Ilmakehän lämpöfysiikan perusteita

Kun päästötavoitteita jälleen julkaistaan ja uho hiilidioksidin ympärillä on ankara, syntyy houkutus muistuttaa asian tiimoilta parista, ilmeisesti unhoon vaipuneesta tai kokonaan oppimatta jääneestä lämpöfysiikan periaatteesta.

Lämpö ei ole yhtä kuin kuin sähkömagneettinen säteily, jota maapallo saa auringosta.

Lämpö ”syntyy” säteilyn kohdatessa väliaineen. Tällaisia ovat mm. ilmaseos pienhiukkasineen, pilvet, vesihöyry, maan pinta, kasvillisuus, rakennukset, vesistöt ja meret jne.

Mitä tämä tarkoittaa? Se tarkoittaa mm. sitä, että maanpinnan tasolla mitatun auringon säteilyn tehosta ei voi laskea maanpinnan lämpötilaa. Tämä on sikäli tärkeä oivallus, että koko IPCC-vetoinen ilmastotiede perustuu säteilyfysiikkaan eikä ota huomioon lämpöopin perustavaa lakia.

Toisaalta maatasolta ilmaan lähtevän säteilyn voimakkuus ja taajuusalue määräytyvät vain ja ainoastaan säteilevän pinnan lämpötilasta. Tälläkin lauseella on tärkeä periaatteellinen merkitys. Maatasolta lähtevä matalataajuinen IR-säteily ei voi olla ”lämpimämpää” kuin säteilevä pinta. Ääripäät löytyvät maapallon napa-alueilta ja päiväntasaajaseudun aavikoilta.

Maapallon ilmakehä lämpiää maatasolla olevan lämmön ansiosta.

Vain osa auringon säteilystä lämmittää suoraan ilmakehän kaasuseosta. Mitä tämä tarkoittaa? Se tarkoittaa, että maapallon lattialämmityksen olennainen parametri on aika. Kun lämpö ”syntyy” maapallon pinnan materiaaleissa, niihin imeytynyt energia käy läpi lukemattoman joukon ns. vaihesiirtymiä, joiden tuloksesta ilman lämpötila määräytyy. Lämmön siirtymisen vaatima aika riippuu väliaineesta, sen lämmönjohtavuudesta ja lämpökapasiteetista.  Esim. valtameret absorboivat tehokkaasti sinivihreän taajuuden säteilyä. Merivedessä ja varsinkin sen alimmissa kerroksissa tapahtuvat lämpösiirtymät ovat erittäin hitaita. Muutos tilasta toiseen vaatii helposti kymmenien, jopa satojen vuosien siirtymäjakson.

Lämpö enetee aineessa hitaammin tai nopeammin, säteily liikkuu aina valon nopeudella. Miten lämpöenergian suodatus auringon sähkömagneettisesta säteilystä ilmaseokseen tapahtuu, selviää oheisesta NASAn kaaviosta.

Kuva

Ilmakehään tulevasta energiasta noin 51 prosenttia yltää maatasolle ja vesiin, joissa se muuttuu materiaalien kineetiseksi energiaksi eli lämmöksi edellä kuvattujen vaihesiirtymien kautta.

Jotta maan- ja veden pinta eivät kuumenisi loputtomiin, systeemissä on jäähdytys.

Jäähdytysjärjestelmä johtaa lämpöenergian ilmakehään ja siitä avaruuteen kuvassa merkittyjen prosenttilukujen suhteessa.  Matalataajuisen IR-säteilyn kautta avaruuteen poistuu suoraan vain noin 6 prosenttia lämpöenergiasta. Kuvassa todetaan, että avaruuteen poistuu säteilyn kautta ilmakehästä ja pilvistä 64 prosenttia energiasta. Ilmakehän kaasujen säteilystä vastaavat lähinnä vesihöyry ja hiilidioksidi siten, että vesihöyryn jäähdyttävä säteily loppuu siellä missä höyry muuttuu jääkiteiksi. Hiilidioksidilla ei tätä rajoitetta ole.

Adiabaattinen jäähdytys

Ilmamassaan muodostuu lämmitysmekanismin ansiosta eri lämpötilan omaavia ilmapaketteja. Ne nousevat lämpöenergian voimalla ylöspäin ja jäähdyttävät energiaa purkaessaan (laajetessaan) samalla sisältämäänsä ilmaseosta. Avaruuteen lämpö poistuu IR-säteilynä eri korkeuksista siten, että vesihöyryllä sekä pilvillä on omat tyypilliset säteilykorkeutensa. Hiilidioksidi säteilee merkittävästi vasta hyvin korkeissa ilmakehän kerroksissa, karkeasti tasolta + 10 000 metriä ja siitä ylöspäin. Syy hiilidioksidin käyttäytymiseen on selitetty aikaisemmissa aihetta sivuavissa teksteissä. On tärkeä ymmärtää, että lämpöä poistuu vaikka ollaan merkittävästi pakkasasteilla!

HUOM. Ilmakehän valtakaasut typpi, happi ja argon eivät johdata lämpöä ulos ilmakehästä. Ne sitovat kylläkin kineettistä energiaa eli lämpöä ja toimivat näin lämmön varaajina, mutta eivät absorboi eivätkä emittoi.  Ellei absorptio- ja emissiokykyisiä kaasuja olisi, niin ilmakehä olisi merkittävästi nykyistä kuumempi. Näin päädytään paradoksiin: Hiilidioksidi on keskeinen ilmakehän (osa)jäähdyttäjä.

Ihmisen aistimuksellisesti kokema lämpö, samoin kuin perinteisten lämpömittareiden osoittama lämpötila on ilmakehän molekyylien keskinäisestä määräsuhteesta johtuen suurimmalta osaltaan typen, hapen ja argonin lämpöä.

Ihminen aistii reseptoriensa rakenteen vuoksi myös herkästi ilman kosteutta, se on yksi evoluution tulos. Hiilidioksidimolekyylien lämpötila noudattaa ilmaseoksen valtamolekyylien lämpötilaa. Ihmisen aistein sitä on mahdoton erikseen havaita, mittareilla kyllä. Siksi hiilidioksidin IR-säteilyä voidaan hyödyntää lämpömittareissa. Se kertoo molekyylimassan lämpötilan.

Ihmisen iho tuntee matalataajuisen IR-säteilyn (lämpösäteilyn) hyvin laajalla taajuuskaistalla. Mutta säteily ei ole lämpöä. Lämpö syntyy ihon pintakerroksissa, joiden reseptorit viestivät lämpöaistimuksen keskushermostoon.

Aistimuksilla on rajoituksensa. Mitä korkeampi on säteilytaajuus, sitä huonommin ihmisen ihon reseptorit sitä ”ymmärtävät”. Siitä johtuu, että ihmisen on mahdollista polttaa itsensä pataluhaksi auringossa, jos säteilyn ultraviolettialue pääsee vapaasti ihoon vaikuttamaan.

Maapallon ilmakehällä on lattialämmitys. llmakehä on lämpöeriste. Sen koko kaasumassalla on lämpökapasiteetti, joka johtuu molekyylien lämpökapasiteetista. Ei ole siis mitenkään mahdollista, että hiilidioksidi 0,04 prosentin tilavuusosuudellaan säätelisi ilmakehän lämpötilaa.

Lämpöenergia siirtyy maasta ilmaseokseen ja ilmakehästä avaruuteen ajassa tapahtuvien vaihesiirtymien kautta.

Vaihesiirtymien kokonaisuus (materiaalin lämmönjohtavuus, lämpökapasiteetti) määrittää ilman lämpöenergian määrän ja lämpötilan.

Ilmastosysteemin jäähdytysjärjestelmässä aikatekijällä ja alailmakehän kineettisen lämpöenergian määrällä ja ilmanpaineella on lopputuloksen, eli ilmakehän lämpötalouden kannalta keskeinen merkitys. Sitä ei pelkästään säteilyfysiikan avulla voida selittää tai kuvata.

Jälkipuhe

Moni lukija muistaa varmaan ne moninaiset selitykset, joita virallisen ilmastokatastrofilinjan edustajat ja kannattajat ovat esitelleet viisitoista vuotta jatkuneen lämpöpysäkin johdosta. Yhtäkkiä moni näistä muisti, että maapallo onkin vesiplaneetta ja että merillä voi olla merkitystä ilmaston suhteen.

Selitykset sikseen ja omaan arvoonsa. Mutta tuon puheen takana tai sen motivaationa ovat juuri edellä tekstissä muutamaan otteeseen mainitut vaihesiirtymät – siitäkin huolimatta, että puhujista todennäköisesti enemmistö ei ole asiaan paneutunut.  Vaihesiirtymissä energia muuttaa muotoaan liikkuessaan väliaineesta toiseen.

Periaatteessa siirtymät voidaan jakaa kolmeen päätyyppiin. Rajapinnan muodostavat

1. kiintoaine ja kaasu

2. kiintoaine ja neste

3. neste ja kaasu.

Kukin näistä rajapinnoista on erillisen tutkimuksen kohde, enimmäkseen ns. insinööritieteiden alueella. Mutta yhteistä ”rajapintateoriaa” ilmastoon sovellettavassa fysiikassa ei ole olemassa. Ei ole myöskään kattavaa empiiristä mittaustietoa, joka sisältäisi maan lämpötalouden muutosten ymmärtämisen kannalta tärkeimmät parametrit. Eikä tällaista ole näköpiirissäkään siitä huolimatta, että sään ja ilmaston tutkimiseen on satsattu valtavat rahat esimerkiksi tietokonejärjestelmien muodossa.

Kun virallisen linjan ilmastoprofeetta seuraavan kerran aukaisee julkisuudessa sanaisen arkkunsa tästä aiheesta selityksineen, voi kuulija sulkea vastaanottimen rauhassa ilman, että menettäisi mitään tärkeätä. Tämä on eräs niistä ilmastoon liittyvistä monista alueista, joiden kohdalla pitäisi rehellisyyden nimissä myöntää, että tiedot ovat toistaiseksi kovin rajalliset.

Mainokset

3 ajatusta artikkelista “Ilmakehän lämpöfysiikan perusteita

  1. Tämähän tuli kuin tilauksesta. Pelkällä säteilyfysiikalla ei siitä ehkä selvitä, että suurimman kuukausittaisen auringon säteilyenergian aikaan on alhaisin maapallon keskipintalämpötila.

    • Ristoi, tottahan se on aurinko, mikä tänne energian toimittaa pikapostissa. Ja siitä paketista saamme lämmön, mutta aika monen mutkan kautta, myös ilmakehään.
      Monien on vaikea ymmärtää, että säteily on energian siirtomuoto, ei enempää, eikä tietenkään vähempääkään. Jossakin on aina energian lähde ja jossakin säteily muuntuu lämmöksi.

      Sain Ilmastofoorumilla kiukkuisen palautteen siitä, että en hyväksy kasvihuoneilmiötä edes käsitteenä. Palaute sisälsi oikeastaan kaikki ne argumentit, joilla tuo kattokäsite perustellaan. Siksi aion lähiaikoina tehdä sen pohjalta yksityiskohtaisen kirjoituksen aiheesta.

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