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







2 kommenttia:

  1. MODTRAN on käyttökelpoinen työkalu. Sen käytössä on yksi parametri, joka nyt näyttää olevan piilossa käyttäjältä. Aikaisemmassa versiossa oli valinta a) pidetään absoluuttinen kosteus vakiona tai b) pidetään suhteellinen kosteus vakiona. Jälkimmäinen vaihtoehto on se, johon perustuu IPCC:n laskelmat eli vesi tuplaa kasvihuonekaasujen vaikutuksen. Näyttää siltä, että MODTRAN on pistetty ruotuun ja veden positiivinen takaisinkytekntä on nyt ainut vaihtoehto tai sitä ei edes kerrota käyttäjälle. Ohjelman selitysosassa se edelleen kummittelee.

    VastaaPoista
    Vastaukset
    1. Kyllä tuokin vaihtoehto vielä tallella näkyy olevan ja tulee esille, jos antaa Temperature Offsetille uuden arvon.

      Poista

Muista nettietiketti. Törkyviestit poistetaan