Välipuhe hiilidioksidin säteilystä

Keskusteluissa on käynyt ilmi, että monet ns. kasvihuoneilmiön aatteelliset puolustajat ymmärtävät huonosti sekä ilmakehän tapahtumia, että vakaumuksellisesti propagoimansa periaatteen fysiikkaa. Se on sikäli outoa, että kyseisen ilmiön tuhoisuudella perustellaan sekä ilmaston ”suojelemista”, että energiapolitiikkaa, jossa hiilestä pyritään pääsemään kokonaan eroon. Loppujen lopuksi juuri energiapolitiikasta on kysymys.

Aikaisemmissa kirjoituksissani on ongelmaa lähestytty laaja-alaisesti haarukoiden, eri puolia valottaen. Tässä kiinnitän huomiota vain yhteen asiaan, tosin sitäkin tärkeämpään.

Jokainen kasvihuoneilmiöstä puhuva painottaa, miten hiilidioksidimolekyylit absorboivat matalataajuista IR-säteilyä eli lämpösäteilyä. Ei ole aina kovin selvää, mistä asianomaiset ajattelevat lämmön tulevan ja miten he kuvittelevat ylipäätänsä ilmakehän lämpenevän. Absorptio oletetaan taikasauvaksi, joka nimenomaan hiilidioksidin avulla kohottaa ilman lämpötilaa itse itseään ruokkien. Dogmi korostaa ajatusta nopeutuvasta tai pahenevasta kasvihuoneilmiöstä.

Jos sovitaan, että matalataajuinen säteily tulee auringon lämmittämältä maatasolta, joudutaan hiilidioksidin absorptiosta eli säteilyenergian ”imemisestä” keskustelemaan täsmällisin käsittein. Tilannetta havainnollistaa oppikirjasta kopioimani kaavio (Hans Häckel; Meteorologie, Ulmer-Verlag Stuttgart, 2005, s.175):

Maanpinnan IR-säteily

Kuvan alapuolella oleva käyrä kertoo maanpinnalta lähtevästä säteilystä, yläpuoliset kuviot määrittelevät eri kaasujen absorbtiotaajuudet. Teksti Erdboden T=288K (15 C) tarkoittaa, että maanpinnan keskilämpötilan 15 astetta kohdalla avautuu IR-säteilylle vapaa kanava, ellei pilviä (Wolken) ole taivaalla. Alimpana oleva asteikko osoittaa, että säteilyhuipun aallonpituus on 10 mikrometriä. Tätä kautta ja tällä taajuudella tai ”kanavalla” lämpö karkaa suoraan avaruuteen.

Myös avaruusikkunaksi kutsutun aukon vasemmalla puolella on kapea otsonin O3 absorbointialue ja sen rinnalla kattava H2O vesihöyryn alue aaltopituuksineen. Ikkunan oikealla puolella nousee hiilidioksidin CO2 absorptiokäyrä, joka käsittää aaltopituudet 12-16 mikrometriä siten, että vesihöyry pidemmän aaltopituuden osalta kattaa hiilidioksidin spektrin.

Kuvio osoittaa, että hiilidioksidi absorboi maatasolta tulevaa IR-säteilyä vain pääabsorptioalueellaan.

Kuten aikaisemmin on kerrottu, alailmakehän ilmanpaineessa hiilidioksidi ei kykene säteilemään, vaan menettää absorptioenergiansa osin epäelastisissa törmäyksissä, osin elastisissa törmäyksissä tai säteilyssä. Mutta säteily tulee tilastollisesti mahdolliseksi vasta yli kymmenen kilometrin ilmanpaineessa, jossa lämpötila laskee alle -53 Celsius-asteen. Tilanne näkyy allaolevassa satelliittimittauskuvassa.

Hiilidioksidin säteilyspektri ilmakehästä ulos

Ilman jonkinlaisia perustietoja saattaa olla vaikea ymmärtää tai saati uskoa, ettei erilaisten auktoriteettien, kuten Ilmatieteen laitoksen ja muiden virallisten instanssien näkemys absorptioprosessin luonteesta ole tieteellisesti kestävä.

En ole kasvihuoneilmiötä selostavissa populaariesityksissä voinut lukea esimerkiksi sitä, mistä molekyylin, tässä tapauksessa hiilidioksidin, energia koostuu. Ammattikirjallisuudessa todetaan yksikäsitteisesti seuraavaa:

  • Molekyylin kokonaisenergia koostuu termisen tasapainotilan vallitessa sen rotaatioenergiasta, vibraatioenergiasta, elektronisesta l. sähköenergiasta ja kineettisestä energiasta. Molekyyli kykenee absorboimaan energiafotonin tietyin edellytyksin. Usein, mutta ei läheskään aina, absorbointi nostaa vastaanottavan molekyylin viritystilaan vaikuttamalla sen vibraatio- tai rotaatioenergiaan.
  • Viritystila purkaantuu periaatteessa kahta vaihtoehtoista tietä: säteilemällä tai ilman säteilyä. Tätä tarkoittava termi on relaksaatio. Säteilyrelaksaatiossa sisään absorboitu energiakvantti säteillään määrätyn ajan kuluttua ympäristöön.
  • Vaihtoehtoinen virityksen purkautumistie on epäelastinen törmäys. Se siirtää viritystilassa olevan molekyylin energiaerotuksen johonkin törmäyskumppaniin. Tapahtumassa viritystilassa olevan molekyylin vibraatio- tai rotaatioenergiaa siirtyy törmäyksen kohteeseen kineettisenä energiana. Hiilidioksidimolekyyli palautuu perustilaan.

Se mikä vaihtoehto toteutuu, riippuu molekyylin värähtelytaajuudesta sekä kaasun tiheydestä l. ilmanpaineesta. Korkeassa ilmanpaineessa molekyylien tiheys on niin suuri, että törmäys on väistämätön ennenkuin säteily ennättää tapahtua.

Ns. elastisen törmäyksen yhteydessä ei siirry energiaa, vaan tapahtuu vaihesiirtymä, jonka seurauksena spekrin absorbtiolinjat hivenen levenevät ja siirtyvät.

Tämä voimakkaasti yleistävä kuvaus perustuu ns. fotoakustisen spektroskopian tutkimuksiin. Kyseessä on fysiikan piiriin kuuluva eksakti tiede, jolla on myös konkreettisia teknisiä sovelluksia. Kts. Prof.Dr.-Ing. Marcus Wolff, Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg. Asiasta toki löytyy tietoa muualtakin. Otin tämän saksalaistutkijan mukaan vain sen vuoksi, että itse törmäsin problematiikkaan nimen omaan hänen tutkimustensa kautta vuonna 2007.

Ilmakehän dramatiikka liittyy ennen muuta lämpöenergian siirtymiseen veden eri olomuotojen kautta maasta ilmakehään ja sieltä edelleen avaruuteen, ei hiilidioksidiin. Hiilidioksidin vähäinen osuus ilmakehän kaasuseoksessa aiheuttaa sen, että kuvatut hiilidioksidin relaksaatioprosessit alailmakehässä eivät voi lämpötilaa kohottaa mitattavassa määräin.

Tämä tarkoittaa, että laskennallinen, ilman lämmönjohtavuutta alentava efekti on olemassa. Sitä merkitsevät desimaalit ovat niin kaukana pilkusta, ettei niillä ole reaalimaaiman mittaustarkkuuden kanssa mitään tekemistä. Välittömän vastapainon tälle laskennalliselle lämpölokerolle tarjoaa toisaalta jo lämpöoppiin keskeisesti kuuluva tieto kaasujen ja yleensä kaikkien materiaalien lämpökapasiteetista.

Hiilidioksidin lisääntyminen kasvattaa hiuksenhienosti ilmakehän lämpökapasiteettia, sen lämmön varauskykyä. Se taas tarkoittaa, että nykyisen lämpötilan ylläpitoon tarvittaisiin jostakin lisäenergiaa, jonka avulla lisääntynyt kaasumassa voitaisiin pitää aikaisemmassa lämpötilassa. Tällaista lähdettä ei ole olemassa. Siksi voidaan väittää, että jossain vaiheessa hiilidioksidin lisääntyminen voisi mitattavassa määrin jo alentaa lämpötilaa. Tämä optio liittyy lämpökapasiteetin kasvuun.

Troposfäärin yläosissa hiilidioksidin säteily osallistuu joka tapauksella vähäisellä panoksella ilmamassan jäähdyttämiseen.

Ilmakehän lämpöprosesseja määrittävä säteilyfysiikka on oman lukunsa arvoinen. Siihen palataan myöhemmin. Myös vesihölyryn keskeinen rooli sään ja ilmakehän prosesseissa ansaitsee oma pohdiskelunsa.

Tämän kirjoituksen hiilidioksidin ns. kasvihuone-efektiä koskeva ydinsanoma voidaan kiteyttää seuraavasti:

Hiilidioksidi ei ime eli absorboi auringosta suoraan ilmakehän kautta maatasolle tulevaa säteilyä. Sen absorptiotaajuus ei siihen sovellu. Maatasolta eli maan ja vesien sekä muiden maassa olevien kappaleiden, mutta myös kasviston yms. pinnoilta ilmakehään lähtevä IR-säteily on puolestaan sekin taajuudeltaan sillä spektrin osalla, jota ilman hiilidioksidi ei absorboi. IR-säteilyyn perustuvaa hiilidioksidin aiheuttamaan kasvihuoneilmiötä ei siis voi olla olemassa. 

Lämmin ilma nousee ylös ja siinä mukana nousevat myös hiilidioksidimolekyylit. Ilmapaketti jäähtyy noustessaan. Yläilmakehässä, noin 10 kilometrin korkeudessa hiilidioksidi säteilee. Sen säteilylämpötila on silloin noin -53 astetta Celsiusta. Tämä säteily jäähdyttää ilmakehää eli siirtää lämpöenergiaa IR-energian muodossa avaruuteen. Se ei voi maan ilmakehää koskaan lämmittää.

Nämä ovat faktoja. Jos joku ei sanottua ymmärrä, hänen kannattaisi vaieta kasvihuoneilmiöstä siihen saakka, että ymmärtää. Ja sen jälkeen, kun hän on sen käsittänytt, hän lakkaa saarnaamasta hiilidioksidin aiheuttamasta kasvihuoneilmiöstä.

Mainokset

Lämpöennusteet ja todellisuus

Etteivät menisi aivan ilman kommenttia puheet lämpenemisestä ja ennustamisesta esitettäköön ehkä tunnetuimman tutkijaryhmän lämpenemisennuste. Kyseessä on James Hansenin työryhmän simulaatiot vuodelta 1988.

Sinisen käyrän taustaoletuksena on hiilidioksidin kasvu 1,5 prosenttia, vihreän käyrän oletus on kasvu entiseen tapaan ja punaisen käyrän luvut edellyttivät hiilidioksidipäästöjen kasvun taantuneen vuodesta 2000. Todellisuudessa hiilidioksidin lisäysvauhti on ollut 2,5 prosenttia.

Musta käyrä kuvaa ilmakehän lämpökehitystä. Hansenin erehdys on luokkaa 150 prosenttia. Tällaisella ennustetarkkuudella ei ole aivan yksinkertaista puhua luonnontieteen saavutuksista tai ennustemallien luotettavuudesta.

Kuva

Satelliittiajan lämpötilan heilahtelu näkyy havainnollisesti oheisessa Roy Spencerin käyrässä. Tilanne maaliskuussa 2013:

Spencer

Kasvihuoneilmiöstä ilmakehäefektiin

Käsite ”kasvihuoneilmiö” on vertauskuvallinen ilmaisu laajalti levinneelle kuvitelmalle, että maan ilmakehä olisi kuin lasi, joka päästäisi osa auringon säteistä sisään, mutta ei päästäisi lämpöä ulos. Lyhyesti kuitaten: kasvihuoneen pitää lämpimänä auringon valo. Sen lämmön poistumisen estää lasiseinämä. Jos kasvihuoneen päädyistä poistetaan lasi, huoneen lämpötila romahtaa.

”Kvasivirallisen” teorian mukainen  kasvihuone-efekti, 33 asteen lämpöero verrattuna tilanteeseen ilman kasvihuonekaasuja, on tuulesta temmattu. Ei siis ole niin, että maapallon pintalämpötila olisi absorptiokykyisten kaasujen puuttuessa -18 Celsius-astetta.

Vertailemalla kuun pinnan todellisiin lämpötiloihin on satelliittimittausten avulla kyetty osoittamaan, että fyysinen maapallo ilman ilmakehää olisi merkittävästi kylmempi, keskimäärin jopa -140 astetta Celsiusta. Tämäkin on spekulatiivinen arvio. Jotta täsmällinen käsitys tilanteesta saataisiin, pitäisi tietää myös tuon kuvitteellisen planeeta pinnan lämmönjohtokyky. Mutta kuun pinnan kattava satelliittimittaus kyllä antaa viitteitä tämän kuvitteellisen maapallon lämpötaloudesta.

Syynä ei kuitenkaan ole se, että ilmakehästä puuttuisivat hiilidioksidi, vesihöyry, ilokaasu, metaani ja otsoni. Ei, syynä tuon kuvitteellisen planeetan viileyteen olisi koko ilmakehän puuttuminen. Se mitä ympärillämme lämmöksi sanomme, koostuu koko ilmaseoksen molekyylien lämmöstä. Ja ilmaseoksessa valtaroolia esittävät typpi, happi ja argoni jopa 99 prosentin yhteisosuudellaan.

Eikä tässä kaikki. Kasvihuoneilmiön julistajat näyttävät lähes täysin syrjäyttävän ajattelustaan elämämme kannalta ehkä tärkeimmän ilmastouutisen: Troposfääri eli ilmakehän alin kerros muodostaa jättimäisen lämpövaraajan. Sen lämpö on lähtöisin auringon sähkömagneettisesta säteilystä, joka ilmakehän ja maatason kohdatessaan on muuttunut lämmöksi.

  • Tämän elintärkeän lämpövaraajan kapasiteetti vastaa energiasisällöltään sitä auringon säteilyenergian määrää, joka maanpinnalle tulee auringosta keskimäärin noin 2,5 kuukauden aikana. Se on elämämme lämpöpuskuri.

Syyt, joiden vuoksi kasvihuonekeskustelussa tämän energiavaraajan roolia ei noteerata, ovat osittain hämärän peitossa. Voi vain arvailla, että lämpöoppi eli termodynamiikka mutkistaisi kasvihuonepelotteen julistamista kansalle. Kuka nyt haluaisi ymmärtää, että ilmakehässä on muutakin kuin vain vaarallisia ”kasvihuonekaasuja”? Eihän Arrheniuskaan termodynamiikasta puhunut, miksi meidän tulisi sellaista harrastaa?

Toinen syy laiminlyöntiin tai ”unohdukseen” voi olla perustavampi. Näyttää siltä, että koko kasvihuonekoulukunnan USA:han juontava fysikaalinen osaaminen sulkee termodynamiikan pois teoriarakennelmista. Käytännössä koulukunta puhuu auringon säteilystä ja IR-säteilystä kaiken aikaa esitellen ”säteilytase”laskelmiaan.

Tämä saattaa havaintojeni mukaan johtua siitä, että USA:n yliopistotasoinenkaan fysiikan opetus ei näytä johtavien ilmastotutkijoiden artikkeleissa sallivan termodynamiikasta tuttuja käsitteitä. Säteilyfysiikan laskentayhtälöitä sovelletaan surutta lainkaan kysymättä, soveltuvatko ne käyttötarkoitukseensa ja mitkä ovat niiden rajat.

On vielä painotettava, että termodynamiikka, kuten myös kvanttifysiikka ovat vain pienelle osalle fyysikoita perustojaan myöten tuttuja. Siksi keskustelu ammattitutkijoittenkaan kesken ei niin vain onnistu, ei ole yhteistä kanavaa kommunikaatiolle.

  • Puheessa jää huomiotta perustava lämpöfysiikan tosiasia: sähkömagneettinen säteilyenergia muuttuu lämmöksi vasta kohdattuaan jonkin väliaineen. Kyseessä ei ole pieni nyanssi, vaan perustava ero tarkastelussa.

Tämä välipuheena ja kertauksena aikaisemmin sanottuun. Tähän mennessä on tullut ilmi, että ns. kasvihuonekaasujen lämmittävä vaikutus ilmakehässä on kyseenalainen ja että sitä perustellaan ristiriitaisten väitteiden ja näennäistieteellisten argumenttien avulla. Aktiivisesti ilmakehää lämmittävä kasvihuoneilmiö on sepitelmä.

Hyväntahtoisesti voitaisiin ehkä tulkita, että sillä tarkoitetaan ilmakehän tuottamaa lämpöefektiä. Mutta totuuden nimissä on mentävä radikaali askel eteenpäin.

  • Absorptiokykyiset kaasut yhdessä pilvien kanssa omaavat keskeisen roolin ilmakehän jäähdyttämisessä.

Ilman niiden muodostamaa jäähdytysjärjestelmää ilmakehämme olisi kuuma ja elämältä nykymuodossa katoaisi pohja pois.

Absorptiokaasujen roolista ilmakehässä

Vesihöyry, hiilidioksidi, metaani, ilokaasu ja otsoni ovat moniatomisia molekyylejä. Niillä on fysikaalinen ominaisuus reagoida sähkömagneettiseen säteilyyn, kukin ominaisella värähtelytaajuudellaan. Kun molekyyli saa ns. adekvaatin törmäyksen seurauksena annoksen energiaa, se aktivoituu ja siirtyy viritystilaan.

Tila purkautuu, kun molekyyli joko säteilee energiansa ympäristöön tai siirtää sen törmäyksin ympäristöönsä. Ilmakehässä kukin näistä kaasuista voi säteillä vain tietyssä ilmanpaineessa. Se johtuu siitä, että viritystilassa edellytetään tietty aika, jonka kuluessa viritys voi purkautua säteilyksi. Jos ilmanpaine on korkea eli molekyylien määrä suuri, energialataus ennättää purkautua ennen säteilyä ympäröivään molekyylimassaan ns. kineettisenä energiana.

Tästä seuraa, että kullakin ns. ”kasvihuonekaasulla” on iklmakehässä tyypillinen korkeutensa, jossa se voi säteillä. Hiilidioksidi voi säteillä vasta 10 kilometrin korkeudella jossa ilman lämpötila on noin – 53 astetta Celsiusta. Tällä fysikaalisella tosiasialla on keskeinen merkitys hiilidioksidille annetun erityisroolin ymmärtämisen kannalta.

Kuvan kömpelö nuoli osoittaa maasta tulevan hiilidioksidin säteilykaistaa satelliitin  mittaamana. Tärkeää on havaita käyrän lämpötila 220 Kelviniä, eli - 53 astetta Celsiusta. Tämä lämpötila vallitsee noin 10 kilometrin korkeudessa. Maatasolta eli kuvan käyrän 320 K kohdalta hiilidioksidisäteilyä ei tule. Sen sijaan vesihöyry, metaani ja ilokaasu ilmoittavat säteilystään spektrissä.

Kuvan kömpelö nuoli osoittaa maasta tulevan hiilidioksidin säteilykaistaa satelliitin mittaamana. Tärkeää on havaita käyrän lämpötila 220 Kelviniä, eli – 53 astetta Celsiusta. Tämä lämpötila vallitsee noin 10 kilometrin korkeudessa. Maatasolta eli kuvan käyrän 320 K kohdalta hiilidioksidisäteilyä ei tule. Sen sijaan vesihöyry, metaani ja ilokaasu ilmoittavat säteilystään spektrissä.

Maltillinen ja argumenteissaan järkevä ilmastorealisti Boris Winterhalter viittaa eräässä kirjoituksessaan myös edellä esitettyyn kaavioon.. Häneltä jää kuitenkin näkemättä viestin ehkä tärkein sisältö, eli nimenomaan eri kaasujen säteilykorkeus. Winterhalterin artikkeli on kuitenkin erittäin suositeltava. Se osoittaa havainnollisesti, millä tasolla ns. skeptikkojen näkemyksiä yritetään mitätöidä.

 

Ilmakehä ilman absorptiokaasuja

Vaikka jokainen spekulaatio yksinkertaistaa, kuvitellaan ympärillemme kaasukehä ilman absorptiokaasuja. Sekä vesihöyry että hiilidioksidi puuttuvat, siten tietenkin myös maapallon vesivaippa, kasvillisuus jne.

Jos tämä pallo olisi suunnilleen maapallon kokoinen ja samalla etäisyydellä auringosta, auringon säteily lämmittäisi päivällä maan pinnan nopeasti yli sadan asteen lämpötilaan. Tämän tiedämme, kun tarkastellaan Kuun pinnan lämpötilaa Kuun päivän aikaan.

Ilman absorptiokaasujen muodostamaa ”päivänvarjoa” auringon säteily pääsisi maan pinnalle koko laajuudessaan, mukaan lukien erittäin kuumat UV-säteet ja näkyvän valospektrin punaisella puolella olevan laajan, mutta alempitehoisen IR-alueen säteet. Tätä havainnollistaa auringon säteilyn skaalaa alla kuvaava kaavio.

Tämän seurauksena ilmaseos lämpenisi maan pinnan kosketuksen vaikutuksesta päivän puolella nopeasti ja lämminta ilmaa virtaisi vauhdilla myös pallon varjoiselle puolelle vuorokauden vaihtelun määrittämässä tahdissa. Keskimäärin lämpötila asettuisi noin 80 Celsius-asteen tasolle, sillä kaasukehä toimisi tasoittavana lämpöeristeenä eikä Kuusta tunnettua äärimmäistä lämpövaihteilua pääsisi tapahtumaan. Keskimäärin eläminen tällä pallolla olisi mahdotonta korkean lämpötilan vuoksi.

Lämpötilan korkeus johtuu siitä, että absorptiokykyisen kaasujen puuttuminen poistaisi ilmakehältä sen kaksinaisen tehtävän, toisaalta tulevan säteilyn taajuuksien leikkaamisen ja toisaalta ilmakehän eri korkeuksista takaisin avaruuteen suuntautuvan jäähdyttävän säteilyn.

Kun auringon säteilyn voimakkuus ylittää moninkertaisesta maanpinnan oman jäähdyttävän IR-säteilyn intensiteetin, seurauksena on lämpötilan pysyminen korkealla tasolla. Myöskään maan pintaa jäähdyttävää haihtumista ei olisi olemassa veden puuttumisen vuoksi.

Maapallolle tulevan säteilyn spektri.

Maapallolle tulevan säteilyn spektri.

Kuvassa vasemmalla alhaalla on näkyvän valon spektrin edustama osa kokonaissäteilystä. Käyrän korkeus kuvaa säteilyn voimakkuutta. Sinisellä merkityt alueen kuvaavat niitä alueita, joilla kaasut absorboivat tulevaa säteilyä. Yläilmakehässä O3 on otsoni, joka leikkaa auringon UV-säteilystä suurimman osan ja estää sen pääsyn maatasolle. Näkyvän valon taajuudella hiilidioksidi CO2 ei absorboi energiaa lainkaan. Vesihöyry H2O kattaa käytännössä lähes koko spektrin eli absorboi säteilyenergiaa laaja-alaisesti.

Kuvasta voi päätellä, että säteilyä tulee maatasolle sekä näkyvän valon alueen vasemmalta puolelta eli UV-säteilyn taajuudella, että myös oikealla olevan infrpuna eli IR-alueen puolelta. IR-säteilyn voimakkuus on suhteellisen alhainen, mutta UV-lohkolla teho on suuri ja kompensoi spektrialueen kapeutta. Suoran säteilyn pääsy maatasolle onnistuu pääasiallisesti niistä kolmesta kohdasta, joissa kaasujen absorbtio on vähäinen tai sitä ei ole lainkaan (kuvassa ohuin sininen väritys).

Maapallon pinnalle kokonaisuudessaan päätyvä osa säteilystä on se energialähde, joka lämmittää ilmakehän ja ilmaston. Energiavirtojen kokonaisliikettä havainnollistaa seuraava NASA:n kaavio.

Suoran maatasolta avaruuteen suuntautuvan jäähdytysenergian osuus IR-säteilyn muodossa on noin 6%. Pilvien ja ilmakehän absortptiokassujen yhteinen osuus ulossäteilys on kaavion mukaan 64%. Tulos on vallitsevia näkemyksiä ja uskomuksia ajatellen melko ällistyttävä: ilmakehän ns. kasvihuonekaasut ovatkin avainasemassa, kun maapallon jäähdytysjärjestelmän toimintaa tarkastellaan.

Aiemmin sanottuun liittyen korostettakoon vielä kerran, että hiilidioksidin säteily alkaa vasta 10 kilometrin korkeudessa, jossa sen lämpötila on – 53 Celsiusastetta. Vesihöyryn säteily onnistuu noin neljän kilometrin korkeudessa ja otsoni puolestaan säteilee stratosfäärissä, noin 50 kilometrin korkeudessa.

Vesihöyryn. hiilidioksidin ja otsonin säitelylämpötilat ja taajuudet.

Vesihöyryn. hiilidioksidin ja otsonin säteilylämpötilat ja taajuudet.

Hiilidioksidilla ei ole edes teoreettista mahdollisuutta osallistua ”heijastamalla” tai ”takaisinsäteilyn” avulla maan pinnan ja sitä kautta ilman lämmittämiseen. Kun hiilidioksidi absorboi maan pinnalta IR-säteilynä tulevan energiafotonin, se virittyy ja siirtää alailmakehässä energiansa ns. elastisten törmäysten välityksellä muihin ilman molekyyleihin (happi, typpi, argoni).

Käytännössä tämä tarkoittaa hiilidioksidimolekyylien lämpötilan sopeutumista ympäröivän molekyylimassan keskilämpötilaan. Mitattavissa olevaa lämpöefektiä ei ko. kaasun minimaalisen määrän (0,06 painoprosenttia) johdosta synny. Yläilmakehässä, jossa molekyylitiheys alenee, hiilidioksidi säteilee energiansa ympäristöönsä. Efektinä se tarkoittaa hiilidioksidimolekyyleihin sitoutuneen energian poistumista ilmakehästä. Lämpöefektiä alailmakehän suuntaan ei voi syntyä, koska molekyylien keskilämpötila ko. korkeudessa on -53 astetta Celsiusta.

Ilmakehän lämpöprosesseihin ei sovi kasvihuoneilmiötä. Systeemi sisältää fysikaalisesti kuvattavissa olevan lämmitysjärjestelmän, suodatus-, tasaus- ja siirtojärjestelmän sekä jäähdytysjärjestelmän.

Jäähdytysjärjestelmä tehostaa toimintaansa, ts. energian ulossäteilyä välittömästi, jos maatason pintalämpötila nousee. Lämpötilan kohoaminen ilmakehässä edellyttää energian lisävirtaa maatasolle. Muutoin pitkäaikaista ja pysyväluontoista lämpötilan kohoamista ei voi tapahtua.

Kasvihuone ilman kaasuja

Ns. kasvihuoneteorian eräs kantava väite kuuluu, että maapallon pintalämpötila ja siten ilmeisesti myös maanpintaa lähellä olevan ilman lämpötila olisi -18 Celsius-astetta, ellei kasvihuoneilmiötä olisi.

Tällä tarkoitetaan, että ilmakehässä oleva vesihöyry, hiilidioksidi, metaani, ilokaasu ja otsoni yhdessä lämmittäisivät  ilmaa noin 33 asteen verran. Ja ajatus jatkuu, että jos nuo kaasut lisääntyvät, lämpötila ei enää olekaan mukava. Syntyisi epätoivottu kasvihuoneilmiön paheneminen, johon ihmiskunta on syyllinen päästöineen.

Lähtökohta on häkellyttävä. Tiedetään, että kesäinen lämpötila ”kasvihuonekaasuineenkin” voi laskea Arabian tai Saharan hiekka-aavikoilla yöaikaan jopa kymmeniä asteita pakkasen puolelle. Oimjakonissa Itä-Siperiassa, samoin kuin Etelänapamantereella päästään talvella toisinaan miinukselle yli 70 asteen verran. Toisaalta USA:n Death Valleyssa turistit joutuvat retkeilemään yli 50 asteen kesähelteessä eikä Euroopassakaan 40 asteen kuumuus ole tuntematon.

Tämä kaikki siitä huolimatta, että ilmassa mainituilla seuduilla on sekä hiilidioksidia, että vesihöyryä ilmakehän varsinaisten lämpömolekyylien ohella.  Nimittäin kun me puhumme ilman lämpötilasta, emme sillä asiallisesti ottaen tarkoita hiilidioksidia tai vesihöyryä. Edellisen osuus ilmaseoksessa on noin 0,04 prosenttia, eikä vesihöyryä sitäkään usein ole yli 0,2 prosenttia ilmassa. Enimmillään pitoisuus voi olla 4 prosenttia.

Ihmisen havaintojen lähteenä olevat reseptorit ovat erikoistuneet huomaamaan kosteuden vaihtelun. Pärjäämme hyvin saunassa, jonka lämpötila on 100 astetta – kunhan emme heitä löylyä. Kuuma vesihöyry polttaa, kuuma typpi-happi-argon -seos ei häiritse. Typpikaasun osuus ilmaseoksessa on 78 prosenttia, hapen 21 ja argonin noin 0,9 prosenttia. Nämä kaasut muodostavat miltei 99 prosentin enemmistöllään käytännössä sen ilman, jota hengitämme ja aistimme.

Miksi valtakaasut eivät kiinnosta?

Miksi ilma ei kiinnosta? Puheessa ”peruskasvihuoneilmiöstä” ei näe mainintaa ilmaseoksen valtakaasuista. Kuitenkin arkikokemus näyttäisi sanovan, että esimerkiksi huonetta lämmitettäessä pitää saada lämpenemään koko ilmamassa, muutoin ei tarkene. Onko puheessa 33 asteen kasvihuonevaikutuksesta perää laisinkaan? Mistä oikeastaan tiedämme, että lämpötila ilman absorptiokykyisiä kaasuja olisi tuo – 18 Celsiusta?

Emme me tiedäkään.  Joudumme vain uskomaan laskelman, jonka kasvihuoneteoreetikot esittävät. Laskelma perustuu tietoon auringon säteilytehosta maapallon kanssa samalla etäisyydellä olevan, ilmakehättömän teoreettisen pallon pinnalla.

Lisäksi edellytetään, että kyseessä on pinta, jonka albedo vastaa oletusta maapallon keskimääräisen pinnan heijastuskyvystä ja että kyseessä on säteilyominaisuuksiltaan niin kutsuttu musta säteilijä. Tuolloin korrektin laskelman avulla saadaan kuvitteellisen pallopinnan lämpötilaksi – 18,35 Celsius-astetta.

Lämpötilan laskenta

Lämpötilan laskenta

Kun vuosikausien keskilämpötila vaihtelee 15 lämpöasteen tasolla, niin todellakin tässä laskelmassa liikutaan kasvihuoneilmiön tarjoilemalla tasolla 33 astetta hyvää. Tässä vaiheessa lukija kylläkin joutunee kysymään, että miten ihmeessä teoreettisen, vailla ilmakehää ja sen kaasuja ja vailla vesivaippaa olevan pallopinnan laskennallinen lämpötila voi kertoa maapallon ilmakehään liittyvästä lämpötilasta jotain uskottavalla tavalla?

Röyhkeä vastaukseni kuuluu: Ei mitenkään. Kyseessä on kasvihuonemytologiaan kuuluva perusdogmi, joka on hyväksytty riittävän monessa instanssissa totuudeksi. Todellisen, allamme olevan maapallon pinnan lämpötilaa ei voi määritellä laskennallisesti auringon säteilytehon perusteella.

Maapalloa ympäröi ilmakehä, jonka toiminta yhdessä maapallon 70-prosenttisesti peittävän vesivaipan kanssa määrittää konkreettisen, mitatun ja aistimuksin koetun ilman lämpötilan. Kasvihuoneilmiö on käsitteenä virheellinen ja harhaanjohtava. Sen asemesta pitäisikin ottaa käyttöön käsite Ilmakehäefekti. Silloin tiedettäisiin, mistä on kysymys

Ilman lämpö on monen tekijän summa

Ilmakehän lämpötila riippuu maatason lämpötilasta. Siihen vaikuttaa mittauspaikan maantieteellisten koordinaattien ohella maanpinnan rakenne, materiaali ja kaltevuus, biosfääri monine toimintoineen sekä olennaisesti myös pintamateriaalin lämmönjohtavuus. Lopullinen maanpinnan lähellä vallitseva ilman lämpötila on näiden tekijöiden yhteisvaikutusta.

Yksinkertaisesti yleistäen voi sanoa, että taivaan sinen määrä on tärkein lämpötilan säätelijä suuria kokonaisuuksia katsottaessa. Kun auringon sähkömagneettinen säteily maatason kohdatessaan muuntuu lämmöksi, se siirtyy monia vaiheita läpikäyden paikasta toiseen.

Lämpö voi myös varastoitua pitkiksi ajoiksi esimerkiksi valtameriin. Ehkä tärkein asia lämpötilojen muutoksia pohdittaessa on ymmärtää, että meitä ympäröivä ilma lämpiää auringon lämmittämien maatason materiaalien lämmön ansiosta. Kaikki muu on johdannaista.

Emme kuitenkaan enää ole pelkkien oletusten ja dogmien varassa kun pohdimme ns. kasvihuonekaasujen väitettyjä vaikutuksia. Meillä on aivan naapurissa konkreettinen referenssipallo. Ilmastojesuiittojen dogmien sijasta se tarjoaa aineellisen tietolähteen sen selvittämiseksi, millainen pallon lämpötila todellisuudessa olisi ilman ilmakehää kaasuineen ja vesineen.

Se on Kuu, jonka pinnan lämpötilat on vuonna 2009 matkaan passitettujen satelliittien avulla kyetty mittaamaan suurella tarkkuudella. Kuu on auringosta kohtuullisella marginaalilla samalla etäisyydellä kuin maapallo. Siltä puuttuu ilmakehä ja sen albedo eli heijastuskyky vastaa hyvin maapalloa.

  • Satelliittimittausten perusteella voidaan todeta, että kasvihuoneteorian olettamus kasvihuonekaasujen 33 asteen lämpöefektistä on perusteellisesti virheellinen.

Vuonna 2009 käynnistyneitten satelliittimittausten perusteella nyt tiedetään, että maapallon kanssa vertailukelpoinen tulos osoittaa keskimääräisen ilmakehättömän pintalämpötilan kuussa olevan 154 Kelvin astetta. Celsius-asteiksi muunnettuna tämä tarkoittaa – 119 asteen pakkasta. Maan pinnalle laskennallisesti muunnettuna lämpötila olisi 132.9 Kelviniä eli -140,3 Celsiusta.

Tämä on todella kaukana virallisen kasvihuonedogmin -18 asteen lämpötilasta. Se herättää vakavia kysymyksiä, mutta vahvistaa toisaalta monista syistä syntynyttä epäluottamusta ns. kasvihuoneteoriaa kohtaan.

Se on ilmakehä ja sen sisältämä kineettinen (lämpö)energia kokonaisuudessaan, joka pitää huolta maan asujien nauttimasta lämmöstä. Hiilidioksidin ja muidenkaan (virheellisesti nimitettyjen) kasvihuonekaasujen ei ole mahdollista ylläpitää minkään kaltaisilla säteilytempuilla sellaista lämpöä, joka 140 asteen pakkasen sijasta tarjoaisi keskimäärin 15 asteen lämpötilan – olkoonkin, erittäin suuren alueellisen ja vuodenaikojen hajonnan vallitessa.

Asiasta syvällisemmin kiinnostunut voi tutustua problematiikkaan internetin mahdollisesti suosituimmalla verkkosivustolla. Artikkeli on vaikea, mutta palkitseva. Sen takana olevan tutkimuksen merkitystä tuskin voidaan aliarvioida.

Kasvihuoneilmiö, jota ei ole

”Kasvihuoneilmiö” on käsite lähes kaikkien suussa. Sen varaan rakennetaan politiikkaa ja vaaditaan kulttuurin muutosta. Kun kasvihuoneilmiö pahenee, se tarkoittaa ilmastokatastrofin tuloa. Ilmastokatastrofin keskeinen tunnus on lämpeneminen. Sitä kiihdyttää ihmisen aiheuttaman kasvihuoneilmiön paheneminen. Näin olen asian ymmärtänyt.

Pelotteen taustalla piilee yksi ilmakehän vähemmistökaasuista, nimeltään hiilidioksidi. Sen osuus ilmakehän kaasuista on noin 0,04 prosenttia. Kasvihuoneilmiöllä voidaan tarkoittaa kovin monia asioita. Kun yrittää ottaa selvää ilmiön tosiolevasta ytimestä, syntyy samanlainen mielikuva kuin taannoin kuunnellessani moskovalaisen professorin esitelmää dialektiikasta. Hän lausui: ”Dialektiikalla on kuusitoista päälakia ja tarvittaessa niitä saadaan lisää.”

Moni tutkii asioita Wikipediasta. Sieltä se löytyy ihan tällä nimellä. Selostus on moninainen ja herättää kysymyksiä, jopa hymyä. Kasvihuoneilmiön historiasta suomenkielinen Wikipedia tietää kertoa: ”Joseph Fourier havaitsi kasvihuoneilmiön vuonna 1824, ja kvantitatiivisesti sitä tutki ensimmäisenä Svante Arrhenius 1896. Ilmiössä kasvit lähettävät auringon valoa takaisin avaruuteen, jonne se ei pääse johtuen epämetallien oksideista ja muista kaasuista, joita syntyy liikenteessä ja teollisuuden tehtaissa.”

Tuntuu, kuin artikkelin kirjoittaja ei oikein olisi selvillä siitä, mitä Svante Arrhenius tutki tai sanoi. Arrhenius oli kemisti ja hallitsi 1800-luvun kemian kiitettävästi saaden ansioistaan Nobelin palkinnon. Termodynamiikasta Arrhenius ei ollut selvillä. Hiilidioksidin roolin ilmaseoksessa hän ymmärsi yksioikoisesti. Kaasun lisääntyminen lämmittää ilmaa sen vuoksi, että infrapunasäteily, Arrheniuksen aikaan myös pimeäksi säteilyksi kutsuttu, maasta lähtiessään lämmittää hiilidioksidia ja tätä kautta koko ilmaseosta. Arrhenius osasi tutkia kaasujen spektriä ja perusteli myös spektrianalyysillä näkemyksiään.

Arrhenius arvioi, että ilmassa oleva hiilidioksidi ”imee” maasta lähtevästä koko infrapunasäteilystä 18,7 prosenttia. Tämän perusteella hän laski, että hiilidioksidimäärän puolittaminen alentaisi lämpötilaa noin 1,5-1,6 astetta ja kääntäen, lisääminen lämmittäisi saman verran. Tiedemaailma ei laskelmasta riemastunut, vaikka Arrhenius teoriallaan tarjoili selitystä myös jääkaudelle.

Mutta kun päästiin 1970-luvulle, niin Arrheniuksen tutkimukset kaivettiin esille uudelleen. Uusi, monimutkaisempi laskelma osoitti, että kasvihuoneilmiö oli olemassa ja sen vaikutus maapallon lämmittäjänä oli 33 astetta.Ilman kasvihuonekaasullista ilmakehää maanpinnan lämpötila olisi -18 Celsius-astetta. Tämä on yhä tänään keskeinen lähtöolettamus.

Ns. kasvihuonekaasut ovat vesihöyry, hiilidioksidi, metaani ja ilokaasu. Näiden yhteinen piirre on kyky ”imeä” eli absorboida matalataajuista lämpösäteilyä, joka yleisesti tunnetaan IR-säteilynä (infrapuna). Lisäksi nämä kaasut kykenevät emittoimaan eli siirtämään imemänsä energian ympäristöön. Yleensä emissiolla tarkoitetaan kaasujen säteilyä. Ja tässä on kasvihuoneilmiön ydin.

Oikea kasvihuone ja ilmiö

Kautta viime vuosikymmenten ”kasvihuonekaasujen” vaikutusta on kuvattu ja jopa perusteltu oikean lasiseinäisen kasvihuoneen avulla. Näin se menee: Aurinko paistaa ja näkyvän valon säteet läpäisevät kasvihuoneen lasin. Maa lämpenee ja siitä lähtevä säteilyenergia lämmittää kasvihuoneen ilman molekyyleineen. Kasvihuoneessa on hiostavan kuuma, koska lämmön haihduttama kosteuskin on suuri. Kasvihuone ei jäähdy, sillä lasi estää maasta ja kasvihuonekaasuista lähtevän IR-lämpösäteilyn pääsyn ulos.  Näin lämpö kiertää kasvihuoneen lasiseinien vankina.

Eräs, joka ei uskonut Arrheniuksen teoriaa oli amerikkalainen fyysikko Robert W. Wood, Baltimoren yliopiston kokeellisen fysiikan professori. Vuonna 1909 eli välittömästi Arrheniuksen laskelmien julkisuuteen tulon jälkeen Wood kehitti kokeen, jolla hän testasi IR-säteilyn toimintamekanismin kasvihuoneessa.

Kokeen keskeiset oletukset olivat seuraavat:

  • Auringon näkyvä valosäteily lämmittää maan pinnan sekä kasvihuoneen sisällä, että sen ulkopuolella.
  • Maa säteilee saamansa lämmön IR-säteilynä takaisin.
  • Kasvihuoneen lasiseinät estävät lämpösäteilyn pääsyn ulos huoneesta. Näin ollen maan säteilemä lämpö ei pääse ulos, vaan jää kasvihuoneen ilmaan sitä lämmittäen.
  • Ilmakehässä tapahtuu periaatteessa samoin. Siellä kasvihuonekaasut (IR-kaasut) toimivat lasin tavoin, estävät säteilyn pääsyn avaruuteen ja lämmittävät edelleen maan pintaa, säteilynsä avulla.

Koejärjestelyyn kuului kaksi sisältä mustaa, saman kokoista laatikkoa, jotka varustettiin lämpömittarilla. Rasiat tiivistettiin ilmanpitäviksi. Toinen laatikko katettiin lasilla, toisen katteeksi asennettiin saman paksuinen laatta vuorisuolaa (NaCl). Ajatus kulki näin:

  • Lasi päästää auringon valon lävitse laatikkoon, mutta estää IR-säteilyn ulos laatikosta. IR-suodatuksen tehokkuus riippuu lasin laadusta ja paksuudesta.
  • Vuorisuolalaatta päästää sekä auringon valon että IR-säteilyn lävitseen.

Koelaatikot nostettiin aurinkoon. Arrheniuksen teorian tai hypoteesin nojalla odotus oli seuraava:

  • Lasilla katettu laatikko lämpenee voimakkaasti, koska IR-säteilyn pääsy ulos estyy.
  • Suolakattoisen laatikon lämpötila nousee vähemmän, koska IR-säteily pääsee katon kautta ulos ja jäähdyttää laatikon ilmaa.

Teoria ei toiminut. Molemmat laatikot lämpenivät voimakkaasti, mutta suolakattoinen enemmän, kuin lasilla katettu. Sen lämpötila nousi 65 Celsius-asteeseen.

Koe uusittiin siten, että molempien laatikoitten päälle asennettiin lisäksi uusi, saman paksuinen lasilevy. Lämpötilat muodostuivat tämän jälkeen seuraaviksi: Kokonaan lasilla katetun laatikon lämpötila nousi 55 asteeseen, jääden kymmenen astetta ensimmäistä koetta alhaisemmaksi. Suolakattoisen laatikon lämpötila jäi nyt hivenen alle lasikattoisen laatikon.

Miksi tapahtui näin? Ensimmäisessä kokeessa ei osattu ajatella, että auringon säteilyssä on näkyvän valon lisäksi mukana myös UV- ja IR-säteilyä. Lasikattoiseen laatikkoon ei siis päässyt yhtä paljon energiaa kuin suolakattoiseen. Lasi leikkasi IR-säteilyn pois ja päästi vain näkyvän spektrin säteilyn sisään. Suolakattoinen laatikko sai suuremman säteilyannoksen ja lämpeni enemmän.

Olennainen tulos oli, että toisenkaan lasin avulla luotu tehokkaampi IR-sulku ei kohottanut laatikoiden lämpötilaa. Tämä tarkoittaa, että IR-säteilyn merkitys maanpinnan ja ilman lämmittäjänä oli olennaisesti ajateltua vähäisempi.

Kasvihuoneen ilman lämmitti suoralla kontaktillaan maan pinta, josta lämpö johtui ilmaan. Myös kasvihuoneen maapinnan jäähdyttäjänä IR-säteilyn osuus oli mitätön.

Kasvihuone lämpenee, koska sieltä ei pääse ulos lämmintä ilmaa eikä sen sisään ulkopuolelta viileämpää ilmaa. Infrapunasäteilyn vaikutus kasvihuoneen ilman hiilidioksidiin ja vesihöyryyn on kasvihuoneen lämpötaloudessa olematon. Oikean kasvihuoneen lämpötalous ei ole riippuvainen IR-säteilyn ja ”kasvihuonekaasujen” vuorovaikutuksesta.

Jos kokeen keskeisen tuloksen yleistää käsittämään maan pinnan ja ilmaseoksen vuorovaikutusta, se tarkoittaa, että hiilidioksidilla ei ole roolia ilman lämpenemisessä. Ilma lämpenee vain siinä mitassa, kuin maatasolla lämpöä riittää. Ja tämä riippuu siitä, miten suuri määrä auringon sähkömagneettista säteilyä pääsee maan pinnalle, vesiin ja muihin maanpiirin aineellisiin kohteisiin.

Hiilidioksidi ilmassa voi lämmetä vain sen säteilyannoksen voimalla, jonka maan pinta lähettää IR-säteilynä. Hiilidioksidi ei omaa ylimääräistä lämpöä sen paremmin ilmaseoksen, kuin maan pinnankaan lämmittämiseen.

Paradoksaalisesti asia on päinvastoin: Hiilidioksidi osallistuu kylläkin ilmaseoksen eli ilmakehän jäähdyttämiseen yhdessä vesihöyryn kanssa. Mutta tässäkin CO2:n osuus on vähäinen verrattuna vesihöyryyn. Tästä myöhemmin enemmän.

Kasvihuoneteoria ei toimi kasvihuoneessa. Woodin koe on toistettu nykyisillä materiaaleilla kuitenkin koejärjestelyn idea säilyttäen. Protokolla löytyy täältä.

Robert Woodilla on arvostettuna tutkijana melkoinen lista referenssejä. Eräs hakuteos osasi kertoa, että fyysikon työn lomassa Wood kirjoitti myös runoja. Sen sijaan kyseinen hakuteos ei tiennyt, että Wood kokeellaan pudotti pohjan pois kasvihuoneteorialta ennenkuin se kunnolla oli päässyt edes syntymään.