Yksinkertainen koe CO2:n vaikutuksesta ilmaston lämpenemiseen – The Royal Society

Abstrakti

Tässä yksinkertaisessa kokeessa on osoitettu maapallon ilmakehässä olevan CO2:n lämpenemispotentiaalia. Kokeessa on käytetty pientä sähkövastuselementtiä, joka asetettiin puhallettavan ilmapallon sisään. Ilmapallo täytettiin joko ilmalla tai CO2:lla. Vaikka CO2:n osapaine maan ilmakehässä on n. 4 x 10-4 atm, tässä kokeessa käytettiin korkeampaa osapainetta (1atm) kompensoimaan ilmapallon lyhyttä säteilyn absorptioreittiä. Elementti kuumennettiin n. 50°C:een, sen jälkeen virta katkaistiin ja elementin jäähtymistrendit ilmassa ja CO2:ssa mitattiin. 

Lämmityselementin jäähdyttäminen takaisin ympäristön lämpötilaan kesti kauemmin CO2:lla kuin ilmalla. Elementin jäähdyttäminen kesti myös pidempään suuremmissa ilmapalloissa ja paineistetuissa ilmapalloissa, kun ne oli täytetty CO2:lla. Päinvastoin ilmapallon koolla tai paineella ei ollut merkitystä, kun ilmapallot täyttyivät ilmalla. 

Yksikertainen matemaattinen malli kehitettiin ja se vahvisti, että elementin säteilylämpöhäviö väheni merkittävästi CO2:lla. Tämä tutkimus osoitti, että kohteen jäähtymisnopeus, jonka pintälämpötila on samankaltainen kuin maan päällä havaitut lämpötilat, hidastuu CO2 -pitoisessa ilmakehässä, koska samalla sen ympäristön lämpöhäviö on pienempi.

Lähde: The Royal Society  

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsos.192075

 Kokeen tulokset

Koetulokset, jotka on piirretty kuvaan 4 osoittivat, että kun sähkölämmityselementti kytkettiin pois päältä, sen jäähtymisnopeus oli hitaampi CO2 : ssa kuin ilmassa. Esimerkiksi pienimmässä testatussa ilmapallossa (65 cm) kaksi jäähtymiskäyrää erotettiin toisistaan pienellä 0.5 K:n lämpötilaerolla 6.5 minuutin kohdalla, mikä on termoparin erikoisvirherajalla. Kuitenkin 75 cm:n ilmapallossa lämpötilaero 6.5 minuutin kohdalla kasvoi merkittävämmäksi 1.5 K:ksi, kun taas 85 cm:n ilmapallossa vastaava lämpötilaero kasvoi edelleen 2 K:iin; kuva 4. Nämä tulokset osoittavat suurempia määriä CO2:ta. Tässä tapauksessa paksummat kaasukerrokset vähentävät lämmityselementin jäähdytysnopeutta. Tämä on odotettavissa, koska kohteen säteilyjäähdytys on funktio sekä absorptiopolun pituudesta että absorboivan ympäröivän väliaineen pitoisuudesta.

(kuva 4)

Laboratorion ympäristön lämpötilan päivittäisten vaihteluiden huomioon ottamiseksi normalisoidut lämpötilaerot laskettiin myös yhtälöllä (3.1):

ΔT =  (T (time) – Tambient) / T(initial) – Tambient

(kuva 5)

Nämä tulokset kuvaavat lämpöelementin ja ympäristön välistä lämpötilaeroa suhteessa kokeessa mahdolliseen maksimilämpötilaan. Arvo 1 tarkoittaa maksimilämpötilaeroa eli alkupistettä ja arvo 0 lopputilaa eli pistettä, jossa elementti on lämpötasapainossa ympäristön lämpötilan kanssa. Näissä tuloksissa on eliminoitu kaikki huonelämpötilan vaihteluiden aiheuttamat vaikutukset. Havaitut erot CO2 -kaasun jäähdytyskäyrien välillä verrattuna ilmapallon sisällä olevaan ilmaan ovat selvästi ilmeisiä kuvassa 5. Lämmityselementin jäähtyminen on huomattavasti estynyt CO2 :ssa, ja tämä impedanssi kasvoi tämän kaasun määrän, tässä tapauksessa, kerroksen paksuuden kasvaessa.

Sen lisäksi, että ilmapallon kokoa lisättiin, kaasu paineistettiin CO2:n massan lisäämiseksi edelleen, vaikkakin vain lievästi näiden kumikalvopallojen tapauksessa. Toisessa koesarjassa arvioitiin pallon kaasunpaineen vaikutusta lämmittimen jäähtymisnopeuteen. Kaasun paine mitattiin painemittarilla, joka oli yhdistetty kaksitieventtiiliin ilmapallon sisääntulossa. Ilmapallon eheyden säilyttämiseksi paineistus suoritettiin vain kapealla painealueella 102–104 kPa. Tulokset on esitetty kuvassa 6.

(kuva 6)

Voidaan nähdä, että kun ilmassa ei ollut havaittavissa paineen vaikutusta lämmityselementin jäähdytyskäyrään, niin CO2 :ssa jäähtymiskäyrien eroaminen on ilmeistä. Ilmapallon paineen lisääminen eli CO2 -massan ja siten sen optisen paksuuden lisääminen lisäsi jäähdytyselementistä tulevan kaasun säteilevän energian imeytymistä. Tämän seurauksena sen jäähtyminen oli selvästi estynyt.

Teoreettiset laskelmat

Niissä käytettiin ao. menetelmiä (löytyy The Royal Society lähteestä)

  • Niin sanottu hahmoteltu niputettu kapasitanssimenetelmä
  • Konvektiiviset enegiahäviöt
  • Säteilyenergiahäviöt

Kokeelliset ja lasketut tulokset osoittavat johdonmukaisen trendin, jossa CO2 -täytteisen pallon lämmittimen jäähtymisnopeus on hitaampi kuin ilmatäytteisen pallon lämmittimellä. Hitaampi jäähtymisnopeus johtuu säteilylämmönsiirron vähenemisestä simuloidusta maapallosta (lämmittimestä), joka johtuu lisääntyneestä kaasun absorptiosta CO2 -täytteisessä ilmapallossa. Lisäksi on tärkeää huomata, että mallinnus osoitti, että konvektiivinen lämmönsiirto lämmittimestä on hallitseva mekanismi sekä ilma- että CO2 -tapauksissa. Taulukoissa 2 ja 3 esitettyjen tulosten  perusteella kokonaisenergiahäviöt ilmatäytteisessä ilmapallossa olivat:

konv + hrad = 45.6 + 5.74 = 51.3 Wm-2 K-1

Kun taas CO2 :lla täytetyssä ilmapallossa olevat olivat:

konv + rad = 32.8 + 4.90 = 37.7 Wm2 K-1

Konvektiivinen lämpöhäviö oli 89 % lämmityselementin kokonaisenergiahäviöstä ilmatäytteisessä ilmapallossa ja 87 % lämmityselementin energiahäviöstä CO2 -täytteisessä ilmapallossa. Tämä suhteellisen suuri konvektiivisen häviön osuus johtuu pöytäkokeen mittakaavarajoista, jotka eivät toista säteilyn hallitsevaa asemaa ilmastonmuutoksessa.

Silti simulaatio ennustaa, että säteilylämpöhäviö väheni 17 % CO2 :lla täytetyllä ilmapallolla, verrattuna ilmatäytteiseen ilmapalloon. Konvektion aiheuttaman kokonaisenergiahäviön suuri osa kokeessa on yhdenmukaisempi troposfäärin yhdistettyjen lämmönsiirtomekanismien kanssa, jotka vaikuttavat lämpötilaprofiiliin.

Globaalia energianvaihtoa Maan ja avaruuden välillä hallitsee säteilylämmönsiirto. Tämä yksinkertainen pöytäkokeilu tarjoaa keinon havainnollistaa, kuinka pieni säteilylämmönsiirron väheneminen simuloidusta maapallosta vaikuttaa havaittuun jäähtymisnopeuteen kokeessa ja laskelmissa. Tämän kokeen ja analyysin yhdistelmä on tärkeä panos tässä artikkelissa. Havaitut ja ennustetut jäähdytysnopeudet lämmittimestä tukevat hypoteesia, että CO2 -pitoisuuden kasvu ilmakehässä vähentää lämmönsiirtoa maapallolta.

Yhtälön (4.10) numeerisen ratkaisun tulokset halkaisijaltaan 65 cm, 75 cm ja 85 cm ilmapalloille on esitetty kuvissa 7 – 9. Punaiset viivat kuvaavat lämmityselementin laskettuja jäähtymiskäyriä CO2: ssa ja vihreät viivat kuvaavat lämpöelementin laskettuja jäähtymiskäyriä ilmassa.

(kuva 7)

(kuva 8)

(kuva 9)

0
HannuSinivirta
Sitoutumaton Helsinki

(el. vanh. tut. / FMI)

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu