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):

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.

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.