Onko CO2 vaikutus nykyisellä 415 ppm mutta myös jo esiteollisella ajalla, CO2 280 ppm, saturoitunut?

On ollut erimielisyyksiä sen suhteen että onko CO2 absorptio saturoitunut CO2 arvoilla jo 280 taikka 415 ppm, tarkoittaen sitä, että kaikki energia joka maanpinnalta säteilee CO2 pääabsorptioalueella on jo absorboitunut ja CO2 lisäys vaikuttaa ainoastaa broadening vaikutusten kautta (HITRAN self, dopler…etc.). Ja jos EI ole saturotunut niin olisin hyvin kiinnostunut selityksestä miksi näin EI olisi.

Tämä kysymys ja sen vastaus sisältää jo melko monimutkaista fysiikkaa; vastauksen lopussa on yhteenvetona tiivistelmä, johon voi hypätä jos seuraava tuntuu vaikealta.

Tarkastellaan kysymystä MODTRANilla (http://climatemodels.uchicago.edu/modtran/) tehtyjen laskelmien perusteella. MODTRAN* on malli lämpösäteilyn kulun laskemiseksi ilmakehässä, ja Chicagon yliopisto on laatinut siitä opetuskäyttöön verkossa vapaasti saatavilla olevan version.

Alla on kuva MODTRANilla tehdystä mallinnuksesta. Kuvassa 1a on pilvettömälle keskileveysasteiden kesätilanteelle laskettu koko ilmapilarin läpäisykyky pystysuoraan etenevälle säteilylle CO2-pitoisuuksilla 280, 415 ja 600 ppm*. Kuvan spektrialue (aaltoluvut 500-850 cm-1eli aallonpituudet n. 11.76-20 µm)* kattaa hiilidioksidin kasvihuoneilmiölle tärkeimmän absorptiovyön, jonka keskikohta on noin 667 cm-1aaltoluvulla eli 15 µm aallonpituudella. Jo hiilidioksidin 280 ppm pitoisuudella koko ilmapilarin läpäisykyky on oleellisesti 0 absorptiovyön keskiosissa – juuri yksikään maanpinnan säteilemä fotoni ei siis tällä aallonpituusalueella pääse avaruuteen asti (kuva 1a). Hiilidioksidin absorptiovyön keskiosassa lämpösäteilyn absorptio on siis saturoitunut. Vyön reuna-alueilla CO2:n absorptiopiikit ovat kuitenkin heikompia. Vyön lyhytaaltoisella reunalla (aaltoluku ~ 750 cm-1) CO2-pitoisuuden lisäys näkyy koko ilmapilarin läpäisykyvyn pienenemisenä (kuva 1b). Vyön pitkäaaltoisella reunalla (aaltoluku ~ 600 cm-1) vesihöyryabsorptio pitää koko pilarin läpäisykyvyn vähäisenä.

Koko ilmapilarin läpäisykyvyn tarkastelu johtaa kuitenkin osittain harhaan. CO2-pitoisuuden lisäys vaikuttaa myös siihen, mistä ilmakehän kerroksesta tietyllä korkeudella havaittava lämpösäteily on pääosin peräisin . Niilläkin aallonpituuksilla, joilla ilmapilari on kokonaisuudesaan lämpösäteilylle läpinäkymätön, avaruuteen säteilevä kerros siirtyy ylemmäksi ja maanpinnalle säteilevä kerros alemmaksi. Koska lämpötila nousee kohti maanpintaa, CO2:n lisääntyessä pinnalle tuleva säteily lisääntyy hivenen jopa 15 µm -vyön keskiosissa, mutta enemmän sen lyhytaaltoisella reunalla (kuva 1c). Avaruuteen karkaava säteily vähenee selvästi 15 µm -vyön reunoilla, koska suurempi osa siitä tulee ylätroposfäärin ja alastratosfäärin kylmistä kerroksista. Sen sijaan 15 µm -vyön keskellä ulossäteily lisääntyy, sillä ulossäteilevä kerros siirtyy stratosfäärin lämpimämpiin osiin (kuva 1d). Tropopaussin tasolla (13 km) ylösmenevä säteily pienenee ja alastuleva lisääntyy kaikilla CO2-absorption aallonpituuksilla (kuvat 1e, f). Kokonaisuutena alastuleva lämpösäteily lisääntyy ja ylösmenevä säteily pienenee – kasvihuoneilmiö siis voimistuu.

Kuva 1. a, b) Ilmapilarin läpäisykyky (transmittanssi) maan lähettämälle lämpösäteilylle erilaisilla ilmakehän CO2-pitoisuuksilla: 280 ppm (esiteollinen), 415 ppm (nykytaso), 600 ppm (odotettu taso 2060-luvulla, jos päästöt jatkuvat nykyisellään). c-f) Ilmakehän säteilemän lämpösäteilyn voimakkuuden (radianssi yksiköissä Wm-2(cm-1)-1sr-1) ero pitoisuuksilla 415 ppm ja 600 ppm esiteolliseen tilanteeseen nähden eri korkeuksilla ilmakehässä (0 km, 13 km ja 70 km). Huomattakoon, että ilmakehän kukin kerros lähettää säteilyä sekä ylös- että alaspäin – säteilyn kulun kokonaisuus muodostuu koko ilmapilarin summana. CO2-pitoisuuden noustessa säteily alaspäin lisääntyy ja säteily ylöspäin vähenee (siniset ja punaiset alueet; poikkeuksena aaltoluvut 640-690 cm-1, joilla avaruuteen karkaava säteily tulee hyvin voimakkaan absorption takia stratosfääristä) – kasvihuoneilmiö siis voimistuu.

Tiivistettynä yhteenvetona: Hiilidioksidin tärkeimmän absorptiovyön keskiosassa (aallonpituuden 15 µm ympärillä) lämpösäteilyn absorptio on lähes saturoitunut. Tämä tarkoittaa, että hiilidioksidin pitoisuuden lisääminen (esim. 280 – 600 ppm) ei juuri lisää säteilyn absorboitumista aallonpituuden 15 µm:n kohdalla. Hieman pienemillä ja suuremmilla aallonpituuksilla eli tämän absorptiovyön reuna-alueilla lämpösäteilyn absorptio kuitenkin lisääntyy hiilidioksidipitoisuuden kasvaessa. Näin ilmakehän läpäisykyky pienenee ja pienempi osa maanpinnan emittoimasta säteilystä pääsee avaruuteen.

Hiilidioksidipitoisuuden lisäyksen aiheuttama kasvihuoneilmiön voimistuminen tulee siis suurimmaksi osaksi absorptiovyön reunoilta. Lisäksi kasvihuonevaikutukseen vaikuttaa oleellisesti ilmakehän kerroksellisuus ja sen lämpötilajakauma: kun CO2-pitoisuus kasvaa, avaruuteen säteilevä kerros siirtyy ylemmäksi (kylmempiin ilmakerroksiin), mikä vähentää avaruuteen karkaavan lämpösäteilyn määrää. Hiilidioksidin absorptiovyön reuna-alueilla tapahtuva lämpösäteilyn absorptio ja ilmakehän kerroksellisuus (lämpötilajakauma) yhdessä selittävät sen, että kokonaisuudessaan hiilidioksidin absorptio ja hiilidioksidin aiheuttama kasvihuoneilmiö ei ole saturoitunut.

Koska hiilidioksidin absorptio on lähes saturoitunut aallonpituuden 15 um:n ympärillä, kasvihuoneilmiö ei ole niin herkkä hiilidioksidipitoisuuden lisäykselle kuin esimerkiksi metaanipitoisuuden lisäykselle. Metaanin kohdalla absorptio ei ole saturoitunut millään aallonpituudella. Tätä asiaa voi testata MODTRAN-mallilla itsekin: lisäys metaanin ppm-pitoisuudessa vaikuttaa paljon enemmän kuin vastaava hiilidioksidipitoisuuden lisäys.

*Taustatietoa:

MODTRAN-malli laskee, fysiikan lakien perusteella, miten maanpinnan ja ilmakehän emittoima lämpösäteily etenee ilmakehässä. Ilmakehässä olevat kaasumolekyylit reagoivat säteilyyn sen perusteella, millainen niiden molekyylirakenne on: kasvihuonekaasut hiilidioksidi (CO2), metaani (CH4), otsoni (O3) ja vesihöyry (H2O) absorboivat eli imevät säteilyä, mutta kaksiatomiset ilman kaasumolekyylit typpi (N2) ja happi (O2) eivät vaikuta lämpösäteilyn kulkuun. Chicagon yliopiston MODTRAN-versio ei mallinna maapallolle tulevan auringonsäteilyn etenemistä, vaan maapallon itse ylöspäin säteilemää lämpösäteilyä (joka on paljon suuremmilla aallonpituuksilla kuin auringonsäteily).

ppm = parts per million eli yksi miljoonasosa. Hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasujen pitoisuudet ilmaistaan ppm-yksiköissä: 400 ppm tarkoittaa että miljoonasta ilmamolekyylistä (typpi, happi, ym.) 400 on hiilidioksidimolekyylejä. Pienemmille pitoisuuksille, esim. metaanin tai otsonin yhteydessä, voidaan käyttää yksikköä ppb = parts per billion eli yksi miljardisosa.

Säteilyn aaltoluku (k) on aallonpituuden (l tai kreikkalainen kirjain lambda) käänteisarvo: k = 1/l. Aallonpituus ja aaltoluku liittyvät siihen, kuinka energiapitoista (energeettistä) säteily on. Mitä isompi aaltoluku (eli mitä pienempi aallonpituus), sitä suurienergiaisempaa säteily on. Aallonpituus on maallikolle helpompi suure käsittää, mutta fysiikassa laskukaavoissa ja kuvaajissa käytetään yleensä aaltolukua. Aaltoluvun yksikkö on 1/cm.

Aallonpituus ja aaltoluku ovat yhteydessä säteilyn värähtelytaajuuteen tämän kaavan (fysiikassa nk. aaltoyhtälö) mukaisesti: c = l* f tai c = f / k, missä c = valon nopeus (noin 300 000 km/s) ja f on säteilyn taajuus.

Lisälukemista : Zhong, W. and Haigh, J.D. (2013), The greenhouse effect and carbon dioxide. Weather, 68: 100-105.doi :10.1002/wea.2072doi

Skepticalscience.com: Is the CO2 effect saturated? https://skepticalscience.com/saturated-co2-effect.htm

Spencer Weart: The discovery of global warming: Basic radiation calculations. https://history.aip.org/climate/Radmath.htm

Vastaajina:

Petri Räisänen, FT, erikoistutkija, Ilmatieteen laitos
Sanna-Liisa Sihto-Nissilä, FT, Aalto-yliopisto

No, ihan hyvä esitys muuten mutta hieman tarkempi ja totuudenmukaisempi(ilman ilmastonmuutos painotusta) olisi tämä.

. Vasemmanpuolisesta kuvasta näkyy täysin yksiselitteisesti, että CO2 pääabsorptioalue on täysin saturoitunut. Keskimäisessä kuvassa on esitetty se pieni absorption lisäys, minkä CO2 konsentraation nouseminen, 280–>410ppm, ilmakehässä aiheuttaa. ja jonka tehollinen arvo on < 1W/m2. Oikeanpuoleisesta kuvasta on nähtävissä mistä tämä <1W/m2 lisäabsortptio otetaan. Tuo 1W/m2 lisäosuus johtuu broadening ilmiöstä (vain pieni osuus vielä vapaan olevasta CO2 absorptio kapasiteetista, näkyvät parhaiten vasemmalla olevasta kuvasta, pääabsorptioaluuen reunoilta.). Eli vastaus on että CO2 vaikutus ON saturoitunut pääabsorptioaluuella, ja PIENI lisävakutus aiheutuu pääabsorptiokaistan sivuilla olevista, vielä vapaista CO2 absorptiokaistoista. Ja edelleen, koska suurin osa lisäyksestä johtuu juurikin broadenig ilmiöstä on lisäys logaritminen, EI lineaarinen. Tämä oli neutraali vastaus kysymykseeni ilman ilmastonmuutoshuuhaata.

Nuo edellä lähetetyt kuvat saattoivat olla hieman epäselviä joten tässä ne vielä uudelleen tarkempina. Siis, CO2 konsentraation nousu 280->410ppm aihettaa n. >1Wm-2 säteilytehon nousun ja tässäpä syyt. Tudellinen pääkaistan saturoituminen jo ALLE CO2 280ppm arvolla.

. Ja tämän te väitattä aiheuttaneen ilmakehän nykyisen vähäisen lämpenemisen. Jo 2013 (ng. Royal Science Society tutkimus) on ositettu CO2 pääkaistan olevan TÄYSIN saturoituneen. Huom! En ole väittänyt kaikken kaistojen olevan saturoituneita, vain merkitsevimmän ±66 vivan alueella. Seuraavasta kuvasta näkyy sturoituneisuus, säteilyn yläraja yltää pääkaistalla käytetyn maanpinnan max. lämpötila/sätelyn rajalle. Tulokset on laskettu täydellä HITRAN tietokanna tarkkuudella, mihin ei MODRAN esilakettujen funktioidensa kautta koskaan pääse. Seraavassa kuvassa on vielä kuva säteilyn saavuttava max. mahdollisen säteilyn rajan ko. maanpinnan lämpötilalla. . Seraavasta kuvasta näkyy miten asia näkyy avaruuteen (TOA) säteilyn osalta ja mistän ylöspäin säteily leikkautuu. . Ja lopuksi kommentti ja kuva säteilyn voimakkuuden vaihtelusta korkeuden funktiona, mitä myös pidetään yhtenä ilmastonmuutoksen aiheuttajana. Yllä olevasta kuvasta näkyy SÄTEILYVOIMAKKUUS korkeuden funktiona ja kyllä se noudattaa vielä toistaiseksi seuraavan kuvan lämpötilamallia. Säteilykorkeuden nousuta ei kyllä kannatta vielä toistaiseksi riemuita. Tämän voi yllä kuka tahansa, joka osaa, laskea ihan itsekkin. Ja alla se tuttu ilmakehän lämpötilajakaumamalli. Ja nämä tiedot on laskettu siis täydellä HITRAN tarkuudella, ei MODRAN malleilla (tuloksissa tuntematon bias ;). RadiationHight . Eli säteilymaksimi sijaitsee Stratopausissa…valitettavasti, eikä juurikaan vaihtele. Näkyy myös MODRAN:issa. Et silleen taas tiedettä kertaalleen ilmasto"tieteilijöille".

Ensinnäkin, Sekä Ilmatieteen laitos, IPCC että lukematon joukko nk. Ilmastotieteen tutkimuslaitoksia asiantuntijoineen pitäytyvät tiukasti kiinni täysin fysiikanlakien vastaisessa ilmiössä, nimittäin takaisinsäteily.

Sellaista ilmiötä kuin takaisinsäteily ei ole olemassa. Ei ole sen enempää klassisen fysiikan termodynamiikan pääsääntöjen mukaan kuin kvanttielektrodynamiikan mukaan.

Kvanttielektrodynamiikka kieltää takaisin säteilyn selkeästi mahdottomuutena.
Nyt näyttää että Python- ja MODTRAN-laskenta pitää sisällään tällaisen fysiikanlakien vastaisuuden. Miksi?
Molemmat em. fysiikanlait kieltävät ehdottomasti lämmön siirtyvän kylmästä kuumaan. Ts. alemmasta energiapotentiaalista eli virittyneisyyden tilasta (kylmästä) lämpöä ei voi siirtyä atomista, molekyylista tai muusta hiukkasesta tai kappaleesta ylempään virittyneisyyden tilaan (kuumempaan). Suunta on AINA ja kaikissa olosuhteissa kuumasta kylmään.

Jos siis oletetaan niin kuin yleisesti oletetaan ilmakehän muodostuvan äärettömästä määrästä ohuita kerroksia jotka viilenevät ylöspäin mentäessä sekä paineen alentumisesta että molekyylien emittoimasta energiasta johtuen kuten kvanttimekaniikka edellyttää, niin lämpösäteily siirtyy kaikissa tapauksissa kylmempään eli ylöspäin, ei koskaan kuumempaan eli itse lämpösäteilyn lähteen suuntaan eli maanpintaan.

Jos siis jokin yksittäinen molekyyli kuumenee ylöspäin kohoavassa ideaalikaasuseoksessa niin se on absorboinut auringon tai muun ulko-avaruuden lähteen säteilemää energiaa.
Tällöin se on vain osa auringosta maahan tulevaa säteilyvuota ja se tulee käsitellä auringon kokonaissäteilyn osasena ja sen lämpö kompensoituu kiihtyneen emission ja konvektion ansiosta.

Ideaalikaasuseoksessa yksittäisen molekyylin, oli se sitten vaikka mystinen hiilidioksidi molekyyli, emittoima energia siirtyy siis aina ja kaikissa olosuhteissa siitä tasalämpöisestä äärettömän ohuesta kerroksesta ylöspäin seuraavaan hiukan jo viilenneeseen ohueen kerrokseen jne kunnes se lopulta emittoi energiansa avaruuteen.

Eräs nykyfysiikan peruspostulaateista on aineen hakeutuminen alimpaan mahdolliseen energiatilaan. Ilmakehän ilmiönä tämän voi havaita lämmön karkaamisena asteiitain avaruuteen.

Anteeksi tautofonia mutta tarkoitus oli saada asia mahdollisimman monelle havainnollistettua.

Hei,

Kuvaajissa radianssin yksikössä on “per steradiaani” mutta ilmastokeskusteluissa säteilypakoite on yleensä vain W/m2.

Voinko kertoa graafin arvot luvulla 2*pi saadakseni vertailukelpoisia lukuja?

Silmämääräisesti integroitutuna saan 1c:n punaiselle kuvaajalle kokonaisvaikutuksen: 0.005606,28 = 1,88 W/m2. Onkohan tämä oikealla hehtaarilla?

  • Jarmo

Tässä vielä tarkempi kuva keskikaistan, 650-680cm-1, saturaatiosta ja jäljelle jääneestä CO2 absorptio kapasitetista.

.
Kuvasta näkee, että keskikaista on saturoitunt jo menneisyydessä arvolla n. 204ppm, ja jäljellä on enään sivukaistojen (450-650ja 680-1100 cm-1) kapasiteetit. Kuvassa on esitetty arvio jäljelle jääneestä kapasitettista, joka on n. 1.5Wm-2 CO2 konsentraation noustessa 410->1000ppm. Jos nousu jatkuu nykyisellä n. 2.5ppmv-1 nopeudella saavutetaan tuo 1000ppm noin 236 vuodessa. Tästä aiheutuu CO2 pakotteen nousu 6.3E-3Wm-2v-1, mikä on huomattavasti alle normaalin vuotuisen vaihtelun alapuolella. Toki myönnän että CO2:lla on vielä absorptiokapasitettia mutta VAIN rajallisesti sivukaistoilla ja hieman broadening ilmiössä. Näin se tiede vaan kehittyy vaikka ette sitä myöntäisikään. Tämä tieto on jo leviämässä eteenpäin vaikka te ette näytä julkaisevan edes faktoja asiasta. Tutkimusartikkeli josta ylläoleva kuva ja siihen littyvä selitys löytyvät Royal Meteological Society sivuilta. Artikkelin nimi on " The greenhouse effect and carbon dioxide" ja tekijat ovat Wenyi Zhong & Joanna D. Haigh. Valitettavasti joudun näin tuhoaman teidän selityksenne CO2 massiivisesta vaikutuksesrta ilmaston muutokseen mutta, aina ei voi voittaa, valitettavasti. :smile:

Vastaus Eero Walleniukselle:

Jos määrittelet CO2:n pääabsorptioalueeksi vain 15 µm -absorptiovyön kaikkein voimakkaimman alueen 650-680 cm-1, niin tokihan siellä absorptio on oleellisesti saturoitunut. Siis oleellisesti: jos tarkastellaan Zhong & Haigh (2013) kuvaa 6c pikselitasolla, käyrä nousee pitoisuuden 389 ppm jälkeen vielä 0.1-0.2 W m-2. Vähäinen kontribuutio joka tapauksessa.

Muut esittämäsi tulokset ovat joko (i) ilmastotutkimuksessa hyvin tunnettuja tai (ii) karkeasti virheellisiä.

CO2:n lisäyksen pienehkö suora vaikutus maanpinnan säteilytaseeseen on ilmastotutkimuksessa hyvin tunnettu asia. Esimerkkilaskelmia löytyy vaikkapa artikkelista Collins et al. (2006): line-by-line -mallien perusteella pinnalle tuleva pitkäaaltosäteilyn vuo kasvaa n. 0.57 W m-2 kun CO2:ta lisätään 287->369 ppm ja 1.64 W m-2 kun pitoisuus kaksinkertaistuu 287 -> 574 ppm. Tästä saadaan pitoisuusmuutokselle 280 -> 410 ppm arvio n. 0.9 W m-2, mikä on linjassa laskemasi “n. 1 W m-2” kanssa. Tarkka lukuarvo riippuu tietenkin siitä, mitä lämpötilan ja kosteuden pystyjakaumista oletetaan.

CO2:n lisäämisen vaikutusta ilmastoon ei kuitenkaan voi arvioida pelkästään maanpinnan säteilypakotetta tarkastelemalla. Suurin osa lämmitysvaikutuksesta tulee siitä, että CO2:n lisäys pienentää troposfäärin kokemaa säteilyjäähtymistä. Troposfäärin voimakkaan pystysuuntaisen sekoittumisen takia tämä lämmitysvaikutus nostaa lämpötilaa myös maanpinnan lähellä. Siksi säteilypakotetta tarkastellaan useimmiten tropopaussin tasolla.

Viimeiseen viestiisi liittämäsi artikkelin Zhong & Haigh (2013) kuva Fig. 6c esittää nimenomaan säteilypakotetta tropopaussin tasolla. (Kuva ja artikkeli ovat minulle hyvin tuttuja; laitoinhan tuon lähdeviitteeksi alkuperäiseen vastaukseeni). Graafista laskemasi 1.5 W m-2 säteilypakote CO2-pitoisuuden kasvaessa 410 ->1000 ppm on kuitenkin pielessä tekijällä 4! Olet tulkinnut väärin sekä x-akselin että y-akselin asteikon (esimerkiksi kuvaan merkitsemäsi ”204.17 ppm” on tosiasiassa 410 ppm:n kohdalla). Säteilypakotteen nollakohdaksi on tässä otettu pitoisuus 389 ppm, mikä olisi kyllä selvinnyt artikkelin huolellisesti lukemalla. Spektrin yli integroidun säteilypakotteen (joka sisältää Fig. 6c:n kaikkien kuuden spektrikanavan osuudet yhteen laskettuna + pienen kontribuution alueen 450-1100 cm-1 ulkopuolelta) saa helpoimmin saman kuvan ensimmäisestä paneelista (Fig. 6a, alla). Pakote pitoisuuden muutokselle 389 -> 1000 ppm on tästä arvioituna n. 6.4 Wm-2, eli välille 410 -> 1000 ppm skaalattuna n. 6.05 W m-2.

CO2-pitoisuuden muutoksen aiheuttama säteilypakote (nettosäteilyvuon muutos tropopaussin tasolla; Zhong & Haigh 2013, Fig. 6a) verrattuna CO2-pitoisuuteen 389 ppm. Sininen käyrä: CO2:n tärkein absorptioalue = aaltoluvut 550-800 cm-1, punainen käyrä aaltoluvut 0-3000 cm-1.

Vertailun vuoksi: artikkelissa Myhre et al. (1998) esitetty ja IPCC-raporteissakin esiintynyt laskentakaava (säteilypakote deltaF = 5.35 ln (C/C0), eli n. 3.7 Wm-2 CO2-pitoisuuden kaksinkertaistuessa) antaa muutokselle 410 ->1000 ppm arvon 4.77 Wm-2. Artikkelin Zhong & Haigh säteilypakote on hieman liian suuri, koska se ei ota huomioon CO2:n lisäyksen aiheuttamaa stratosfäärin jäähtymistä eikä pilvien vaikutusta. Joka tapauksessa Zhong & Haigh (2013) tulokset vastaavat täysin ilmastotutkimuksen “valtavirran” käsitystä. Samoin heidän johtopäätöksensä: “We conclude that as the concentration of CO2 in the Earth’s atmosphere continues to rise there will be no saturation in its absorption of radiation and thus there can be no complacency with regards to its potential to further warm the climate.”

Lopuksi: yrityksesi kumota ilmastotutkimuksen tulokset CO2:n lämmitysvaikutuksesta HITRAN-laskelmien perusteella on oikeastaan huvittava. Nimittäin HITRANia ym. absorptiotietokantoja ja line-by-line -säteilylaskelmia on käytetty ilmastotutkimuksessa CO2:n säteilypakotelaskelmien referenssinä vähintäänkin 30 vuoden ajan. On äärimmäisen epätodennäköistä, että säteilypakotearviot muuttuisivat ratkaisevasti tulevaisuudessa; pienet muutokset suuntaan tai toiseen ovat mahdollisia absorptiotietokantojen päivittyessä.

VIITTEET:

Collins, W. D., and et al., (2006), Radiative forcing by well‐mixed greenhouse gases: Estimates from climate models in the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth Assessment Report (AR4), J. Geophys. Res., 111, D14317, doi:10.1029/2005JD006713.

Myhre, G., Highwood, E. J., Shine, K. P., & Stordal, F., 1998: New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases. Geophys. Res. Lett., 25, 2715-2718, doi:10.1029/98GL01908.

Zhong, W. and Haigh, J.D. (2013), The greenhouse effect and carbon dioxide. Weather, 68: 100-105.doi :10.1002/wea.2072doi

1 Like

Vastauksena nimimerkiille GuessWho:

En ota kantaa siihen onko nimenomaisesti “takaisinsäteily” paras nimitys ilmakehän maanpintaa kohti emittoimalle lämpösäteilylle, mutta fysikaalisesti mahdotonta tämä säteily ei ole – sen olemassaolossa ei nimittäin ole mitään epäselvää. Se tunnetaan erittäin hyvin havaintojen perusteella, ja sen spektri osataan laskea oikein hyvin, jos havaintopaikan yläpuolisen ilmapilarin lämpötilajakauma ja kaasukoostumus korkeuden funktiona on tiedossa (pilvistäkin tietenkin tarvitaan tietoa, silloin kun niitä on).

Tarkastellaan maapallon energiatasekaaviota sellaisena kuin se on esitetty artikkelissa Trenberth & Fasullo (2012). Kaavion oikea puolisko esittää maan ja ilmakehän lämpösäteilyn vaikutusta (jota kutsutaan myös pitkäaaltosäteilyksi, aallonpituudet > n. 4 µm). Nähdään, että ilmakehä emittoi maanpinnalle pitkäaaltosäteilyä n. 333 W m-2 (tarkka lukuarvo vaihtelee hieman tutkimuksesta toiseen). Jos ilmakehää ei olisi, pitkäaaltosäteilyä ei tulisi maanpinnalle käytännössä lainkaan (kun auringonsäteily jätetään pois tarkastelusta, suurimmalta osalta taivasta tulisi vain 3 K taustasäteilyä). Näin ollen ilmakehän emittoima pitkäaaltosäteily lämmittää maanpintaa huomattavasti.

Mutta siirtyykö siis energia kylmästä ”kappaleesta” (ilmakehä) lämpimään (maanpinta)? Ei suinkaan: vaikka maanpinta absorboikin tuon n. 333 Wm-2 ilmakehän emittoimaa säteilyä, ilmakehä absorboi tätä suuremman määrän 374 W m-2 maanpinnan emittoimaa säteilyä. Nettomääräisesti lämpösäteilyn vaihto maanpinnan ja ilmakehän välillä siirtää siis energiaa maanpinnalta ilmakehään 374-333 Wm-2 = 41 Wm-2. Energia siirtyy lämpimästä kylmään, niin kuin pitääkin. Kaaviosta nähdään myös, että sekä ilmakehä (217 Wm-2) että maanpinta (22 Wm-2) menettävät energiaa säteilemällä lämpösäteilyä avaruuteen.

Ilman auringonsäteilyä (kaavion vasen osa) maanpinta ja ilmakehä tietenkin jäähtyisivät vähitellen kohti ympäröivän avaruuden säteilylämpötilaa.

VIITE:

Trenberth K.E, & Fasullo JT. 2012. Tracking earth’s energy: from El Nino to global warming. Surv. Geophys. 33: 413-426. doi:10.1007/s10712‐011‐9150‐2

Kuvassa on radianssit L [W m-2 (cm-1 Sr-1)-1] siksi, että kyseisellä verkosta löytyneellä MODTRAN-laskurilla saa valitettavasti laskettua vain pystysuoraan eteneviä radiansseja. Säteilyvoiden F [W m-2 (cm-1)-1] laskemiseksi tarvittaisiin tieto radiansseista säteilyn eri zeniittikulmilla (theta) ja atsimuuttikulmilla (phi):kaava_flux_radiance
Periaatteessa kuvasta siis ei saa irti säteilyvuota tai säteilypakotetta yksiköissä Wm-2. Jos nyt kuitenkin oletetaan laskuharjoituksen vuoksi, että alas tuleva ja ylös menevä radianssi L(theta,phi) olisivat isotrooppisia yli puolipallon (mikä ei kyllä ihan pidä paikkaansa), radianssin muutoksesta päästään säteilypakotteeseen kertomalla tulos tekijällä pi (ei 2*pi). Näin laskien pinnalle tulevan säteilyvuon muutos kuvassa olevalla spektrialueella 500-850 cm-1 olisi 0.90 W m-2 pitoisuusmuutokselle 280 -> 415 ppm ja 1.72 W m-2 pitoisuusmuutokselle 280 -> 600 ppm. Jos otetaan huomioon mainitun MODTRAN-laskurin koko spektrialue (0-2200 cm-1), lukuarvot ovat vastaavasti 1.19 ja 2.38 W m-2. Nämä ovat hieman liian suuria. Artikkelin Collins et al. (2006) line-by-line –tuloksista arvioiden näiden pitäisi olla n. 0.9 W m-2 ja 1.8 W m-2. Ero johtunee pääosin siitä, että vain suoraan alaspäin etenevän säteilyn huomioon ottaminen laskennassa liioittelee hieman ilmakehän läpinäkyvyyttä.

VIITE:
Collins, W. D., et al., (2006), Radiative forcing by well‐mixed greenhouse gases: Estimates from climate models in the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth Assessment Report (AR4), J. Geophys. Res., 111, D14317, doi:10.1029/2005JD006713