Kasvihuonekaasujen lämpötilavaikutuksen laskeminen iteroiden ilman derivaattoja ja integrointeja

Johdanto

Minua on taidettu joskus syyttää, että jutuissani on liikaa yhtälöitä. Väitetään, että jos yleisölle tarkoitetussa jutussa on yhtälöitä, niin puolet lukijoista putoaa pois aina yhtälön tullessa vastaan. Tarkoitukseni on ollut näissä ilmastonmuutosjutuissani popularisoida ilmastonmuutostiedettä, niin että tavallinen lukijakin ymmärtäisi, mitkä ovat tieteelliset perusteet esittämilleni asioille. Suomalaisista noin puolella on ylioppilastodistus, joten yhtälö ei ole ihan kummallinen juttu. Se tulee nykyisin vastaan jo yläkoulussa. Joskus esitän yhtälöt tarkentavana tietona niille, jotka kaipaavat tarkkoja tieteellisiä perusteita, mutta yritän siitä huolimatta pitää tekstin yleistajuisena ja ymmärrettävänä ilman matemaattisia yhtälöitä.

                                                                        ***

Tämänkin jutun lähtökohta on maapallon energiatase, joka on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1. Maapallon energiatase osoittaen aurinkoenergian kierron saapuen lyhytaaltoisena säteilynä, joka palaa samansuuruisena pitkäaaltoisena säteilynä takaisin avaruuteen. Kasvihuoneilmiön energia kiertää samoin maapallon pinnan ja ilmakehän välillä.

Tämän jutun tarkoitus ei ole ruotia IPCC:n virheellisen kasvihuonemääritelmän ja minun määritelmäni eroja. Yksinkertaisesti IPCC määrittelee, että kasvihuonekaasujen ja pilvien absorptioenergia 156 Wm-2 aiheuttaa kasvihuoneilmiön säteilemällä maan pinnalle yhteensä 346 Wm-2, ja se on fysiikan lakien vastaista. Kuva 1 osoittaa, mistä energiavirroista todellisuudessa koostuu kyseinen 346 Wm-2. Siinä on mukana neljä energiavirtaa, joista kolme muodostaa kasvihuoneilmiön eli pitkäaaltoisen säteilyn absorptio, latenttilämpö ja kuuman ilman kumpuaminen, yhteensä 271 Wm-2.

                                                                        ***

Jossain kohtaa IPCC pystyy esittämään asiat ihan oikein, kuten raportissaan AR5 vuodelta 2013 kuvatessaan, miten kasvihuonekaasujen konsentraation muutos saa aikaan maapallon pintalämpötilan muutoksen: ”Kasvihuonekaasujen konsentraation muutos saa aikaan välittömän säteilypakotteen (radiative forcing = RF.) Säteilypakote on nettomuutos tropaussissa tai ilmakehän ylärajalla. Pintalämpötila ja troposfääri lämpenee säteilypakotteen muutoksen takia asteettain, kunnes säteilytasapaino ilmakehän ylärajalla on palautunut ennalleen”. Tässä jutussa tarkastellaan muutoksia kasvihuonekaasujen konsentraatiomuutoksia ja lyhytaaltoisen säteilyn muutoksia ja sen vuoksi kasvihuoneilmiön määritelmällä ei ole suoranaista vaikutusta tuloksiin, koska nyt ei ole kysymys kasvihuoneilmiön koosta vaan muutoksista. Tieteelliset tarkemmat perusteet löytyvät viitteen1 julkaisusta.

Tästä säteilypakotteen toimintaperiaatteesta syntyi ajatus, että voisiko tätä säteilypakotteen muutosta laskea iteroimalla, kuten tämä kuvaus edellyttää. Kuvan 1 perusteella tätä periaatetta on helppo havainnollistaa. Kun kasvihuonekaasujen konsentraatiossa tapahtuu muutos, niin sen vuoksi niiden aiheuttama absorptio kasvaa, joka nostaa troposfäärin lämpötilaa, ja joka Planckin lain mukaan lisää alapäin suuntautuvaa säteilyä, ja joka nostaa maapallon pintalämpötilaa ja joka puolestaan lisää maanpinnan säteilyä ja joka sitä kautta lisää kasvihuonekaasujen absorptiota jne.

Syntyy siis eräänlainen ketjureaktio, joka jatkuu ja jatkuu. Tätä kutsutaan ilmastonmuutostieteessä Planckin takaisinkytkennäksi. Tässä tapauksessa takaisinkytkentä on positiivinen eli alkuperäinen muutos voimistuu prosessin edetessä. Mielenkiintoinen kysymys on, että mihin lopputulokseen päädytään, jos tätä prosessia ruvetaan toistamaan laskemalla. Tällainen laskentaprosessi on nimeltään iterointi. Jos iterointi toimii, niin lopputulos saadaan toistamalla tätä prosessia tarpeeksi kauan eli tekemällä riittävän määrän iterointikierroksia tai askelmia. Jos iterointiprosessi toimii, niin lopputulos rupeaa olemaan kohdallaan tyypillisesti noin 10 kierroksen jälkeen, joka havaitaan siitä, että haluttu tulos muuttuu sen jälkeen erittäin vähän per kierros.

                                                                        ***

Tarkempi sanallinen kuvaus suorittamastani iterointimenetelmästä on liitteessä 1. Jotta voisin laskea esimerkiksi kasvihuonekaasujen aiheuttaman säteilypakotteen muutoksen, minulla pitää olla käytettävissä matemaattinen esitys siitä, miten kuvassa esiintyvät energiavirrat ja maapallon pintalämpötilat riippuvat toisistaan. Koska muutokset ovat pieniä, niin nämä riippuvuudet ovat lineaarisia eli mahdollisimman yksinkertaisia nykyisen maapallon tasapainotilan ympärillä.

Ehkä tärkein riippuvuus on se, miten maapallon emittoima infrapunasäteily riippuu sen lämpötilasta Planckin lain mukaan. Olisin voinut käyttää alkuperäistä Planckin yhtälöä, mutta linearisoin sen liitteen 2 mukaisesti. Iteroinnissa tarvitaan viisi energiavirtaa ja niiden tarkat laskentatiedot on esitetty liitteessä 3. Näin on olemassa perusteet laskea iteroimalla lämpötilamuutoksia, jotka ovat seurauksia maapallon energiataseessa tapahtuneista pienistä muutoksista.

                                                                        ***

Suoritin muutamia iterointeja vastaten kasvihuonekaasujen konsentraatioiden muutoksien aiheuttamia säteilypakotteiden muutoksia. Kuvassa 2 olen käyttänyt omaa säteilypakotearvoa 2,16 Wm-2, joka vastaa hiilidioksidin kasvua arvosta 280 ppm arvoon 560 ppm eli kyseessä on ilmastoherkkyysarvo TCS/TCR.

Iterointi antaa tuloksen 0,614 °C, kun yksinkertainen ilmastomallini antaa tuloksen n. 0,6 °C. IPCC:n vastaava säteilypakotearvo on 3,7 Wm-2 ja iteroinnin antama tulos on 1,12 °C. IPCC:n yksinkertainen ilmastomalli antaa tuloksen 1,85 °C. Ero johtuu IPCC:n mallissa olevasta veden positiivisesta takaisinkytkennästä. IPCC itse ilmoittaa näyttämättä laskelmia, että ilmastoherkkyysarvo TCS/TCR olisi 1,2 °C, jos ilmakehässä ei olisi veden takaisinkytkentää. Ei siellä ole. Olen laskenut myös lämpötilamuutoksen vuodesta 1750 vuoteen 2011. IPCC:n raportin AR5 mukaan ilmastopakote on ollut 2,29 Wm-2 ja iterointi antaa tuloksen 0,66 °C. Oman tutkimukseni mukaan ilmastopakote on ollut vain 1,344 Wm-2 ja se antaa tuloksen 0,35 °C.

Iterointi antaa siis lämpötilanmuutoksia, joissa ei ole mukana veden positiivista takaisinkytkentää. Sen vuoksi tulokset eroavat IPCC:n yksinkertaisen ilmastomallin tuloksista, mutta on hyvin lähellä oman yksinkertaisen ilmastomallini tuloksia, joissa ei ole veden positiivista takaisinkytkentää.

Kuvasta 2 näkyy muutama mielenkiintoinen seikka. Säteilypakote 2,16 Wm-2 aiheuttaa aluksi vastaavan pienentymisen avaruuteen menevään säteilyyn LWout. Iteroinnin lopputulos osoittaa, kuinka säteily on lähes palautunut alkuperäiseen arvoonsa 240 Wm-2 versus 239,972 Wm-2. Toinen mielenkiintoinen seikka on, että alkuperäinen säteilypakote 2,16 Wm-2 on kasvanut tämän ns. Planckin takaisinkytkennän takia arvoon 3,512 Wm-2. Iterointi toimii, niin kuin teoriaa edellyttääkin.

                                                                        ***

Tätä juttua varten tein vielä yhden iteroinnin ja se koski lyhytaaltoisen säteilyn muutosta ilmakehässä välillä 2001–2019. IPCC ja ilmastoeliitti eivät ole sattuneesta syystä halunneet raportoida tätä erikoisesti vuoden 2014 jälkeen tapahtunutta voimakasta ilmiötä. Syy on se, että se selittää lämpötilapaussin loppumisen vuoteen 2014 ja miksi lämpötila on nyt noin 0,4 °C korkeampi kuin paussin aikana. Syy ei ole hiilidioksidin lisääntyneessä konsentraatiossa, koska IPCC:kin tietää, että hiilidioksidi ei pysty näin nopeasti nostamaan lämpötilaa. Nimittäin lyhytaaltoisen eli auringosta peräisin olevan säteilyn voimakkuus on kasvanut 1,68 Wm-2 ja se on himpun verran enemmän kuin hiilidioksidin säteilypakote vuodesta 1750 vuoteen 2011 mennessä eli 1,66 Wm-2. Olen julkaissut asiasta tieteellisen raprotin, viite 2. Iteroinnin tulokset ovat kuvassa 3.

Sarakkeessa 3 näkyy lyhytaaltoisen säteilyn lisäys arvosta 165,000 Wm-2 arvoon 166,680 Wm-2. Iteroinnin tulos on lämpötilan nousu 0,460°C, kun yksinkertainen mallini antaa tuloksen 0,454 °C. Kaiken lisäksi nämä arvot ovat hyvin lähellä sitä lämpötilan nousua n. 0,4 °C, joka on todellisuudessa tapahtunut vuoden 2014 jälkeen. Ulosmenevä säteily LWout asettuu myös lähelle sitä muutosta, joka on tapahtunut auringon säteilyvoimakkuudessa 166,680 + 75 = 241,680 Wm-2 versus 241,610 Wm-2.

                                                                        ***

Iterointi toimii siis myös auringon säteilyn muutoksille. Tämä viimeinen iterointi antaa selityksen sille, miksi maapallon energiatase, kasvihuoneilmiön suuruus ja lämpötila ovat juuri sellaisia kuin ne ovat. Kaikki maapallon energia tulee käytännössä auringosta. Myös kasvihuoneilmiön energiavuot, jotka ovat jääneet kiertämään maan pinnan ja ilmakehän välissä, ovat peräisin auringosta. Jos esimerkiksi auringon säteilyvoimakkuus kasvaa, niin kasvihuoneilmiön voimakkuus kasvaa, ja maapallon pintalämpötila asettuu uuteen tasapainolämpötilaan kuten kävi Kuvan 3 mukaisessa iteroinnissa. Iteroinnista käy ilmi, että kasvihuonekaasujen aiheuttama absorptio kasvoi arvosta 152,191 W/m-2 arvoon 153,212 Wm-2, vaikka kasvihuonekaasujen konsentraatio ei kasvanut. Ei siis ole mitään sattumaa tai mysteeriä siinä, että maapallon lämpötila on se, mitä se on. Kaikki lähtee auringosta ja maapallon olosuhteet ovat ratkaisevia tekijöitä, miksi meillä on kasvihuoneilmiö ja asuttava planeetta.

                                                                        ***

Viitteet:

  1. Ollila A. The Greenhouse Effect Calculations by An Iteration Method and The Issue of Stratospheric Cooling. Phys Sci Int J 2020;24(7)):1-18.
  1. Ollila A. The Pause End and Major Temperature Impacts During Super El Niños are Due to Shortwave Radiation Anomalies Physical Science International Journal, 24(2), 1-20, 2020

                                                                        ***

Liite 1. Iteroinnin kaaviokuva.

                                                                        ***

Liite 2. Lineaarinen yhtälö pintalämpötilan ja sen säteilymäärän välillä

According to Planck’s radiation law the emitted flux of the material at the temperature of 15 °C is 390.93 Wm-2, and the same at the temperature of 17.2 °C is 403.10 Wm-2 assuming the emissivity 1.0. A linear equation has been applied based on these two points for calculation the surface temperature Ts (°C) based on the emitted flux Es.

Ts = -55.6684 + 0.18077 * Es      

                                                            ***

Liite 3.  Kertoimet, joita on käytetty iterointiprosessissa perustuen maapallon energiataseeseen.

Flux Coefficient Value
LW radiation emitted to the atmosphere, Aa Aa/SRF 0.719
LW radiation transmitted from surface to space, Et Et/SRF 0.0558
Total absorption by GH gases, At At/Aa 0.4182
Total LW radiation emitted by the surface, Es Es = Aa + Et
Total LW radiation to space, ORL OLR = Es-At
Reradiation to the surface, Ed Ed=90+75+At+T
Sensible heat, T T T= -7.277 + 1.9867 * Ts

 

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