Ilmakehäfysiikkaa pähkinän kuoressa – kahden eri säteilytyypin taajuuden ero

Kahden eri säteilytyypin taajuuden erolla on suuri ero ja merkitys

Kahden eri säteilytyypin taajuuksien ero on tärkeä. Siitä tosiasiasta, että voimme nähdä auringon, tiedämme, että ilmakehä on suurelta osin läpinäkyvä näkyvällä kaistalla olevalle säteilylle. Mutta se ei ehkä läpäise infrapunakaistan säteilyä. Tässä tapauksessa se absorboisi Maan pinnan ylöspäin lähettämää säteilyä, mutta ei auringosta alas tulevaa säteilyä. Se muuttaisi kaiken, ja tämä mahdollisuus on keskeinen maanpäällisen kasvihuoneilmiön kannalta. Nähdäksemme tämän selkeämmin oletetaan, että Maan ilmakehä absorboi ja varastoi osan vaikkapa (b) tästä energiasta. Silloin sen sijaan, että se säteilisi  PEARTH tehoa avaruuteen kuten ennen, maapallo säteilisi.

(1 – b) PEARTH = (1 – b) 4πR2 kT4

Näin ollen säteilytehoa poistuisi avaruuteen yhtä paljon kuin Maa saa auringosta

(1 – b) PEARTH + PA = PSOLAR

Koska (1 – b) < 1 tämä tarkoittaa, että maan pinnalle säteilevän tehon tulisi olla suurempi kuin se olisi, jos b olisi 0. Ja koska säteilevä teho on verrannollinen neljänteen potenssiin lämpötilasta, tämä puolestaan tarkoittaa, että Maan lämpötilan pitäisi olla korkeampi kuin se muuten olisi, jos osa sen muutoin avaruuteen säteilemästä energiasta ei joutuisi ensin ilmakehään loukkuun. 

IR-säteilyn absorptio on siis kasvihuoneilmiön ytimessä, vaikka varsinaiset yksityiskohdat ovatkin monimutkaisempia. Vaikka juuri esittämäni malli on yksinkertainen, (kuten fyysikoiden on tapana tehdä ensimmäisellä yrittämällä), yksinkertaiset mallit paljastavat usein tärkeimmät fyysiset tekijät, jotka ovat pelissä.

Voimme olla hieman realistisempia tiedostamalla, että jos ilmakehä itse absorboi lämpöenergiaa, se ei voi vain varastoida sitä, vaan sen täytyy myös säteillä energiaa, jos se ei halua jatkaa kuumenemista. Jos koko ilmakehää arvioidaan yhdeksi ainoaksi lämpötilaksi, se säteilee teholla PA = 4πR2 kTA4. Mutta siten se lähettää säteilyä kahteen suuntaan, sekä ulos avaruuteen että takaisin maahan.

 

 

Jotta maapallo olisi tasapainossa tulevan auringon säteilyn kanssa, Maan avaruuteen ja ilmakehästä avaruuteen lähtevien tehojen summan on oltava yhtä suuri kuin auringosta tuleva teho, eli:

(1 – b) PEARTH + PA = PSOLAR

Jotta ilmakehä olisi tasapainossa siihen Maasta tulevan säteilyn kanssa, sen kokonaisemissio eli sen emissio takaisin Maata kohti plus sen säteily avaruuteen on oltava yhtä suuri kuin mitä se absorboi. 

Tämä on murto-osa (b) maapallon lähettämästä säteilystä

b PEARTH = 2PA

Käyttämällä tätä relaatiota PA edellinen muoto tuottaa:

(1 – b / 2) PEARTH = PSOLAR

Tämä hieman realistisempi malli viittaa siihen, että vaikka myöhempi emissio ilmakehästä avaruuteen sisällytettäisiin arvioon IR-säteilyn absorption jälkeen maasta, maan säteilevä teho kasvaa silti verrattuna siihen, mitä se olisi, jos ilmakehä ei absorboisi säteilyä. 

Määrä, jolla se kasvaa, on kuitenkin erilainen. Vielä tärkeämpää on, että tämä malli on johdonmukainen vain jos oletetaan, että avaruuteen säteilevän ilmakehän lämpötila on alhaisempi kuin Maan lämpötila. Jos se olisi sama, ilmakehän huippu lähettäisi säteilyä samalla teholla kuin maan pinta. Tämä on yhdenmukainen b = 0:n kanssa, tai ilman IR-säteilyn absorptiota ilmakehässä. 

Kuten näemme, tämä vaatimus täyttyy juuri siksi, että ilmakehä ei ole homogeeninen ja ilmakehän yläosa on sekä vähemmän tiheää että viileämpää. Mutta kuitenkin näin yksinkertaisen mallin perusteella on epärealistista odottaa tarkkoja kvantitatiivisia arvioita, mutta sitä voidaan käyttää oppaana osoittamaan absorption merkittävän roolin maapallolla havaitun kasvihuoneilmiön kokonaissuuruuden määrittämisessä. 

Maan pinnan keskilämpötilan on havaittu olevan n. 15 °C ei siis -18 °C, joka maapallolle saadaan ilman absorboivaa ilmakehää. Tätä yksinkertaista mallia käyttämällä havaitaan, että suurin osa Maan pinnalta tulevasta IR-säteilystä joutuisi absorboimaan ilmakehää – itse asiassa lähes 80% siitä. 

Ehkä tärkein syy siihen, että tätä mallia käyttävät yksityiskohtaiset kvantitatiiviset arviot ovat parhaimmillaankin likimääräisiä, johtuen siitä, että esittämäni malli jättää huomioimatta useita fysikaalisia vaikutuksia, paitsi auringon säteilyn absorboitumiseen maan pinnalle ja sitä seuraavan lämpösäteilyn pintaan ja ilmakehään. 

Ensinnäkin, vaikka ilmakehä on enimmäkseen läpinäkyvä auringon säteilylle, onneksi se ei ole sitä täysin, tai saatamme kaikki menehtyä ihosyöpään UV- säteilyn seurauksena. Kaiken kaikkiaan ilmakehä absorboi n. 23% tulevasta auringon säteilystä tarkoittaen heijastuksen ja ilmakehän absorption välissä, vain n. 49% tulevasta auringon säteilystä pääsee alas maan pinnalle. 

Maan ilmakehä ja pinta eivät ole läheskään tasaisia, joten lämpötilat vaihtelevat suuresti päiväntasaajalta napoihin ja lämpötilat ja absorptionopeudet vaihtelevat pystysuunnassa ilmakehän läpi. Näin ollen on karkea likiarvo käsitellä ilmakehää yhtenä homogeenisena kokonaisuutena. 

Myös tuuli- ja merivirrat siirtävät lämpöä sivusuunnassa maan ympäri. Lisäksi maapallon lämpövasteaika (johtuen suurelta osin valtamerten valtavasta lämpökapasiteetista) on sellainen, että voi kestää vuosisatoja ennen kuin lämmön kertyminen ilmenee lämpötilan nousuna, joten säteilyn epätasapaino voi ilmetä jonkin aikaa, ennen kuin tasapainolämpötilat saavutetaan.

Yhtä tärkeää kokonaisenergiatasapainon muuttamisessa on se, että säteily ei ole ainoa tapa siirtää lämpöä maapallolta ilmakehään, koska maan pinta on suorassa fyysisessä kosketuksessa ilmakehän kanssa. Hieman yli 50% saapuvasta aurinkoenergiasta, joka saavuttaa Maan pinnan (tai noin 25% koko saapuvasta aurinkovirrasta) poistuu pinnalta haihtumisen kautta. 

Lämpö menee haihtuvaan veteen, joka varastoituu ja vapautuu myöhemmin myrskyissä. Tämä mahdollistaa lämpöenergian siirtämisen lämpimämmistä kylmempiin paikoista maapallolla. Toiset n. 10% maan pinnan saavuttavasta aurinkoenergiasta siirtyy konvektiolla takaisin ilmakehään. 

Maan pinnan lähellä oleva lämmin ilma nousee ilmakehään, jossa se vapauttaa energiaansa laajenemalla ja jäähtymällä. Tämä jättää vain 35 – 40% maan pinnalle absorboituneesta tulevasta säteilystä vapauduttuaan lämpösäteilyn muodossa. Ilmakehä absorboi luonnostaan tätä säteilyä mikä tarkoittaa, että n. 24% Maan pinnan absorboimasta säteilystä päätyy uudelleen pinnalta avaruuteen. Tämä puolestaan tarkoittaa, että vain noin 12% Auringosta tulevasta kokonaissäteilystä (muista, että vain 48% saapuvasta kokonaissäteilystä päätyy maan pinnalle) säteilee takaisin avaruuteen maan pinnalta. Koska n. 30% kaikesta tulevasta säteilystä heijastuu, jää lähes 60%  joka ilmakehän on säteilytettävä uudelleen avaruuteen, jotta maa-aurinkojärjestelmä pysyy lämpötasapainossa. 

Tämä havainnollistaa ominaisuutta, joka on keskeinen maanpäällisen kasvihuoneilmiön kannalta. Suurin osa tulevasta auringon säteilystä absorboituu maan pintaan, kun taas suurin osa lähtevästä säteilystä on säteilyä avaruuteen maan ilmakehän huipulla. Tämä on seurausta ilmakehään varastoidusta lämpöenergiasta, joka on havaittu molemmissa aiemmin kuvailemissani malleissa. 

Huomaa myös, että ilmakehän huippu on lämpösäteilytasapainossa n. 60%:n osuudella aurinkoenergiasta. Tämän seurauksena voisi olettaa, käyttämällä alkuperäistä arviota ilman ilmakehää (-18°C tai 253°K), että keskilämpötila ilmakehän yläkerroksessa, jossa säteilyä säteilee, olisi jotain (0.6) 1/4 x 253°K≈ -48°C. 

Onneksi tämä on sopusoinnussa lämpötilahavaintojen kanssa lähellä troposfäärin huippua noin 10km maanpinnan yläpuolella, missä suurin osa ilmakehän absorboivasta osasta sijaitsee. 

Kun ilmakehän yläosa säteilee energiaa ylöspäin, vähintään yhtä paljon (60% tulevasta aurinkovirrasta) täytyy säteillä alaspäin. 

Mutta itse asiassa ilmakehä säteilee paljon enemmän energiaa pintaan kuin avaruuteen. Tämä niin kutsuttu ”takaisin-säteily” saattaa tuntua yllättävältä, sillä se on aiheuttanut hämmennystä erityisesti niille, jotka eivät ole halukkaita hyväksymään kasvihuoneilmiön perusfysiikkaa. 

Ensinnäkin ilmakehä on lämpimämpi alemmilla korkeuksilla, missä se säteilee alas pintaan, ja voisi odottaa enemmän tehoa tältä alueelta. Mutta mikä vielä tärkeämpää, pinta siirtää n. 35% absorboimastaan auringon lämmöstä ilmakehään haihdutuksen ja konvektion kautta, sekä laskee n. 5% säteilyenergiastaan suoraan ilmakehään. 

Kun nämä lasketaan yhteen käy ilmi, että ilmakehän täytyy säteillä takaisin maahan lisää säteilyä, joka vastaa n. 40% maapallolle alun perin osuvasta aurinkoenergiasta, jotta se ei kuumene. Tämä tarkoittaa, että se säteilee alaspäin energiaekvivalenttia lähes 100% siitä energiasta, joka alun perin tuli maapallolle auringosta. 

Pinta, joka on paljon lämpimämpi kuin ilmakehä yleensä, päätyy säteilemään ylöspäin n. 116 % Maahan tulevasta aurinkoenergiasta, mikä tasapainottaa osuutta alkuperäisestä aurinkovirrasta, joka kulkeutuu alas pintaan sekä energiaa, minkä ilmakehä säteilee alaspäin. Tästä ylöspäin suuntautuvasta säteilystä n. 12% kulkee takaisin ilmakehän läpi ja ulos suoraan avaruuteen, ja loput 104% absorboituu ilmakehään.

Ohessa NOAA:n maapallo – ilmakehä energiabalanssi visuaalisesti esitettynä

Lähde NOAA (12.11.2022)

 https://www.noaa.gov/jetstream/atmosphere/energy

On syytä korostaa, että voimme itse asiassa mitata kaikki nämä suureet, vaikka yleiset ominaisuudet olisivat jo yksinkertaisimmilla malleilla ennustettu. Alaspäin suuntautuvat satelliitit voivat mitata ilmakehästä ja maan pinnasta lähtevää ylöspäin suuntautuvaa säteilytehoa. 

Lisäksi, koska auringosta tulevan valon spektri on erilainen kuin ilmakehän säteilemän säteilyn spektri, pystyvät maanpinnalla ylöspäin osoittavat ilmaisimet erottamaan ne toisistaan.

+1
HannuSinivirta
Sitoutumaton Helsinki

(el. vanh. tut. / FMI)

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu