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.