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