Ilmastotieteen historiasta nykypäivään ja miksi globaali lämpeneminen johtuu ajurista nimeltään hiilidioksidi

Ilmastotieteen historiasta nykypäivään ja miksi globaali lämpeneminen johtuu ajurista nimeltään hiilidioksidi

Olemassa olevan kasvihuoneilmiön postuloi ensimmäisenä Joseph Fourier jo 1820. Silloin hän teki havaintoja ja laskemia ja totesi, että maapallon tulisi olla huomattavasti kylmempi, kuin mitä se todellisuudessa on. Käyttämällä Stefan-Bolzmann lakia ja moderneja mittausmenetelmiä voimme laskea, mitä lämpötilan pitäisi olla:

T = 4√ S (1 – A) / 4εσ

S = auringosta tuleva energia (W/m2)

A = albedo, joka on S:n osa, joka heijastuu takaisin avaruuteen lumesta, jäästä ja sulfaatti-aerosoleista jne.

ε = emissiivisyys on osa maan pinnan emittoimasta lämpösäteilystä, joka pakenee avaruuteen

σ = Stefan-Bolzmann vakio (5.6704 x 10-8 W/m2 / K4)

S on mitattu satelliiteista käsin sitten marraskuusta 1978. Keskimääräinen S = 1366W/m2, vaikka se on hieman laskenut esim. välillä 1978 – 2103 ~-0.645W/m2.

(ks. graafi)

Albedo on myös mitattu satelliiteista käsin, joka on keskimäärin 0.3. Päinvastoin auringon aktiivisuuden, albedo on kuitenkin pysynyt suhteellisen samana, eli mitään huomattavaa trendiä ei ole havaittavissa. Muutamia anomalioita lukuunottamatta, kuten tulivuorien El Chico’n 1982 ja Mount Pinatubon 1991 vapauttamat sulfaatti-aerosolit, jotka näkyvät albedossa.

(ks. graafi)

Maanpinnan emissiivisyys vaihtelee välillä 0.965 – 0.995 merenpinnasta ja 0.9 – 0.97 maan pinnasta. Maapallon koko pinnan emissiivisyys on ~0.98, kun otetaan huomioon, että valtameret ovat 71% maapallon pinnasta.

Yllä olevasta yhtälöstä [S (1 – A)] kuvaa auringosta tulevaa energiaa, joka absorboituu maapallon pintaan. Tämä absorboitunut energia säteilee uudelleen takaisin ilmakehään, maapallon tuottamana lämpönä, joka on pidempi-aaltoista infrapunasäteilyä.

Nimittäjä [4εσ] antaa sen määrän energiaa, joka johtaa sen avaruuteen. Liittämällä S:n, A:n ja ε:n arvot Stefan-Bolzmann lakiin, saadaan maapallon lämpötila ilman kasvihuoneilmiötä:

T = 4√ (1366W/m2 x (1 – 0.3)) / 4x 0.98 x 5.6704×10-8 W/m2 /K4 = 256.1K = -17.05°C

On huomattava, että tämä lukuarvo ~ -17°C on maapallon keskiarvo. Eli onko se -18°C, tai jotakin muuta, se riippuu periaatteessa vain kolmesta muuttujasta (S, ε ja A).

Maapallon todellinen, siis keskimääräinen pintalämpötila on kuitenkin ~14.58 (NASA GISS). 

Globaalin pintalämpötilan saavuttamiseksi tarvittava efektiivinen emissiivisyys on 0.615. Tämä tarkoittaa, että ilmakehän kaasut vähentävät emissiivisyyttä 0.365. Ja koska emissiivisyys on mitta siitä, kuinka paljon lämpöä pääsee ulos avaruuteen, kasvihuoneilmiön aiheuttavien kaasujen on absorboitava lämpöä, estäen sitä pääsemästä avaruuteen pitämällä se ilmakehässä.

Joseph Fourierin jälkeen, John Tyndall identifio, että ensimmäiset kasvihuonekaasut olivat vesihöyry ja hiilidioksidi. Näistä tutkimuksista ~152 vuotta myöhemmin tiedämme paljon enemmän, eli hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasujen absorbtion ominaisuuksista (mukaan lukien vesihöyry ) ja kuinka ne vaikuttavat maapallon infrapunaspekrissä. 

Ohessa spketrianalyyseja jo vuodelta 1999.

(ks. linkki)

http://acmg.seas.harvard.edu/publications/jacobbook/bookchap7.pdf

Näiden spketrianalyysien ja laskelmien perusteella, jotka on tehty jo vuonna 1999 voidaan todeta, että hiilidioksidin osuus kasvihuoneilmiöstä on ~1/3 ja loppu ~2/3 johtuu enimmäkseen vesihöyryn vaikutuksesta.

Entä sitten muut kasvihuonekaasut, kuten metaani (CH4)? Ilmakehässä olevan metaanin pitoisuus on myös lisääntynyt ja suurin osa kasvihuoneilmiöstä johtuu vesihöyrystä. Miksi fokus on silloin hiilidioksidissa? Tähän löytyy kaksi selitystä. 

Ensinnäkin vesihöyry ei voi itsessään aiheuttaa lämpenemistä. Vesihöyryn määrää ilmakehässä säätelee ilmakehän lämpötila, ei päinvastoin. Vesihöyryn ja ilmakehän lämpötilan välinen suhde saadaan Clausius-Clapeyron-suhteesta:

des / dT = LvTes / RvT2

es = saturoituneen vesihöyryn paine

T = lämpötila

Rv = vesihöyryn kaasuvakio

Lv = latentti (piilevä) haihtumislämpö

Koska Lv on riippuvainen lämpötilasta, August-Roche-Magnus yhtälöllä voidaan ratkaista saturoituneen vesihöyryn lämpötila:

es (T) = 6.1094 17.625T / T + 243.04

August-Roche-Magnus-yhtälö osoittaa, että vesihöyryn määrä ilmakehässä nousee eksponentiaalisesti lämpötilan mukana.

(ks. graafi)

Joten mikä rooli vesihöyryllä on? Positiivinen takaisinkytkentä. Kun ilmakehän lämpötila nousee, myös vesihöyryn määrä lisääntyy, jolloin ilmakehän lämpötila nousee entisestään. 

Tämä pätee myös toisinpäin. Kun ilmakehän lämpötila laskee, vesihöyry saostuu,  mikä aiheuttaa ilmakehän lämpötilan laskua. Ilman hiilidioksidia, kun ilmakehän lämpötila alkaa laskea, vesihöyry suurentaa tätä pudotusta, kunnes vesihöyryssä ei ole enää saostumaa jäljellä, mikä alentaisi maapallon keskilämpötilaa. 

Vesihöyryn positiivisen takaisinkytkennän vaikutus on jo mitattu ilmakehässä. Mount Pinatubon vuonna 1991 tapahtuneen purkauksen seurauksena, vesihöyryn pudotus lisäsi sulfaatti-aerosolien jäähdytysvaikutusta, joka väliaikaisesti lisäsi maapallon albedoa. Pitkällä aikavälillä, ilmakehän lämpötilan noustessa, myös vesihöyryn määrä on lisääntynyt. Valtameristä vapautunut vesihöyry on lisääntynyt keskimäärin 0.41 kg/m2 vuosikymmenessä vuosien 1988 ja 2006 välillä, kun ilman lämpötila nousi 0.206 ºC, tuona ajanjaksona (UAH: n lämpötilatilastot).

Metaani, joka on hyvin voimakas kasvihuonekaasu, on globaalisti ~25 kertaa voimakkaampi kuin hiilidioksidi. Metaanin pitoisuus esim. vuonna 2013 oli 1.800ppmv. Mutta hiilidioksidin keskimääräinen konsentraatio oli viimeisten 12:sta kuukauden aikana, 393.82ppmv, joka on yli 200 kertaa suurempi.

Voimme myös laskea kunkin kaasun muutoksista odotetun lämpenemismäärän, kun tasapaino on saavutettu, käyttämällä tasapainotilaa:

ΔT = λΔF

ΔT = globaali lämpötilan muutos

λ = ilmastoherkkyys (paras estimaatti 0.809°C/W/m2)

ΔF = säteilypakotteen muutos

Tässä voimme soveltaa Myhre et al. (1998) yhtälöä, joka perustuu paitsi havaintoihin, myös niistä tehtyihin matemaattisiin sovituksiin (tiettyjen pitoisuuksien välillä):

ΔF = 5.35 W/m2 x ln (C/Co)

C = vallitseva hiilidioksidi-pitoisuus (ppmv)

Co = hiilidioksipitoisuuden referenssi (ppmv), joka on saatu esiteollisen ajan pitoisuutena (280ppmv)

Vastaava yhtälö metaanille saadaan yhtälöstä:

ΔF = 0,036 W/m2 x (√M – √M0)

M = vallitseva metaani-pitoisuus (ppbv)

M0 = metaanipitoisuuden referenssi (ppbv), joka on saatu esiteollisen ajan pitoisuutena (700ppbv)

Kun sijoitamme näihin yhtälöihin ilmakehästä mitatut arvot 2021, saamme:

ΔT (CO2) = 0.809°C/W/m2 x [5.35W/m2 x ln (415.25ppmv / 280ppmv)] = 1.7°C

ΔΤ (CH4) = 0.809°C/W/m2 x [0.036W/m2 x (√1874ppbv – √700ppbv)] = 0.49°C

Vaikka metaani voi olla molekyylikohtaisesti tehokkaampi kaasu, hiilidioksi-pitoisuuksien muutokset aiheuttavat tällä hetkellä kolminkertaisen määrän lämpötilan muutosta.

Miksi siis keskittyä hiilidioksidiin? Se on tällä hetkellä tärkein kaasu maapallon lämpötilan nousun takana.

Ps. pahoittelen graafien huonoa laatua, mutta uskoisin, että periaate selviää. Sama koskee ilmastonmuutoksen ratkaisemista, -sillä tiellä jo olemme.

HannuSinivirta

(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