Auringon ja kasvihuonekaasujen säteilypakote – mitä yhteistä ja mitä eroa

Johdanto

Nykyinen ilmastonmuutostiede perustuu käsitteeseen ”säteilypakote”. Maallikkokin voi helposti ymmärtää, että auringonsäteilyllä on ratkaiseva vaikutus maapallon lämpötilaan ja sitä vaikutusta voi kuvata sanalla ”pakote” tai ”säteilypakote” (radiative forcing). Sen sijaan kasvihuonekaasujen säteilypakote on käsitteenä paljon vaikeampi, koska ihminen ei voi tuntea sen suoraa tai epäsuoraa vaikutusta maanpinnalla kuten auringonpaisteen voi tuntea ihollaan.

IPCC on ”standardisoinut” kaikkien ilmastoon vaikuttavien tekijöiden vaikutuksen niin, että ne lasketaan tapahtuvaksi ilmakehän ylärajalla. Sillä tavalla niistä tulee yhteismitallisia ja ne voidaan suoraan rinnastaa siihen, että sama vaikutus olisi auringonsäteilyllä, jos siinä tapahtuva nettomuutos olisi täsmälleen yhtä suuri.

Otan tähän alkuosan suomennoksena AR6:sta, miten IPCC on määritellyt säteilypakotteen:

”Säteilypakote.  Nettomuutos, alaspäin suuntautuva säteily miinus ylöspäin suuntautuva säteily (ilmaistuna W/m2), joka johtuu muutoksesta ilmastonmuutoksen ulkoisessa tekijässä, kuten hiilidioksidipitoisuuden (CO2) pitoisuudessa,  vulkaanisten aerosolien  pitoisuudessa tai auringon säteilyssä.”

Ulkoista tekijää IPCC on kutsunut myös nimellä ajuri (driver) tai agentti (agent). Oleellista on huomata ja se on koko säteilypakotteen peruste, että kaikki ulkoiset tekijät voidaan rinnastaa auringonsäteilyn aiheuttamaan nettomuutokseen.

Maapallon energiatase

Maapallon lämpötila määräytyy sen energiataseen perusteella. Yksi fysiikan peruslaeista on energian (ja aineen) häviämättömyyden laki. Maapallo saa energiastaan 99,97 % auringosta. Tutkijat ovat nykyisin sitä mieltä, että maapallon sisuksen lämpötila on lähellä auringon lämpötilaa eli n. 5800 astetta. Silti sisuksesta tulee uskomattoman vähän energiaa pinnalle. Merenalaisten tulivuorien määrä ja aktiivisuus on hieman muuttamassa tätä käsitystä. Enemmän tulee energiaa mm. vuorovesi-ilmiöstä. Energiataseen peruspiirteet pitää ymmärtää, jotta voi ymmärtää ilmastonmuutoksen potentiaaliset ja todelliset aiheuttajat, kuva 1.

Kuva1. Maapallon energiatase, Ollila.

Kuvassa 1 on oma esitykseni maapallon energiataseesta. Siinä on virhemarginaalin rajoissa pieniä eroja AR6:n esityksen energiavirtojen määriin. Oleellisin ero esityksessäni on kaikkiin muihinkin energiatase-esityksiin verrattuna, miten muodostuu ja mistä on peräisin maapallon pinnalle tuleva pitkäaaltoisen säteilyn eli infrapunasäteilyn suuri määrä 345 W/m2. Sehän ylittää auringonsäteilyn bruttosäteilyn 340 W/m2 puhumattakaan nettosäteilyn määrästä 240 W/m2.

On huomattava sellainen yksinkertainen tosiasia, että kaikki kuvassa esiintyvät energiavirrat tapahtuvat koko ajan. Se on kuin ennen vanhaan Pohjolan jätkän elämän periaate: tule raha ja mene raha, mutta älä tee pesää. Energiavirrat eivät voi muodostaa ”varastopaikkoja” mihinkään. Energiatase on siitä raaka ja virheet paljastava menetelmä, että sen on oltava tasapainossa: mikä tulee sisään, pitää mennä ulos.

Muissa energiatase-esityksissä maanpinnalle tuleva energiavirta 345 W/m2 ilmestyy tyhjästä, mutta oma esitykseni paljastaa, että se muodostuu neljästä eri energiavirrasta: Ilmakehään imeytyvä auringonsäteilyn määrä 75/m2, ilmakehään vapautuva maanpinnalta höyrystyneen vesihöyryn faasimuutosenergia eli latenttienergia 91 W/m2, päiväntasaaja-alueelta höyrystyneen kuuman ilman jäähtyminen 24 W/m2, ja lopulta ilmakehän kasvihuonekaasujen, aerosolien ja pilvien aiheuttama maanpinnan säteilyn absorptio 155 W/m2, jonka takia avaruuteen menee 395 – 155 = 240 W/m2.

IPCC:n mukaan kasvihuoneilmiön suuruus on vain 155 W/m2. Olisiko maapallon ilmasto ja olosuhteet samat kuin nyt, jos maapinnalle tulisikin infrapunasäteilyä vain 155 + 75 + 165 = 155 + 240 = 395 W/m2? Mistä tulisi energia veden höyrystymiseen niin, että maapallo pystyy höyrystämään 1 metrin vesipatjan verran joka vuosi? Tyhjästä? Ikiliikkuja? Veden höyrystäminen ei muuta pinnan lämpötilaa fysiikan lakien mukaan.

Kasvihuoneilmiön luonne

Kasvihuoneilmiö on terminä aika huono, mutta se on vakiintunut käytössä. Kasvihuoneen toiminta perustuu siihen, että siinä lasinen rakenne ja katto estää lämpimän ilman poistumisen kasvihuoneesta.  Tätä lämmönsiirtomekanismia kutsutaan kuljetukseksi eli konvektioksi. Kaksi muuta energiasiirtotapaa ovat johtuminen (metalliputken päätä lämmitettäessä toinenkin pää lämpenee ennen pitkää) ja säteily. Maapallolla ei ole lasikattoa, vaan ilmakehä loppuu vähitellen avaruuden tyhjiöön. Painovoima estää ainetta katoamasta avaruuteen. Maapallo voi siirtää auringosta koko ajan tulevaa energiaa (lyhytaaltoinen säteily) avaruuteen vain säteilemällä (infrapunasäteily).

Parempi vertauskuva maapallon kasvihuoneilmiöstä olisi ihan tavallinen nykyinen omakotitalo, joka on niin tiivis, että se siirtää lämpöä ulkoilmaan lähinnä säteilemällä seinien, ikkunoiden ja katon läpi. Talokin on energian suhteen kutakuinkin tasapainossa ulkoilman lämpötilan kanssa. Jos omakotitalon energian kulutus kovilla pakkasilla on esimerkiksi 6 kW/h, niin saman verran se luovuttaa lämpöä lähinnä ulkoilmaan. Jos lämmitystehoa nostetaan, niin se nostaa talon sisälämpötilaa ja vastaa auringonsäteilyn nettomääräistä nousua.

Kasvihuoneilmiön ajurin muutoksen vaikutus

Maapallon lämpenemine reagoi kasvihuonekaasujen pitoisuuden nousuun samalla tavalla kuin talo reagoi talon eristyksen parantamiseen. Jos talon eristystä parannetaan, se tarkoittaa sisälämpötilan nousua, jos olosuhteet ovat muuten vakiot. Tämä vastaa kasvihuonekaasujen pitoisuuden nousua, koska silloin avaruuteen menee vähemmän infrapunasäteilyä.

Maapallon reagoi infrapunasäteilyn pienenemiseen avaruuteen. Koska sisään tulee edelleen sama auringonsäteilyn määrä, mutta ulosmenevä infrapunasäteily on pienentynyt, niin pintalämpötila alkaa nousta. Maapallon kannalta sen lämmöneristyskyky on parantunut eli sen ilmakehä pidättää eli hidastaa lämpösäteilyä paremmin. Pintalämpötila nousee niin kauan, kunnes ulosmenevä säteilyn määrä on sama kuin sisään tuleva ja siten lämpötila asettuu uuteen tasapainoarvoon.

Tätä muutosta oleellisesti nopeuttaa maapallon ilmaston ominaisuus, että kasvihuonekaasujen absorboima energia palaa saman tien maapallon pinnalle. Muutos ei koskaan tapahdu hetkessä, koska merien sekoittumiskerroksella ja maanpinnalla on omat viipeensä, jotka lasketaan aikavakioiden avulla.

Hyvä yhteenveto ilmastonmuutoksen ajureista IPCC:n käsityksen mukaan on esitetty AR6:n kuvissa 7.6 ja 7.7, tässä esityksessä kuva 2.

Kuva 2. IPCC:n esitys AR6:ssa ilmastonmuutokseen vaikuttavista tekijöistä vuodesta 1750 vuoteen 2019 mennessä.

Suurin yksittäinen lämpötilan nostoa aiheuttava tekijä on ollut hiilidioksidi CO2, ja sen säteilypakote on ollut 2.16 W/m2 aiheuttaen lämpenemistä 1,01 astetta. Suurin jäähtymistä aiheuttava tekijä on ollut ilmakehän aerosolit ja pilvisyys säteilypakotteeltaan yhteensä -1,0 W/m2 ja lämpötilavaikutus -0,49 astetta. Oletko koskaan kuullut tai nähnyt mediassa käsiteltävän sen muutoksia? En minäkään.

Kuvasta 2 näkyy, että säteilypakote voi siis olla positiivinen tai negatiivinen eli aiheuttaa lämpenemistä tai jäähtymistä. Kuvan 2 mukaan ne ovat täysin ynnättäviä eli esimerkiksi aerosolien ja pilvien aiheuttama jäähtyminen -1,0 W/m2 on täysin kompensoitavissa CO2:n vastaavalla lämpenemisvaikutuksella tai auringonsäteilyn vastakkaisella muutoksella.

On vain pidettävä mielessä se tosiasia, että esimerkiksi kasvihuoneilmiön aiheuttama infrapunasäteilyn muutos -2,0 W/m2 ilmakehän ylärajalla nostaa maapallon pintalämpötilaa saman verran kuin nostaisi auringonsäteilyn nettomuutos +2,0 W/m2. Tämä tulee yleensä maallikoille yllätyksenä. Myöskään dynamiikassa ei ole eroa: samat elementit maapallolla eli lähinnä merten sekoittumiskerros ja maanpinnan viipeet määrittävät muutosnopeuden.

Auringonsäteilyn absorption muutoksen vaikutus

Lopuksi tulen juttuni huipennukseen: Miten IPCC on käsitellyt ja ottanut huomioon auringonsäteilyn absorption merkittävän kasvun 2000-luvulla eli tarkkojen CERES-mittausten aikakautena. IPCC näyttää tietävän auringon kokonaissäteilyssä (TSI = Total Solar Irradiance) tapahtuneen muutoksen vuodesta 1750 vuoteen 2019 mennessä tarkkuudella 0,01 W/m2. kuva 2.

Kysymys kuuluu, onko IPCC ollut tietoinen maan ilmakehässä tapahtuvista muutoksista 2000-luvulla samalla tarkkuudella ja toisaalta, onko se ottanut sen huomioon. Pitäisikö se ottaa huomioon tai millä perusteella jättää huomioon ottamatta? Kas siinä kaksi perustavaa laatua olevaa kysymystä.

Olen esittänyt nämä kysymykset useammassa tieteellisissä artikkeleissa ja ne on julkaistu. Onko Uusi Suomi sitä mieltä, että asiaa ei saa käsitellä, tai kyseessä on karkea virheellinen havainto ja asian vääristely ja sen vuoksi asiaa ei saa käsitellä julkisuudessa? Kuvassa 3 on CERES-mittauksiin perustuva auringonsäteilyn muutos 2000-luvulla.

Kuva 3. Auringon säteilyn muutostrendi, auringonsäteilyn heijastuksen muutostrendi ja auringonsäteilyn absorption muutostrendi.

Kuva 3 muistuttaa siitä tosiasiasta, että maapallolle tulevasta auringon säteilystä n. 100 W/m2 eli n. 30 % heijastuu takaisin avaruuteen ja loput absorboituu eli imeytyy eli maapallon pintaan 165 W/m2 ja ilmakehään 75 W/m2. Viimeksi mainittu luku on siitä erikoinen, että se on lähes vakio riippumatta ilmakehän pilvisyysasteesta.

Kuva 4. IPCC:n raportin AR6 esitys auringonsäteilyn trendistä ja oma esitykseni.

Kuva 4 osoittaa, että kyllä IPCC on noteerannut auringonsäteilyn absorption muutoksen 2000-luvulla ja oma trendiviivani on identtinen
Mitä mieltä lukijat ovat, että pystyykö maapallo erottamaan auringon kokonaissäteilyssä tapahtuneen muutoksen siitä muutoksesta, mitä tapahtuu maapallon ilmakehässä eli jos auringon säteilyn nettovaikutus on esimerkiksi 2 W/m2, niin miten se eroaa, jos pilvisyyden väheneminen lisää auringonsäteilyn määrää 2 W/m2? Ongelma on tässä kysymyksessä ja palaan asiaan uuden kirjoituksen muodossa.