Uuden Suomen Puheenvuoron ilmastokeskustelusta

Hössötysten tarkistuksia

Uuden Suomen Puheenvuoron ilmastokeskustelussa toistuu usein aiheeton kritiikki IPCC:n (Intergovernmental Panel on Climate Change) toimintaa kohtaan. Näitä väitteitä esittävät useimmiten henkilöt, joilla ei ole riittävää ymmärrystä ilmakehäfysiikasta, ihmisen tuottamien päästöjen vaikutuksista tai ilmastotutkimuksessa käytettävästä matematiikasta ja spektrilaskelmista. On hämmästyttävää, kuinka usein keskustelun taso putoaa mielipidepohjaiseksi, kun tieteellinen asiantuntemus loistaa poissaolollaan.

IPCC:n raportit perustuvat laajaan tieteelliseen konsensukseen, johon osallistuu tuhansia tutkijoita ympäri maailmaa. Kritiikki, joka perustuu vääriin oletuksiin ja ymmärtämättömyyteen esimerkiksi säteilypakotteesta tai kasvihuonekaasujen absorptiospektreistä, ei tarjoa tieteellistä vastinetta tälle konsensukselle. Ilmastonmuutosta ei voi tarkastella pelkästään subjektiivisten tuntemusten kautta – kyse on tarkan fysiikan ja tilastollisen analyysin synteesistä.

Usein keskustelijat esittävät väitteitä, joissa aliarvioidaan ihmisen tuottamien päästöjen vaikutuksia ilmakehän lämpötasapainoon, vaikka todellisuudessa spektrilaskelmat ja säteilyfysiikan mallit osoittavat selkeästi, kuinka kasvihuonekaasut, kuten hiilidioksidi, metaani ja typpioksiduulit, vangitsevat lämpösäteilyä ja aiheuttavat ilmaston lämpenemistä. Nämä eivät ole mielipidekysymyksiä, vaan ne ovat tieteellisiä faktoja, joita tukevat vuosikymmenten tutkimustyö ja tarkat laskelmat.

Tieteellinen ilmastotutkimus perustuu laajoihin, vertaisarvioituihin tutkimuksiin, joissa hyödynnetään viimeisintä tietoa ilmakehän fysiikasta, lämpötilasta ja matematiikasta. Kun kritiikki ei pohjaudu näihin, vaan perustuu mutuun ja harhaluuloihin, se on vaarallisen harhaanjohtavaa. On tärkeää, että yhteiskunnallista keskustelua käydään faktojen pohjalta – ei mielipiteiden ja epäluulojen varassa.

Ilmastonmuutoksen ymmärtämistä matemaattisesti on tärkeää tarkastella, miten kasvihuonekaasujen (GHG) pitoisuudet vaikuttavat ilmakehän lämpötasapainoon. Tämä voidaan tehdä asianmukaisten yhtälöiden, integraalilaskennan ja ilmakehän spektrilaskelmien avulla.

Stefan-Boltzmannin laki

Ehkä kaikkein keskeisin ja tärkein laki ilmastonmuutoksessa on Stefan-Boltzmannin laki, vaikka se ei yksinään riitä selittämään ilmastonmuutoksen monimutkaisia mekanismeja. Se on kuitenkin olennainen osa energiafysiikkaa, koska se kuvaa, miten kaikki kappaleet, kuten maapallo ja sen ilmakehä säteilevät lämpösäteilyä. Laki kertoo, että säteilyteho kasvaa voimakkaasti lämpötilan noustessa (P = σT4), mikä liittyy suoraan siihen, miten ilmasto lämpenee ja jäähtyy säteilyenergian tasapainon kautta.

Stefan-Boltzmannin lain johtaminen ja emissiviisyys (ε)

Johdetaan Stefan-Boltzmannin laki, jossa on mukana mustan kappaleen emissiivisyys ε integroimalla Planckin säteilylain avulla. Emissiivisyys kertoo, kuinka hyvin todellinen kappale säteilee verrattuna ihanteelliseen mustaan kappaleeseen, jonka emissiivisyys ε = 1. Todellisen kappaleen emissiivisyys ε voi olla välillä 0 – 1, jolloin kappale säteilee vain osan siitä energiasta, jonka vastaava musta kappale säteilisi.

Vaihe 1: Planckin säteilylaki

Planckin säteilylaki antaa spektrisen intensiteetin aallonpituuden λ kohdalla:

I (λ, T) = 2hc²/λ⁵ 1/e ^hc/λkT – 1

Tämä laki pätee ideaalille mustalle kappaleelle (ε = 1). Jos emissiivisyys ε otetaan huomioon, spektrinen intensiteetti muuttuu muotoon:

I_ε (λ, T) = εI (λ, T)

Vaihe 2: Säteilyteho emissiivisyydellä

Mustan kappaleen säteilyteho pinta-alaa kohti, kun emissiivisyys ε otetaan huomioon, on:

P_ε (T) = ∫₀^∞ I_ε (λ, T) dλ = ε ∫₀^∞ I (λ, T) dλ

Ilman emissiivisyyttä integraali vastaa mustan kappaleen säteilytehoa:

P(T) = ∫₀^∞ I (λ, T) dλ

Vaihe 3: Muunnetaan integrointimuuttuja

Tehdään muuttujan muunnos x = hc/λk_BT, jolloin:

λ = hc/xk_BT ja dλ = – hc/x²k_BT dx

Planckin säteilylaki muuttujan x avulla on:

I (λ, T) = 2(k_BT)⁵ / h⁴c³ x³/e^x – 1

Tämän avulla säteilyteho saadaan muotoon:

P(T) = 2(k_BT)⁴/h³c² ∫₀^∞ x³/e^x – 1 dx

Vaihe 4: Lasketaan integraali

Tiedetään että:

∫₀^∞ x³/e^x – 1 dx = π⁴/15

Jolloin säteilyteho mustalle kappaleelle on:

P(T) = 2(k_BT)⁴ / h³c² π⁴/15

Vaihe 5: Emissivisyyden sisällyttäminen

Emissiivisyyden ε lisääminen yksinkertaisesti skaalautuu säteilytehoon, koska emissiivisyys vähentää energian määrää suhteessa mustaan kappaleeseen. Tällöin säteilyteho emissiivisyydellä on:

P_ε (T) = εP(T) = ε 2(k_BT)⁴ π⁴/15

Lopullinen Stefan-Boltzmannin laki emissiivisyydellä (ε)

Kokonaisuudessaan säteilyteho emissiivisyydellä voidaan kirjoittaa:

P_ε (T) = εσT⁴

Missä Stefan – Boltzmannin vakio σ on:

σ = 2π⁵k_B⁴/15h³c²

Tämä on Stefan-Boltzmannin lain johdannainen emissiivisyydellä ε.

Eli S-B laki on ehkä se yksinkertaisin ja tehokkain laki, jolla voidaan tarkistaa jopa ilmastomalleja (Chriss  Bud, professor of Applied Mathematics, Dept. of Mathematical Sciences, University of Bath). Se soveltuu hyvin myös niille, jotka eivät hallitse vaikeaa matemaattista analyysiä, mikä voi olla ylivoimaista. S-B laista voidaan edelleen johtaa lämpötila T, joka on se kiinnostavin tekijä näissä kysymyksissä:

T = (P/εσ) ^0.25

Mutta se, että US:n Puheenvuorossa kirjoitellaan mitä ihmeellisempiä ilmastomalleja ja lasketaan kansa- peruskoulumatematiikalla Wm^-2:tä, ja piirretään kauniita graafeja, kun niiden fundamentit ja fysikaalinen perusta ei vastaa todellisuutta. Yksi tyypillinen esimerkki epätodellisuudesta on veden positiivisen takaisinkytkennän kiistäminen, joka on yksi ilmastonmuutoksen kulmakivistä.