Maapallon infrapunasäteily ja kasvihuonekaasujen absorptio

Sekoilin kommenteissani muutama päivä sitten koskien maapallon emittoimaa säteilyä ja kasvihuonekaasujen aiheuttamaa absorptiota. Haluan tällä blogikirjoituksella osoittaa, minkälaista on maapallon emittoima infrapunasäteily ja miten kasvihuonekaasujen aiheuttama absorptio ilmakehässä näkyy eri aallonpituuksilla.

Planckin säteilylaki osoittaa, että kaikki materiaali säteilee koko ajan radiomagneettista säteilyä kaikilla aallonpituuksilla röntgensäteilystä radioaaltotaajuuksiin saakka:

U = ((8¶hc^2)/(λ^5))*(1/(e^(/hc/(λkT))-1)),

missä U on säteilyn intensiteetti, λ on säteilyn aallon pituus, c on valonnopeus, h on Planckin vakio, k on Boltzmannin vakio, ja T on absoluuttinen lämpötila (K). Tämän yhtälön avulla jo lukiolainen pystyy laskemaan, minkälainen on säteilyn intensiteetti valitulla aallonpituusalueella, kun materiaalin lämpötila tunnetaan.

Kuva 1. Auringon ja maapallon säteilytiheys aallonpituuden mukaan. Huomaa logaritminen skaala.

Kuvasta 1 näkyy, että auringon korkeasta lämpötilasta johtuen sen aallonpituusalue on kapea alueella 0,2 – 4 mikrometriä. Kuvaan on piirretty myös näkyvän aallonpituuden alue 0,4 – 0,7 mikrometriä.

Kuva 2. Maapallon säteilyintensiteetti kolmen lämpötilan mukaan.

Kuvasta 2 näkyy, kuinka maapallon pintalämpötilan säteilyintensiteetti muuttuu lämpötiloissa 7, 15 ja 25 astetta. Merkille pantavaa on, että aallonpituusalue ei juurikaan muutu, mutta intensiteetti riippuu voimakkaasti lämpötilasta.

Kuva 3. Infrapunakuva ihmisen kasvoista.

Kuva 3 osoittaa, että nykyisillä infrapunakameroilla saadaan erittäin hyviä kuvia, perustuen kameroiden hyvään erottelukykyyn.

Kuva 4. Maapallon emittoima säteily ja kasvihuonekaasujen absorptioalueet maapallon keskimääräisissä olosuhteissa.

Kuva 4 osoittaa, miten maanpinnan emissio (punainen käyrä) muuttuu aallonpituuden mukaan. Kuvassa on jätetty pois aallonpituusalue yli 25 mikrometriä, koska sen yläpuolella vesi absorboi kaiken säteilyn. Ilmakehän vesihöyry absorboi kaiken infrapunasäteilyn alueilla 5,5-7,5 ja 20-100 mikrometriä. Kuten kuvasta näkyy, niin metaanin ja typpioksiduulin absorptiopiikit menevät täysin veden ja hiilidioksidin absorptioiden kanssa päällekkäin ja siitä johtuu niiden mitätön vaikutus lämpötilaan. Kokonaisabsorptio on sinipunainen käyrä.

Hiilidioksidin pääabsorptiopiikki on alueella 12-18 mikrometriä. Tällä alueella veden ja hiilidioksidin absorptiot menevät täysin päällekkäin. Infrapunakuvaus onnistuu, jos kameran aallonpituusalue on välillä 7-14 mikrometriä, koska silloin kasvihuonekaasut eivät absorboi kokonaan infrapunasäteilyä. Kuvaan on väritetty vihreällä se alue, jonka hiilidioksidi lisää kokonaisabsorptiota.

Kuva 5. Säteily ja absorptio erilaisissa ilmasto-olosuhteissa.

Kuvassa 5 on esitetty keskimääräisen ilmaston veden absorptio (katkonainen sininen viiva), trooppien ilmaston veden absorptio (vahva sininen viiva) ja ilmakehän US Standard Atmosphere 76 (vaalean sininen ehyt viiva). Kiehl & Trenberth tekivät ensimmäisen maapallon energiabudjetin laskelmat 1987 ilmakehällä US Standard Atmosphere 76 ja siksi ne ovat aika pahasti virheelliset. Nämä kolme käyrää osoittavat, kuinka vahva kasvihuonekaasu vesi on (12 kertaa vahvempi kuin hiilidioksidi) ja kuinka sen vaikutus on merkittävä kokonaisabsorptiossa. Tropiikissa hiilidioksidin osuus on hyvin pieni kasvihuoneilmiössä.

Kuva 6. Hiilidioksidin pitoisuuden vaikutus absorptioon.

Kuva 6 osoittaa, miten hiilidioksidin absorptio muuttuu sen pitoisuuden kasvaessa. Siitä näkyy silmälläkin, että pitoisuuden kasvu 280 – 379 ppm aiheuttaa suurin piirtein saman verran absorptiota kuin kasvu 379-560 ppm. Hiilidioksidilla olisi potentiaalia absorboida enemmän myös piikin toisella puolella, mutta siellä sillä ei ole vaikutusta, koska absorptio on jo käytännössä maksimissaan. Kun hiilidioksidipitoisuus nostetaan reippaasti kuten kuvassa maksimissaan arvoon 10 000 ppm eli 1 prosenttiin, niin hiilidioksidin absorptio alkaa nousta voimakkaasti ilmakehän ikkunan alueella eli 10 mikrometrin molemmin puolin. Jos ilmakehä olisi täysin hiilidioksidia, niin se absorboisi kaiken infrapunasäteilyn alueella myös 7-14 mikrometriä.

Lopuksi. Tällaisia kuvia et löydä tutkimusjulkaisuista etkä nettisivustoilta. Miksiköhän? Siihen on mielestäni kaksi syytä. Ensimmäinen syy on, että ilmastoeliitti ei halua osoittaa näin havainnollisia kuvia hiilidioksidin heikkoudesta kasvihuonekaasuna. Toinen syy on, että on ilmeisen harvoja tutkijoita, jotka osaavat tehdä spektrianalyysilaskelmia.

Lisäys 7.1.2021 klo 16.00

Netistä löytyy myös väärää tietoa. Ensin löysin tiedon, että aaltoluku lasketaan kaavalla 1/ L, jossa L on aallonpituus. Sitten löysin toisen kaavan, jonka mukaan aaltoluku lasketaankin kaavalla 2¶/L. Tämä kaava antaa lukuja, joiden mukaan pintalämpötilan maksimi on kyllä edelleen kohdassa 10 µm vastaten taajuutta 628 cm^-1. Tämä mysteeri selvisi.  

Kuva 7. Wikipedian kuva emissiosta ja absorptiosta

Olen lisännyt alkuperäiseen tekstiin uuden kuva 7 Wikipediasta, jossa on käytetty aaltolukua x-akselilla, jota on kutsuttu taajuudeksi, ja sen taajuusluku noudattaa ylläesitettyä kaavaa. Toinen lisätty kuva 8 on Kiehl & Trenberthin energiatase-julkaisusta. Sen y-akselin arvot ovat aivan eri suuruusluokkaa kuin Wikipedian kuvassa. Selvisi, että samat y-akselin arvot kuin Wikipedian kuvassa saadaan kertomalla arvot luvulla 0,1*U/(2*¶), jossa U on säteilyintensiteetti.

Kuva 8. Kiehl & Trenberthin kuva emissiosta ja absorptiosta.

En ole koskaan pitänyt taajuusakselin käytöstä. Tässäkin tapauksessa se hävittää CO2:n absorptiopiikin, kun K&T:n esityksessä se näkyy selvästi kuten myös ilmakehän ikkunan kohdalla tapahtuva voimakas infrapunasäteily avaruuteen. Taajuusakselin käyttö hävittää nämä oleelliset tiedot. K&T:n kuvassa CO2-absorptiopiikki on liian voimakas, koska spektrianalyysissä käytetty vesihöyryn pitoisuus ilmakehässä on vain 50 % oikeasta arvosta, mutta muuten kuva on ok.

aveollila1

TkT, dosentti emeritus (Aalto-yliopisto). Uskon demokratiaan ja markkinatalouteen (en kapitalismiin) ja kansallisvaltioon. Olen tutkinut yhdeksän vuotta ilmastonmuutosta, josta julkaisuja on kertynyt 19. 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