Planetaarinen kasvihuoneilmiö Resume in English

1. Planetaarisella kasvihuoneilmiöllä tarkoitetaan planeetan ympärillä olevan kaasukehän vaikutusta planeetan pinnalla vallitsevaan lämpötilaan. Tässä jutussa keskityn erityisesti tarkastelemaan ilmiötä omassa aurinkokunnassamme ja siellä  planeetoissa Mars, Maa ja Venus. Ilmiön taustalla on kaasukehässä olevien ns. kasvihuonekaasujen kyky absorboida planeetan pinnalta lähtevää säteilyä, joka jää lämmittämään kaasukehää sen sijaan, että  karkaisi suoraan avaruuteen. Kullakin kaasulla on oma kapea aallonpituusalueensa, jolla tuo absorbtio on mahdollista. Kasvihuoneilmiön kannalta oleellista on, että alue on samalla aallonpituusalueella, jolla planeetan pinta säteilee. Maassa tärkein kasvihuonekaasu on vesihöyry, Venuksella ja Marsilla se on hiilidioksidi.

Kuva 1. Kasvihuone Maa

Maan keskimääräinen lämpötila on n. 288°K  (+15°C), josta  kasvihuoneilmiön osuus on yleisen käsityksen mukaan  33°K. Ilman ilmakehää Maan lämpötila olisi siis selvästi pakkasella,  Kelvin asteissa lukema olisi 255°K. Käyttäen em. arvoja, voimme laskea, mikä olisi esim. Maan lämpötila, jos se olisi samalla etäisyydellä auringosta kuin Merkurius, Venus tai Mars. Laskun tulos on ao. taulukon sarakkeessa T1. Sarakkeessa T2 on ko. planeetan havaittu lämpötila ja sarakkeessa d planeetan etäisyys auringosta,   yksikkönä Maan etäisyys. Kaavat laskulle löytyvät mm. tuolta   (T1=255/√ d ).

           d      T1     T2   
Merkurius  0.387  410°K  440°K
Venus      0.723  300    737
Maa        1      255    288
Mars       1.52   207    210

Taulukosta näemme, että Marsin ohut kaasukehä aiheuttaa vain hyvin pienen kasvihuoneilmiön vaikka siellä hiilidioksidia on paljon enemmän kuin Maassa. Venuksessa taas ilmiö on niin voimakas, että viime vuosina on alettu jopa epäillä, onko kyseessä ollenkaan kasvihuoneilmiö vai onko taustalla tulivuorten kautta purkautuva planeetan oma lämpö. Kaasukehättömällä Merkuriuksella kasvihuoneilmiötä ei tietenkään  ole. Lasketun ja todellisen lämpötilan ero aiheutunee Merkuriuksen tummasta pinnasta, joka imee lämpöä  paremmin kuin Maa.

Vesihöyryn lisäksi myös hiilidioksidi  on tärkeä kasvihuonekaasu Maassa mutta keskustelu sen vaikutuksesta ilmaston lämpötilaan käy edelleen kuumana. Teoreettisesti vaikuts voidaan kyllä laskea mutta se on niin pieni, ettei se selitä vuosisadan lopulla havaittua lämmönnousua ilman huomattavia oletuksia salaperäisistä pakotteista, joiden uskotaan voimistavan pelkän hiilidioksin vaikutusta. Tästä syystä myöskään IPCC ei osaa antaa tarkkaa arvoa ns. ilmastoherkkyydelle  (paljonko keskilämpötila nousisi jos hiilioksidin määrä kaksinkertaistuisi) mutta haarukoi sen kuitenkin välille 1.5°C - 5°C. Näihin arvoihin sisältyvät  silloin myös em. pakotteet. Pelkän hiilidioksidin vaikutukseksi ilman pakotteita Wikipedia mm. sanoo  +1°C. Prof. Kauppinen työryhmineen taas on päätynyt vieläkin matalampaan arvoon +0.24°C.

Kuva 2. Pölymyrsky Marsissa

2. Marsin pinnalla  kaasukehän paine on n. 6 mb ja painovoima 0.379g  (g=Maan painovoima). Siellä CO₂:n osuus kaasukehästä on n. 95%, joka Maan raskaammassa painovoimassa vastaisi noin 15 mb:n osapainetta. Jos nyt esiteollisen ajan  CO₂-pitoisuudeksi otaksutaan 280 ppm  eli 0.028%, olisi sen aiheuttama osapaine ollut  n. 0.28 mb.  Lukeman pitäisi kaksinkertaistua 5.7 kertaa (log(15/0.28)/log(2)) ennen kuin olisimme samassa absoluuttisessa pitoisuudessa kuin Mars nyt. Fysiikan lakien¹  mukaan jokainen kaksinkertaistus nostaisi silloin lämpötilaa saman verran, Wikipedian mukaan yhden asteen tai 1.5 - 5 astetta, jos otamme mukaan myös IPCC:n olettamat pakotteet.  Marsissa kaasukehän vaikutus on em. taulukon mukaan kuitenkin vain +3°K, joten ilmastoherkkyyden arvo voisi siellä olla korkeintaan n. 0.5°C (=3/5.7) ollen silti  jossain määrin sopusoinnussa Wikipedian tai Kauppisen ilmoittamien arvojen kanssa.
¹) Beer-Lambertin laki 
Jos sama vertailu tehdään Venuksen suhteen, niin Venuksen pinnalla painovoima on  0.907g  ja  paine  92 bar. Siellä hiilidioksidin osuus on n. 96%, joka Maan raskaammassa painovoimassa vastaisi  n. 96400 mb:n osapainetta. Tuollainen paine² saavutettaisiin täällä, jos esiteollisen ajan CO₂ pitoisuus kaksinkertaistuisi 18.4 kertaa³. IPCC scenaarioiden  arvoilla tuollainen pitoisuuden kasvu aiheuttaisi täällä  28 °C - 92 °C asteen lämmönnousun mutta Wikipedian arvolla nousu olisi vain 18.4°C. Venuksessa nousu on kuitenkin huomattavasti suurempi, yli 400°C,  eikä selity pelkästään sillä, että planeetta on lähempänä aurinkoa kuin Maa.
²) Typen osapaine 780 mb säilyisi ennallaan, jolloin uudessa ilmakehässä sitä olisi enää 0.8% eli 4 kertaa vähemmän kuin Venuksessa nyt. ³)  18.4 = log (96400/0.28)/log (2).   

Kuva 3. Myrskyisä Venus

3. Näyttää siis siltä, että hiilidioksidi  ei yksin  pysty selittämään Venuksen korkeaa lämpötilaa. Steve Goddard ja monet muut ovatkin esittäneet, että havaittu lämpötila olisi seurausta Venuksen  tiheästä kaasukehästä ja siitä aiheutuvasta korkeasta paineesta. Myös NASAn sivuilla on linkki  sivustolle, jossa kasvihuoneilmiön lisäksi lämmön  osasyyksi arvellaan planeetan tuottamaa omaa lämpöä. Yleisin lämmön lähteeksi mainittu syy näyttää kuitenkin olevan käsistä karannut kasvihuoneilmiö. Teoria tosin selittää kaunopuheisesti vain, miten Venuksen kaasukehä ja sen korkea  CO₂ pitoisuus ovat saattaneet syntyä mutta ei sitä, mikä tuon korkean lämpötilan oikeasti on saanut aikaan. Goddardin teorian vahvin peruste  taas on Venuksen vahva pilvipeite, joka täydellisesti  estää auringon suoran säteilyn planeetan pinnalle. Pinnalle pääsee vain pieni osa hajasäteilyä, valtaosa säteilystä jää pilviin  tai heijastuu niistä takaisin avaruuteen.

Kuva 4. Venuksen kaasukehän lämpötila- ja paineprofiilit. Kuvan musta laatikko kuvaa olosuhteita Venuksen yläpilvien alueella. Pilvipeitteen alareuna on n. 50 km:n korkeudella, missä paine on likimain sama kuin Maan pinnalla.

4. Venuksessa 1 bar paine saavutetaan n. 50 km:n korkeudessa, missä lämpötila yo. kuvan¹ mukaan on n. 330 °K. Maassa vastaava lämpö on 288°K, joka Venuksen etäisyydellä vastaisi lukemaa 339°K. Tuossa paineessa Venuksen kaasukehän kasvihuonevaikutus on siis pienempi kuin Maassa, missä vesihöyryn vaikutus voimistaa sitä.
¹) Kuvan vasen osio esittää  todellista havaintosarjaa,  oikea puoli tyyliteltyä lämpötila- ja painejakautumaa koko kaasukehän alueella.

Kuva 5. Venuksessa eteläisen napapyörteen muoto vaihtelee päivittäin

Vaikka aurinko ei suoraan lämmitä Venuksen pintaa, voi se silti olla huomattavan kuuma siellä vallitsevan korkean paineen vuoksi. Venuksessakin fysiikan lait ovat voimassa, jolloin pinnan kuumat kaasut pyrkivät ylös ja laajetessaan jäähtyvät. Samaan aikaan ylemmistä kerroksista valuu kylmää "korvausilmaa" alas missä se puristuu kokoon ja lämpenee. Kiertokulku saa voimansa auringosta ja voimistuu pilvikerrosten korkeudella suorastaan hirmumyrskyjen luokkaan. Kuvissa 3 ja 5 näemme valtaisan hurrikaanin, jossa kaasuvirrat näyttävät syöksyvän suoraan alas pinnalle asti.

5. Kuinka suureksi lämpötila sitten voisi kohota edellä kuvattujen virtausten seurauksena? Tätä valaisee seuraava ajatuskoe. Puhalletaan ilmapalloon "ilmaa" Venuksen 1 barin paineessa, suljetaan pallo ja sidotaan siihen paino, joka vetää sen nopeasti alas. Jos pudotus on kyllin nopea, ei lämpöä ehdi siirtyä pallon kuoren läpi kumpaankaan suuntaan, jolloin voimme laskea pallon sisäpuolelle muodostuvan lämpötilan adiabaattisen kokoonpuristuksen kaavoilla.

Olkoot T1=330°K ja P1=1 bar pallon lämpötila ja paine lähtökorkeudessa sekä T2 ja P2=92 bar laskettu lämpötila ja paine Venuksen pinnalla, silloin
(1)                     T2/T1 = (P2/P1)^(1-1/γ) 
missä  γ = cp/cv =  CO₂:n vakiopaineisen  lämpökapasiteetin suhde vakiotilavuuksiseen. Suhde ei ole vakio, vaan riippuu lievästi lämpötilasta. Lähtökorkeudella  γ on likimain 1.286, jolloin yhtälö (1) antaa T2:n arvoksi 902°K. Pinnan lämpötilaa 737°K vastaava γ=1.229, jolloin  lasketuksi lämpötilaksi tulee T2 ≈ 766°K. Tarkempi lasku vaatisi laskemista kerros kerrokselta pienin hyppäyksin alaspäin mutta jo näin karkeasti arvioiden näemme, että kaasun puristuminen voi tuottaa riittävän korkean lämpötilan selittämään Venuksen pinnalla havaitua lämpötilaa. Itse asiassa laskettu lämpötila on jopa liiankin suuri, koska luonnossa kerrosten sekoittuminen ei ole adiabaattista vaan tapahtuu vähitellen, jolloin lämpöä vuotaa kaiken aikaa myös ylöspäin.

6. Maassa Venuksen kaltainen lämpötilan nousu ei ole mahdollinen edes siinäkään tapauksessa, että ilmakehän kaikki happi palaisi hiilidioksidiksi! Ilmanpaine nousisi vain vähän ja lämpötila vajaat 10°C, jos uskomme Wikipedian ilmoittamaa ilmastoherkkyyden arvoa +1°C. Edellä suoritetun tarkastelun perusteella tuokin arvo näyttää kuitenkin olevan raskaasti liian suuri.

Resume

The mean global temperature of the Earth's surface is about 288°K (+15°C) but, if Earth were at the same distance from the Sun as Venus is, then it would be about 339°K.  Instead, in the Venus atmosphere the temperature is only 330°K (fig.4) at the same 1 bar pressure (at the height of 50 km). So, on Venus the greenhouse effect at this pressure is less than that on the Earth! This is explained by the water vapors, which Venus atmosphere lacks but which in the Earth's atmosphere makes the extra warming.

Because Venus is totally enclosed with  thick cloud layers, direct Sun rays can never reach its surface. Sun can only warm the clouds and the surface warming is mainly due to the convection. At the height of 50 km the pressure is about 1 bar and the temperature 330°K. If we suppose a balloon is filled there and pulled fast down to the surface, then the balloon is adiabatically compressed and we can calculate its inside temperature using formula 1. With a crude estimation the resulting temperature would be between 766°K-902°K, more than enough, however, to explain the observed high surface temperature (737°K) of the Venus.


Linkkejä
Planetary Fact Sheet - NASA
Hyperventilating on Venus
The Atmosphere of Venus
Solution for Major Climate Changes
Major Portions in Climate Change: Physical Approach
The structure of Venus’ middle atmosphere and ionosphere
Cold Facts on Global Warming 
Venus: No Greenhouse Effect
The "Greenhouse Effect" as a Function of Atmospheric Mass
Surface Warmth on a Venus Volcano
The Fast Winds of Venus are Getting Faster
Venus Weather Not Boring After All, NASA/International Study Shows
Venus Vortices Go For Chaotic
Googlen Aurinkokunta
Runaway greenhouse effect
The Cooling of Venus

2016
Alla linkkejä uudempiin tutkimuksiin Venuksen kaasukehässä havaituista virtauksista
Venus Express' swansong experiment sheds light on Venus' polar atmosphere
Why does Venus' atmosphere rotate sixty times faster than its surface?
A new theory to explain superrotation on Venus
Clouds High in Venus’ Atmosphere Reveal Features on Planet’s Surface
Mystery of Puzzling Temperature Distribution in the Venusian Polar Regions !!
Video: Atmosphere and weather of Venus

Alla vielä nykykäsitys Venuksen kaasukehän virtauksista Wikipedian mukaan

ja alla yhteenvetona kuva, joka osoittaa, miten Venuksen korkea pintalämpötila syntyy. Aurinko siis lämmittää Venuksen pilviverhon ja sen yllä olevan kaasukehän osan. Virtausten mukana osa lämmöstä kulkeutuu myös alas jolloin  lämpöä kuljettava kaasu tiivistyy ja sen lämpötila kohoaa alussa suoritetun laskuesimerkin mukaisesti.

Figure 4: Schematic diagram of thermal tide and meridional flow towards the pole development.

2017
Tuossapa vielä uusi tutkimus, joka  myös tukee edellä esitettyjä pohdintoja.
https://www.omicsonline.org/open-access/New-Insights-on-the-Physical-Nature-of-the-Atmospheric-Greenhouse-Effect-Deduced-from-an-Empirical-Planetary-Temperature-Model.pdf