Veden positiivisen takaisinkytkennän mekanismi

Faktan tarkistuksia

Tässä aihe joka edelleen aiheuttaa erimielisyyttä, etenkin ilmastodenialistien taholta, vaikka veden positiivinen takaisinkytkentä on todellisuudessa tärkeä osa ilmaston lämpenemisen mekanismeja, ja se on hyvin dokumentoitu tieteellisessä kirjallisuudessa. Tässä yhteydessä positiivinen takaisinkytkentä tarkoittaa prosessia, jossa ilmaston lämpeneminen lisää ilmakehän vesihöyryn määrää, mikä puolestaan voimistaa lämpenemistä edelleen, koska vesihöyry on voimakas kasvihuonekaasu.

Veden positiivisen takaisinkytkennän mekanismit

1. Alkuperäinen lämpeneminen: Hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasujen lisääntyminen ilmakehässä nostaa maapallon keskilämpötilaa.

2. Vesihöyryn lisääntyminen: Kun lämpötila nousee, ilmakehän kyky sitoa vesihöyryä kasvaa, koska lämpimämpi ilma voi sisältää enemmän kosteutta.

3. Kasvihuoneilmiön voimistuminen: Vesihöyry on voimakas kasvihuonekaasu, ja sen lisääntyminen ilmakehässä tehostaa kasvihuoneilmiötä, mikä johtaa lämpötilan nousuun edelleen.

4. Positiivinen takaisinkytkentä: Tämä lämpeneminen saa aikaan lisää vesihöyryn haihtumista, joka taas lisää lämpenemistä entisestään.

Matemaattinen todistus (yksinkertaistettu versio)

Positiivista takaisinkytkentää voidaan kuvata matemaattisesti ilmastoherkkyyden ja kasvihuonekaasujen vaikutusten kautta. Yksi tapa tehdä tämä on käyttää ilmastokertoimia, jotka liittyvät lämpötilan ja vesihöyryn muutoksiin.

1. Alkuperäinen lämpeneminen (ΔT₀)

Tarkastellaan hiilidioksidin aiheuttamaa alkuperäistä lämpenemistä ilman vesihöyryn vaikutusta. Tämä voidaan esittää yksinkertaisesti kaavalla:

ΔT₀ = λ x ΔF

 Missä:

• ΔT₀ = lämpötilan nousu ilman takaisinkytkentää
• λ = ilmastojärjestelmän herkkyyskerroin (°C / Wm²)
• ΔF = kasvihuonekaasujen aiheuttama säteilypakote (Wm²)

2. Vesihöyryn takaisinkytkentä:

Kun lämpötila nousee, vesihöyryn määrä kasvaa suhteellisesti. Tämä voidaan sisällyttää malliin kertoimella, joka kuvaa vesihöyryn kasvihuonevaikutuksen vahvistusta:

ΔT = ΔT₀ / 1 – f

Missä:

• ΔT = lopullinen lämpeneminen, joka sisältää vesihöyryn takaisinkytkennän
• f = takaisinkytkentäkerroin, joka kuvaa vesihöyryn vaikutusta

Jos f > 0, takaisinkytkentä on positiivinen, eli lämpötilan nousu on suurempi kuin ilman takaisinkytkentää.

3. Esimerkki kertoimesta:

Oletetaan, että:

• Alkuperäinen lämpeneminen hiilidioksidin vaikutuksesta on esim. 1°C (ΔT₀ = 1)
• Vesihöyryn takaisinkytkentä kerroin f = 0.4

Silloin lopullinen lämpeneminen ΔT voidaan laskea seuraavasti:

ΔΤ = 1/1 – 0.4 = 1/0.6 = 1.67°C

Tämä tarkoittaa, että vesihöyryn positiivinen takaisinkytkentä suurentaa alkuperäistä lämpenemistä 67 %.

Fyysinen perusta

Veden positiivinen takaisinkytkentä perustuu Clausius–Clapeyronin yhtälöön, joka kuvaa, miten ilman kyky sitoa vesihöyryä kasvaa lämpötilan mukana. Tämä on perustavanlaatuinen fysiikan laki, jonka mukaan ilman vesihöyrypitoisuus kasvaa eksponentiaalisesti lämpötilan kanssa, mikä selittää vesihöyryn lisääntymisen lämpenemisen myötä.

Empiirinen näyttö

Ilmakehän satelliittimittaukset osoittavat selvästi, että kun lämpötila nousee, ilmakehän vesihöyryn määrä kasvaa odotetusti. Tämä vahvistaa teoreettisen mallin ja matemaattisen kuvauksen veden positiivisesta takaisinkytkennästä.

Yhteenvetona, veden positiivinen takaisinkytkentä on olemassa ja sitä voidaan sekä fysikaalisesti että matemaattisesti todistaa. Se on tärkeä tekijä ilmaston herkkyydessä ja ilmaston lämpenemisen voimakkuudessa.

Taustaa vesihöyryn takaisinkytkennästä

Vesihöyry itsessään on hyvin voimakas kasvihuonekaasu, ja sen vaikutus voi jopa kaksin- tai kolminkertaistaa alkuperäisen lämpenemisen, jonka muut kasvihuonekaasut, kuten hiilidioksidi aiheuttavat. Kertoimen f = 0.4 käyttö perustuu moniin ilmastomalleihin ja havaintoihin, mutta tarkka arvo voi vaihdella hieman riippuen mallin yksityiskohdista ja alueellisista vaihteluista.

Arvioidut kertoimet tieteellisessä kirjallisuudessa

Ilmastomallit ja tutkimukset osoittavat, että vesihöyryn takaisinkytkentäkerroin on yleensä 0.3 – 0.7 välissä. Tämä tarkoittaa, että vesihöyryn positiivinen takaisinkytkentä lisää ilmaston lämpötilan nousua merkittävästi, mutta ei tee siitä itseään ruokkivaa noidankehää, koska f-arvo on < 1.

Vahvistus matemaattisesti ja fysikaalisesti

Clausius – Clapeyronin yhtälö, joka kuvaa ilman kosteuden ja lämpötilan välistä suhdetta, tukee tätä arvoa. Kun lämpötila nousee, ilmakehän vesihöyryn määrä kasvaa eksponentiaalisesti. Tämä lisää ilmakehän lämmönpidätyskykyä, mutta tasoittuu, kun vesihöyry saavuttaa tietyn tasapainon ilmakehässä. Koska lämpenemisen edetessä ilmakehä pystyy pidättämään yhä enemmän vesihöyryä, mutta ei äärettömästi, tämä selittää, miksi f-kerroin on < 1, mutta huomattavan suuri.

Havaintojen vahvistus

Satelliittimittaukset ja maapohjaiset mittaukset vahvistavat, että kun lämpötila nousee, ilmakehän vesihöyryn määrä kasvaa ennustetulla tavalla. Tämä tarkoittaa, että vesihöyryn takaisinkytkentä on reaalinen ja havaittu ilmiö, ei pelkkä teoreettinen olettamus.

Johtopäätös

Kerroin f=0.4 on hyvin realistinen arvio vesihöyryn positiiviselle takaisinkytkennälle ilmastonmuutoksessa. Se perustuu laajaan tieteelliseen näyttöön, ilmastomalleihin ja havaintoihin, ja se kuvaa veden kierron ja ilmakehän lämpötilan välisiä vuorovaikutuksia tarkasti.

Matemaattinen todistus (perustellumpi versio)

(PDE) -integrointi

Tarkastellaan tätä enin Clausius–Clapeyronin yhtälön kautta ja kuinka vesihöyryn vaikutus voidaan mallintaa osittaisdifferentiaaliyhtälön avulla.

Clausius–Clapeyronin yhtälö

Clausius–Clapeyronin yhtälö antaa vesihöyryn kyllästyspaineen (e_s) ja lämpötilan (T) välisen suhteen:

de_s / dT = Le_s / R_vT²

Missä:

• e_s = vesihöyryn kyllästyspaine (Pa)
• T = lämpötila (K)
• L = veden haihtumislämpö (J/kg)
• R_v = vesihöyryn kaasuvakio (J/kgK)

Tämä kuvaa sitä, kuinka paljon vesihöyryn määrä ilmakehässä kasvaa lämpötilan nousun myötä.

Yhtälön soveltaminen takaisinkytkentään

Koska vesihöyry on kasvihuonekaasu, se vaikuttaa säteilypakotteeseen ΔF joka taas vaikuttaa lämpötilaan T. Vesihöyryn takaisinkytkentä lisää alkuperäistä säteilypakotetta, mikä voidaan kirjoittaa seuraavasti:

ΔF_VESIHÖYRY = f x ΔF₀

Missä:

• ΔF_VESIHÖYRY = vesihöyryn aiheuttama lisäys säteilypakotteeseen
• f = takaisinkytekräkerroin
• ΔF₀ = alkuperäinen säteilypakote (esim. hiilidioksidin aiheuttama)

Tavoitteena on nyt ratkaista f PDE-yhtälöinä ja yrittää integroida se. Voimme lähestyä tätä lähtemällä liikkeelle lämpötilan ja vesihöyryn kyllästyspaineen välisestä suhteesta.

PDE – yhtälö

Koska vesihöyryn määrä q ilmakehässä riippuu lämpötilasta, kirjoitetaan PDE -yhtälön vesihöyryn määrän (q) muutokselle suhteessa lämpötilaan:

∂q/∂T = αq (T)

Missä:

• q = vesihöyryn määrä (g/kg)
• T = lämpötila
• α  = vakio, joka riippuu Clausius – Clapeyron yhtälöstä

Ratkaistaan yhtälö. Eli voimme integroida yhtälön molemmat puolet lämpötilan suhteen:

∫ 1/q (t) dq = ∫ α dT

Tämä integraali antaa meille:

ln q (T) = αT + C

Missä C on integraalivakio. Tämän jälkeen voimme ratkaista q (T):n:

q(T) = q₀ e^αT

Missä q₀ on alkutilanteen vesihöyryn määrä. Tämä ratkaisu kuvaa vesihöyryn määrän eksponentiaalista kasvua lämpötilan mukana.

Takaisinkytkentäkerroin (f)

Nyt voimme käyttää tätä ratkaisua arvioidaksemme vesihöyryn vaikutusta säteilypakotteeseen. Koska säteilypakote ΔF on suoraan verrannollinen vesihöyryn määrään q(T), voimme kirjoittaa:

ΔF_VESIHÖYRY = βq(T)

Missä β on vakio. Sijoitetaan tähän g(T)-ratkaisu:

ΔF_VESIHÖYRY = βq₀ e^αT

Säteilypakotteen lisäys voidaan siis esittää eksponentiaalisena funktiona lämpötilasta. Takaisinkytkentäkerroin f määritellään yleensä suhteessa alkuperäiseen säteilypakotteeseen:

f = ΔF_VESIHÖYRY / ΔF₀

Sijoitetaan ΔF_VESIHÖYRY tähän:

f = βq₀ e^αΤ / ΔF₀

Johtopäätös

Takaisinkytkentäkerroin (f) voidaan siis määritellä eksponentiaalisena funktiona lämpötilasta. Kertoimen arvo f = 0.4 on realistinen arvio, joka perustuu havaittuun vesihöyryn ja lämpötilan väliseen suhteeseen. Yllä oleva malli kuvaa tämän riippuvuuden, ja fysikaalisesti perusteltu eksponentiaalinen kasvu kuvaa hyvin vesihöyryn vaikutusta ilmaston lämpenemiseen.

Integroimalla PDE – yhtälön saimme lämpötilan ja vesihöyryn määrän välisen eksponentiaalisen suhteen, mikä on keskeistä vesihöyryn takaisinkytkennän ymmärtämisessä.

Havainnot vesihöyryn positiivisesta takaisinkytkennästä

1. NASA

Aqua-satelliitti

2. NASA

Terra – satelliitti

3. NOAA

POES – satelliitit

4. ESA

MetOp – satelliitit

5. NASA

GPM (Global Precipitation Measurement)

6. NASA

CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite)

7. Suomi NPP (National Polar-orbiting Partnership)

Näiden satelliittien havainnot ovat toistuvasti osoittaneet, että ilmakehän vesihöyryn määrä kasvaa lämpötilan noustessa, mikä tukee teoreettista vesihöyryn positiivista takaisinkytkentää. Nämä satelliittimittaukset ovat olleet ratkaisevassa asemassa ilmastomallien validoinnissa ja ilmastonmuutoksen vaikutusten tarkassa ennustamisessa.

Lopuksi

Näiden tietojen perusteella, jos toisin väitetään, silloin on kyse väärän tiedon levittämisestä!