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 EffectMODTRAN 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
The greenhouse effect and carbon dioxide
Attribution of the present‐day total greenhouse effect
Laskut ohjelmalla Pc Calculator
13.11.2020 Uusi tutkimus kovan luokan tutkijoilta:
Dependence of Earth’s Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases
 | |
|
