Globaali lämpötila on nousussa so. energiaa vapautuu lämmön muodossa

Globaali lämpötila on nousussa so. energiaa vapautuu lämmön muodossa

Ilmaston historiasta:

Noin 200 vuotta sitten, fyysikko ja matemaatikko Joseph Fourier teki laajoja havaintoja ja totesi, että maapallon pintalämpötila on paljon korkeampi, kuin sen pitäisi olla. Hän päätteli, että ilmakehässä täytyy olla jotakin sellaista, mikä vangitsee lämpöä ja joka heijastuu takaisin maahan. Myöhemmin tämä ilmiö on nimetty luonnolliseksi kasvihuoneilmiöksi.

Eli maapallon pintalämpötila on ~33°C korkeampi kuin sen pitäisi olla, jos ilmakehää ei olisi. Etäisyydellä auringosta, termodynaamisessa tasapainossa oleva Maan kokoinen planeetta, jolla ei olisi ilmakehää, pintalämpötila olisi ~ -18°C. Kuitenkin, maapallon havaittu keskimääräinen pintalämpötila on ~15°C. Tästä tiedeyhteisö on yksimielinen.

Ilmasto:

Ilmasto kuvaa koko maapallon globaalia säätilaa. Se on äärimmäisen monimutkainen systeemi. Muuttujia voidaan tutkia positiivisten ja negatiivisten takaisinkytkentöjen avulla. Koska muuttujia on hyvin runsaasti ja niiden yhteisvaikutukset ovat epälineaarisia, se tekee ilmaston määrittelystä ja mallintamisesta erittäin haastavaa. Ilmaston dynamiikka on vaikeusasteena niin monimutkainen, ettei tunnettujen muuttujien arvoiksi voida määritellä oikeastaan minkäänlaisia täsmällisiä lukuarvoja.

Ilmaston dynamiikka:

Jos tutkii ilmaston dynamiikkaa tilavuudessa yksi, tilavuudessa kaksi muuttujat voivat käyttäytyä jo täysin eri tavalla. Toisin sanoen, silloin keskinäiset muuttujat eivät ole suoraan vertailukelpoisia, jollei joitakin niistä aseteta vakioksi ja tutkita, miten loput muuttujat silloin käyttäytyvät. Tämä tietysti edellyttää, että jokainen muuttuja erikseen tulee vielä asettaa vakioksi, jotta kokonaisuudesta syntyvä gradientti selviää. Silloin yleensä sovelletaan osittaisdifferentiaaleja.

(Gradientti ilmaisee funktion suurimman muutosnopeuden ja tämän suurimman muutoksen suunnan)

Ilmakehässä olevat atomit ja molekyylit:

Se miksi ilmakehä absorboi auringosta tulevaa säteilyenergiaa ja heijastaa osan siitä takaisin avaruuteen, johtuu ilmakehässä kuhisevista atomeista ja molekyyleistä. Happea ja typpeä on valtaosa. Ne reagoivat suhteellisen lyhyillä UV- aallonpituusalueilla ~0.2 μm tai sen alle. Kasvihuonekaasuista hiilidioksidi, -vesihöyry, -metaani ym. kaasut reagoivat pidempiaaltoisella infrapunasäteilyn alueella ~0.7 – 1000 μm. Näiden kasvihuonekaasujen ominaisuudet riippuvat niiden atomaarisista rakenteista, eli absorbtio – emissio energiasta.

Maapallon pintalämpötilaa kuvaava periaatteellinen malli – tasapainotilanne:

On kaksi perustekijää, jotka vaikuttavat maapallon pintalämpötilaan: 1. aurinko ja 2. ilmakehässä olevat kasvihuonekaasut ja pilviä muodostavat aerosolit.

Tasapainotilanteen vallitessa (periaatteellisesti ja suuntaa antavasti), auringosta tuleva lyhytaaltoinen säteilyenergia saapuu ilmakehään ja siitä absorboituu ~50% maahan ja ~50% emittoituu pidempiaaltoisena infrapunasäteilyenergiana takaisin avaruuteen. Tämä siksi, koska maan pinta on kylmempi, kuin auringosta saapuva lyhytaaltoinen kuumempi säteily. Säteilyenergia muodostaa  siis tasapainon, jolloin maapallon keskimääräinen (muuttuva etäisyys auringosta) pintalämpötila pysyy  muuttumattomana (ei ± trendiä).

Periaatteellinen matemaattinen malli – perustuen Stefanin-Bolzmannin termodynamiikan perus-sääntöihin:

Koska ilmaston sisäinen dynamiikka on jatkuvassa liikkeessä oleva äärimmäisen monimutkainen systeemi, mitään täsmällisiä lukuarvoja on lähes mahdoton määritellä, vaikka ne olisivat hetkellisistä osittaisdifferentiaalisista muutoksista saatuja. Tämän vuoksi, en puutu ilmaston sisäiseen dynamiikkaan. Käsittelen vain Stefanin-Bolzmannin termodynamiikkaa. 

Käytännössä, ilmakehään auringosta tulevana säteilyenergiana ja sen läpi maan pintaan saapuvana ja takaisin ilmakehään menevänä ja jälleen takaisin maahan saapuvana ja lopulta avaruuteen poistuvana säteilyenergiana, ja tämän tasapainon muutosta niin yksinkertaisesti, kuin se on mahdollista.

Seuraava periaatteellinen kuvaus, sekä Stefanin-Bolzmannin termodynamiikka yksinkertaisuudessaan, antaa ehkä paremman käsityksen:

 

Suorat ja epäsuorat havainnot:

Itse asiassa ainoat luotettavat muutokset maapallon ilmastosta ja ilmakehästä, saadaan joko suorina tai epäsuorina havaintoina, eli erilaisia havaintomenetelmiä hyödyntämällä ja niitä kehittämällä. Silloin luotettavuus, tarkkuus ja toistettavuus paranevat. Niistä seuraavassa osiossa käytännön havaintoina.

Maapallon pintalämpötila-anomalia 1880 – 2021:

Noin 141:n vuoden aikana, maapallon keskimääräinen pintalämpötila-anomalia on noussut ~1.2°C.

Lähde: NOAA https://www.ncdc.noaa.gov/cag/global/time-series

Ilmakehän kasvihuonekaasut CO2, CH4, N2O, SF6, sekä vesihöyry:

Lähde: https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

Vesihöyry

Lähde: NOAA https://www.esrl.noaa.gov/gmd/news/water_vapor40th.html

Näitä havaintoja seuraamalla herää kysymys: miksi nämä kasvihuonekaasut osoittavat järjestäen nousevaa trendiä?

Suora ja yksinkertainen vastaus tähän on se, että ilmakehään vapautuu energiaa lämmön muodossa!

Mistä tämä lämmön-nousu johtuu:

Tarkastellaan nyt yllä olevaa tasapainotilanteessa olevaa kuvaajaa ja periaatteellista yhtälöryhmää.

Tilannearvioita:

  • Staattisessa tilanteessa mikään ei muutu, jolloin lämpötilat pysyvät kaikessa suhteessa muuttumattomina
  • Sellaisessa staattisessa tilanteessa, missä auringon ja maapallon välinen etäisyys pysyy muuttumattomana, auringon aktiivisuus muuttaa maapallon lämpötilaa, mutta yksivaiheisesti
  • Kun maapallon ja auringon välinen etäisyys ja auringon aktiivisuus muuttuvat, silloin muuttuu maapallon lämpötila, mutta kaksivaiheiseksi. Tällöin syntyy luonnollinen lämpötilamodulaatio.

Jos nyt vielä summataan tähän ilmakehässä olevien kasvavilla trendeillä olevat kasvihuonekaasut, lämpötilojen yksi- ja kaksivaiheisissa muutoksissa näkyvät myös eri kasvihuonekaasujen suhteelliset muutokset. Siitä lyhyt looginen yhteenveto:

Kaikki nämä muutokset ovat suhteellisia. Kun tarkastellaan vuotuisia muutoksia, ne voivat olla joko laskevina tai nousevina monivaiheisia. Mutta kun niihin summataan nousevilla trendeillä olevat kasvihuonekaasut, ne vapautuvat lämpötila-anomalian ~141 vuotisena ~1.2°C nousuna. Syitä ei siis voida hakea suoraan auringosta, vaan lisääntyvistä kasvihuonekaasuista. Toisaalta auringon aktiivisuus on hyvin pitkällä aika-välillä jatkuvasti lisääntyvä, koska se vähitellen polttaa kaiken vetynsä ja laajenee. Vertaamalla muutosnopeuksia, auringon aktiivisuusnopeus on käytännössä kuitenkin niin hidas, että maailman melskeet ehtivät mennä moneen kertaan täysin päälaelleen.

+1
HannuSinivirta
Sitoutumaton Helsinki

(el. vanh. tut. / FMI)

Työkokemusta (tietoliikenne, -atomivoima, -lääketiede, -avaruus) tutkimus- ja tuotekehitystehtävissä.

Kantavia voimia mm. Albert Einstein.

(𝝏fA / 𝝏xA, 𝝏fA / 𝝏yA) / (𝝏fL / 𝝏xL, 𝝏fL / 𝝏yL = ∇fA / ∇fL = paljon suurempi kuin 1 ts. antroposeeni dominoi

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu