Hiilidioksidin säteilypakote ja ilmastoherkkyys, osa 4

Johdanto. Tekemäni tutkimus nimeltä ”Radiative forcing and climate sensitivity of carbon dioxide (CO2) fine-tuned with CERES data” eli  ”Hiilidioksidin säteilypakote ja ilmastoherkkyys hienoviritettynä CERES-datan avulla” on julkaistu 5.12.2023 (Viite 1). Tutkimus on niin laaja, että tulen tekemään siitä yhteensä viisi erillistä blogikirjoitusta, joista on julkaistu jo kolme:

Osa 1. Kasvihuonekaasujen absorptiovaikutukset
Osa 2. Veden takaisinkytkentä ja ilmastoherkkyysparametri
Osa 3. Stratosfäärin kylmeneminen
Nyt on vuorossa osa 4, Hiilidioksidin säteilypakote ja ilmastoherkkyys

Yrittäkää siis pysyä kunkin kirjoituksen aiheessa, koska en tule kommentoimaan niitä kommentteja, jotka menevät aihepiirin ulkopuolelle, vaikka eräs fyysikko sinnikkäästi kommentoi nimenomaan kirjoitusaiheen ulkopuolisia asioita. Muuten pyrin vastaamaan kaikkiin asiallisiin kommentteihin. Pyrkimykseni on edelleen ilmastonmuutostieteen kansantajuistaminen, koska niitä on huonosti tarjolla suomeksi tai englanniksi. Nämä kirjoitukset todennäköisesti ovat monelle lukijalle liian teoreettisia tai kokemuspiirin ulkopuolella. Olen toisaalta havainnut, että on myös niitä lukijoita, jotka ymmärtävät näitä ilmatonmuutostieteen perusasioita. Vaikeilla matemaattisilla yhtälöillä en tule lukijoita kuormittamaan, mutta kyllä esittämään tuloksia, jotka perustuvat monimutkaisiin fysikaalisiin laskelmiin.

Tällä kertaa en kuvilla mässäile ja esitän asiat tuloksiin perustuen. Ne, joita kiinnostavat tieteellisen tarkat perustelut löytävät ne referoiduista viitteistä. Pyrin esittämään asiat niin, että julkisivun takana olevat asiatkin tulevat keskusteluun. Sattuneista syistä, joka selviävät tästä kirjoituksesta, näitä asioita eivät tule auki kirjoittamaan IPCC-fanit: omaa pesää ei liata. Näin kai voi todeta, kun AR6 on julkaistu jo vuonna 2021.

Efektiivinen säteilypakote eli ERF

Aluksi esitän yhteenvedon eri tutkimusten säteilypakotteiden arvoista. Yleisin menetelmä on ollut jo vuosikymmeniä laskea line-by-line (LBL) – menetelmällä ulosmenevässä infrapunasäteilyssä tapahtuva muutos alaspäin ilmakehän ylärajalla, kun CO2-pitoisuus nousee. Tutkijat ovat sovittaneet säteilypakotearvot yleisemmin logaritmiselle asteikolle, jolla saadaan hyvä sovitus.

Nykyisen teorian mukaan LBL-arvoon pitäisi lisätä ilmakehässä tapahtuvia tarkennuksia (adjustments). Muistutan edellisestä osasta, että Smith et al.:n (viite 5) tutkimuksen mukaan nämä muutokset kompensoivat toisensa niin, että jäljelle jäi vain stratosfäärin jäähtymiseksi kutsu tekijä. Kuten myös aikaisemmin totesin, niin nyt on meneillään paradigman muutos, jossa säteilypakote lasketaankin tietokonemallien avulla. Tämä näkyy mielenkiintoisesti tässäkin osiossa.

Taulukko 1. Eri tutkimusten tuloksia efektiivisen säteilypakotteen ERF suuruudesta. Myhre et al. (viite 2) on laskenut arvot pinta-alamenetelmällä troposfäärissä ja lisännyt stratosfäärin jäähtymisvaikutuksen. Smith et al. (viite 5) ja IPCC:n arvot perustuvat kerneli-menetelmän käyttöön. Muut tutkimukset on tehty LBL-menetelmällä laskien arvot ilmakehän ylärajalla ja soveltaen mahdollisesti tarkennuksia kuten Meinshausen et al.

Tutkija(t) Stratosfäärin lämpeneminen ja jäähtyminen, W/m2 Säteilypakote ilmakehän ylärajalla (IRF), W/m2 Efektiivinen säteilypakote (ERF), W/m2
Myhre et al., 1998 0,16 3,55 3,71
Etminan et al., 2016 0 3,73 3,73
Meinshausen et al., 2020 0,19* 3,56 3,75
Smith et al., 2018 1,12 2,60 3,71
AR6/IPCC, 2021 (1,12) 3,73 3,93
Ollila, 2023 0,27 2,40 2,66
Harde, 2013 2,4 2,4
Wijngaarden & Happer, 2006 3,0 3,0
Miskolczi & Mlynczack, 2004 2,53 2,53

 

NASA:n Gavin Schmidtin mukaan Myhre et al.:n säteilypakotearvo 2xCO2 (säteilypakote CO2-pitoisuudelle 560 ppm) on kanoninen (Katolisen kirkon kirkollisen oikeusjärjestelmän määräys), koska sitä käytettiin kolmessa IPCC:n raportissa peräjälkeen vuosina 2001, 2007, ja 2013. Vuona 2016 Etminan et al. (viite 3) julkaisi uuden tutkimuksen, jolla 2xCO2-arvo tarkentui arvoon 3,73 W/m2 ja vuonna Meinshausen et al. (viite 4) päätyi n. arvoon 3,75 W/m2. Nämä kaksi arvoa ovat hieman epämääräiset, koska niihin sisältyy esimerkiksi metaanin ja/tai typpioksiduulin pitoisuus ja ne kukin laskija voi arvioida erilaiseksi sillä ajanhetkellä, kun CO2-pitoisuus on 560 ppm. Myös Smith et al. (viite 5) päättyi vuonna 2018 aivan eri menetelmällä eli kerneli-menetelmällä ja 11 tietokonemallin avulla laskien arvoon n. 3,70 W/m2.

Joka tapauksessa rupesi näyttämään siltä, että 2xCO2-arvo on lähes kiveen hakattu, ja IPPC:n tarvitsee vain sillä suurella viisaudella, joka raportin kirjoittajilla on, valita näistä arvoista se ainut ja oikea. Tämähän on se IPCC:n julkisesti julistettu tapa, että emme tee tiedettä, vaan valitsemme tutkijoiden tuloksista oikeimman.

Ihan näin se mennyt raportin AR6-kirjoittajilta. IPCC:n lopputulos ERF-arvolle on ERF = 3,93 ± 0,47 W/m2. Missään yksittäisessä tutkimusraportissa ei ole tällaista tulosta, mutta se muistuttaa Smith et al.n tulosta . Smith esittää artikkelissaan ERF-laskennat graafisesti kerneli-menetelmän mukaisesti:

ERF = IRF + AT + AS + ATS + A+ AA + AC + E                                  (1)

jossa IRF on säteilypakote ilmakehän ylärajalla ilman tarkennuksia (adjustment), AX on nopea tarkennus, joka johtuu yhtälön (1) mukaan seitsemästä eri tarkennuksesta: alailmakehän lämpötilasta (T), stratosfäärin lämpötilasta (S), pintalämpötilasta (TS), vesihöyrystä (W), pinnan albedosta (A) ja pilvistä (C), ja E on jäännös, joka selittää epälineaarisuudet.

Numeerisesti arvot ovat samassa järjestyksessä

ERF = 2,60 – 0,58 + +1,12 – 0,2 + 0,2 + 0,11 + 0,44 = 2,60 + 1,1 = 3,70        (2)

Oleellisia lukuja ovat IRF-arvo 2,60 W/m2 ja sitten stratosfäärisen jäähtymisen tarkennus 1,1 W/m2. Tämä tulos ei kelvannut IPCC:lle. He huomasivat, että laskelmassa on mukana pintalämpötilan tarkennus -0,2 W/m2. Säteilypakotteen määritelmän mukaan pintalämpötilan muutosta ei saa ottaa mukaan säteilypakotetta laskettaessa. Niinpä IPCC laski ERF-arvon 10 eri tietokonemallin avulla ja sai hieman erilaisen tuloksen 3,73 W/m2 ja lisäsi tähän arvoon +0,2 W/m2; lopputulos 3,93 W/m2.

Lisäksi IPCC sai kätevästi ERF-arvon hajonnan, jonka se otti näiden 10 tietokonemallin tuloksista, jotka vaihtelivat välillä 3,45 W/m2 ja 4,27 W/m2 ja niistä muodostui luotettavuusväli 5 – 95 % = ± 0,48 W/m2. Lopullinen esitys ERF = 3,93± 0,48 W/m2.

Tässä IPCC:n esityksessä on useita erikoisuuksia. Heille ei kelvannut yksikään tutkimustulos sellaisenaan, vaan he parantelivat tuloksen. Smith et al.:n 11 tietokonemallia ei myöskään kelvannut, vaan yksi tietokonemalli jätettiin pois. Tietysti voi syystäkin kysyä, että millähän perusteella ne on alkuperinkin valittu. ERF-arvon hajonnan laskentaan sovellettiin simulointiajoja ikään kuin ne olivat todellisia tieteellisiä kokeita.

IPCC antaa myös sellaisen selityksen uudelle ERF-arvolle, että ”2xCO2 ERF-estimaatti on 0,2 W/m2 suurempi kuin AR5:n arvo johtuen troposfääristen tarkennusten yhdistetystä vaikutuksesta, jonka arvioitiin olevan nolla AR5:ssä.” Lisäksi jossain kuvauksessa IPCC antaa ymmärtää, että lopullinen ERF-arvo laskettiin itse asiassa Etminan et al. ja Meinshausen et al. tuloksista lisäämällä niihin tuo 0,2 W/m2. Mielestäni tällä yritetään siirtää huomio pois siitä tosiasiasta, että tulokset laskettiin myös hieman modifioiden Smith et al.:n tietokonemallien valintaa ja kerneli-metodilla, jotta saatiin epävarmuusvälit kätevästi. Näyttää siltä, että IPCC:lle toisaalta kelpaa Smith et al.:n laskentamenetelmä, mutta IRF-arvo 2,6 W/m2 ja stratosfäärinen tarkennus 1,12 W/m2 yritetään häivyttää taka-alalle. Mistähän syystä?

IPCC:n opponenttien ERF-arvot

Taulukon 1 alariveillä on IPCC:n opponenttien laskemat ERF-arvot. Ainoastaan minun arvossa on stratosfäärisen lämpenemisen ja jäähtymisen korjaus. Emeritus professorit Wijngaarden ja Happer (viite 6) ovat tehneet LBL-laskelmat alusta asti omalla koodauksella. Harde (viite 7) on soveltanut omaa kahden kerroksen malliaan ja LBL-menetelmää. Miskolczi & Mlynczack (viite 8) ovat käyttäneet LBL-sovellusta nimeltä HARTCODE, joka on erittäin tarkka.  Merkille pantavaa on, että kolmen tutkimuksen tulokset ovat hyvin lähellä toisiaan nimittäin Ollila, Harde ja M&M: 2,66 W/m2, 2,4 W/m2 ja 2,53 W/m2. Väkisten nousee mieleen, että onko sattumaa, että Smith et al.:n IRF-tulos 2,6 W/m2 (LBL-laskennan tulos ilmakehän ylärajalla ilman tarkennuksia) on samassa suuruusluokassa.

Oma laskentani hiilidioksidin säteilypakotearvoksi

Tutkimuksessani vertailuaineistona on käytetty CERESin aineistoa ajanjaksolla 2008–2014, koska se ei sisällä poikkeuksellisia ilmastotapahtumia ja se on riittävän pitkä suodattamaan pienet poikkeamat. Veden kokonaismäärä (TPW) ilmakehässä oli 2,6 cm, hiilidioksidi 393 ppm, metaanipitoisuus 1,803 ppm ja typpioksiduulin pitoisuus keskimäärin 324 ppb pinnalla.

Pinnan emittoima infrapunasäteily on 398 W/m2 maapallon energiataseen mukaan, kun sovelletaan CERES:n säteilyvuotietoja tällä vertailujaksolla. Tämä säteilyvuoarvo vastaa Planckin lämpötilaa 16,3 °C.  Huang et al. (viite 10) analysoi viisi merenpinnan lämpötilan (SST) datasarjaa. Vuosien 2000–2014 aikana merenpinnan lämpötila-arvot vaihtelivat 18,1 °C:sta 18,5 °C:een.  Koska valtameret peittävät 70 prosenttia maapallon pinta-alasta, todellinen pintalämpötila on korkeampi kuin maapallon lämpötila-arviona tavallisesti käytetty 15 °C.

Keskimääräiset CERES-havaitut OLR-arvot (avaruuteen menevä infrapunasäteily) tällä ajanjaksolla ovat 240,038 W/m2 keskimääräisen taivaan olosuhteissa ja 267,940 W/m2 pilvettömän taivaan olosuhteissa, ja pilvifraktio on 0,674. Pilvisen taivaan arvoa ei ole helposti saatavilla, mutta se voidaan laskea käyttämällä Bellouinin et al. yhtälöä:

OLRall-sky = 0,674 * OLRcloudy + 0,326 * OLRclear                                                      (3 )

Tämän yhtälön mukaan pilvisen taivaan OLR on 226,54 W/m2. Pilvettömän taivaan olosuhteissa ilmakehän ylärajalla avaruuteen menevä 268 W/m2 on ilmakehästä säteilevän 186 W/m2 n ja ilmakehän läpi menevän 82 W/m2 summa. Kun taivas muuttuu pilvettömästä taivaasta pilviseksi, säteilyvuon muutokset tapahtuvat välittömästi. 82 W/m2n läpäisyvuo katoaa, ja 226 W/m2:n ilmakehän säteilemä OLR muuttuu noin 15,5 % pienemmäksi kuin kirkkaan taivaan OLR. Tämä muutos johtuu pilvien absorboimasta LW-säteilystä, jolla on olennainen rooli kasvihuoneilmiössä.

Tarkka suhde OLRcloudy ja OLRclear kesken vuosina 2008-2014 on 0,8455, joka on tässä tutkimuksessa merkitty Rc:ksi. Kirjoittaja on käyttänyt Rc-arvoa LBL-laskelmissaan laskiessaan pilvitaivaan OLR-arvoja OLRclear-arvoista. CO2-absorptio muuttuu laskelmissani pilvisen taivaan olosuhteissa saman verran kuin OLR-arvotkin muuttuvat.

Tässä tutkimuksessa säteilypakotelaskelmat suoritettiin käyttäen viittä CO2-pitoisuutta (ppm) – 280, 393, 560, 840 ja 1370 – pitäen pintalämpötila 16,3 ° C:ssa kirkkaan taivaan ja pilvisen taivaan olosuhteissa. Laskelmat suoritettiin 70 km:n korkeuteen asti.

Lopulliset ERF-tulokset laskettiin keskimääräisen taivaan olosuhteissa, jotka on sovitettu logaritmiseen kaavaan:

ERF = 3,83 * ln(C/280)                                                                    (4)

Sovitus on melkein täydellinen, koska korrelaatiokerroin on 0,9999 keskivirhe ollessa 0,018 W/m2. Tulos yhdessä lämpötilavaikutuksen kanssa on kuvassa 1. CO2:n 2xCO2-arvo on 2,65 W/m2.

Kuva 1. Hiilidioksidin efektiivinen säteilypakote ERF oman tutkimukseni mukaan sekä säteilypakotteen aiheuttama lämpötilamuutos.

Ilmastoherkkyys

Kuten tunnettua, niin IPCC:n viimeisin TCR-ilmastoherkkyysarvo on 1,8 °C, vaihteluvälin ollessa niinkin suuri kuin 1,4 °C – 2,2 °C. Oman ilmastoherkkyysarvon TCR laskeminen tapahtuu yksinkertaisen ilmastomallin mukaan

TCR = λ * ERF = 0,265 °C/(W/m2) * 2,65 W/m2 = 0,70 °C                                (5)

Olen arvioinut epätarkkuuden oleva ±0,15 °C.

Miskolczi ja Mlynczak (viite 8) laskivat TCR-arvoksi 0,48 °C simuloimalla CO2-häiriöitä kolmella ilmastovyöhykkeellä ja tekemällä niistä globaalin yhteenvedon. Harde (viite 7) käytti ERF-arvoa 2.4 W/m2 ja hänen TCR-arvonsa oli 0.6 ° C takaisinkytkennän kanssa, jota hän vertasi IPCC:n ECS-arvoon. Wijngaardenin ja Happerin (viite 6) TCR-arvot oli 2,3 °C, joka laskettiin soveltamalla vakiota suhteellista kosteutta, ja 1,4 °C, jos käytettiin vakiollista absoluuttisesta kosteudesta. W&H:n TCR-arvo on korkeampi kuin IPCC:n arvo, vaikka heidän ERF-arvonsa on vain 3,0 W/m2.  Nämä tulokset tarkoittavat, että eri tutkimusten ilmastoherkkyysarvojen välillä on edelleen merkittäviä eroja, joita ei voida selittää laskentamenetelmissä havaituilla puutteilla.

Loppukaneetti.  Tässä kirjoituksessa mielestäni mielenkiintoisin seikka on, miten IPCC junaili eli  manipuoli CO2:n 2xCO2 arvoksi 3,93 W/m2, vaikka sellaista tulosta ei löydy yhdestäkään tutkimuksesta. Sitten käy ilmi, että on niitä muitakin kuin minä, joka on saanut erilaisen 2xCO2-arvon vieläpä niin, että arvot ovat lähellä toisiaan. Ja sitten vielä sellainen ”sattuma”, että kerneli-menetelmällä on saatu lähes sama arvo ilmakehän ylärajalla ilman tarkennuksia.

Viitteet.

  1. Ollila: https://journalcjast.com/index.php/CJAST/article/view/4300
  2. Myhre G, Highwood EJ, Shine KP, Stordal F. New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases. Geophys Res Lett 1998;25:2715-2718. https://www.researchgate.net/profile/Gunnar-Myhre/publication/238498266_New_estimtes_of_raditive_forcing_due_to_well_mixed_greenhouse_gases/links/00463537bc95236afe000000/New-estimtes-of-raditive-forcing-due-to-well-mixed-greenhouse-gases.pdf
  3. Etminan E, Myhre G, Highwood EJ, Shine KP. Radiative forcing of carbon dioxide, methane, and nitrous oxide: A significant revision of methane radiative forcing. Geophys Res Lett 2016;43:12614-12636. https://www.researchgate.net/publication/311939467_Radiative_forcing_of_carbon_dioxide_methane_and_nitrous_oxide_A_significant_revision_of_the_methane_radiative_forcing_GREENHOUSE_GAS_RADIATIVE_FORCING
  4. Meinshausen M, Nicholls MRJ, Lewis J, Gidden MJ, Vogel E et al. The shared socio-economic pathway (SSP) greenhouse gas concentrations and their extensions to 2500. Geosci Model Dev 2020;13:3571–3605. https://www.researchgate.net/publication/343637671_The_shared_socio-economic_pathway_SSP_greenhouse_gas_concentrations_and_their_extensions_to_2500
  5. Smith CJ, Kramer RJ, Myhre G et al. Understanding rapid adjustments to diverse forcing agents. Geophys Res Lett 2018;45:2023–12031. https://doi.org/10.1029/2018GL079826
  6. Wijngaarden W and Happer W. Dependence of Earth’s thermal radiation on five most abundant greenhouse gases. Arxiv.org/pdf/2006.03998.pdf. https://arxiv.org/abs/2006.03098
  7. Harde H. Radiation and heat transfer in the atmosphere: A comprehensive approach on a molecular basis. Int J Atmos Sci 2013;ID 503727. https://www.hindawi.com/journals/ijas/2013/503727/
  8. Miskolczi FM and Mlynczak MG. The greenhouse effect and the spectral decomposition of the clear-sky terrestrial radiation. Idöjaras 2004;108: 209-251. https://www.semanticscholar.org/paper/The-greenhouse-effect-and-the-spectral-of-the-Miskolczi-Mlynczak/8eebff8104c4ac0e9358fa4257b8c4bd37b2ffdc
  9. Huang B, Angel W, Boyer T, Cheng L, Chepuring G et al. Evaluation SST analyses with independent ocean profile observation. J Clim 2018;36: 5015-5030. https://www.researchgate.net/publication/324053457_Evaluating_SST_Analyses_with_Independent_Ocean_Profile_Observations

 

 

aveollila1
Porvoo

TkT, dosentti emeritus (Aalto-yliopisto). Uskon demokratiaan ja markkinatalouteen (en kapitalismiin) ja kansallisvaltioon. Olen tutkinut 12 vuotta ilmastonmuutosta, josta julkaisuja on kertynyt 23. Tutkimukseni keskittyvät ilmastonmuutoksen ytimeen eli kasvihuoneilmiöön, hiilidioksidin osuuteen ilmastonmuutoksessa ja hiilen kiertoon. Tulokseni osoittavat oleellisia virheitä IPCC:n tieteessä. Olen kutsuttu norjalaisen järjestön Klimarealistine (Climate realister) tieteelliseen neuvostoon.

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu