Hiilidioksidin säteilypakote ja ilmastoherkkyys, Osa 5, Verifiointi ja validointi

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). Olen jo kirjoittanut neljä erillistä blogikirjoitusta, joiden aiheet ovat olleet:

Osa 1. Kasvihuonekaasujen absorptiovaikutukset
Osa 2. Veden takaisinkytkentä ja ilmastoherkkyysparametri
Osa 3. Stratosfäärin kylmeneminen
Osa 4. CO₂:n säteilypakote ja ilmastoherkkyys

Nyt on vuorossa Osa 5. Verifiointi ja validointi.

Yrittäkää siis pysyä kunkin kirjoituksen aiheessa, koska en tule kommentoimaan niitä kommentteja, jotka menevät aihepiirin ulkopuolelle. Muuten pyrin vastaamaan kaikkiin asiallisiin kommentteihin.

VERIFIOINTI ELI VAHVISTUS

Suunnitelman ja mallin oikeellisuutta voidaan tarkistaa eli vahvistaa suorittamalla laskut jollakin toisella menetelmällä tai vertaamalla muiden mallien tuloksiin. Näin voidaan sulkea pois suurin osa potentiaalisista virheistä. Laskiessani hiilidioksidin säteilypakotetta ratkaisevassa roolissa on Line-By-Line-laskennat. Julkaistuista tutkimuksista löytyy pari tulosta, joihin voin verrata omien laskelmieni tuloksia.

Olen soveltanut spektrilaskintyökalua Spectral Calculator aikaisemmissa tutkimuksissani laskiessani hiilidioksidin osuutta kasvihuoneilmiössä. Käyttämällä samaa ilmakehämallia kuin Kiehl & Trenberth eli US Standard 76 ja soveltaen 12 %:n veden vähennyksellä, tulokseni oli 27%. Tämä on lähes sama kuin Kiehlin & Trenberthin laskema 26 %. Schmidt et al. käytti maapallon keskimääräistä ilmakehämallia ja he saivat tuloksen, että CO2: n osuus GH-vaikutuksesta on 14 %, mikä vastaa 21,7 W/m2 absorptiota. Oma arvoni LBL-laskennalla oli 20,1 W/m2 eli 7,3 % pienempi, joka voi helposti johtua ilmakehämallin vesipitoisuuden erosta. Lisäksi spektrilaskimella johdetut korkeuden mukaiset infrapunasäteilyn absorptiot ovat samat kuin Ohmuran raportoimat: 1 km, 90%; 2 km, 95%; 11 km, 98%. MODTRAN-laskennan tulokset osoittavat, että ylöspäin menevä säteily on troposfäärin jälkeen 2,6 %:n päässä avaruuteen menevästä arvosta.

Olen tutkimusartikkelissani johtanut riippuvuuden metaanin ja typpioksiduulin säteilypakotteelle pitoisuuden funktiona. Riippuvuudet ovat samaa neliöjuurellista mallia kuin AR6:ssa.  Metaanin säteilypakotteen muutos vuodesta 1750 vuoteen 2019 on 0.51 W/m2, ja typpioksiduulin vastaava muutos on 0.15 W/m2. Nämä arvot ovat hieman pienempiä kuin AR6:ssa raportoidut 0.54 W/m2 ja 0.21 W/m2.

Laskemani CO2:n ERF-arvo 2,65 W/m2 poikkeaa siis merkittävästi IPCC:n arvosta 3,93 W/m2.  Muistutan, että kolmen tutkimuksen tulokset ovat hyvin lähellä toisiaan nimittäin Ollila, Harde ja Miskolczi & Mlynzack: 2,65 W/m2, 2,4 W/m2 ja 2,53 W/m2. Ja sitten tietenkin se tilanne, että Smith et al.:n IRF-tulos 2,6 W/m2 (LBL-laskennan tulos ilmakehän ylärajalla ilman tarkennuksia) on samassa suuruusluokassa. Kuka on oikeassa? Sen näyttää ilmastomallien tulokset.

 VALIDOINTI ELI KELPUUTUS

Tutkimustulosten oikeellisuus voidaan tehdä vain vertaamalla saatuja tuloksia reaalimaailmasta tehtyihin mittaustuloksiin ja havaintoihin. Einstein kiteytti tämän periaatteen näin: ” The only source of knowledge is experience” eli ”Ainut tiedon lähde on kokemus”. Tämä periaate voidaan tulkita kahdelta kantilta: a) reaalimaailman havaintojen pitää vastata teoriasta johdettuja tuloksia, ja b) jos teoreettiset tulokset eivät vastaa reaalimaailman havaintoja, teoria on väärä. Tätä periaatetta sovelletaan tieteessä myös niin ankarasti, että jos teoria pystyy antamaan oikean vastauksen kuudessa eri tapauksessa, mutta epäonnistuu seitsemännessä tapauksessa, se on väärä teoria. Ehkä tunnetuin esimerkki tästä on Rayleigh-Jeansin laki, joka toimi hyvin pitemmillä säteilyn aallonpituuksilla, mutta antoi aivan liian suuria arvoja ultraviolettialueen aallonpituuksilla, ja se tunnettiin nimellä ultraviolettikatastrofi. Planckin laki korjasi tämän virheen.

Veden positiivinen takaisinkytkentä vai ei?

IPCC:n käyttämissä ilmastomalleissa on veden positiivinen takaisinkytkentä, kun minun mallissani sitä ei ole. Johdin ilmastoherkkyysparametrin maapallon energiataseesta ja se antoi arvon 0,265 K/(W/m2), kun taas IPCC:n raportissa AR6 se on 0,47 K/(W/m2), joka tarkoittaa veden positiivista takaisinkytkentää. Takaisinkytkennän olemassaolo tarkoittaa, että veden suhteellisen kosteuden pitäisi pysyä vakiona Clausius-Clapeyronin lain mukaan. Kuvassa 1 on sekä suhteellisen kosteuden että absoluuttisen kosteuden graafit ajalta, jolloin mittaus on perustunut määräävässä markkina-asemassa olleiden Vaisalan tarkkojen  kosteusantureiden käyttöön.

Kuva 1. Suhteellisen ja absoluuttisen kosteuden graafit 1980 – 2020.

Kuvasta 1 näkyy, että vuosina 1980 – 2002 lämpötila oli nousussa, mutta absoluuttinen kosteus eli vesimäärä laski (ylempi kuva) ja sama informaatio löytyy alemmasta kuvasta, että suhteellinen kosteus laski. Lopullinen niitti asialle tulee ilmastomallien laskemissa lämpötiloissa.

Avaruuteen menevä pitkäaaltoisen säteilyn määrä ja ominaisuudet

LBL-tekniikalla tehtyjen laskelmien oikeellisuus voidaan nykyisin tarkistaa CERES-mittausten perusteella tarkistamalla avaruuteen menevän pitkäaaltoisen eli infrapunasäteilyn määrä vertaamalla laskettuja ja mitattuja arvoja. Olen tehnyt LBL-laskennan niin, että olen käyttänyt pintalämpötilaa 16,3 astetta, joka antaa Planckin lain mukaan maapinnan säteilemäksi määräksi 398 W/m2 ja se on sama kuin mittauksilla todettu. Käyttäen keskimääräisiä ilmakehän ominaisuuksia lämpötila-, paine- ja kasvihuonekaasuprofiilien avulla olen laskenut yhden neliömetrin kokoisen ilmapatsaan tilanteen korkeudessa 70 km. Koska kasvihuonekaasut ja pilvet absorboivat infrapunasäteilyä, niin avaruuteen menee laskelmieni mukaan pilvettömän taivaan olosuhteissa 273,8 W/m2, pilvisen taivaan olosuhteissa 226,5 W/m2 ja keskimääräisen taivaan olosuhteissa 241,9 W/m2. Löysin netistä NASA:n tutkijoiden konferenssiaineistosta kuvan, jossa on avaruuteen menevän spektrin energiatiheys aaltonumeron funktiona sekä edellä olevat säteilymäärät CERES-mittauksiin perustuen (kuva 2, jotka ovat 272,6 W/m2 ja 241,5 W/m2). Olen saanut professori Prof. Xianglei Huangilta (viite 3) luvan kuvan käyttöön. Säteilymäärät ja energiaspektrin jakaumat minun ja NASA:n kuvissa ovat huomattavan lähellä toisiaan.

Kuva 2. Avaruuteen menevän säteilyn määrät ja energiatiheydet aaltoluvun funktiona omien laskelmieni mukaan (ylempi A-kuva) ja CERES-mittausten mukaan (B-kuva),

B-osio on ainut satelliittidataan perustuva kuva, jonka olen löytänyt. Kuva 2B osoittaa, että pilvisyydellä on minimaalien vaikutus CO2-absorption määrään. Kuva 2 osoittaa, että LBL-laskentani on erittäin tarkkaa. On huomattava, että laskenta on täysin teoreettista, joka perustuu HITRAN-tietokannan ominaisuuksiin kasvihuonekaasuista ja ilmakehän olosuhteisiin ja kuitenkin lopputulos on hyvin lähellä mitattuja arvoja.

Ainut julkaisu, josta olen löytänyt kuva 2 osoittamia kokkonaissäteilyarvoja, on Etminan et al. (viite 3). He ovat käyttäneet Oslo LBL – koodia, joka sisältää pilvien, lyhytaaltoisen säteilyn ja stratosfäärisen lämpötilan vaikutuksen. Tämä menetelmä on antanut avaruuteen meneväksi säteilymäärän arvoksi 234 W/m2 keskimääräisen taivaan olosuhteissa eli oma menetelmäni antaa tämän arvon paljon lähemmäksi mitattua arvoa. En ole löytänyt mistään näyttöä, kuinka hyvin OSLO LBL-koodi todellisuudessa laskee erilaisia olosuhteita; asia tuntuu olevan ilmoitusluontoinen ja sillä tehdään ilmastonmuutoksen kannalta ratkaisevia laskelmia.

Ilmastomallien tulokset

Keskeinen käsite ilmastomalleissa on säteilypakote, joka aiheuttaa maapallon pintalämpötilan muutoksen. AR6:n mukaan säteilypakotteen määritelmän alku kuuluu näin: Nettomuutos säteilyssä laskettuna säteilymäärässä, joka tapahtuu alaspäin miinus ylöspäin säteilyssä (ilmaistuna W/m2) johtuen ulkoisen ilmastonmuutosajurin (climate driver) muutoksesta, kuten hiilidioksidin (CO₂) muutoksesta, vulkaanisten aerosolien pitoisuusmuutoksesta tai auringon säteilyn muutoksesta.

Todellinen validointilaskelma säteilypakotteiden vaikutuksesta voidaan saada simuloimalla lyhytaaltoisen säteilyn (SW) muutoksen vaikutus (sama kuin absorboitunut auringonsäteily muutos – merkitty joko ASR tai SWdn) vuoden 2001 jälkeen. SWnet on CERESin kuukausiarvojen mukaan 1,75 W/m2 tammikuusta 2001 joulukuuhun 2019.

Kuva 3. Mitatut auringon säteilyn (TSI) muutokset (punainen), ja absorboituneen auringon säteilyn ASR muutokset (violetti) sekä heijastuneen auringon säteilynmuutokset (keltainen) ilmakehän ylärajalla 2000-2023.

Tämä ASR-trendi, jolla on samat numeeriset arvot, löytyy myös Loebin et al.(viite ) kuvasta 2(a) ja AR6:n kuvassa 7.3. Tämä 2000-luvun merkittävä ASR-poikkeama on todellisuutta, mutta se ei ole saanut paljon huomiota. OLR:n nousu 1,75 Wm-2:lla johtaisi pintalämpötilan Ts:n nousuun 0,82 °C käyttämällä IPCC:n (2021) λ-arvoa 0,47 K/(Wm-2).

Olen simuloinut lämpötilavaikutuksia vuodesta 2001 eteenpäin käyttäen sekä IPCC:n yksinkertaista ilmastomallia dT = λ * RF IPCC:n parametreilla (λ = 0,47 K/(W/m2)) että omaa ilmastomalliani (λ = 0,265 K/(W/m2)), kuva 3.  Auringon säteilyn muutos, jonka voimakkuus oli 1,75 W/m2, tapahtui todellisissa ilmasto-olosuhteissa; havaittu GISS-lämpötilan muutos oli 0,46 °C. Kasvihuonekaasuista mukana oli vain CO2, koska muiden kaasujen vaikutus oli merkityksetön 20 vuoden simulointijaksolla. ENSO-ilmiön lämpötilavaikutus on laskettu Oceanic Nino (ONI) -indeksistä dTs = 0,1 * ONI kuuden kuukauden viiveellä. Valtameren dynaamiset aikavakiot olivat 2,74 kuukautta ja maan 1,04 kuukautta.

Kuva 4. Lämpötilasimuloinnit IPCC:n mallin ja oman mallini mukaisesti.

IPCC:n mallin mukainen lämpötilan muutos vuodesta 2001 vuoteen 2019 on ASR-muutoksen 0,78 °C, ihmisen toiminnasta aiheutuvien tekijöiden 0,30 °C ja ENSO-ilmiön 0,03 °C eli yhteensä 1,11 °C; tämä tarkoittaa +0,66 °C:n virhettä GISS-dataan verrattuna. Ollilan mallissa ASR-muutos aiheuttaa 0,40 °C:n muutoksen, 0,10 °C tulee CO2:sta, ENSO-ilmiön vaikutus on 0,03 °C, joka on yhteensä 0,52 °C eli virhe +0,07 °C GISS-lämpötilassa. IPCC:n mallin virhe on 840 % suurempi kuin omassa mallissa. Molemmat mallit seuraavat lämpötilan dynaamisia muutoksia erittäin hyvin, mikä vahvistaa, että dynamiikan aikavakiot ovat oikein.

Kuva 4 kertoo jo graafisesti, että IPCC:n malli, jossa lämpeneminen johtuu vain antropogeenisista tekijöistä on kahdella tavalla väärä. Vuosina 2011–2019 IPCC:n (2021) säteilypakotteen kokonaisarvo nousi kahdeksassa vuodessa 0,36 W/m2, mikä tarkoittaa vuotuista RF-arvoa 0,045 W/m2, joka taas aiheuttaa merkityksettömän keskimääräisen vuotuisen lämpötilan nousun 0,021 °C (IPCC 2023). Lisäksi IPCC osoitti tieteen tekemisen moraalinsa jättämällä absorboituneen auringonsäteilyn kasvun kokonaan pois lämpenemislaskuista AR6:ssa, koska AR6:ssa aerosolien ja pilvisyyden yhteisvaikutus pieneni AR5:n arvosta
-0,8 W/m2 arvoon -1,0 W/m2 raportissa AR6.

Absorboituneen auringonsäteilyn muutos yhteys alapilvisyyden muutokseen

Jos arvostettu NASA:n CERES-ohjelman johtaja Norman Loeb on sitä mieltä, että absorboituneen auringonvalon ASR muutos johtuu alapilvisyyden heikkenemisestä, niin analysoidaan tätä hieman tarkemmin. Olen muistavinani, että eräs itäsuomalainen ilmastotutkija kertoi kantanaan, että ASR-muutosta ei voi suoraan käsitellä ilmastopakotteena ja käyttää sen RF-muutosta yhtälössä dTs = 0,47 * RF.

IPCC:n raportit osoittavat, että he käyttävät auringon aktiivisuuden muutosta (TSI) ihan samalla tavalla kuin muitakin säteilypakotteita. Itse asiassa kaikki muut ilmastoon vaikuttavat ilmastoajurit (climate drivers) on tehty yhteismitallisiksi juuri auringon säteilyn muutoksiin, niin että niiden RF-arvot lasketaan muutoksina ilmakehän ylärajalla. Sehän tapahtuu esimerkiksi CO2:n osalta juuri niin kuin olen yksityiskohtaisesti osoittanut kirjoitussarjassani laskemalla CO2-pitoisuuden lisäyksen vaikutus avaruuteen menevän säteilymäärän muutoksena alaspäin. Tässähän on sellainen dilemma, että CO2:n aiheuttama muutos alaspäin esimerkiksi 2 W/m2 vastaa auringon nettosäteilyn lisäystä ylöspäin 2 W/m2. Tämä taas johtuu siitä, että kasvihuonekaasut vaikuttavat kasvihuoneilmiön kasvun takia pakottamalla pintalämpötilan nousuun.

Auringon säteilyn muutos maanpinnalle tapahtuu lopulta tulevan säteilyn ja avaruuteen heijastuneen säteilyn (n. 30 % tulevasta) erotuksena. Se oikea kysymys on, että miten maapallon ilmasto voi erottaa toisistaan auringon säteilyn määrässä tapahtuneen muutoksen heijastuneen säteilyn muutoksesta. Vastaus on, että ei mitenkään. Maapallon saaman auringon säteilyn määrän muutoksen kannalta on ihan sama vaikutus, jos muutos tapahtuu sisään tulevassa säteilyssä tai heijastuneessa säteilyssä, jos nettovaikutus on sama.

On erittäin epätoivoista yrittää selittää, että ei sillä ASR:n muutoksella ole vaikutusta, jos IPCC:n tietokonemallit eivät osaa sitä laskea pilvisyyden muutoksen kautta ja sitähän tietokonemallit eivät osaa tehdä. ASR-muutos on todellisin muutos ilmastoajureissa, koska se on pystytty mittamaan suoraan ja tarkasti vuoden 2000 jälkeen. CO2:n ilmastopakote perustuu teoreettiseen mallinnukseen, jota ei pystytä suoraan varmistamaan mittauksilla. Epäsuoraan kylläkin eli negaation kautta, että IPCC:n malli laskee lämpötilamuutoksen pahasti pieleen.

On esitetty näissä yhteyksissä väite, että alapilvisyyden heikkeneminen johtuu kasvihuoneilmiön kasvusta eli pintalämpötilan noususta. Pintalämpötilan nousu on tosiasia, ja IPCC:n veden positiivisen takaisinkytkennän teoria edellyttää, että ilmakehän vesimäärä nousee. Jos näin käy, niin pilvisyyden pitäisi nousta eikä laskea. Kuvassa 4 on pilvisyyden muutoksia edellisen El Ninon aikana 2014-2018 eri Nino-alueilla.

Kuva 4. Pilvisyyden muutos vuosina 2014-2018 Nino-alueilla.

Kuvasta näkyy selvät pilvisyyden kasvut, siellä missä meren pintalämpötila nousee voimakkaasti. Nino 5 on jo Indonesian merialueella, ja siellä asiat tapahtuvat päinvastoin kuin muualla.

Loppukaneetti. Olen pystynyt osoittamaan verifioimalla ja validoimalla, että ilmastomallien yksi perusasia eli ilmastoherkkyysparametri 0,265 K/(W/m2) ilman veden takaisinkytkentää toimii pintalämpötilan simuloinnissa erittäin hyvin. Olen samalla osoittanut, että IPCC:n perusasia eli veden positiivinen takaisinkytkentä toimii erittäin huonosti. Verifioinnin avulla olen osoittanut, että LBL-laskentani antaa samoja tuloksia kuin arvostetuissa julkaisuissa raportoidut arvot. Ainut poikkeus on CO2:n säteilypakotteen arvo. Tietysti voin kysyä, että mistä tämä voisi johtua, kun laskelmani validointi osoittaa, että avaruuteen menevä säteilymäärä on oikein ja CO2:n kokonaisabsorptio ilmakehässä on oikein (verifiointi), niin miksi laskemani RF-arvot eivät olisi myös oikein erilaisille CO2-pitoisuuksille.

Liitteet.

Liite 1. AR6, Glossary, Radiative forcing

Radiative forcing The change in the net, downward minus upward, radiative flux (expressed in W m–2) due to a change in an external driver of climate change, such as a change in the concentration of carbon dioxide (CO2), the concentration of volcanic aerosols or the output of the Sun. The stratospherically adjusted radiative forcing is computed with all tropospheric properties held fixed at their unperturbed values, and after allowing for stratospheric temperatures, if perturbed, to readjust to radiative-dynamical equilibrium. Radiative forcing is called instantaneous if no change in stratospheric temperature is accounted for. The radiative forcing once both stratospheric and tropospheric adjustments are accounted for is termed the effective radiative forcing.

Liite 2. AR6, Glossary, Climate feedback

Climate feedback An interaction in which a perturbation in one climate quantity causes a change in a second, and the change in the second quantity ultimately leads to an additional change in the first. A negative feedback is one in which the initial perturbation is weakened by the changes it causes; a positive feedback is one in which the initial perturbation is enhanced. The initial perturbation can either be externally forced or arise as part of internal variability. See also Climate–carbon cycle feedback, Cloud feedback and Ice– albedo feedback

Liite 3. AR6, Glossary, Cloud feedback

Cloud feedback A climate feedback involving changes in any of the properties of clouds as a response to a change in the local or global surface temperature. Understanding cloud feedbacks and determining their magnitude and sign requires an understanding of how a change in climate may affect the spectrum of cloud types, the cloud fraction and height, the radiative properties of clouds, and finally the Earth’s radiation budget

Liite 4, AR6, SAR, ch. 4.2.1,  p. 200, Water Vapour feedback

A positive water vapour feedback was hypothesised in the earliest simulations of global warming with simple radiative-convective models (Manabe and Wetherald, 1967). It arises for water vapour near the surface from the strong dependence of the saturation vapour pressure on temperature, as given by the Clausius-Clapeyron equation. Increases in temperature are thus expected to lead to increases in the atmospheric water vapour mixing ratio. Since water vapour is the most important greenhouse gas, such increases in water vapour enhance the greenhouse effect; that is, they reduce the thermal infrared (long-wave) flux leaving the atmosphere-surface system, providing a positive feedback amplifying the initial warming.

Viitteet.

1. Ollila: https://journalcjast.com/index.php/CJAST/article/view/4300
2. Loeb NG, Thorsen TJ, Norris JR, Wang H, Su W. Changes in earth’s energy budget during and after the “pause” in global warming: an observational perspective. 2018;6:62. doi:103390/cli6030062.
3. Huang X and Chen X. A synergistic use of hyperspectral sounding and broadband radiometer observations from S-NPP and Aqua., Fall 2020 NASA Sounder Science Team Meeting October 05.