Maapallon lämpötilamuutosten nopeus eli dynamiikka – kolme esimerkkiä

Aika-ajoin tulee esiin myös näissä blogikirjoituksissa millä nopeudella maapallon lämpötila voi muuttua. Tämä on oleellinen kysymys myös ilmastonmuutoksessa. Ilmastoeliitin ja varsinkin IPCC:n joukoista löytyy kaksi koulukuntaa varsinkin ilmastoherkkyyden laskemisessa ja se liittyy muutoksen nopeuteen

Ilmastoherkkyydeksi kutsutaan sitä lämpötilamuutosta, jonka saa aikaan hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistuminen esiteollisesta arvosta 280 ppm arvoon 560 ppm. Nyt ollaan tasolla n. 415 ppm ja CO2:n kasvunopeus on ollut noin 2,2-2,5 ppm vuodessa. Tällöin päädytään vuonna 2100 tasolle 580-620 ppm, jos päästöt pysyvät nykytasolla.

Muutosten dynamiikka eli käyttäytyminen ajan suhteen

Käytännössä kaikissa järjestelmissä on viivettä eli muutos ei mene läpi prosessin ulostuloon saman tien. Hyvä esimerkki on vaikkapa veden keittäminen liedellä. Vaikka lieteen laitettaisiin maksimiteho, niin vesi ei ala heti kiehua. Toisaalta, kun samaa tehoa pidetään päällä pitkän aikaa – yleensä heikommalla teholla – niin veden kiehuminen asettuu kohtuulliselle tasolle eli systeemi asettuu uuteen tasapainotilaan: sisään tuleva sähköenergia vastaa veden haihduttamiseen tarvittavaa energiaa ja kattilan lämpöhäviöitä.

Toinen esimerkki, joka lähestyy maapallon energiatilannetta, on omakotitalo, jossa on sähköpatterilämmitys ilman termostaatteja. Jos ulkona on vakio lämpötila vaikkapa -20 °C ja lämmitysteho luokkaa 4 kW, niin talon lämpötila asettuu ennen pitkää vakiolämpötilaan esimerkiksi arvoon +20 °C. Jos ulkolämpötila muuttuu vaikkapa arvoon -25 °C, niin noin vuorokaudessa lämpötila asettuu uuteen alempaan arvoon esimerkiksi +18 °C. Näiden muutosten kompensoimiseksi pattereissa on termostaatit. Uunilämmitystaloissa näitä termostaatteja ei ole ja lämmittäjiltä vaaditaan kokemusta, jotta asumismukavuus säilyy kohtuullisena.

Lämpötilamuutosta voidaan matemaattisesti kuvata yhtälöillä. Vaikka systeemi eli prosessi olisi hyvinkin monimutkainen, niin yleensä kuvaukseen riittää erittäin yksinkertainen yhtälö, jota kutsutaan ensimmäisen kertaluvun dynaamiseksi malliksi. Tällaisessa systeemissä on yksi aikavakio, joka riippuu systeemin suurimmasta massasta, jonka toimintapiste muuttuu toisenlaiseksi. En halua vaivata matematiikalla, mutta esitän tällaisen yksinkertaisimman dynaamisen mallin askelvasteen, joka tarkoittaa sitä, että miten systeemin ulostulo muuttuu ajan mukana, kun sisääntulossa tapahtuu askelmainen muutos ylöspäin, kuva 1.

Kuva 1. Ensimmäisen kertaluvun järjestelmän askelvaste.

Kuvassa olevassa systeemissä aikavakio on 3 kk. Ulostulo käyttäytyy niin, että 3 kuukauden kuluttua ulostulo on saavuttanut tason 63 % sisäänmenon tasosta. Neljän aikavakion jälkeen eli 12 kuukauden kuluttua ulostulo on tasolla 98 %. Tätä aikajaksoa 4*aikavakio kutsutaan järjestelmän asettumisajaksi. Teoreettisesti ulostulo ei koskaan saavuta koskaan sisäänmenon tasoa, mutta käytännössä tällä ei ole merkitystä.

Kuva 2. Maapallon energiatase.

Maapallolla on kaksi vallitsevaa massaa, joiden lämpötilan pitää muuttua, jotta pintalämpötila muuttuu. Nämä massat ovat valtamerten sekoittumiskerros paksuudeltaan n. 75 metriä ja maapinnan pintakerros.  Tutkijat Stine, Huybers and Fung ovat määritelleet näiden kahden elementin aikavakioiksi 56±11 päivää ja 29±6 päivää eli noin 3 kuukautta ja 1 kuukausi. Tutkimus on julkaistu Nature-lehdessä vuonna 2009.

Korjaus:

Korjaus alkuperäiseen tekstiin koskien aikavakioita. Luotin muistiini tässä asiassa ja se petti. Käytin ensimmäisen kerran näitä aikavakioita laskiessani dynaamisia viiveitä pilvisen ja pilvettömän taivaan olosuhteiden muutoksissa vuonna 2013 julkaistussa paperissa.

Viite tutkijoihin Stine, Huybers ja Fung oli väärin referoitu. He tosiaan selvittivät aikaviiveitä eikä aikavakioita vuodenaikavaihteluiden perusteella ja päätyivät noihin lukuihin meri 56±11 päivää ja maa 29±6 päivää. Tämän tiedon perusteella Kauppinen ja kumppanit analysoivat, minkälaiset aikavakiot saavat aikaan tällaiset vaihesiirrot eli viiveet. Heidän tuloksensa olivat seuraavat aikavakiot: meri 2,74 kuukautta ja maa 1,04 kuukautta. Näitä lukuja olen käyttänyt simuloinneissa useamman kerran ja niin tässäkin tapauksessa. Virhe oli yksin minun ja se oli tahaton. Olen pahoillani asiasta. Kiitos tarkkaavaisista huomioista.

Olen käyttänyt näitä arvoja useissa maapallon lämpötilamuutosten simuloinneissa erittäin hyvällä tarkkuudella. Koska merten osuus maapallon pinta-alasta on 70 %, niin merten aikavakio dominoi ja muutokset lasketaan rinnakkaisprosessina, joista toinen menee merten kautta ja toinen maaperän kautta. Karkeasti voi sanoa, että muutos menee läpi noin vuodessa.

Mitä näyttöä tästä on? Ensiksi ihan konkreettinen näyttöä Suomenlahden rannalta. Maaliskuussa lämpötila on miinusmerkkinen ja meri voi olla jäässä vielä toukokuun alussa. Heinäkuun keskivaiheilla meren pintalämpötila on jo n. 15 astetta ja Suomessa on kesä. Muutos on tapahtunut 4-6 kuukaudessa. Muutos ei ole mikään askelmuutos, mutta on riittävän lähellä, jotta aikavakioista saadaan konkreettinen todiste. Jos aikavakio olisi kymmeniä vuosia, niin meillä ei olisi koskaan kesää eikä talvea vaan jotain siltä väliltä.

Toinen todiste on simuloinneissa, joita olen tehnyt lyhytaaltoisen säteilyn muutoksesta 2000-luvulla, ja joka on aiheuttanut voimakkaan lämpötilamuutoksen, kuva 3. Simuloinneissa olen käyttänyt ns. z-muunnosta, jolla voidaan simuloida dynaamista prosessia, kun sisääntulo muuttuu jatkuvasti.

Kuva 3. Lyhytaaltoisen säteilyn muutos (punainen käyrä) ja sen aiheuttama lämpötilamuutos (keltainen käyrä).

Kuten kuvasta 3 näkyy, niin lyhytaaltoisten säteilyn aiheuttama lämpötilanmuutos tapahtuu yllättävän pienellä viipeellä. Lämpötilamuutoksessa ei näy kaikki lyhytaaltoisen säteilyn pienet ja nopeat muutokset. Mitä pitempiä prosessin aikavakiot ovat, sitä enemmän prosessi tasoittaa sisääntulossa tapahtuvia heilahduksia. Sähkötekniikassa tätä ilmiötä hyödynnetään suodattamalla signaalista pois haitallista lyhytaikaista kohinaa säilyttäen kuitenkin oleelliset muutokset.

Joku voi tähän todeta, että eipä tuo kuva 3 vielä todista mitään, että maapallon aikavakiot ovat simuloinneissa kohdallaan. Eipä todellakaan. Tarvitaan vertailu todelliseen mitattuun lämpötilaan ja se on esitetty kuvassa 4.

Kuva 4. Maapallon lämpötilasimulointi 2000-luvulla Ollilan dynaamisen mallin avulla.

Koska pitää saada näyttö, kuinka hyvin malli kuvaa maapallon todellista lämpötilaa, niin kaikki oleelliset muuttujat on otettu malliin mukaan. Niitä ovat lyhytaaltoisen säteilyn lisäksi hiilidioksidin säteilypakotteen muutos (vihreä käyrä), ENSO-ilmiön vaikutus (sininen käyrä). Lopputulosta voi arvioida jo pelkästään silmämääräisesti, kuinka hyvin simuloitu lämpötila (musta käyrä) seuraa mitatun lämpötilan muutoksia (punainen käyrä). Hyvinhän se seuraa. Kuten olen esittänyt, niin IPCC:n malli antaa noin 50 %:n virheen 2019 vuodelle johtuen veden positiivisesta takaisinkytkennästä.

Jos mallini aikavakiot olisivat esimerkiksi 5-kertaa suurempia, niin malli ei ehtisi reagoida lyhytaaltoisen säteilyn aiheuttamiin nopeisiin lämpötilan muutoksiin. Lämpötilassa näkyvien piikkien osuminen kohdalleen kertoo prosessidynamiikan asiantuntijalle, että mallien aikavakiot ovat kohdallaan.

IPCC:n ja ilmastoeliitin käsitykset maapallon aikavakioista eli muutosten nopeudesta

Kasvihuonekaasujen aiheuttamasta muutosten nopeudesta ilmastoeliitin ja IPCC:n keskuudessa on kahta ilmaa. Jotkut painottavat sitä, että jossain vaiheessa alkaa tapahtua positiivisia takaisinkytkentöjä, jotka lähes tuplaavat kasvihuonekaasujen alkuperäisen vaikutuksen (siis veden positiivisen takaisinkytkennän lisäksi). Tällaisia vaikutuksia olisi mm. lumi- ja jääpeitteen voimakas väheneminen, jolloin maan pinta absorboi enemmän auringonvaloa ja muita muutoksia esimerkiksi pilvisyydessä (positiivisia vaikutuksia tietenkin) aiheuttaa lisää lämpenemistä ja se vie vuosikymmeniä, ellei satoja.

Tämä näkyy ilmasteherkkyysarvossa ECS (Equilibrium Climate Sensitivity) eli tasapainotilan ilmastoherkkyysarvossa, joka viimeisen IPCC:n raportin AR6 mukaan on 3 °C (vaihteluväli 2,5 – 4 °C). IPCC otti kuitenkin kantaa edellisessä raportissa AR5, että TCS (Transient Climate Sensitivity) on parempi mittari tämän vuosisadan aikana tapahtuville muutoksille. TCS:n arvo on AR6:n mukaan 1,8 °C (vaihteluväli 1,4 – 2,2 °C). Toistaiseksi ei ole havaittu niitä muutoksia, joilla ECS:n arvoa voisi perustella.

Sitten aikavakioiden suuruusluokasta todiste menetelmällä ”omat koirat purevat” nimittäin ilmastoeliittiä ja sen tieteeseen uskovia, joiden mukaan muutokset maapallon lämpötilassa tapahtuvat vuosikymmenien viipeellä. AR6:ssa on raportoitu kaikkien ilmastopakotteiden kokonaisarvo ja vuonna 2019 se oli 2,70 Wm-2. Saman raportin mukaan tämä aiheuttaa lämpötilamuutoksen 0,47 * 2,70 = 1,27 °C. Tietokonemaalien avulla simuloitu lämpötila on AR6:n mukaan (kuva 7.7) 1,29 °C. Siis käytännössä sama kuin ilman mitään dynaamisia viiveitä laskettu arvo säteilypakotteista laskettuna.

Onko tässä jotain ristiriitaa minun käyttämien aikavakioiden 3 ja 1 kuukautta välillä. Ei lainkaan, koska kuten simulointitulokseni kuvassa 4 osoittavat, niin maapallon lämpötilavaste reagoi ällistyttävän nopeasti maapallon energiatasapainossa tapahtuviin muutoksiin. IPCC antaa TRC-arvon laskemiselle vielä sellaisen reunaehdon, että hiilidioksidipitoisuus saa muuttua korkeintaan 1 % vuodessa eli nykyarvoilla muutoksen pitää olla alle 4 ppm ja niinhän se onkin. Kerrankin asia, josta olen IPCC:n kanssa samaa mieltä, mutta onko Itä-Suomen ilmastotutkija samaa mieltä? Ehkä saamme kommentin tai sitten ei.

Lämpötilamuutosten mekanismi – kumpi on ensin: muna vai kana?

Jossain vaiheessa jo totesin, että jos maapallon lämpötilassa tapahtuu jokin muutos, niin se johtuu siitä, että maapallon energiatasapainossa on tapahtunut muutos. Aloitetaan helpoimmasta keisistä. Jos auringon säteilyenergiassa tapahtuu muutos, niin se aiheuttaa aivan varmasti lämpötilamuutoksen maapallon lämpötilaan, koska 99,97 % maapallon energiasta tulee auringosta. Tämä usein esille ottamani lyhytaaltoisensäteilyn muutos on maapallon kannalta aivan sama asia, koska maapallon pinta ja ilmakehä (30 % säteilystä imeytyy ilmakehään) eivät tee eroa, johtuuko muutosta pilvisyyden muutoksesta vai auringon aktiivisuuden muutoksesta. Maapallon saa enemmän energiaa ja hetkellisesti vallitsee epätasapainon saapuvan ja poistuvan energian määrässä ja joka näillä sivuilla on esitetty useammin kuin kerran

SC(1-α) * (¶r2) = sT4 * (4¶r2),                                       (1)

Missä SC on aurinkovakio (1368 W/m2), α maapallon albedo eli kokonaisheijastus, s on Stefan-Bolzmannin vakio (5.6704*10-8), ja T on lämpötila (K). Lämpötila voidaan ratkaista, ja se on

T = (SC * (1 – α) / (4s))0.25                                                                             (2)

Yhtälön (1) vasen puoli kuvaa saapuvaa energiaa ja oikea puoli maapallon säteilemää energiaa. Jos haluaa olla auringon tarkka tässä asiassa, niin ajava voima oli siis säteilyenergiassa tapahtuva muutos ja lämpötila nousee sen takia, että maapallon energiatasapaino menee epätasapainoon. Dynaaminen muutos vie aikavakioiden osoittaman ajan ja muutos päättyy siinä vaiheessa, kun korkeamman pintalämpötilan aiheuttama infrapunasäteily on yhtä suuri kuin saapuva säteily. Tämän jälkeen lämpötila jää korkeammalle tasolle, koska energiatasapaino on jälleen saavutettu.

Käytännössä siis maapallo kokee jatkuvia pieniä häiriöitä, jotka aiheuttavat lämpötilan muutoksia, mutta energiatasapaino vaihtelee tasapainotilan molemmin puolin, kuten kuva 4 osoittaa. Ei ole jatkuvaa epätasapainoa siten, että maapallon lämpötila olisi koko ajan jäljessä positiivista muutosta aiheuttaviin voimiin nähden. Tämä johtuu kahdesta pääasiasta:1) Maapallon lämpötila on hyvin herkkä pilvisyyden vaihteluille, ja ne aiheuttavat sekä lämpenemistä että jäähtymistä. 2) Maapallolla on melkein koko ajan menossa ENSO-ilmiön lämmin vaihe El Nino tai kylmä vaihe La Nina (kuten tällä hetkellä). ENSO-ilmiöiden aiheuttamat lämpötilamuutokset ajavat siis käytännössä esimerkiksi kasvihuonekaasujen aiheuttamien lämpenemisten ohi mennen tullen. Vuositasolla hiilidioksidin aiheuttama lämpeneminen on IPCC:n tieteen mukaan n. 0,02 °C vuodessa. Sehän on mittauksissa ja vaikutuksiltaan pelkkää kohinaa.

ENSI-ilmiön luokittelustakin on kiistaa, onko se sääilmiö vai ilmastoilmiö. Minusta se on lyhytaikainen ilmastohäiriö, koska se on luonteeltaan globaali ja sääilmiö on aina luonteeltaan alueellinen tai paikallinen. Sen vaikutusmekanismi on omaa laatuaan. Varsin pienellä alueella Tyynenmeren päiväntasaaja-alueella tuulten ja merivirtojen vaikutuksesta pintavesi voi äköttyä paikalleen, jolloin se lämpenee voimakkaasti noin 33-35 asteeseen (ei voi lämmetä enemmän). Tämä aiheuttaa voimakasta kosteuden lisääntymistä ilmakehässä ja noin puolessa vuodessa kosteuspitoisuus on noussut globaalisti ympäri maapallon. El Ninon vaikutus tulee puoliksi sen aiheuttamasta ilman lämpenemisestä ja puoliksi ilmakehän vesipitoisuuden noususta, joka lisää globaalia kasvihuoneilmiötä. Tämä vaikutus on noin puolet kokonaisvaikutuksesta.

Jossain vaiheessa merivirtaukset palaavat normaaliin toimintaan, merivesi sekoittuu tehokkaasti alla olevan kylmän veden kanssa ja alkaa La Nina. Erilaisesta mekanismista johtuen La Nina lämpötila piikki on selvästi pienempi, mutta La Nina on tyypillisesti pitempi kestoltaan. El Nino tavallaan varastaa lämpöenergiaa ja sitten La Nina joutuu luovuttamaan sen takaisin, koska pitkällä aikavälillä ENSO-ilmiöt eivät nosta tai laske pysyvästi maapallon lämpötilaa. Se on häiriötila, jonka luonto hoitaa.

Kasvihuoneilmiön voimistuminen on mekanismiltaan monimutkaisempi. Kun kasvihuonekaasun pitoisuus kasvaa, se absorboi enemmän maapallon säteilemää infrapunasäteilyä, jolloin avaruuteen menee vähemmän energiaa kuin maapallo saa auringosta. Maapallo joutui energiaepätasapainoon. Tällä kaikella on kaksi vaikutusta. Kun maapallon jäähtymisnopeus pieneni, niin pintalämpötila alkaa nousta. Mutta se nousee toisestakin välittömästä syystä. Nimittäin ilmakehän säteilemä infrapunasäteilymäärä kasvaa, koska se on saanut lisää energiaa absorboimalla ja maapallon pinta reagoi siihen samalla tavalla kuin aurinkoenergian lisäykseen. Enemmän energiaa tietää korkeampaa lämpötilaa. Lämpötilan nousu lakkaa automaattisesti, kun ulos avaruuteen menevä säteilymäärä on sama kuin maapallon saama säteilymäärä.  

Voiko IPCC:n tieteeseen vaikuttaa IPCC:n ulkopuolelta?

Tämä kysymys tuli mieleeni eilisen tv-ohjelman seurauksena, jossa kerrottiin, että Tanska on soveltamassa ennätyskireitä toimenpiteitä maahantulon rajoittamiseen. Tämä siitä huolimatta, että maahanmuuttokriittisin puolue ei ole hallituksessa. Hallituksen toimintaan voi siis vaikuttaa hallituksen ulkopuoleltakin.

Tämän tuli mieleeni, kun luin IPCC:n viimeisin arviointiraportin AR6. Siitä on jostain syystä jätetty tekstistä pois kokonaan kuvaus kasvihuoneilmiön toiminnasta. Se oli vielä AR5:ssä tässä muodossa (vapaa suomennos):

Maan pinnalta säteilevä pitkäaaltosäteily (LWR, jota kutsutaan myös infrapunasäteilyksi) imeytyy suurelta osin tiettyihin ilmakehän ainesosiin – (kasvihuonekaasuihin ja pilviin) – jotka itse lähettävät LWR:tä kaikkiin suuntiin. Tämän LWR:n alaspäin suunnattu komponentti lisää lämpöä ilmakehän alempiin kerroksiin ja maan pintaan (kasvihuoneilmiö).”

IPCC:n määritelmä on fysiikan lakien vastainen, koska infrapunasäteilyn absorption määrä 155 Wm-2 ei pysty säteilemään maanpinnalle 345 Wm-2. Tämä on IPCC:n ikioma ikiliikkuja eri energiaa tyhjästä. Näin ei tietenkään ole, vaan mukana on aurinkosäteilyn absorptio, latenttilämpö ja kuuman ilman kumpuaminen. Julkaisin asiasta artikkelin ja tarjosin mm. Science- ja Nature-lehteen. Eivät halunneet julkaista, koska asia ei kiinnosta ilmastotutkijayhteisöä.

AR6:n mukaan kasvihuonemääritelmä löytyy vain sanastosta ja se on munkkilatinaa:

Kasvihuoneilmiö on kaikkien ilmakehässä infrapunaa absorboivien aineosien infrapunasäteilyvaikutus. Kasvihuonekaasut, pilvet ja jotkin aerosolit absorboivat maapallon pinnan emittoimaa säteilyä sekä muuta säteilyä ilmakehässä. Nämä emittoivat infrapunasäteilyä kaikkiin suuntiin, mutta, kaiken muun ollessa yhtä suuri, avaruuteen pääsevä nettomäärä on yleensä pienempi kuin olisi emittoitu ilman näitä absorboijia, koska lämpötila laskee troposfäärin korkeuden mukana ja tästä seuraava emission määrän pieneneminen.”

Oleellista tässä on, että nyt IPCC:n mukaan ilmakehä ei enää säteile maanpinnalle vaan kaikkiin suuntiin. Väitän, että tämä muutos on allekirjoittaneen artikkelin vaikutusta. IPCC huomasi määritelmänsä virheellisyyden ja päätti painaa asian villaisella: Poistetaan se kohta, jossa oli ongelma. Kyllä kasvihuoneilmiön oleellinen osa on ilmakehän säteilemä infrapunasäteily maanpinnalle, joka on mukana lämpötilan muutoksessa.

**********************************

Meinasin ensin kirjoittaa uuden blogin, mutta mahtuu nämä pari kuvaa tähänkin.

Kuva 5. IPCC:n raprotista AR6 muokattu kuva Wikipediasta ja tekijä referoituna. Kuva on selvempi kuin alkuperäinen. Musta käyrä on mitattu lämpötila ja punainen käyrä tietokonemallien avulla laskettu. Oma mallini vuosina 2000-2020 on ympätty samaan kuvaan skaalaten mahdollisimman oikein asteikot.

Tämä kuvan viesti on, että IPCC:n käyttämien tietokonemallien laskema lämpötilakäyrässä ei ole ”laaksoa ei kukkulaa” eli seuraa huonosti lämpötilavaihtelua. Kun vertaa vastaavia käyriä minun mallissani, niin mallini seuraa lämpötilavaihteluita huomattavan hyvin: hieman liioitellen voimakkaiden ENSO-ilmiöiden vaikutusta.

Kuva 6.  Gillett et al. kuvaaja tietokonemallien ja mitattujen lämpötilojen kehityksestä.

Gillett et al. julkaisi tämän kuvan Nature Climate Change (NCC) – lehdessä muutama kuukausi ennen IPCC:n raportin julkaisemista hyvin tietäen, että sen jälkeen artikkelilta katoasi uutuusarvo kokonaan.

Kuvat ovat kuin samasta puusta veistetyt lukuun ottamatta yhtä erikoisuutta. Kuvan 6 lämpötilat kulkevat aika tarkkaan 0,2 astetta alempana kuin IPCC:n vastaavat käyrät. Myös tekstin ja grafiikan välillä on 0,2…0,3 C ero. Lähetin asiasta kommenttitekstin NCC:lle, mutta he eivät sitä julkaisseet, koska artikkelin ei lisää ymmärrystä artikkelista.  Siis virheistä viis. Julkaisin tästä oman erillisen pienen artikkelin, jossa toin esiin artikkelin saman virheen kuin IPCC:n käyrissä: lyhytaaltoisen säteilyn poisjättäminen.

 

 

 

+6
aveollila
Porvoo

TkT, dosentti emeritus (Aalto-yliopisto)

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu