Ilmastonmuutostiedettä yksinkertaisesti ja tulokset vahvistettuina eli validoituina

Tässä jutussa on kaavoja, mutta yksinkertaisia. Onhan mukana derivointiakin, joka tarkoittaa pienen muutoksen löytämistä systeemin toimintapisteen ympärillä. Jutun sanoman pystyy ymmärtämään ilman näitä kaavojakin. Näyttää siltä, että ryhdyin kaavasotaan Hannu Sinivirran kanssa. Parempi mies voittakoon. Tosin kohde on erilainen.

                                                ***

Olen kirjoittanut useita juttuja täällä Usarissa ilmastonmuutoksen tieteellisistä perusteista käyttäen mahdollisimman yksinkertaisia tieteellisiä menetelmiä. Olen osoittanut kiistattomasti esimerkiksi sen, että IPCC:n ilmoittamat globaalit lämpenemiset voidaan laskea yksinkertaisella kaavalla

dT = CSP * RF                                     (1)

Jossa dT on lämpötilan muutos, CSP on ilmastoherkkyyskerroin ja RF on ilmastopakote. Tämä kaava on ollut IPCC:n valikoimassa alusta asti. IPCC:n käyttämä hiilidioksidin (CO2) ilmastopakote pitoisuudelle 560 ppm on ollut 3,7 Wm-2 vuodesta 2001. CSP:n arvo IPCC:n mukaan on 0.5 K/(Wm-2) sisältäen oletuksena veden positiivisen takaisinkytkennän. Silloin tämä kaava antaa lämpenemiselle arvon 1,85 °C, joka on se keskimääräinen ilmastoherkkyyden TCR/TCS arvo, jonka IPCC on raportoinut vuonna 2013. Tämä tuntuu suunnattomasti ärsyttävän joitakin IPCC:n tieteeseen uskovia, että ei se voi olla näin yksinkertaista: väärin, väärin.

Tämä kaavan käyttö on täysin perusteltua ja käytän sitä omissa laskelmissani. Ero IPCC:hen on siinä, että mikä on CSP:n oikea arvo ja mikä on esimerkiksi hiilidioksidin RF-arvo vaikkapa pitoisuudella 560 ppm.

                                                ***

Nyt sitten ilmastonmuutostiedettä niin yksinkertaisesti, että monimutkaisuutta rakastavilta lähtee tukka päästä. IPCC:n ilmastonmuutostieteen kulmakivi on vesihöyryn positiivinen takaisinkytkentä, joka käytännössä tuplaa kaikkien muiden kasvihuonekaasujen vaikutuksen. Kun luet, että hiilidioksidi nostaa lämpötilaa 2,0 astetta, niin sinun pitäisi lukea, että hiilidioksidi nostaa 1,0 astetta ja vesihöyry toiset 1,0 astetta. Vakuuttava näyttö veden takaisinkytkennästä saadaan maapallon energiataseesta, joka esitetään monissa lähteissä

SC(1-α) * ¶r2 = ƐsT4 * (4* ¶r2),     (2)

Jossa SC on aurinkovakio n. 1348 W/m-2; α on maapallon albedo eli kokonaisheijastavuus suuruusluokaltaan n. 0,3 tarkoittaen, että n. 30 % auringon säteilystä heijastuu takaisin avaruuteen; Ɛ on emissiivisyys arvoltaan tässä vaiheessa 1 eli mustan pinnan arvo; s on Stefan-Bolzmannin vakio; T on maapallon lämpötila vastaten maapallon nettosäteilyä. Kaavan vasen puoli osoittaa, että auringon valo tulee pinta-alalle, joka on sen ympyrän pinta-ala, jolla on maapallon säde. Kaavan oikean puolen pinta-ala on neljä kertaa suurempi, koska geometria on sellainen, että pallon pinta-ala on tasan neljä kertaa suurempi yllä kerrottu ympyrän pinta-ala. Tämä siitä syystä, että maapallo säteilee ilmakehään ja avaruuteen infrapunasäteilyä koko sen pinta-alalta, mutta aurinko ei paista koko pinta-alalle koko ajan.

Tästä kaavasta (2) voidaan ratkaista maapallon lämpötila

T = (SC(1-α)/(4Ɛs))0,25                      (3)

Kun kaavassa (3) käytetään albedon arvoa 100/340 = 0,2941 (SC/4 = 340 Wm-2 ja takaisinsäteily 100 Wm-2), Ɛ=1, ja SC-arvoa 1368 Wm-2, niin maapallon lämpötilaksi saadaan -17,7 °C. Ilmastonmuutosta seuraaville lienee tuttu juttu, että maapallon lämpötilan pitäisi teoreettisesti olla -18 ° C. Pieleen meni, ajattelee joku, koska maapallon lämpötilaksi yleensä ilmoitetaan n. 15 °C. Syy on siinä, että kaavoissa (2) ja (3) on käytetty maapallon nettoenergiaa, jonka maapallo saa auringosta ja joka on n. 240 Wm-2. Tämä laskenta osoittaa sen lämpötilan, joka maapallolla on ilman kasvihuoneilmiötä.

Mutta ei hätää. Tätä samaa kaavaa, voidaan käyttää myös sen energiamäärän mukaan, jonka maapallo saa todellisuudessa pinnalleen, kuva 1.

Kuva 1. Maapallon energiatase.

Kuvasta 1 nähdään, että maapallo saakin kokonaisenergiaa pinnalleen 165+346=511 Wm-2, joka on paljon suurempi kuin se 240 Wm-2, jonka maapallo saa suoraan auringosta. Energiaa tyhjästä? Ei suinkaan, vaan kyse on maapallon kasvihuoneilmiöstä. Maapallon pinta haihduttaa vettä vuodessa n. 1 metrin kerroksen ja se vaatii rutkasti energiaa eli n. 91 Wm-2. Sen lisäksi päiväntasaajaseudulla kuumaa ilmaa kumpuaa ilmakehän yläkerroksiin ja se jäähdyttää pintaa teholla 24 Wm-2. Tämä tietää sitä, että kolmannelle tavalle eli säteilylle, jolla maapallon pinta jäähtyy, jää vain 396 Wm-2. Nyt tätä arvoa voidaan käyttää kaavassa (3) ja laskea mikä olisi vastaava lämpötila, koska kaikki materiaali universumissa tottelee Planckin säteilylakia, että säteilyn määrä riippuu sen lämpötilasta

T = (396/(4Ɛs))0,25                             (4)

Tämän kaavan (4) perusteella lämpötilaksi tulee 15,9 °C. Tämähän on jonkin verran enemmän kuin se 15,0 °C, josta yleensä puhutaan. Totuus on, että maapallon tarkan lämpötilan keskiarvon laskeminen on vaativa juttu johtuen pelkästään mittausverkoston harvuudesta. Kaiken lisäksi merten osuus on n. 70 % ja sen lämpötila mitataan pintaveden lämpötilana. Tämä vain osoittaa, että kaikki mittaukset sisältävät virhettä ja mittaustekniikan suurin haaste on arvioida, mikä on virheen keskimääräinen suuruus.

                                ***

Tätä tuskaa mittausvirheistä voidaan haarukoida vertaamalla, että mikä on maapallon säteilemän infrapunasäteilyn mittaustulos, josta käytin yllä arvoa 396 Wm-2. Tätä säteilyä nimittäin mitataan koko ajan.

Maapallolla on kattava mittausasemien verkosto mittaamassa ilmakehästä tulevaa infrapunasäteilyä ja se on nimeltään Baseline Surface Radiation Network (BSRN) eli suomennettuna Pintasäteilyn vertailumittausverkosto. Mittausverkostoon kuuluu 59 mittausasemaa (kuva 2) ja sitä on ylläpitänyt Alfred Wegener Institute (AWI) Bremerhavenissa Saksassa vuodesta 1992 lähtien.

Linkki: https://www.researchollection.ethz.ch/b … sAllowed=y. On olemassa myös Argo-poijuja meressä, jotka pystyvät samaan alaspäin suuntautuvan säteilyn mittaamiseen.

Kuva 2. BSRN mittausverkosto säteilymittausten tekemiseen maanpinnalla.

Tässä on linkki julkaisuun vuodelta 2008, jossa on laskettu mittausten perusteella maapallon energiataseen säteilymääriä.https://journals.ametsoc.org/doi/full/1 … JCLI2097.1. Tämän tutkimuksen mukaan takaisinsäteilyn määrä on ollut 338,6 Wm-2 ja maapinnan emittoima säteily on ollut 398,8 Wm-2. Tämä arvo vastaa pintalämpötilaa n.16,4 °C olettaen maapallon oleva musta kappale. Viimeisimmät säteilymääräarvot ovat hieman erilaiset parantuneesta mittaustekniikasta ja auringon muuttuneesta säteilymäärästä johtuen.

Tällä kaikella olen halunnut osoittaa, että mahdollisimman yksinkertaiset kaavat (3) ja (4) antavat tuloksia, jotka ovat todennettavissa suorilla mittauksilla eli validoitavissa. Ja tämä validoinnin tarkkuus on erinomainen. Arvioikaapa näitä lukuja sen valossa, mitä IPCC ilmoittaa tulevaisuuden lämpötilan nousuksi, jos hiilidioksidipitoisuus nousee arvoon 560 ppm, ja johon päästään vuosisadan lopussa, jos mitään ei tehdä. Monimutkaiset tietokonemallit (GCM) antavat tuloksen haarukassa 1,0–2,5 °C. Tarkkuushan on eri planeetalta.

Mutta arvelen, että joku kommentoi, että miksi kaavassa (2) käytetään emissiivisyysarvona eli  emissiviteettikertoimena arvoa 1 eli mustan kappaleen arvoa, koska maapallo ei ole musta kappale.  Monet seikat mukaan lukien nämä laskelmat osoittavat, että maapallo on hyvin lähellä mustaa kappaletta.

                                                ***

Lähtökohta veden positiivisen takaisinkytkennän olemattomuudelle lähtee kaavasta (2). Tästä kaavasta voidaan laskea nimittäin se muutosta, jonka aiheuttaa ilmakehän ylärajalla tapahtuva auringon säteilyn muutos. IPCC:n ilmastotieteen kulmakiviä on laskea kaikille ihmisperäisille eli antropogeenisille tekijöille niiden aiheuttama lämpötilan muutosvoima muutettuina vastaamaan auringon säteilyn muutosta ilmakehän ylärajalla. Tästä muutosvoimasta käytetään nimitystä säteilypakote (Radiative Forcing = RF). Tämän menettelyn hyvä puoli on se, että kun lasketaan ilmastoherkkyysparametri auringon säteilynmuutoksille, se on suoraan käyttökelpoinen mille tahansa ihmisperäiselle säteilypakotteelle.

Kun puhutaan auringonsäteilyn nettomäärästä, niin kaavassa (2) se on SC(1-α)/4 ja merkitsen sen nyt termillä NSC, jolloin kaava on muodossa

NSC = sT4                                             (5)

Kun tälle kaavalle tehdään matemaattinen operaatio nimeltä derivointi, niin saadaan

d(NSC)/dT = 4sT3                                                              (6)

Kaavassa (6) sT3 voidaan korvata termillä sT4/T, jolloin kaava muuttuu

d(NSC)/dT = 4*NSC/T                                                     (6)

Kun tämä kaava käännettään toisinpäin, saadaan

dT /d(NSC) = T/(4NSC) = T/(SC(1-α))                         (7)

Termi d(NSC) tarkoittaa itse asiassa pientä muutosta auringon nettosäteilyvoimakkuudessa, jota ilmastonmuutostieteessä kutsutaan säteilypakotteeksi eli merkintä RF.

dT/RF = T/(SC(1-α))                                                         (8)

Tästä saadaan kaava (2)

dT = CSP * RF                                                                     (9)

jossa merkintä

CSP = To/(SC(1-α))                                                           (10)

Jossa To on nykyisen energiataseen mukainen arvo. Kun tähän kaavaan sijoitetaan muut maapallon energiataseen mukaiset arvot, niin ilmastoherkkyysparametrille CSP saadaan arvo

CSP = 255,6/(1368(1-0,2941)) = 0,265 K/(Wm-2)                  (11)

Olen saanut kritiikkiä aikaisemmassa blogissani, että tällainen derivointi ei ole teoreettisesti oikein, koska olen olettanut, että lämpötila T on vakio. Derivointi tarkoittaa tässä tapauksessa, että selvitetään, millainen muutos tapahtuu derivoitaessa lämpötilaa T, jolloin oletetaan, että se nimenomaan muuttuu toimintapisteen läheisyydessä. CSP:n arvossa esiintyy maapallon nykyisen energiataseen antama arvo 255,6 K astetta ja silloinhan se on vakioarvo.

On yksinkertaista selvittää, kuinka merkittävästi CSP:n arvo muuttuu, jos siinä olevaa lämpötilaa ja albedoa varioidaan. Lämpötilan muutos +2 K antaa arvon 0,267, ja +8 K antaa arvon 0,272. Takaisinsäteilyn variointi +10 % eli säteilyarvoina α = 110/340 = 0,3235 antaa CSP-arvon 0,276 ja variointi α = 90/340 = 0,2647 antaa CSP-arvon 0,254. Voin yhtyä IPCC:n johtopäätökseen, että ilmastoherkkyysparametri on varsin tunteeton ilmastossa odotettavissa oleville muutoksille ja siitä johtuen vakiollisen arvon käyttö on perusteltua. Olen laskenut CSP:n arvon spektrianalyysin avulla ja päätynyt lähes samaan tulokseen eli CSP = 0,267. Sen vuoksi olen käyttänyt kaikissa laskelmissani hieman pyöristettyä arvo CSP = 0,27 K/(Wm2).  MOT.

Lähtökohtana on ollut maapallon energiatase ja se osoittaa, että energiataseen mukaan positiivista takaisinkytkentää ei ole. On mielikuvitusta väittää, että se ilmestyy kuvaan vasta nykyaikana.

                                                ***

IPCC käyttää arvoa 0,5 K/(Wm-2), jonka perusteluissa viitataan Ramanathan et al.:n tutkimukseen vuodelta 1985. Tutkijat tekivät yhteenvedon 8 tutkimuksesta, joissa kyseinen arvo on vaihdellut välillä 0,47 – 0,53 keskiarvon ollessa tuo 0,5 K/(Wm-2). Tutkimustulos on täysin looginen ja yhtäpitävä omien analyysieni kanssa, jos lähtökohdaksi otetaan veden positiivinen takaisinkytkentä. Teoreettinen peruste tälle oletukselle on tuo kuuluisa Clasius-Clapeyronin yhtälö, joka osoittaa veden höyrynpaineen kaasufaasissa, jos siellä 100-prosenttinen suhteellinen kosteus. Täysin väärä lähtökohta.

                                                ***

Konkreettinen todiste näiden kahden CSP-arvon välille voidaan tehdä niiden muutosten perusteella, joita on tapahtunut ilmastossa vuodesta 2001 vuoden 2019 loppuun mennessä. Siltä ajalta on olemassa tarkat CERES-satelliittien mittaustiedot maapallolle tulevan lyhytaaltosein säteilyn määrän muutoksista, josta käytän jatkossa kuvissa merkintää SW (shortwave). Lämpötilamittaussarjoissa olen käyttänyt UAH-mittaussarjaa ja GISTEMP-sarjaa, jossa on n. 0,2 asteen ero UAH-sarjaa verrattuna vuoden 2019 lopussa perustuen homogonisoinnin nimissä tehdylle manipuloinnille.

Kuva 3. Ollilan yksinkertainen ilmastomalli verrattuna UAH-lämpötilaan.

Kuvasta 3 näkee havainnollisesti, että mallini seuraa mittaustulosta erittäin hyvin keskimääräisen virheen ollessa 0,073 °C ja virhe vuoden 2019 lopussa n. 0,1 °C verrattuna UAH-lämpötilaan. Kuriositeettina mainittakoon, että virhe GISTEMP-lämpötilaan on saman suuruinen, mutta eri suuntaan.

Kuva 4. IPCC:n yksinkertainen ilmastomalli verrattuna GISTEMP-lämpötilaan.

Kuvasta 4 näkyy, että kun lyhytaaltoisen säteilyn kasvu vuoden 2014 jälkeen pysyy korkealla tasolla, niin IPCC:n mallin laskema lämpötila rupeaa poikkeamaan voimakkaasti. Vuoden 2019 lopussa virhe on jo n. 0,65 °C verrattuna GISTEMP-lämpötilaan ja UAH-lämpötilaan verrattuna peräti 0,85 °C. Tämä valtava virhe johtuu ennen kaikkea positiivisesta veden takaisinkytkennästä. Lämpötilan nousu johtuu tässä mallissa SW-säteilystä 0,8 °C ja antropogeenisistä tekijöistä (kasvihuonekaasut, aerosolit ja pilvet) 0,5 °C eli yhteensä 1,3 °C. Jos veden takaisinkytkentä poistetaan, niin tämä arvo olisi n. 0,65 °C ja sen jälkeen virhe olisi kohtuullinen. Toinen merkittävä syy on noissa antropogeenissä tekijöissä. Kuvasta 4 voi havaita vihreän katkoviivan, joka on paljon korkeammalla kuin antropogeeniset tekijät yhteensä. IPCC:n on pitänyt justeerata muilla tekijöillä kasvihuonekaasujen voimakasta vaikutusta, jotta mallin arvot eivät karkaisi ihan pilviin.

Oletkos muuten nähnyt yhtään esitystä, jossa ilmastoeliitti vertaa IPCC-mallien ja mitattujen lämpötilojen suhdetta vuodesta 2001 eteenpäin ottaen huomioon lyhytaaltoisen säteilyn kasvun? Minä en ole nähnyt, enkä yhtään tieteellistä artikkeliakaan asiasta omaani lukuun ottamatta. Voihan niitä olla.

+++++++++++++++++++++++++++++++++

Kaksi lisäkuvaa klo 15:00.

 

 

Kuva 5. Globaalin lämpötilan trendi ja absoluuttisen veden määrän trendi ilmakehässä. Lämpötila nousi vuodesta 1982 vuoteen 2002 ja samaan aikaan veden määrä ilmakehsääs laski, joka on täysin vastoin veden takaisinkytkennän oletusta.

Kuva 6. Lumen pinta-alan kehitys phjoisella pallonpuoliskolla. Trendi on nouseva vastoin IPCC:n oletusta.

 

 

 

 

 

 

aveollila1

TkT, dosentti emeritus (Aalto-yliopisto). Uskon demokratiaan ja markkinatalouteen (en kapitalismiin) ja kansallisvaltioon. Olen tutkinut yhdeksän vuotta ilmastonmuutosta, josta julkaisuja on kertynyt 17. Tutkimukseni keskittyvät ilmastonmuutoksen ytimeen eli kasvihuoneilmiöön, hiilidioksidin osuuteen ilmastonmuutoksessa ja hiilen kiertoon. Tulokseni osoittavat oleellisia virheitä IPCC:n tieteessä.

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu