Telluksen säteilyenergia ja lämpötila kulkevat vuositasolla eri tahdissa – mikä on syy?

Johdanto

Maapallo saa tunnetusti 99,97 prosenttia energiastaan auringosta. Myös yhtä tunnetusti maapallon ilmastoon vaikuttaa ratkaisevasti kasvihuoneilmiö, joka nostaa teoreettisesti laskien maapallon pintalämpötilaa noin 34 astetta. Tämä teoreettinen peruste on niin yksinkertainen, että maapallo säteilee avaruuteen pitkäaaltoista säteilyä eli infrapunasäteilyä n. 240 W/m2 koko sen pinta-alaa kohti laskettuna. Vastaavasti maapallo saa auringosta n. 1360 W/m2, mutta sitä tulee tunnetusti vain toiselle puolelle palloa ja koska maapallo on pyöreä, tuo säteilymäärä 1360 W/m2 eli ns. aurinkovakio (joka ei ole vakio) pitää jakaa neljällä, jotta saadaan koko vuorokauden keskimääräinen säteilyenergia koko pinta-alaa kohti ja se luku on 340 W/m2. Tuo luku ei vastaa maapallon säteilemää energiamäärää, mutta kun otetaan huomioon, että maapallo heijastaa koko ajan n. 100 W/m2 takaisin avaruuteen, jolla ei ole lämmitysvaikutusta, niin saadaan luvut täsmäämään eli maapallo saa saman verran energiaa kuin se säteilee avaruuteen.

Se teoreettinen kasvihuoneilmiön vaikutus tulee siitä, että Planckin lain mukaan materiaali, joka säteilee 240 W/m2 on lämpötilassa n. -18 astetta ja tunnetusti maapallon pintalämpötila on korkeampi eli n. 16 astetta, joiden ero on 34 astetta.

Olen jostain lukenut, että vielä 1900-luvun alussa tutkijat kirjoittivat tieteellisiä julkaisuja tutkimusprojekteistaan, joissa ei saatu haluttuja tuloksia. Nyt yhtenä kriteerinä on, että tutkimustulos julkaistaan, jos siinä on jotain uutta tieteellistä tulosta eli jossain määrin vähintään kyseenalaistaa olemassa olevaa tietoa eli rikkoo konsensusta. Tiedemaailmassa ei ole konsensusta, vaikka näillä palstoilla jotkut jotain muuta väittävät. Todellinen tiede aina kyseenalaistaa vanhaa.

Tiede ei suinkaan tiedä kaikkea eikä pysty kaikkea selittämään. Siksi uusia tutkimustuloksia syntyy – ihan kirjaimellisesti – kuin sieniä sateella. Tosin noin 95 % tutkimustuloksista on niin vähämerkityksellisiä, että ne katoavat tieteen roskapönttöön. Arvioidaan, että vain noin 5 % tutkimuksista on sellaisia, joilla on käänteentekevää vaikutusta alansa tietoon.

Olen törmännyt erääseen ilmiöön maapallon saaman säteilyenergian ja lämpötilakäyttäytymisen kohdalla, jota en ole pystynyt selittämään matemaattisilla malleilla – verbaalisesti kylläkin. Niinpä julkaisen tätä ongelmaa kuvaten muutaman kuvan ja pari tunnuslukua. Ehkä lukijoilta tulee vinkkejä, miten ongelma voidaan selittää. Ehkä sen on jo joku selittänyt matemaattisesti, mutta en ole törmännyt sellaiseen tutkimustulokseen.

Otan vastaan vinkkejä avoimin mielin ja olen valmis tekemään tarkempia laskelmia, jos siltä näyttää. Ehdottajille en voi luvata kuin kuvainnollista lämmintä kättä, koska viitteeksi hyväksytään vain tieteelliset julkaisut.

Maapallon saama säteilyenergia ja lämpötila eivät kulje käsikädessä

Laitan tähän alkuun kuvan 1, jonka yleensä kerrotaan kuvaavaan maapallon lämpötilan kehitystä.

Kuva 1. Maapallon lämpötilapoikkeaman kehitys 2000-luvulla eri lämpötilamittaussarjojen mukaan.

Kuva 1 ei siis kuvaa maapallon absoluuttisen lämpötilan kehitystä, vaan lämpötilapoikkeaman kehitystä. Vielä elokuussa maapallon lämpötilapoikkeama oli korkea UAH-datan mukaan. Kerroin aikaisemmassa blogissani, miten nämä lämpötilapoikkeamat on laskettu.

GISS, HadCRUT5 ja UAH ovat kuukausikohtaisia poikkeamia pitkänajan keskiarvosta. Esimerkiksi UAH:n lämpötilapoikkeama elokuussa oli 0,88 °C, joka tarkoittaa tuon kokoista poikkeamaa kaikkien elokuiden lämpötilojen keskiarvosta aikavälillä 1991-2020. GISS-lämpötilamittauksissa kesäkuun poikkeama 1,21 °C oli ero kesäkuiden keskiarvosta aikavälillä 1951-1980, ja HadCRUT5-mittauksissa vertailuperiodi on 1961-1990. Sen vuoksi nämä mittaukset eivät ole absoluuttiarvoiltaan suoraan vertailukelpoisia, mutta trendit osoittavat samoja kehityskulkuja.

Maapallon todellinen absoluuttinen lämpötila näyttää tältä, kuva 2.

Kuva 2. Maapallon absoluuttinen lämpötila ja säteilypakote  pohjoisella pallonpuoliskolla vuodesta 2020 eteenpäin.

Maapallon lämpötila siis vaihtelee välillä 12,7 – 16,5 eli noin 3,8 astetta vuositasolla. Kuvassa 2 on esitetty maapallon saama auringonsäteilyn absorption (ASR = Absorbed Solar Radiation) vaihtelu pohjoisella pallonpuoliskolla. Jos olisin hieman huijannut ja kertonut, että se on koko maapallon saama ASR-vaihtelu, niin tulos olisi kerta kaikkiaan erinomainen: lämpötilavaikutus tulee pienellä viipeellä.

Mutta kun Telluksella on se toinenkin pallonpuolisko, ja kun se otetaan kuvaan mukaan, niin homma meneekin vaikeaksi eli kuten nykyään sanotaan joka paikassa ”haasteelliseksi”: Minä sanon suoraan, että vaikeaksi, kuva 3.

Kuva 3. Maapallon lämpötilan ja kokonaissäteilymäärän (ASR) vaihtelu vuositasolla.

Kuvassa 3 on mukana lämpötilan lisäksi maapallon saama kokonaissäteilymäärän vaihtelu (TSI = Total Solar Radiation). Nyt tilanne meneekin paljon vaikeammaksi, koska lämpötilan maksimi vuositasolla tapahtuu noin puolivuotta säteilymaksimin jälkeen. Kuten kuvassa 3 näkyy, niin kyse ei ole maapallon saamasta nettoenergiasta ASR, vaan todellisesta auringon säteilyn määrän vaihtelusta, joka johtuu maapallon elliptisestä radasta. Maapallon on lähimpänä aurinkoa tammikuussa ja sen vuoksi maapallon saama brutto säteilymäärä 352 W/m2 on noin 22 W/m2 suurempi kuin kesäkuussa.

Tässä kohtaa on pakko muistuttaa siitä tosiasiasta, että alarmistit ovat saaneet enemmistön ihmiskuntaa kriisitilaan, mutta ei kaikkia, kun lämpötila on noussut n. 1,2 astetta vuodesta 1750. Väitän, että heillä suurimmalla osalla ei ole tietoa, että maapallon lämpötila vaihtelee vuosittain luontaisesti n. 4 astetta ja täällä pohjoisessa paljon enemmän.

Sitten kuva 4, joka on vaikeasti selitettävissä.

Kuva 4. Maapallon absoluuttinen lämpötilavaihtelu ja maapallon saama auringonsäteilyn määrän vaihtelu pohjoisella pallonpuoliskolla, eteläisellä pallonpuoliskolla ja koko maapallolla.

Kuvasta 4 näkyy kuten kuvasta 2, että pohjoisen pallonpuoliskon ASR-vaihtelu korreloi mahtavasti maapallon lämpötilaan: korrelaatiokerroin on 2000-luvulla 0,89. Vastaava korrelaatiokerroin eteläisen pallonpuoliskon ASR-vaihteluun on negatiivinen eli ne ovat vastakkaisessa vaiheessa ja se on -0,89. Kuvassa 4 näkyvä musta viiva on koko maapallon keskimääräinen ASR-vaihtelu, ja sen korrelaatiokerroin lämpötilaan on myös negatiivinen ollen vain -0,79.

Nyt tietysti joku ehdottaa, että eikö Ollila ole kuullut koskaan maapallon dynaamisista viipeistä (minun opiskeluaikana ne olivat vielä viiveitä). Olen urapolultani luiskahtanut automaatioinsinööri eli dynamiikka on ollut minun leipälajini ja olen soveltanut sitä hyvin menestykkäästi maapallon lämpötilasimulointeihin yksinkertaisilla dynaamisilla malleilla. Kuva 5 tuo esiin perusongelman, jota en pysty selittämään edes dynamiikalla.

Kuva 5. Maapallon lämpötilavaihtelu ja maapallon säteilemä pitkäaaltoinen eli infrapunasäteilyn vaihtelu pohjoisella ja eteläisellä pallonpuoliskolla sekä koko maapallolla keskimäärin.

Kuva 5 mukaan koko maapallon pintalämpötila (punainen käyrä) seuraa erittäin hyvin koko maapallon säteilemää infrapunasäteilyn muutosta (musta käyrä). Näinhän pitää ollakin Planckin lain mukaan. Korrelaatiokerroin on 0.951 eli erinomainen. Korrelaatiokerroin pohjoisen pallonpuoliskon säteilemään infrapunasäteilyyn on vielä parempi eli peräti 0,977. Sen sijaan korrelaatio eteläisen pallonpuoliskon säteilemään infrapunasäteilyyn on negatiivinen eli -0,518.

Yksi johtopäätös näyttää siltä, että eteläisen pallonpuoliskon lämpötilavaihteluilla on paljon pienempi vaikutus lähtevään säteilyyn ja sitä kautta pintalämpötilan vaihteluun. En ole löytänyt pallonpuoliskojen absoluuttista lämpötiladataa. Avaruuteen menevä infrapunasäteilyn määristä voi vetää sellaiset karkeat johtopäätökset, että kun maapallon lämpötila vaihtelee n. 4 astetta, niin pohjoisen pallonpuoliskon lämpötila vaihtelee n. 8 astetta ja eteläisen pallon puoliskon lämpötila vaihtelee vain n. 2,7 astetta vuositasolla eli pohjoisen pallonpuoliskon lämpötila vaihtelee noin 3 kertaa enemmän kuin eteläinen pallonpuolisko.

Tähän kyllä löytyy fysikaalinen selitys. Merien osuus maapallon pinta-alasta on 70 %, pohjoisella pallonpuoliskolla se on 60 % ja eteläisellä pallonpuoliskolla 80 %. Meret lämpenevät  hitaammin kuin maa. Se hitaus ei ole kuitenkaan vuosien luokkaa. Suomenlahti, jonka rantamaisemissa asun, lämpenee kolmessa kuukaudessa nollasta n. 20 asteeseen. Olen maapallon dynaamisessa mallissa käyttänyt maalle aikavakiota 1,04 kuukautta ja merelle 2,74 kuukautta. On huomattava, että meren aikavakion eli sen reaktion lämpötilamuutoksiin määrittää n. 75 metrin paksuinen sekoituskerros, joka on termodynaamisessa tasapainossa ilmakehän lämpötilan kanssa; myös hiilidioksidin suhteen se on tasapainossa Henryn lain mukaan.

Ongelma

Verbaalisella tasolla pystyn aika hyvin selittämään eteläisen pallonpuoliskon roolin maapallon vuosittaisessa lämpötilavaihtelussa. Sen sijaan tieteen kielellä eli matemaattisella mallilla en ole onnistunut toistaiseksi selittämään maapallojen puoliskojen lämpötilojen vaihtelua ja kokonaisvaikutusta maapallon keskimääräiseen lämpötilaan. Kyse on dynamiikasta ja siihen liittyvistä aikavakioista.