Kasvihuoneilmiön määritelmät – IPCC poikkeaa ratkaisevasti muista

Palaan vielä kerran kasvihuoneilmiön määritelmään. IPCC:n ja ilmastoeliitin mukaan nykyinen ilmaston lämpeneminen johtuu kasvihuoneilmiön voimistumisesta, joka johtuu kasvihuonekaasujen pitoisuuksien kasvusta, ja ennen kaikkea lähinnä hiilidioksidin pitoisuuden kasvusta.

Kuten olen aikaisemmin jo kirjoittanut asiasta, niin IPCC:n kasvihuonemääritelmä on määritelty väärin. Tämä aihe on siitä kiitollinen, että sitä voidaan käsitellä yleisen fysiikan peruslakien tuntemisen perusteella eikä tarvita integroimisia eikä differentiaaliyhtälöitä.

Olen etsinyt kasvihuoneilmiön määritelmiä ja olen löytänyt vain kolme, joista kaksi on tieteellisesti referoitavia. Käyn läpi määritelmät ja sen jälkeen analysoin, mitä yhteneväisyyksiä ja eroja niistä löytyy. Aluksi esitän kuvan 1, jonka asiaa voi analysoida numeerisesti.

Kuva 1. Maapallon ja ilmakehän energiataseet kasvihuoneilmiöön liittyen.

IPCC (Viite 1) on itse (tietyistä syistä) määritellyt kasvihuoneilmiön eikä vedonnut mihinkään tieteellisiin julkaisuihin. Määritelmä kuuluu näin: ”Ilmakehän aineosat – (kasvihuonekaasut ja pilvet) – absorboivat suurelta osin maanpinnan emittoiman pitkäaaltoisen säteilyn (myös kutsutaan infrapunasäteilyksi), ja nämä aineosat emittoivat pitkäaaltoista säteilyä kaikkiin suuntiin. Tämän pitkäaaltoisen säteilyn alaspäin suuntautuva komponentti lisää lämpöä ilmakehän alimpiin kerroksiin ja maanpinnalle (kasvihuoneilmiö)”.

Hartmann (Viite 2) määrittelee kasvihuoneilmiön näin: ”Ilmakehän pienipitoiset kaasut (trace gases) ja pilvet absorboivat infrapunasäteilyä. Ilmakehä emittoi myös säteilyä kaikkiin suuntiin, pääsääntöisesti infrapuna-alueella. Ilmakehän alaspäin emittoima säteily lisää lämpöä maanpinnalle auringon säteilyn lisäksi. Tätä lisääntynyttä lämmitysvaikutusta kutsutaan kasvihuoneilmiöksi”.

Wikipedia ei ole tieteellinen lähde, mutta suurin osa ihmisitä hakee tietonsa luonnon ilmiöistä tästä lähteestä. Wikipedian määritelmä kasvihuoneilmiöstä on seuraava (yhteenveto nettisivustosta) https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_effect):

”Koska maapallon pinta on kylmempi kuin auringon pinta, se säteilee aallonpituuksilla, jotka ovat pitempiä kuin sen absorboimat auringon säteilemät aallonpituudet. Ilmakehä absorboi suurimman osan tästä termisestä säteilystä (kirjoittaja: sama kuin infrapunasäteily) ja se lämmittää ilmakehää. Ilmakehä saa lämpöä myös kuuman ilman kumpuamisesta ja latentista lämmöstä. Ilmakehän alaspäin suuntautuva säteilyn voimakkuus – eli kasvihuoneilmiön voimakkuus – riippuu ilmakehän lämpötilasta ja ilmakehässä olevien kasvihuonekaasujen voimakkuudesta. Ilmakehä säteilee energiaa sekä ylöspäin että alaspäin; maanpinta absorboi alaspäin suuntatuvan säteilyn. Tämä johtaa korkeampaan tasapainolämpötilaan, kuin jos ilmakehä ei säteilisi.

Määritelmien yhteiset piirteet:

  • Kasvihuoneilmiön voimakkuus on sama kuin ilmakehän alaspäin suuntautuvan infrapunasäteilyn voimakkuus.
  • Kasvihuonekaasut ovat mukana aiheuttamassa kasvihuoneilmiön.

Määritelmien erilaiset piirteet:

  • IPCC:n mukaan kasvihuonekaasut ja pilvet absorboivat maanpinnan emittoimaa infrapunasäteilyä ja säteilevät sen alaspäin infrapunasäteilynä ja vastaavat siten täysin kasvihuoneilmiöstä.
  • Hartmannin mukaan kasvihuoneilmiön aiheuttaa ilmakehän alaspäin säteilemä infrapunasäteily.
  • Wikipedian mukaan ilmakehän alaspäin suuntautuva infrapunasäteilyn voimakkuus riippuu ilmakehän lämpötilasta, johon vaikuttaa kasvihuonekaasujen absorption lisäksi kuuman ilman kumpuaminen ja latenttilämpö.
  • Wikipedia ei tunnista pilvien osuutta infrapunasäteilyn absorptiossa.

Näissä kaikissa määritelmissä on yksi yhteinen virhe. Määritelmissä ei tunnisteta, että ilmakehästä alaspäin suuntautuva infrapunasäteily pitää sisällään myös auringosta peräisin olevan ilmakehän aiheuttaman lyhytaaltoisen absorption määrältään 75 W/m^2. Se ei voi olla osa kasvihuoneilmiötä, koska kasvihuoneilmiössä on kyse nimenomaan siitä energiasta, joka ei ole peräisin suoraan auringosta, jonka suuruus on siis 240 W/m^2. IPCC:n määritelmässä on fysiikan lakien vastainen oletus, että pitkäaaltoisen säteilyn absorptio ilmakehässä (156 W/m^2) pystyy aiheuttamaan ilmakehän alaspäin suuntautuvan infrapunasäteilyn (346 W/m^2).

Kun näistä määritelmistä ottaa oikeat piirteet, niin kasvihuonemääritelmä muodostuu seuraavaksi (lähimpänä oikeaa Wikipedian määritelmä):

  • Kasvihuoneilmiön voimakkuus on ilmakehän alaspäin säteilemä infrapunasäteilyn voimakkuus pois lukien lyhytaaltoisen säteilyn määrä eli 236-75 = 271 W/m^2.
  • Ilmakehän säteilemän infrapunasäteilyn voimakkuus riippuu sen lämpötilasta, joka on neljän eri energialähteen summa: lyhytaaltoisen säteilyn absorptio (75), kasvihuonekaasujen ja pilvien aiheuttama pitkäaaltoisen säteilyn absorptio (156), latenttilämpö (91) ja kuuman ilman kumpuaminen (24), yhteensä 346 W/m^2. Lyhytaaltoisen säteilyn absorptio ei ole osa kasvihuoneilmiötä.

Koska hiilidioksidin absorptio ilmakehässä on 20,1 W/m^2, niin sen osuudeksi kasvihuoneilmiössä tulee 7,4 % vastaten lämpötilaa 2,5 °C, kun kasvihuoneilmiön kokonaisvaikutus on 33 °C.

Aurinkoenergiaa tulee maapallolle yhteensä 240 W/m^2 lyhytaaltoisena säteilynä, josta tulee maapinnalle suoraan 165 ja ilmakehän kautta 75 pitkäaaltoisena ja se palaa avaruuteen ilmakehän kautta infrapunasäteilynä. Kasvihuoneilmiöön liittyvä energiavirran suuruus on 271 W/m^2. Sitä tulee ilmakehään kolmen energiamuodon kautta, jotka ovat infrapunasäteilyn absorptio, latenttilämpö veden olomuodon muutoksen johdosta ja kuuman ilman kumpuaminen eli konvektio. Nämä kolme energiamuotoa muuttuvat ilmakehässä termiseksi energiaksi, ja ilmakehä säteilee kohonneen lämpötilan johdosta infrapunasäteilyä maanpinnalle Planckin lain mukaisesti, jossa se imeytyy veteen ja maaperään. Maapallon pinta säteilee Planckin lain mukaan infrapunasäteilyä ilmakehään. Kasvihuoneilmiön energia on ikään kuin vankina tässä kierrossa pääsemättä murtautumaan ulos ja toimii siten maapallon villapaitana pitäen planeettamme asuttavassa kunnossa.

Kun tarkastelin tieteellisiä artikkeleita, joissa käsitellään tavalla tai toisella kasvihuoneilmiötä, niin niissä on havaittavissa sama kuvio kuin esimerkiksi tutkimuksissa Kiehl &Trenberth ja Schmidt et al. Kasvihuoneilmiön olemassaolo perustellaan alkaen Fourierista, Tyndallista ja Arrheniuksesta, mutta kun pitäisi perustella, mistä tekijöistä kasvihuoneilmiö johtuu, niin se asia sivuutetaan kokonaan. Lähtökohdaksi otetaan aina maanpinnan emittoiman infrapunasäteilyn absorptio ilmakehässä eli IPCC:n määritelmä.

Tutkimuksissa ei edes viitata mihinkään tieteelliseen lähteeseen ikään kuin sellaisia ei olisi olemassakaan. Tämä on tutkijoiden kannalta turvallista. Jos nimittäin laskentaperusteet olisivat erilaiset kuin IPCC:n määritelmässä, niin tutkimuksen julkaisu alan ammattilehdissä ei menisi läpi. Miksi hankkia itselleen vaikeuksia? Tätä voi kutsua ryhmäajatteluksi (group thinking), jossa ei oikeastaan ajatella, vaan mennään enemmistön mukana. Tutkijat olisivat voineet tarttua IPCC:n määritelmään, että itse asiassa ilmakehästä alaspäin suuntautuva infrapunasäteily on kasvihuoneilmiön suuruus eli n. 346 W/m^2. Silloin olisi päädytty vielä pienempään lukuun hiilidioksidin kohdalla eli n. 5,8 %. Sillä luvulla ei olisi ollut mitään mahdollisuuksia saada tutkimus julkaistua arvostetuissa alan lehdissä.

Maallikot saattavat ajatella, että koska kasvihuoneilmiö on nykyisen lämpenemisen keskiössä, niin tämän asian perusteita on tutkittu oikein perusteellisesti. Asia on aivan päinvastoin. Olen kerännyt kuvaan 2 maapallon energiatasetta ja kasvihuoneilmiötä koskien tutkimusten tutkijoiden nimet.

Kuva 2. Maapallon energiatase- ja kasvihuonetutkimukset

En väitä, että luettelo on täydellinen, mutta on se kohtuullisen tarkka. En näe perustetta ottaa mukaan mm. Arrheniuksen nimeä, koska hänellä ei ollut riittäviä työkaluja kasvihuoneilmiön määrittämiseen. Olen ilmeisesti ensimmäinen tutkija, joka katsoi tämän hevosen suuhun, että mitä sieltä löytyy. En ollut tyytyväinen näkemääni ja jouduin määrittelemään kasvihuoneilmiön uudestaan niin, että se on sopusoinnussa fysiikan lakien kanssa.

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

Peräkaneetti 28.11.2019.

Kommenteissa oli yksi kysymys avaruuteen menevän säteilyn määristä aallonpituuksien funktiona. Vaikka se ei suoranaisesti liity kirjoitukseen, niin lisään kaksi kuvaa, jotka selventävät asiaa. Ensin kuva 3, joka esittää ilmakehässä tapahtuvan absorption aallonpituuksien funktiona ja absorption aiheuttajat.

 

Kuva 3. Maapallon pinnan säteilyn absorptio ilmakehässä.

Sitten kuva, joka osoittaa, minkälaista on infrapunasäteily, joka menee avaruuteen, kuva 4.

 

Kuva 4. Avaruuteen menevä säteily aallonpituuden funktiona.

Viitteet:

  1. The Physical Science Basis, Chapter 8.1. Working Group I Contribution to
    the IPCC Fifth Assessment Report. Cambridge University Press, Cambridge; 2011.
  2. Hartmann DL. Global Physical Climatology, Elsevier Science, USA; 2015.
  3. Ollila, Antero. Challenging the greenhouse effect specification and the climate sensitivity of the IPCC. Physical Science International Journal, 22(2): 1-19, 2019.
    http://www.journalpsij.com/index.php/PSIJ/article/view/30127/56520
  4. Ollila, Antero. The greenhouse effect definition. Physical Science International Journal, 23(2): 1-5, 2019. http://www.journalpsij.com/index.php/PSIJ/article/view/30149
  5. Kiehl JT, Trenberth KE. Earth’s annual global mean energy budget. Bull Amer Meteor Soc 90:311-323, 1997. https://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/1520-0477(1997)078%3C0197:EAGMEB%3E2.0.CO;2
  6. Schmidt GA, Ruedy RA, Miller RL, Lacis AA. Attribution of the present-day total greenhouse effect. J Geophys Res 115,D20106:1-6, 2010. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2010JD014287
aveollila1

TkT, dosentti emeritus (Aalto-yliopisto)

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu