Ilmakehä päästää auringon valon lävitseen mutta ei infrapunasäteilyä – ei ihan niin

Johdanto

Eräs ”urbaani legenda” ilmastonmuutoksen saralla on väite, ”että kasvihuoneilmiö johtuu siitä, että ilmakehä päästää läpi auringonsäteilyn, mutta pidättää maapallon pinnan säteilemää infrapunasäteilyä”. Kuten monet hyvin menestyneet paikkansa pitämättömät väitteet, niin tämäkin on puolitotuus ja itse asiassa ihan perusmatematiikan avulla tarkasteltuna täysin perätön. Ei kasvihuoneilmiö johdu siitä, kuinka paljon auringonsäteilyä pääsee maanpinnalle asti, mutta kylläkin maanpinnan säteilyn osittainen absorptio eli imeytyminen ilmakehässä on kasvihuoneilmiön perusosa. Ja myös sen säteilyn estämisen kanssa osat vaihtuvat.

Yllättävää kyllä tätä väitettä esitetään tieteellisissä julkaisuissakin, joten ei ole mikään ihme, että lause on laajalle levinnyt.

Mitä tapahtuu auringonsäteilylle ilmakehässä

Auringon säteilyn ja maapinnan säteilyn tapahtumat ilmakehässä selviävät kuvasta 1.

Kuva 1. Maapallon energiatase IPCC:n raportin AR6 mukaan vuodelta 2021.

Maapallolle tulee auringosta n. 340 W/m2 jaettuna koko maapallon pinta-alalle. Tästä määrästä vain 160 W/m2 päätyy maapallon pinnalle asti, koska n.100 W/m2 heijastuu takaisin ja n. 80 W/m2 absorboituu ilmakehään. Maahan asti päätyy siis noin alle puolet eli n. 47 % auringon lyhytaaltoisesta säteilystä.

Maapallo emittoi eli säteilee pitkäaaltoista säteilyä n. 398 W/m2 ja avaruuteen päätyy n. 239 W/m2 eli 60 %. IPCC:n mukaan avaruuteen menee pysyvästi vähemmän energiaa kuin maapallo saa auringosta. Mittaustarkkuuden rajoissa tätä väitettä ei voi todistaa.  Matematiikan lakien mukaan pitkäaaltoista säteilyä pääsee ilmakehän lävitse 60 %, joka on prosenttilukuna suurempi kuin 47 %. Mitenkäs tässä näin kävi?  Lopputulos: maapallon ilmakehä päästää infrapunasäteilyä paremmin läpi kuin lyhytaaltoista säteilyä.

Voin jo arvailla kommentteja, että olen laskelmissani vetänyt ”kotiin päin”. Ensimmäinen pilkun viilaus voisi olla, että onko kyse pelkästään auringon valosta eli sen näkyvästä aallonpituudesta vai koko energiasisällöstä, kuva 2.

Kuva 2. Auringon säteilyn sisältämä näkyvän valon osuus.

Kuva 2 osoittaa, että auringonsäteilyn energiasisällöstä näkyvän valon osuus on alle puolet eli n. 43 %. Jos vain tämä osuus otettaisiin huomioon, niin maapallo ei voisi säteillä ulos nettona 240 W/m2.

Ei myöskään kannata kikkailla sillä, että lyhytaaltoisen säteilyn heijastusta ei saa laskea mukaan siihen, paljonko maapallon ilmakehä läpäisee auringonsäteilyä. Jos infrapunasäteily heijastuisi takaisin, niin totta kai se otettaisiin huomioon, että sekään osuus ei läpäise ilmakehää.

Niille, joita kiinnosta vielä tarkempi tieto, mitä tapahtuu ilmakehässä, selviää kuvasta 3.

Kuva 3. Maapallon energiatase keskimääräisen pilvisyyden, pilvettömän taivaan ja pilvisen taivaan olosuhteissa oman julkaistun esitykseni perusteella. Numeeriset arvot eivät ihan täysin vastaa tämän hetken mitattuja arvoja, mutta ovat virherajojen puitteissa samoja.

Kuvassa 3 on esitetty myös hypoteettiset energiataseen arvot maapallolle, jos se olisi täysin pilvettömissä olosuhteissa tai täysin pilvisissä olosuhteissa. Nämä arvot perustuvat mitattuihin säteilymittauksiin, jotka on saatu yhdistelemällä. Esimerkiksi NASA:n tutkijat ovat laskenet hypoteettisen pilvettömän taivaan avaruuteen menevän säteilyn spektrin yhdistämällä pilvettömän taivaan spektrejä maapallon eri alueilta. Myös täysin kirkkaan taivaan energiavirrat on laskettu.

Kuvasta 3 selviää, miten auringon säteily heijastuu ilmakehässä sen eri elementeistä keskimääräisen pilvisyyden olosuhteissa, jos heijastuksen koko osuus on 100 W/m2: ilmakehän molekyyleistä ja aerosoleista 17 W/m2, pilvistä 60 W/m2 ja maanpinnasta 23 W/m2. Maanpinnan albedon muutoksilla on tämän mukaan aika olematon vaikutus kokonaisalbedon arvoon.

Kuvassa 3 on ominaisuus, jota en ole löytänyt yhdestäkään muusta energiatase-esityksestä. Maapallon pinnan heijastama lyhytaaltoinen säteily menettää kuvan 3 mukaan hieman säteilyenergiaa eli 1,5 W/m2 pilviin absorboitumisen takia. Muiden tutkijoiden mukaan auringosta saapuvasta nettosäteilystä 240 W/m2 kyllä absorboituu pilviin n. 75-80 W/m2 eli karkeasti n. 30 %, mutta heijastunut auringonsäteily meneekin semmoisenaan myös läpi pilviverhon takaisin avaruuteen. Onkohan NASA älynnyt hyödyntää tätä heijastuneen valon erikoisominaisuutta (sarkasmia).