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.

Advertisements

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s