjoittaja mm. toteaa:

"Äskeinen kuuma ja kuiva kesä on nyt ohitse. Lehdet lakastuvat, koko luonto varustautuu talvea vastaanottamaan. On sentähden aika luode silmäys kuluneen kesän luonteeseen ilmatieteellisten havaintojen perusteella - sitäkin suuremmalla syyllä, kun tämä kesä on ollut kokonaan tavallisista poikkeava. Niinä 55 vuotena, joilta maassamme on luotettavia ilmahavaintoja tehty, ei ainoanakaan edellisenä kesänä ole keski-lämpömäärä ollut näin korkea..."

Artikkelin jatkossa kirjoittaja kertoo Turussa kesän keskilämpötilan 19.9 °C olleen 19 tarkastusaseman joukossa korkein ja antaa  arvoja myös muille paikoille, jotka ao. taulukossa on esitetty sarakkeessa "lämpötila 1901"

  Paikka        lämpötila 1901       lämpötila 2018
  Turku           19.9°C                    18.3
  Viipuri          18.9                        18.2
  Tampere      19.4 (=15.4+4)       17.5
  Helsinki       19.9                        18.3
  Oulu            17.5                        14.9

Taulukossa Tampereen lämpötila on laskettu ilmoitetun poikkeaman (+4°C) avulla, kun keskilämpötilaksi on oletettu +15.4 °C  laskettuna  tilastollisen vuosikirjan ilmoittamista kesä, heinä ja elokuun arvoista. Helsingin korkea lämpötila ei oikein vastaa artikkelin muuta kertomusta ja saattaa olla jossain määrin virheellinen. Sarakkeessa "lämpötila 2018" on vastaavat arvot menneeltä kesältä. Näemme, että ainakaan näillä paikkakunnilla mitään ennätyslämmintä kesää ei saatu kokea.

Artikkelissa on myös mielenkiintoinen tieto kuvaan 3 liittyvästä Lapin korkeasta lämpötilasta.  Sen mukaan Inarin keskilämpötila olisi 23.7.1901 ollut +27°C, jolloin korkein lämpötila olisi hyvinkin saattanut siellä olla jopa 10 astetta tai yli tätä korkeampi.

Muitakin kuumia, jopa polttavan kuumia kesiä arkistojen kätköissä varmaan vielä on. Sellaisiakin, jotka virallinen AGW-leiri mieluusti unohtaisi. Laitetaanpa siksi tähänkin bloggaukseen  muistutukseksi ja siunatuksi lopuksi vielä linkki kertomukseen vuodelta 1891, joka oli niin kuuma, että Nurmeksen kirkkokin syttyi palamaan ja poltti poroksi koko kirkonkylän.



Linkit
Suomen huippuhelteistä
Heinäkuun 2018 kuukausikatsaus
Touko-elokuu oli mittaushistorian lämpimin
Lämpötila- ja sadekarttoja vuodesta 1961
Sanomalehtiarkisto
Suomen säät ennen 60 lukua?
Annual and seasonal mean temperatures in Finland during the last 160 years
Laskut ohjelmalla PcCalculator



 

torstai 22. maaliskuuta 2018

Merenpinnan nousu

Nyt kun olemme jälleen kokeneet vanhan ajan kunnon talven, ei ilmastosäikkyjen arsenaalista enää tahdo löytyä kunnon aseita ihmisten pelotteluun. Yksi kuitenkin on ja pysyy, merenpinnan nousu ja nousun kiihtyminen. Tosin aivan uusimmat tutkimukset ovat tästäkin jo hioneet pahimmat ylilyönnit ja jopa itse  The Guardian tyytyy pelottelemaan enää vain vajaalla metrin pinnan nousulla vuoteen 2100 mennessä. Ja tuokin vain siis sillä edellytyksellä, että pinnan nousu jatkuu samalla kiihtyvällä trendillä, minkä prof. Steve Neremin tutkimusryhmä on onnistunut loihtimaan esiin satelliittihavaintojen 25-vuotisesta historiasta.  Tuossa NASAn  uutinen aiheesta ja itse tutkimus  tuolla.   Alla The Guardianin uutiskuva tutkimuksesta.

Kuva 1.Satellite altimetry data. Illustration: John Fasullo
Kuvaa katsoessa voi todella havaita, ettei muutos näiden 25 vuoden aikana ole ollut tasaista ja mutkiakin on matkalla ollut jatkuvasti milloin mihinkin suuntaan. Alla kuvassa 2 on oma tulokseni  NASAn dataan sovitetuista paraabeleista, jos nousutrendien kiihtyvyydet ovat  +0.097 tai +0.040 mm/vuosi/vuosi. Kuvassa y-akselin lukemiin on lisäksi tehty tasokorjaus, jolla se on saatu yhteneväksi  NASAn nettisivuilla  käytetyn asteikon kanssa. Vaikka kumpikin sovitus näyttäisi istuvan aineistoon hyvin ja vaikka niiden korrelaatiokertoimet ovat lähes samat, ovat niistä lasketut merenpinnan tasot  vuonna 2100 kuitenkin  kovin erilaiset (kuvassa arvot a), mikä jo osoittaa, ettei tällaista ennustetta analyysin aineistosta voi tehdä.

Kuva 2. NASAn satelliittihavaintoihin sovitettu paras paraabeli (sin)  ja toinen lähes yhtä hyvä (pun).
Kuva 3. Trendikäyrien hajonta analyysijakson pituuden muuttuessa. Jakson alkuvuosi on kaikissa sama ja loppuvuosi kuvassa ilmoitettu.
Vielä selvemmin menetelmän heikkous käy ilmi kuvasta 3, johon on merkitty kaikki  paraboliset trendikäyrät, kun analyysin aikajakson pituutta on kasvatettu vuosi kerrallaan vuodesta 2010 vuoteen 2017. Erityisen kiinnostava on siinä vuosi 2011, jolloin trendi oli hidastuva mutta joka jo seuraavana vuonna muuttui "reilusti" kiihtyväksi.

Nasalla on nettisivuillaan  kuva myös merenpinnan pitkäaikaisesta muutoksesta vuosina 1870-2000.  Molemmissa kuvissa korkeusasteikon yksikkönä on mm mutta asteikkojen 0-kohdat ovat jälleen eri tasoissa. Ihmetystä myös herättää, miksi aikaskaala päättyy vuoteen 2000 vaikka  luotaushavaintoja kuitenkin jatkuvasti tehdään.


Kuva 4.


Kuvassa 4 yllä NASAn molemmat aikasarjat on yhdistetty siten, että niiden yhteisten vuosien keskiarvot ovat molemmissa samat.  Koko aikasarjan parabolinen sovitus antaa silloin kiihtyvyyden arvoksi (kuvaajan toinen derivaatta) c=0.0102 mm/vuosi/vuosi, kun vastaava arvo pelkistä satelliittimittauksista tuotti arvon c=0.0972. 

Omassa tutkimuksessaan Nerem et al. ilmoittaa kiihtyvyyden arvoksi c=0.084, kun raakahavaintoihin ensin on tehty muutama hyvin perusteltu korjaus. Kuvaan 4  on merkitty punaisella myös tämä tulos, josta The Guardian ja kumppanit nyt siis ovat nostaneet tämän uusimman kohun. Mutta kuinka ollakaan, tuosta samaisesta NASAn kuvaajasta löytyy myös tuplasti laajempi ajanjakso, vuodet 1902-1952, jolloin nousuvauhdin kiihtyvyys oli jopa suurempi, c=0.105. Tässä valossa tämä uusin alarmi alkaa sittenkin näyttää melko vaatimattomalta.  Vuoden 2100 tasoksi "luvataan" enää vain +714 mm,  kun se tuolla vanhemmalla trendillä olisi ollut hulppeat 1707 mm.

 

Luotausasemien trendikäyrät


Satelliittihavaintojen lisäksi merenpinnan tasoa seurataan myös lukuisilla luotausasemilla eri puolilla maailmaa. Tuossa jokseenkin täydellinen lista niistä. Vanhimmat ovat aloittaneet jo 1800-luvun alussa mutta monilla on ollut toiminnassa katkoja tai niiden sijainti on muuttunut tavalla, mikä ei mahdollista vanhojen ja uusien havaintojen täsmällistä vertailua. Alla olevaan listaan on kerätty joukko pisimpään samalla paikalla toimineita asemia, joiden toiminta edelleen jatkuu.

Taulukko perustuu  vuonna 1991 julkaistuun tutkimukseen,  jossa vakaalla pohjalla olevien 21 luotausaseman tuloksista oli johdettu maapallon merien nousutrendiksi  +1.8±0.1 mm/vuosi. Näistä asemista on edelleen toiminnassa 16 kpl,  jotka  ovat ao. taulukossa ylinnä.  Loput 6 kpl  on valittu samoja periaatteita noudattaen mutta saattaa olla, että listan nuorin, VIGO, ei sittenkään ollut paras mahdollinen valinta. Sitä ei kuitenkaan voinut etukäteen tietää enkä katsonut sen poistoa enää jälkikäteen hyvän tieteellisen tavan (hehe) mukaiseksi.

luotausasema     aloitus
  vuosi  
   linear.   
trendi 
 linear. 
h2100 
 parab.
y'1995
parab.
y"
 parab. 
h2100
NORTH SHIELDS 1895 1.903   222     1.788     -0.0030     193 
NEWLYN 1915 1.831 217 2.001 0.0057 267
BREST 1807 0.994  96 2.053 0.0128 298
MARSEILLE 1885 1.304 160 1.129 -0.0039  119
TRIESTE 1875 1.376 176 1.348 -0.0006  169
HONOLULU 1905 1.434 158 1.095 -0.0098   68
SAN FRANCISCO 1854 1.460 134 2.276 0.0136 305
BALBOA 1908 1.465 143 1.319 -0.0044  103
KEY WEST 1913 2.385 259 2.784 0.0131 373
CHARLESTON 1921 3.264 342 3.095 -0.0065  286
HAMPTON ROADS 1927 4.606 485 5.030 0.0184 630
BALTIMORE 1902 3.174 331 3.198 0.0007 338
ATLANTIC CITY 1911 4.083 432 4.383 0.0097 517
NEW YORK 1856 2.853 300 3.368 0.0088 409
PORTLAND 1912 1.866 219 1.626 -0.0077  151
EASTPORT 1929 2.150 252 1.637 -0.0234   72
VIGO 1943 2.082 210 1.203 -0.0583  -197 
FREMANTLE 1897 1.667 207 1.909 0.0070 272
SYDNEY 1914 1.030 108 1.483 0.0153 240
PORT ADELAIDE 1940 2.308 284 2.028 -0.0172  162
SAN DIEGO 1916 2.162 224 2.415 0.0073 292
SEATTLE 1899 2.025 200 2.337 0.0083 280

 ka. 2.156 234 2.250 -0.0006  243

Taulukon data on koottu aseman nimestä aukeavista linkeistä ja niiden korkeusarvot on skaalattu edellä kuvatulla tavalla NASAn  käyttämään tasoon. (Kunkin aseman  90-luvun lineaarisen trendin arvoksi vuonna  1995 asetettiin +7 mm.) Taulukossa kunkin aseman koko aineistosta laskettu lineaarinen termi on sarakkeessa 3 ja sarakkeessa 4 on tuon termin ennustama merenpinnan korkeus vuonna 2100.  Sarakkeissa 5, 6 ja 7 ovat asemille tehtyjen parabolisten sovitusten vastaavat arvot. Siinä y' on ko. kuvaajan derivaatta vuonna 1995,  y"=kiihtyvyysvakio ja  h2100  laskettu korkeus vuonna 2100.

Taulukon alimmalla rivillä on sarakkeista lasketut  keskiarvot. Näemme, että näillä asemilla ja niiden edustamilla rannoilla merenpinnan nousu on ollut ja on hyvin maltillista. Nousuvauhti näyttäisi jopa  hieman hiipuvan ja vuonna 2100  tämän analyysin ennustama merenpinnan taso  olisi n. +240 mm.

Loppulaskussa  analysoin vielä kaikki muut asemat yhdessä mutta jätin kuitenkin Vigo-aseman varmuuden vuoksi pois. Merenpinnan tasoksi vuonna 2100  näytti tällöin muodostuvan +393±13 mm. (Kuva 5 alla)

Kuva 5.

Kuvan 5 analyysissä paras paraabelisovitus antoi kiihtyvyyden arvoksi  +0.0181 mm/(vuosi)² ja vuosien 1995.5  ja 2018.0 tasoiksi  +11.0  ja +76.6 mm eli nousua tuolla aikavälillä  +65.6 mm ±1.5 mm.  NASAlla vastaavat arvot ovat olleet +11.6  ja +86.5 mm  eli nousua + 74.9 mm  tai  kuvan 2  sovituksella laskien (sin) +8.3 ja +83.2 mm ja nousua +74.9 mm ±1.0 mm.

Aika paljon ovat  NASAn satelliittimittaukset siis edellä tässä tarkastelussa mukana olleiden luotausasemien näyttämästä noususta, sen dramaattisesta kiihtymisestä nyt puhumattakaan, mille tämä tarkastelu ei löytänyt minkään valtakunnan näyttöä.





Links 
Climate-change–driven accelerated sea-level rise detected in the altimeter era
NASA: Vital Signs of the Planet
Global Sea Level Rise
Permanent Service for Mean Sea Level (PSMSL)
Relative sea levels from tide-gauge records 
Pacific Atoll Islands Showing No Sign of Drowning
Analyysit ohjelmilla TableCurve ja PcCalculator




Lisämateriaalit
Kuva 6. Nousutrendin kehitys, kun analyysin aineisto kasvaa asema kerrallaan aloitusvuoden mukaisessa järjestyksessä.








Kartta analyysin asemista. Valtaosa niistä sijaitsee Atlantin rannoilla, joten otos ei välttämättä kuvaa koko maapalloa täydellisesti. Kun tärkein valintakriteeri oli aseman vakaa pohja ja havaintosarjan pituus, ei tuollaisia liki sadan vuoden sarjoja kuitenkaan ollut enää muualta helppo löytää.


Kuva7. Vuosina 1807-1899 aloittaneita asemia kuvasi  yksinkertaisten kuvaajien joukosta parhaiten  paraabeli, jonka toinen derivaatta oli 0.0141 mm/(vuosi)².  Kuvassa näkyvä punainen referenssikäyrä on sama  kuin valkoinen käyrä kuvassa 4.   























Kuva 8. Vuosina 1902-1916 aloittaneita asemia  kuvasi parhaiten pelkkä suora.























Kuva 9. Vuosina 1921-1943 aloittaneita asemia kuvasi parhaiten alaspäin kääntyvä paraabeli!






















Kuva 10. NASAn  käyrät  luotausasemien ja  satelliittien  mittaamista  merenpinnan  tasoista päällekkäin.  Kuvan punaista käyrää  ei kuitenkaan laskettu suoraan tästä aineistosta. Siitä oli ensin laskettu  digitaalisella  suodattimella  5000 pisteen ylijoukko, joka seurasi mahdollisimman tarkasti alkuperäistä joukkoa mutta jossa kaiki pisteet olivat ajallisesti tasavälein.


Kuva 11.  Luotausasemien data (kuva 5) ajettuna LOESS suodattimen läpi ja aikavälille 1900-1950 sovitettu paras paraabeli. Tämä on esimerkki siitä,  miten hienolta kuullostavalla  tempulla data-aineistosta voidaan  kaivella esiin ennalta haluttuja tuloksia, tässä tapauksessa vihreää käyrää kuvasta 4.  Jotkut pahat kielet voisivat kutsua temppua myös data-aineiston manipuloinniksi.
Kuva 12. Sama sovitus kuin kuvassa 11 mutta tässä ilman temppuilua. Kuvan 11 tempulla tuloksen tarkkuus on saatu  näyttämään paljon todellista  paremmelta.





































keskiviikko 24. tammikuuta 2018

Ilmakehän absorptio ja vesihöyryn pakote

Nettiä selatessa törmää usein hokemaan "Fysiikan lakien mukaan CO2 absorboi lämpösäteilyä", jota hokeman esittäjä näyttää pitävän vastaansanomattomana todisteena  AGW-teorian puolesta. Hokema on tietysti totta ja fysiikan lakien mukaan  tuo absorption määräkin voidaan  laskea  vastaansanomattoman tarkasti mutta mikä on sen vaikutus  havaittuun lämpötilaan, se sen sijaan ei ole lainkaan selvää eikä  kiistatonta fysiikan lakeihin perustuvaa teoriaa sen laskemiseksi ole esitetty.

Satelliiteilla voimme toki suoraan havaitta maapallon IR-säteilyä ja sen spektriä ja verrata tulosta teoreettisiin laskelmiin. Alla maan laskettu spektri linkistä, jossa Gavin Schmidt kertoilee, mitä NASAssa vuonna 2010 tiedettiin ilmakehän absorptiosta. (Osoita kuvaa hiirellä nähdäksesi MODTRAN laskelman)



Kuva 1. Ilmakehän absorptio GISS mallin ja MODTRAN ohjelman laskemana

Schmidt'in mukaan maan säteilytehosta n. 150 W/m² jää ilmakehään mutta hänkään ei osaa kertoa, mikä osuus siitä palaa maahan, mikä muuttuu lämmöksi ja mikä tuulia ja ilman pyörteitä aiheuttavaksi kineettiseksi energiaksi. Sen sijaan on kiintoisaa huomata, että jo tuolloin NASAssa oli huomattu pilvien tärkeä merkitys absorptiossa. Hänen mukaansa siinä n. 50% aiheutuu vedestä, 25% pilvistä,  20% hiilidioksidista (siis vain) ja loput muista  kasvihuonekaasuista. Pilvien vaikutus maapallon heijastuskykyyn, albedoon, sen sijaan ei Schmidtiä pahemmin kiinnosta, vaikka joutuukin myöntämään vesihöyryn tärkeän roolin AGW-teorian pakotteissa ja takaisinkytkennöissä.

Kuvasta arvioiden  maan säteily avaruuteen (sinisen alueen pinta-ala) näyttäisi olevan luokkaa 270-290W/m² mutta tarkemman arvion saamiseksi on turvauduttava esim. netistä löytyvään MODTRAN  ohjelmistoon, jonka jotakin versiota myös Schmidt on aikanaan arvattavasti käyttänyt. Kuvassa 1 on nähtävissä myös tällä ohjelmalla laskettu tulos, kun se oli viritetty toistamaan mahdollisimman tarkoin Schmidt'in alkuperäinen tulos. Näemme, että piirrostarkkuuden rajoissa molemmat spektrit ovat lähes identtiset, joten voimme hyvällä syyllä olettaa, että tämä MODTRAN ohjelmiston online versio antaa luotettavia tuloksia myös viritysparametriensa muilla arvoilla.

Hiilidioksidipitoisuuden lisäksi ohjelmalla voi säätää monia muitakin parametrejä, esim. vesi- ozoni- ja metaanipitoisuuksia. Myös käytetyn ilmastomallin voi valita kuudesta eri vaihtoehdosta. Alla on ohjelmalla laadittu taulukko maan säteilytehosta, yksikkönä W/m²,  kun CO2 pitoisuuksiksi on oletettu 400  ja 800 ppm, sarakkeet 1 ja 2. Sarakkeessa 4 on näiden erotus, sarakkeessa 3 on säteilyteho ilman absorptiota sekä tämän ja sarakkeen 1 erotus sarakkeessa 5.

 400 ppm  800 ppm    no abs     ΔW1    ΔW2        ΔK
 298.52      295.19      443.68     3.33    145.16     0.76     Tropical Atmosphere
 289.57      286.56      412.59     3.02    123.02     0.81      Midlatitude Summer
 235.22      232.83      303.36     2.39      68.14     1.16      Midlatitude Winter
 270.73      268.28      374.91     2.45    104.18     0.78      Subartic Summer
 202.06      200.30      242.31     1.76      40.25     1.44      Subartic Winter
 267.84      264.86      380.25     2.98    112.41     0.87      1976 U.S. Standard Atmosphere

Taulukkoon on laskettu myös CO2:n kahdentumisen vaikutus, jos oletamme lämpötilan muutoksen lineaariseksi kasvihuonekaasujen absorption määrään. Käytetty laskukaava on alla
(1)                     ΔK = 33°K*(ΔW1/ΔW2)
missä 33°K on tuo yleisesti käytetty kokonaisvaikutuksen oletusarvo. Tämä ei tietenkään ole itsestään selvää  eikä myöskään se, että muutos olisi lineaarista. Itse asiassa olisi aika erikoista, jos näin olisi, kun muitakin vaihtoehtoja kuitenkin on runsaasti tarjolla.

Taulukosta näemme, että ΔK:n hajonta on suurta mutta ilmastovyöhykkeiden pinta-aloilla painotettu keskiarvo asettuu kuitenkin melko lähelle standardi ilmakehän arvoa +0.87°K. Voimme siis päätellä,  että standardi ilmakehän malli kuvaa varsin hyvin myös koko maapallon ilmastoa.

Kuva 2. Temperature versus CO2

Kuvassa 2  on havaintoihin perustuva esitys CO2-pitoisuuden ja lämpötilan välillä. Siinä
pitoisuuden muutosta 280-400 ppm vastaava lämpötilan muutos näyttäisi olevan +1.2°C. MODTRAN ohjelmalla Standard Atmosphere 280 ppm pitoisuudella antaa säteilytehoksi 269.35W/m², joka kaavalla 1 laskien tuottaa lämpötilan muutokseksi +0.44°C. Ero havaintoihin on siis huomattava ja vaatii vielä paljon adjustointia ja pakoteteorioiden kehittelyä ennen kuin tiede tältä osin on valmis.

Päivitys alkaa:
Vallitsevan AGW-teorian mukaan absorption aiheuttama lämpötilan nousu lisää veden haihtuvuutta, jota lämmennyt ilma pystyy nyt sitomaan itseensä entistä enemmän. Ilman vesihöyrypitoisuus siis nousee ja aiheuttaa lisää absorptiota, jota klimatologia hienostellen kutsuu vesihöyryn takaisinkytkennäksi tai pakotteeksi.

Teoria on tietysti hyvä mutta miten se on toteutunut käytännössä? Eräs NOAAn toimistoista,   Earth System Research Laboratory, ylläpitää  ilmastoon liittyviä aikasarjoja, joista  kuva 3 alla esittää alailmakehän globaalia ominaiskosteutta  paineissa  1000, 950, 850 ja 700mb. Varmuuskopio kuvan datasta on täällä.

Kuva 3. Ilmakehän ominaiskosteuden muutos korkeuksilla 0 - 3 km.




Kuvaan on merkitty myös aineistosta lasketut trendit, jotka  osoittavat vesihöyryn määrän  pintakerroksissa todella kasvaneen mutta pilvien korkeudella trendi onkin jo laskeva ja osoittaa, että siellä pilvien määrä on vähentynyt. Molemmat tekijät voivat periaatteessa aiheuttaa ilmaston lämpenemistä mutta vain tuo vesihöyryn pakote voisi teoreettisesti olla kasvaneen CO2-pitoisuuden aiheuttamaa.

Vuosina 1948-2017 ilmasto on GISSin aikasarjan mukaan lämmennyt +1.01°C  ja CO2-pitoisuus kasvanut arvosta 310 ppm arvoon 407 ppm. Samaan aikaan ilmakehän ominaiskosteus on pinnalla kohonnut trendilaskun mukaan arvosta 7.324 g/kg  arvoon 7.498 g/kg eli kasvua on ollut n. 2.4%. Jos lasketaan pelkillä aikasarjan päätepisteiden arvoilla, tulee kasvuprosentiksi 4.4%.

Alla taulukko näistä arvoista sekä MODTRAN ohjelmalla standardi ilmakehälle lasketut vastaavat absorptioiden arvot. Sarakkeessa H2O on ominaiskosteuksien suhde, jota ohjelma kysyy kohdassa "Water Vapor Scale". Ohjelma käyttää tätä skaalausvakiota koko matkan alhaalta ylös, vaikka havaintojen mukaan kosteuden kasvu rajoittuukin  vain ilmakehän alimpiin kerroksiin. Laskettu absorptio on siis periaatteessa hieman todellista suurempi mikä ei kuitenkaan haittaa, koska pääosa siitä  vesihöyryn suuren määrän vuoksi kuitenkin tapahtuu jo aivan lähellä pintaa.

vuosi    CO2        SH                H2O      MODTRAN     SH               H2O      MODTRAN
1948    310 ppm  7.324 g/kg   1.0000   268.91 W/m²  7.281 g/kg   1.0000   268.91 W/m²
2017    407          7.498           1.0238   267.40           7.603           1.0442   267.12
                                                     ΔK   +0.44°K                                    ΔK   +0.53°K

Taulukon alimmalla rivillä on kaavalla 1 laskettu absorption muutosta vastaava lämpötilan muutos, missä pelkän hiilidioksidin osuus ilman pakotteita on +0.34°K.  Jos taas oletamme Schmidtin tavoin hiilidioksidin osuudeksi koko absorptiosta 20%, voimme laskea kuten edellä ja saamme uusiksi lämpötilojen muutoksiksi  +0.35° K  ja  +0.42°K, missä pelkän CO2-muutoksen osuus on +0.27°K. Jos edelleen hyväksymme myös Schmidtin esittämän ajatuksen pilvien 25% osuudesta maapallon kasvihuoneilmiössä, silloin kaikki edellä lasketut absorption lämpötilavaikutukset putoavat vielä lisää tuolla samalla prosenttimäärällä.

Näemme, että laskimmepa miten päin tahansa, ei se selitä havaittua (ja adjustoitua) lämpötilan globaalia muutosta, josta pääosan on siis pakko aiheutua joistakin muista syistä. Kuten edellä tuli jo kerran todettua, tältä osin tiede ei  vielä ole lähelläkään valmis.

 Juttua päivitetty  11.2.2018

 

 

Linkkejä  

Taking the Measure of the Greenhouse Effect
MODTRAN Infrared Light in the Atmosphere 
Major Portions in Climate Change: Physical Approach
Ilmastonmuutoksen suurimmat aiheuttajat selvitetty
Scrutinizing the atmospheric greenhouse effect and its climatic impact 
Emergent constraint on equilibrium climate sensitivity from global temperature variability
Laskut ohjelmalla Pc Calculator







torstai 7. syyskuuta 2017

Mietteitä takaisin säteilystä

Tämä bloggaus on hajanainen kokoelma  kirjoittajansa pohdintoja  kasvihuonekaasujen takaisin säteilystä. Se sai alkunsa, kun löytyi netistä joukko aihetta sivuavia linkkejä ja mielenkiintoisia tutkimuksia. Niihin kannattaa muidenkin tutustua.
 

https://scied.ucar.edu/radiation-budget-diagram-earth-atmosphere
Kuva 1.
Note 1
Otsikkonsa mukaisesti kuva 1 esittää maapallolle  saapuvia ja sieltä poistuvia energiavirtoja. Kuva on uusi versio, vanhasta on kuva ja tutkimus tuolla. Kuvan mukaan pinnalta nousevasta lämpösäteilystä vain pieni osa menee suoraan ilmakehän läpi,  374 W/m² absorboituu mistä  333 W/m² palaa takaisin maahan ja aiheuttaa kasvihuoneilmiönä tunnetun ilmakehän lämpenemisen. Tai eihän tuo takaisin säteily oikeastaan mitään lämmitä, se vain hidastaa maanpinnan jäähtymistä.

Jos ajattelemme  pinnan säteilytehoa fotoneina, on 374 W/m² valtava joukko, josta jokaista 374 kappaleen fotonierää  kohti palautuu siis  333 kappaletta takaisin ja vain 41 kappaletta pääsee ilmakehän läpi avaruuteen. Vallitsevan teorian mukaan fotonin absorboinut molekyyli pysyy virittyneenä tietyn relaksaatioajan, minkä jälkeen se emittoi fotonin  satunnaiseen suuntaan. Ensimmäisen vaiheen jälkeen tuosta 374 fotonin joukosta vain puolet olisi siis enää matkalla ylös, toinen puoli olisi matkalla alas. Myös alas kulkeva joukko voisi vielä absorboitua mutta keskimäärin pitäisi kuitenkin olla voimassa yhtälö
 (1)         333=374*(1/2+1/4+1/8+1/16+...),
missä geometrinen sarja päättyy, kun yhtälö  toteutuu.

Matkaa, jonka fotoni ilman absorboitumista voi keskimäärin ilmakehässä kulkea, kutsun seuraavassa vapaaksi matkaksi ja käytän siitä lyhennettä frp (free path). Jos  tiedämme, kuinka korkealta takaisin säteily voi maahan yltää, voimme nyt yhtälön 1 avulla arvioida frp:n suuruutta. Netissä siitä löytyy paljon spekulaatioita - mm.  tuo, jonka mukaan hiilidioksidilla frp=33m. Intuitiivisesti ajatellen  frp ei kuitenkaan ole vakio, vaan  täytyy sen riippua ainakin ilman tiheydestä ja  kenties  muistakin seikoista, joita  en vielä ole huomannut.

Note 2
Koska yhtälö 1 on vain karkea likimääräistys fotonien poukkoilusta ilmakehässä, laadin aiheesta pienen tietokonesimulaation, jossa "fotonit" saivat  liikkua sattumanvaraisiin suuntiin kunnes palasivat joko takaisin maahan tai nousivat asetetun ylärajan yli, minkä jälkeen paluuta maahan ei enää oletettu mahdolliseksi.

Simulaatiossa frp oletettiin vakioksi, kuten se suurella joukolla oikeasti onkin, vaikka yksittäinen fotoni voikin sattumanvaraisesti kulkea millaisen matkan hyvänsä. Ylärajana oli 2000 m, koska tuossa korkeudessa vesihöyry yleensä katoaa,  jolloin hiilidioksidi jää yksin jatkamaan absorptiota ja  samalla frp rajusti kasvaa. Laskussa frp:lle asetettiin maan pinnan arvo, joka sai kasvaa kääntäen verrannollisesti ilman tiheyden kanssa. Tiheyden laskukaavat löytyvät tuolta. Absorptiokertojen yläraja oli simulaatiossa  400. Useiden kokeilujen jälkeen frp:lle löytyi arvo 239.87m, joka parhaiten tuotti kuvan 1 mukaiset tulokset.

Alla taulukko 10 simulaation tuloksista ja alinna niiden keskiarvo. Sarakkeessa 0 on maahan päätyneet "fotonit", seuraavissa  korkeuksille 0-300m, 300-1000m, 1000-2000m ja yli 2000m päätyneet sekä viimeisessä sarakkeessa laskettujen fotonien kokonaismäärä.


  0                 300      1000     2000     yli 2000     yhteensä
  3329673       0          2           0          410325     3740000
  3330040       0          1           1          409958     3740000
  3329365       1          0           0          410634     3740000
  3330575       0          0           0          409425     3740000
  3329209       1          0           2          410788     3740000
  3331310       0          0           0          408690     3740000
  3330749       0          0           0          409251     3740000
  3330640       0          0           2          409358     3740000
  3329800       0          0           0          410200     3740000
  3329801       0          0           0          410199     3740000
  3330116.2

Note 3
Jos hiilidioksidin määrä ilmakehässä kaksinkertaistuu, kohtaa fotoni absorboivan molekyylin nopeammin kuin ennen, minkä seurauksena frp pienenee samassa suhteessa kuin molekyylien poikkipinta-ala kasvaa (oma oletus, pitäisi tarkistaa). Jos oletamme CO2:n pitoisuudeksi 400 pmm, tarkoittaa se, että jokaista miljoonaa ilmamolekyyliä kohti joukossa on 400 CO2 molekyyliä. Kun ilman moolipaino on 28.97g  ja hiilidioksidin 44.01g, voimme laskea, että kilossa ilmaa  on hiilidioksidia n. 0.4·44.01/28.97g =0.607 g. Vastaavasti, jos ilman lämpötila on +15°C  ja suhteellinen kosteus 60%, on siinä vesihöyryä 6.37g.  Mooleissa pitoisuudet ovat
H2O = 6.37/18,02 = 0.353 mol ja CO2=0.607/44.01 = 0.0138 mol.  Koska moolissa on aina sama määrä molekyylejä (Avogadron vakio), saamme H2O/CO2 molekyylien lukumäärien suhteeksi 0.353/0.0138 = 25.6/1.

Huom! Edellä käytetty Vaisalan kosteuslaskuri ilmoittaa vesihöyryn pitoisuuden myös ppm yksiköissä, jolloin vältymme moolilaskuilta ja saamme H2O/CO2 suhteen helposti laskemalla 10235/400=25.59.


Note 4
Lukumäärän lisäksi frp riippuu intuitiivisesti myös absorboivan molekyylin koosta. Valitettavasti en tuota tietoa netistä löytänyt mutta aihetta sivuavan videon innoittamana päätin painottaa H2O/CO2 lukumäärien suhdetta ko. molekyylien bond-liitosten neliöillä. Vedellä liitoksen koko on 95.84 pm ja hiilidioksidilla 116.3 pm. Näillä arvoilla CO2:n kaksinkertaistuminen lyhentäisi fotonin vapaan matkan frp:n arvoa tekijällä
(2)       (10235·95.84² +400·116.3²)/(10235·95.84² +800·116.3²) =  0.94839

Käyttäen nyt frp:lle arvoa 0.94839·239.87m = 227.49 m, tuotti edellä kuvattu simulaatio tuloksen
 
 0                 300      1000     2000     yli 2000     yhteensä  

 3350188       0           0          1          389811     3740000
 3350344       0           0          0          389656     3740000
 3349212       0           0          0          390788     3740000
 3349540       0           0          1          390459     3740000
 3349851       0           0          0          390149     3740000
 3349982       0           0          0          390018     3740000
 3350099       0           0          1          389900     3740000
 3349462       0           0          0          390538     3740000
 3349304       0           0          0          390696     3740000
 3349046       0           0          1          390953     3740000
 3349702.8

Note 5
Simulaation mukaan CO2:n kaksinkertaistuminen nosti takaisin säteilyn määrää n. 2.0 W/m² ja tämä lämpötilaa +0.20°C  (= 33·2.0/333), jos oletamme lämpötilan nousevan suoraan verrannollisesti takaisin säteilyn määrään, jonka kokonaisvaikutukseksi on oletettu +33°C. Tämä pieni lämmönnousu aiheuttaa sitten sen paljon puhutun pakotteen, jonka mukaan lämmennyt ilma sitoo enemmän kosteutta ja lisää siten dramaattisesti kasvihuoneilmiön vaikutusta. Vesihöyryn lisääntyminen ei kuitenkaan voi olla miten suurta tahansa vaan on se rajoittunut siihen kylläisen vesihöyryn määrään, mikä kussakin lämpötilassa on mahdollinen.

Vaisalan kosteuslaskurin mukaan suhteellisen kosteuden ollessa 60% ja lämpötilan +15°C ilman vesihöyrypitoisuus on 10235 ppm, kun se lämpötilassa +15.2°C on 10369 ppm. Jos nyt lauseke 2 korjataan tällä arvolla,  tulee vapaan matkan frp:n lyhennyskertoimeksi 
(3)       (10235·95.84² +400·116.3²)/(10369·95.84² +800·116.3²) =  0.93739,
jolloin simulaatio tuottaa takaisin säteilyn arvoksi  335.40 W/m² ja vastaavaksi lämmön nousuksi  +0.24°C   (= 33·2.40/333).
Saadut arvot sopivat hyvin yhteen prof. Kauppisen tutkimuksen kanssa, jossa CO2:n kahdentumisen vaikukseksi saatiin +0.22°K (linkissä kaava 22), joka vesihöyryn kerrannaisvaikutuksilla korjattuna kohosi myös arvoon +0.24°K.


Note 6
Muunkinlaisia arvioita on esitetty. Jos ilmasto lämpenee 1.8°F, pitäisi tuolla referoidun tutkimuksen mukaan takaisin säteilyn kasvaa  n. 2 W/m² eli kääntäen,  2 W/m² aiheuttama lämpötilan nousu olisi silloin n. +1.0°C. Tämä päätelmä on kuitenkin virheellinen. Jos lämpötila kasvaa, silloin ilman absoluuttinen kosteus voi kasvaa, vaikka suhteellinen kosteus säilyisikin ennallaan ja tämä, kosteuden lisääntyminen, aiheuttaa takaisin säteilyn kasvun. Jos sen sijaan takaisin säteily kasvaa CO2:n lisäyksestä tai jostakin muusta syystä, on tästä aiheutuva lämpötilan nousu niin pieni (note 5), ettei sillä ole sanottavaa vaikutusta ilmakehän absoluuttiseen kosteuteen.  Eli korrelaatio on yksisuuntainen, sitä ei voi kääntää.


Note 7
Edellä ilman suhteelliseksi kosteudeksi oletettiin RH=60%. Jos CO2:n sijasta oletamme RH:n muuttuvan esim. arvoon RH=63.4%, olisi ilman vesipitoisuus  10821 ppm, jolloin lauseke (2) saisi muodon
(4)          (10235·95.84² +400·116.3²)/(10821·95.84² +400·116.3²) =  0.94864
eli molemmissa tapauksissa frp:n lyhennyskertoimet olisivat lähes yhtäsuuret ja tuottaisivat samanlaiset takaisin säteilyn lisäykset.  Näemme, että näinkin  pienellä suhteellisen kosteuden muutoksella, +3.4%, olisi jo sama vaikutus kuin ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kahdentumisella

Note 8
Edellä ilmakehän lämpötilaksi maan pinnalla oletettiin maapallon keskilämpötila +15°C. Jos se nousisi asteella ja RH olisi edelleen =60%, olisi ilman vesipitoisuus  10920 ppm, jollon lyhennyskertoimen arvoksi tulisi
(5)     (10235·95.84² +400·116.3²)/(10920·95.84² +400·116.3²) =  0.94048,
jota käyttäen simulaatio tuottaa takaisin säteilyn arvoksi 335.26. Muutosta kertyy siis +2.3 W/m², mikä on varsin lähellä edellä referoidun NASAn tutkimuksen arvoa +2 W/m² (note 6).

Note 9
Netissä CO2:n absorption kasvun mahdollisuus kiistetään usein argumentilla, että hiilidioksidia on jo nykyisin ilmakehässä niin paljon, että kaikki mahdollinen säteily absorboituu jo nyt. Tähän liittyen alla on  tyylitelty kuva maapallon avaruuteen säteilemästä spektristä.

https://earthobservatory.nasa.gov/Features/WaterVapor/water_vapor2.php
Kuva 2
Näemme, ettei CO2:n absorboima kuoppa ole vielä lähelläkään pohjaa, joten kasvunvaraa siinä vielä on. Tämä aiheutuu edellä mainitusta relaksaatioajasta, joka on hyvin pieni ja antaa fotonin absorboivalle molekyylille mahdollisuuden emittoitua nopeasti. Valitettavasti en ole netistä näita relaksaatioaikoja luotettavista lähteistä löytänyt mutta aiheesta käydyissä keskusteluissa on kyllä monasti mainittu CO2:n 15 mikronin relaksaatioajaksi 10µs eikä tuota kukaan ole ainakaan näkyvästi kiistänyt.

Kuvasta 2 näemme, että säteilyn huippu on n. 10 mikronin alueella. Tuollaisen fotonin energia on
1.2398/10 Ev = 1.98645·10-20 J. Jos nyt maan säteilyteho on 374 W/m² (kuva 1),
tarvitaan sen tuottamiseen joka sekunti  374/1.98645·10-20  = 188·1020  kpl tuollaista fotonia/m². Edellä kuvatussa simulaatiossa lähes kaikki fotonit olivat joko maassa tai avaruudessa 400 absorptio-emissio tapahtuman jälkeen. Jos oletamme relaksaatioajaksi varmuuden vuoksi 20 µs, kestää fotonien poukkoilu ilmakehässä  silloin maksimissaan 8 ms, minä aikana niitä on liikkeellä n. 0.008·188·1020  kpl = 1.50·1020 kpl.

Maan pinnalla kuutio ilmaa painaa n. 1.22 kg, joten pohjansa pinta-alalta 1 m² suuruisen ja fotonin vapaan matkan korkuisen ilmapilarin massa on silloin n. 293 kg (frp=239.87m) ja pilarin H2O ja CO2 moolimäärät  293·0.353 mol = 103 mol ja 293·0.0138 mol = 4.0 mol  (note 3). Avogadron vakiolla 6.022·1023 mol−1  kerrottuna saadaan  H2O ja CO2 molekyylien määriksi silloin  620·1023  ja 24·1023 kpl.
Näemme, että fotoneja absorboivien molekyylin määrät ovat 4-5 kertalukua suuremmat kuin liikkeellä olevien fotonien, joten mitään pelkoa absorption saturoitumisesta ei ole.

Note 10
Koska edellä esitelty simulaatio antaa yhdenmukaisia tuloksia muiden tutkimusten kanssa, Kauppisen (note 5) ja NASAn (note 8), voimme olettaa, että se muutoinkin kuvaa oikealla tavalla takaisin säteilyyn liittyviä ilmiöitä.

Linkit:
Tracking Earth’s Energy: From El Niño to Global Warming,  Trenberth  & Fasullo 2011
Atmospheric Transmission.png
The Science of Doom
Water Vapor Confirmed as Major Player in Climate Change
Earth’s Steamy Blanket
It’s not the Heat, it’s the Humidity
The Potency of Carbon Dioxide (CO2) as a Greenhouse Gas, Ollila 2014 
Warming Effect Reanalysis of Greenhouse Gases and Clouds, Ollila 2017
Major Portions in Climate Change: Physical Approach, Kauppinen et al 2011
Water-vapor climate feedback inferred from climate fluctuations, 2003–2008,  Dessler et al. 2008
Vaisala humidity calculator
MODTRAN Infrared Light in the Atmosphere

Linkkejä ilmastoherkkyyttä käsitteleviin 70-luvun tutkimuksiin





tiistai 7. helmikuuta 2017

Sodankylän lämpötilojen aikasarjat

Ilmatieteen laitoksen tammikuun sääkatsaus on taas aiheuttanut monenlaista parranpärinää nettikansan keskuudessa. On mm. ilakoitu Sodankylän lauhasta tammikuusta vaikka pitkän aikavälin trendi tammikuussa onkin ollut siellä selvästi laskeva.

Kuva 1
Eikä tuo suinkaan ole ainoa laskevaa trendiä osoittava kuukausi. Myös joulukuu on Sodankylässä pitkällä aikavälillä viilentynyt. Alla vielä taulukko Sodankylän keskilämpötilojen  trendeistä eri kuukausina.


Sodankylän keskilämpötilojen kuukausitrendit  1901-2016

kuukausi        trendi [°C/vuosi ]        S.D. [°C ]
tammi -0.0044±0.0011
helmi 0.0163±0.0012
maalis0.0226±0.0089
huhti 0.0160±0.0053
touko 0.0179±0.0052
kesä 0.0074±0.0053
heinä 0.0019±0.0051
elo 0.0108±0.0042
syys 0.0133±0.0042
loka 0.0148±0.0070
marras0.0084±0.0091
joulu -0.0014±0.0127

Taulukon aineisto on kerätty käsin tuolta ja tuolta ja koottu yhtenäiseksi taulukoksi tuonne (taulukko 2).


Kuva 2.





















Taulukkoon 2 on laskettu myös kuukausien vuosittaiset keskiarvot ja saatu niistä Sodankylän vuositason trendiksi +0.0101°C ±0.0033°C, kuva 2 yllä.

Vertaamalle trendiä esim. kaupunkilämmön "saastuttamaan" Kaisaniemen trendiin näemme, että Sodankylässä lämpeneminen on ollut paljon vähäisempää vaikka asian alarmistiteorian mukaan pitäisi olla juuri päinvastoin. Trendin korrelaatio aineistoon on kuitenkin hyvin pieni, joten sen varassa pitkän aikavälin ennusteita ei todellakaan kannata tehdä. Itse asiassa, melkeinpä minkä tahansa muun käppyrän voi  sovittaa aineistoon paremmalla korrelaatiolla ja saada siitä parempia ennusteita tulevasta kehityksestä. Kuvaan piirretty punainen sinikäyrä on tästä oiva esimerkki. Kannattaa panna merkille, että siinäkin näkyy tuo sama 60-70 vuoden jakso kuten niin monissa muissakin ilmastoon liittyvissä aikasarjoissa.

Koska Sodankylän aikasarja on yksi maamme vanhimmista, pitäisi sillä olla myös tärkeä sija NOAAn ylläpitämässä lämpötilan globaalissa  aikasarjassa, varsinkin, kuten ao. kuvasta näemme, Sodankylän Tähtelä on vuosisadan alussa edustanut NOAAn asemaverkostossa

Kuva 3. NOAAn GHCN asemaverkoston kasvu Euroopassa.



yksin koko Pohjois-Eurooppaa ja vaikka esim. Helsingin Kaisaniemen aikasarja on paljon pidempi, on se päässyt mukaan vasta vuonna 1951. Kun toisaalta olemme saaneet nähdä, millä tavoin NOAA on muualla "adjustoinut" vanhoja havaintoja, päätin laskea myös, millaista aikasarjaa NOAAn arkistoimat havainnot Sodankylälle nykyään osoittavat.

NOAAn havainnot, Fahrenheit asteissa,  on kerätty vuosi kerrallaan tuolta ja niistä laadittu Celsius asteiksi muutettu kokoomataulukko on tuolla.  Koska taulukosta puuttuu muutama kuukausi vuosilta 1909, 1910, 1911, 1918, 1944, 1952 ja 2016, on nuo vuodet jätetty  pois vuotuista trendiä laskettaessa. Laskun tulos on nähtävissä alla kuvassa 4. Kuvassa näkyy myös  FMIn aineistoon perustuva trendi, kun molemmat trendit on laskettu täsmälleen samoja vuosia käyttäen. Kuvassa näkyvät harmaat pisteet ovat FMIn sarjasta karsittuja pisteitä eivätkä ole siis trendilaskussa mukana.


Kuva 4.







Jotenkin on tutun oloinen tuo kuva. NOAAn havainnoista laskettu trendi on +1.66°C/100 vuotta, kun se FMIn mukaan on vain +1.01°C samassa ajassa. Miksiköhön en ole pahemmin yllättynyt?


Linkit
Ilmatieteen laitoksen sääasemien arkisto
NOAA-Sodankylä
NOAA-asemahaku
NOAA-Kaisaniemi
NOAA GHCN
Sodankylän NOAA-FMI
NASA-GISS Station Data: Sodankyla
On the Validity of NOAA, NASA and Hadley CRU Global Average Surface Temperature Data


Laskut ja taulukoiden muodostus ohjelmalla Pc Calculator







tiistai 17. tammikuuta 2017

Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä

Tämä bloggaus sai kimmokkeen Antero Järvisen aloittamasta keskustelusta Epätieteellinen IPCC tulisi lakkauttaa, jossa todettiin ihmisperäisten CO2-päästöjen säilyvän ilmakehässä noin 10-16 vuotta. WMO:n pääsihteerin Petteri Taalaksen mukaan viipymäaika on kuitenkin paljon suurempi, jopa tuhansia vuosia. Koska väitteiden välinen ristiriita on suuri, aloitin laajan nettitiedustelun löytääkseni aihetta sivuavia tutkimuksia mutta huomasin pian, ettei oman lukukynnykseni alittavia tutkimuksia juurikaan löytynyt. Niinpä otin aiheen vastaan matemaattisena haasteena, yrityksenä kehittää metodi, jolla voisin omin voimin tutkia kysymystä.  Tuon haasteen tulokset ovat nähtävissä alla.

Nykyisin ilmakehän CO2 pitoisuus on n. 400 ppm eli ilmakehän kokonaismassasta n. 400 miljoonasosaa on tuota kaasua. Kun  ilmakehän paine on pyöreästi 1 kp/cm²,  on ilmakehän massa kilogrammoina  likimain = maapallon pinta-ala neliösenttimetreissä eli n. 5.1*1018 kg, josta hiilidioksidin osuus on siis 400*5.1*1012kg. Hiileksi muutettuna luku on kerrottava vielä hiilen ja hiilidioksidin atomipainojen suhteella 12/(12+16+16), jolloin 1 ppm hiilidioksidia vastaa likimain 1.391*109 tonnia hiiltä.
Vuonna 2013 ihmiskunnan tuottaman hiilidioksidin määräksi on hiileksi muutettuna arvioitu olleen n. 9976 milj. tonnia mikä miljoonasosa-asteikolla vastaisi lukemaa 7.028 ppm. Seuraavassa  käytän etupäässä  tätä  merkintätapaa, jos on CO2:n määristä  kysymys. Alla vielä kuva ilmakehän CO2-lähteiden määristä eri vuosina. Taulukko kuvan esittämästä datasta löytyy tuolta ja sen varmuuskopio myös tuolta (Alkuperäinen sivusto kertoo uudistuvansa lähiaikoina, jolloin linkkien toimivuus saattaa vaarantua.)


Ilmakehän hiilidioksidin lähteet





















Jos hiilidioksidin lähteet ilmakehässä tunnetaan, voisimme helposti laskea, miten  ilmakehän CO2 pitoisuus  muuttuu, jos  tunnemme kaikki hiilinielujen vaikutusta kuvaavat kaavat. Kaavoissa voisi olla parametreinä esim. meriveden ja ilman  lämpötilat,  sademäärä, tuuliolosuhteet tai mikä muu tahansa, minkä voisi kuvitella vaikuttavan nielujen toimintaan. Tässä tarkastelussa on kuitenkin oletettu yksinkertaisesti, että hiilinielujen suuruus on suoraan verrannollinen ilmassa olevan hiilidioksidin määrään. Jos siis k on tuo  verrannollisuuskerroin, A hiilidioksidin määrä vuoden alussa ja B sen vuotuinen kasvu, silloin oletuksen mukaisesti pitoisuus vuoden lopussa on  k*(A+B).

Esiteollisena aikana CO2-pitoisuus oli vuodesta toiseen jokseenkin vakio, jolloin voimassa oli yhtälö
(1)                                     k*(A+B)=A.
Myöhemmin, vuonna i, ihmiskunnan päästöt ovat kasvattaneet  A:n arvoon  A+Gi  ja  B arvoon  B+Vi ,  jolloin kaava (1) saa muodon
(2)                                     k*( A+Gi +B+Vi ) =A+ k*(Gi +Vi ) = A+Gi+1
ja voimme nyt sen avulla laskea CO2-pitoisuuden myös  vuoden i+1 alussa ja muodostaa näin, vuosi kerrallaan, pitoisuuden muutosta kuvaavan käyrän. Käyrän laskussa käytetyt A ja k  voidaan sitten optimoida siten, että saatu tulos seuraa mahdollisimman tarkoin jotakin havaintoihin perustuvaa oikeaa käyrää.  Laskuissa B  oletetaan vakioksi ja ihmisperäisen hiilidioksidin määrä Vi saadaan esim.  taulukosta 1. Samassa taulukossa on myös lasketut pitoisuuksien arvot, kun k ja A on sovitettu tuottamaan mahdollisimman tarkasti kuvan 2 alla kaltainen tulos.

Kuva 2
Kuvassa ohut punainen viiva esittää laskettua tulosta, kun A:lla on arvo 291ppm ja k=0.959. Näemme, että näinkin yksinkertainen tarkastelu tuottaa jo yllättävän hyvin havaintoihin yhteensopivan tuloksen. Jos kyseessä olisi tieteellinen tutkimus, voisi tietenkin 30-luvun lopulla alkaneen lämpöhuipun vaikutusta vielä  yrittää sovitella hiilinielujen kaavaan mutta tämän tarkastelun motiivin kannalta asialla ei enää ollut minulle merkitystä.

Tarkastelun perusteella vuoden aikana ilmakehään päässyt CO2-määrä puolittuu n. 16 vuodessa (k16=0.51) ja esim. vuoden 2013 päästöt,  9976 milj.tonnia vastaten 7.028 ppm CO2 pitoisuutta, häviäisivät mittaustarkkuuden alapuolelle n. 50 vuodessa (7*k50=0.86).

Tässä tarkastelussa esiteollisen ajan CO2 pitoisuudeksi muodostui A=291 ppm, kun se nykyisin on n. 400 ppm. Jos ihmiskunnan tuottama CO2 saataisiin kokonaan loppumaan, kestäisi  ilmakehän palautuminen esiteolliseen tilaan vielä n. 115 vuotta, mikä on kuitenkin huomattavasti vähemmän mitä Taalaksen  levittämät kauhuskenaariot yrittävät uskotella ( (400-A)*k115=0.88).

Kaavasta 1 voimme ratkaista  myös ilmastoon luontaisesti kertyvän hiilidioksidin määrän, jolloin saamme  B=12.44 ppm. Tulos on minusta yllättävän pieni, kun netissä puhutaan yleensä yli kymmenkertaisista arvoista ihmiskunnan tuotoksiin verrattuna. Puhuvat siis netissä puuta heinää tai sitten tässä tarkastelussa on jokin perustavaa laatua oleva heikkous. Otan kiitollisena vastaan kommentit, jos joku lukijoista osaa kertoa, mikä?


Linkit
Annual Global Fossil-Fuel Carbon Emissions - Graphics 
Global CO2 Emissions from Fossil-Fuel Burning
ESRL Global Monitoring Division
Global Carbon Budget 2016
Is the airborne fraction of anthropogenic CO2 emissions increasing? 
Mauna Loa CO2 annual mean data
Laskut ohjelmalla Pc Calculator