arojouni Koetan pysyä Suomea koskettavissa ajankohtaisissa asioissa, ympäristöön, talouteen ja turvallisuuteen liittyen.

Ilmastonmuutoksen perusteet: Vesihöyry

  • Maapallolla on luonnollinen jäähdytysmekanismi
    Maapallolla on luonnollinen jäähdytysmekanismi

Ilmastonmuutoksen perusteita käydään läpi tällä luennolla. Luennon aiheena on vesihöyry, joka on tärkein kasvihuonekaasu. Ilmakehällä on ominaisuus päästää ylimääräistä lämpöä troposfääreistä stratosfääriin, jonka johdosta stratosfääri lämpenee, mutta CO2:n ensisijainen vaikutus onkin jäähdyttää stratosfääriä. https://atmos.washington.edu/~dargan/587/587_3.pdf

"How about changes to the stratosphere temperature? Stratospheric warming could offset the tropospheric warming effect… With increased CO2, the stratosphere cools though! Primary cooling mechanism in stratosphere: CO2 cooling"

Ilman tällaista jäähdytysmekanismia maapallo olisi paljon kuumempi paikka!

Piditkö tästä kirjoituksesta? Näytä se!

5Suosittele

5 käyttäjää suosittelee tätä kirjoitusta. - Näytä suosittelijat

NäytäPiilota kommentit (26 kommenttia)

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Asiallista perustietoa. Maapallolla tosiaan on luonnollinen jäähdytysmekanismi, joka tasaa lämpötilan nousua. Onneksi näin on.

Lapse Rate ei tosiaankaan ole vakio, -eli siis ei lineaarinen tropopaussiin mentäessä. Derivaatta on muuttuva.

Käyttäjän arojouni kuva
Jouni Aro

Joo, on asiallista. Tässä on hyvin myös havainnollistettu asioita, jotta me maallikotkin ymmärtäisimme mistä on kyse.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Kyllä on hyvä peruskurssi. Lapse Rate on myös kohtuu hyvin selitetty, joka on muuttuva, eli derivaatta muuttuu (lämpötila nousee kun kosteus tiivistyy tropaussissa).

Lapse Rate ei ole myöskään täysin lineaarinen trosfääristä - tropopaussiin, vaikka kuvissa näyttää olevan. Siihen vaikuttaa monet tekijät trosfäärissä.

Käyttäjän arojouni kuva
Jouni Aro Vastaus kommenttiin #3

Siis on hyvin selvitetty lapse rate, ilmaston negatiivinen takaisinkytkentä, jonka voimakkuus riippuu troposfäärin suhteellisesta kosteudesta jne.

Lapse rate toimii sitten päinvastoin navoilla, mutta tropiikin lapse rate dominoi.

Tropiikissa troposfäärin "overturning" ukkosineen nostaa troposfääriä 18 km:iin asti, napojen osalta tätä ilmiötä ei olisi.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta Vastaus kommenttiin #4

Kyllä, troposfääri kasvaa 4D...

Käyttäjän arojouni kuva
Jouni Aro Vastaus kommenttiin #5

Joo, 4D:nä, tropiikissa ja subtrooppisella alueella.

Käyttäjän aveollila1 kuva
Antero Ollila

Duoda, duoda. Ymmärsinkö oikein, että veden tärkein tehtävä on jäähdyttää stratosfääriä? Miten käy maapallon pintalämpötilalle, jos veden pitoisuus kasvaa? Kylmeneekö stratosfääri lisää eli maapallon jäähtyminen paranee ja sen vuoksi maapallon pintalämpötila laskee? Vai miten tämä oikein menee?

Käyttäjän arojouni kuva
Jouni Aro

Jaa, kun tropiikissa troposfääri nousee ylemmäs, ukkospilvien kanssa aina 18 km:iin asti, menee mukana kaikkea, hiukkasta, jääkiteitä CO2:ta... CO2 lopulta jäähdyttää stratosfäärissä. Kun CO2 on raskas kaasu, paljonko sitä päätyy stratosfääriin ei selvinnyt minulle.

Ja stratosfäärin kylmä paluuilma jäähdyttää troposfääriä. http://www-das.uwyo.edu/~geerts/cwx/notes/chap01/c...

https://www.atmos-chem-phys.net/17/11835/2017/acp-...

Abstract. Deep convection is an efficient mechanism for vertical trace gas transport from Earth’s surface to the upper troposphere (UT). The convective redistribution of shortlived trace gases emitted at the surface typically results in a C-shaped profile.

Kyllä haihduttaminen maanpinnalta viilentää maapalloa. Siksi maapallon viherryttäminen on tärkeätä.

"Deep convection (thunderstorms) in the Intertropical Convergence Zone, or over mid-latitude continents in summer, continuously push the tropopause upwards and as such deepen the troposphere. This is because thunderstorms mix the tropospheric air at a moist adiabatic lapse rate. In the upper troposphere, this lapse rate is essentially the same as the dry adiabatic rate of 10K/km. So a deepening by 1 km reduces the tropopause temperature by 10K. Therefore, in areas where (or at times when) the tropopause is exceptionally high, the tropopause temperature is also very low, sometimes below -80� C." http://www-das.uwyo.edu/~geerts/cwx/notes/chap01/t...

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Kyllähän se vesi siellä stratosfäärin alaosassa n. 18km:ssa on jo syvässä jäässä -40°C eli gravitaatio painaa sen jo alas jääkiteinä ja syntyy elektrostaattisia ilmiöitä, eli salamointia..

Käyttäjän arojouni kuva
Jouni Aro

Kyllä, tuossa Saksasta tutkimusta, sielläkin on tätä ukkospilvien kohoamista ylöspäin stratosfääriin asti. https://www.atmos-chem-phys.net/17/11835/2017/acp-...

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Alasvirtauksina jääkiteisiin sitoutuneet hiukkaset, -kuten myös CO2 ja elektrostaattiset purkaukset ja hankaukset sulattavat kiteet säännöllisen pyöreiksi alas sataessaan. Tässä prosessissa muodostuu myös paljon lämpötilagradientteja.

Käyttäjän arojouni kuva
Jouni Aro Vastaus kommenttiin #11

Tuossa sakemannien tutkimuksessa ei puhuta CO2:sta mitään, jääkö stratosfääriä viilentämään.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta Vastaus kommenttiin #13

Normaalipaineessa hiilidioksidi ei esiinny missään lämpötilassa nesteenä, vaan se muuttuu suoraan kiinteäksi silloin, kun vallitseva lämpötila lähestyy arvoa -70°C. Nesteeksi se muodostuu vähintään 5000 mbar: ssa.

Faasit määrittelevät hiilidioksidin olomuodot:

1. Kiinteä -75°C / 5000 mbar
2. Nestemäinen < -75°C / > 5000 mbar
2. Höyryksi ja kaasuksi -> 31°C / 73 000 mbar

Stratosfäärin alaosissa vallitsee n. -40°C ja paine on luokkaa 10mbar, silloin hiilidioksidin olomuoto on lähinnä höyrystynyttä.

Käyttäjän aveollila1 kuva
Antero Ollila

Suuri kuvio maapallon energiavirroissa on se, että maapallon lämpötilaa pitää yllä auringon lyhyaaltoinen säteilyvuo n. 240 W/2. Energian häviämättömyyden laista johtuu, että maapallo säteilee pitkäaaltoista (5-100 mikrometriä) infrapunasäteilyä takaisin avaruuteen täsmälleen saman verran. Planckin säteilylain mukaisesti säteilymäärää 240 W/m2 vastaa noin -19 asteen lämpötilaa. Maapallon pintalämpötila on kuitenkin keskimäärin 15 astetta. Tämä erotus 34 astetta on kasvihuoneilmiön syytä. Sen vuoksi maapallo on asumiskelpoinen eikä jää/lumipallo.

Pintalämpötilaa 15 astetta vastaten maapallo emittoi pinnasta 396 W/m2, mutta avaruuteen menee vain 240 W/2. Tuo erotus on kasvihuonekaasujen absorption vaikutus eli n. 156 W/2. Se ylläpitää ilmakehässä lämpötilaprofiilia troposfäärissä. Kasvihuonekaasujen vaikutuksesta maapallolla on "villapaita" päällä aivan kuin talossa on eristekerros. Ainut lämmönsiirtotapa, joka toimiii avaruudessa, on säteily.

Kasvihuonekaasut (vesi mukaanlukien) eivät edistä maapallon jäähtymistä vaan vaikeuttavat sitä. Kun hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä on nousee, niin avaruuteen menevä säteilymäärä pienenee, koska maapallon "lämmöneristys" paranee. Kun eristys paranee, niin pintalämpötila nousee ja se nousee tarkalleen siihen arvoon, että avaruuteen menee jälleen saman verran kuin aurinkosta tulee. Korkeampi pintalämpötila nostaa säteilymäärää.

Stratosfäärissä (tai sen yläpuolella) tapahtuvat lämpenemiset eivät ole kovin merkityksellisiä, koska siellä on ainetta niin vähän. Maapallon kokonaisabsorptiosta tapahtuu troposfäärissä 98 %. Stratosfäärissä tapahtuvasta infrapunasäteilyn absorptiosta vastaa pääosin otsoni, koska sen pitoisuus siellä on 50-90 kertaa suurempi kuin troposfääärissä. Sen absotrpioaallonpituus on 10 mikrometrin molemmin puolin eli juuri siinä kohtaa, jossa vedellä on absorptiominimi. Sen vuoksi otsonilla ei ole kilpailijoita stratosfäärissä. Otsonin tärkein tehtävä on kuitenkin absorpoida lähes täysin ultraviolettisäteily, joka on kaikille eläville organismeille vaarallista.

Käyttäjän arojouni kuva
Jouni Aro

Noilla tropiikin virtauksilla saattaa olla siinä mielessä merkitystä, että troposfääri nousee korkealle ja virtaukset vievät CO2 stratosfääriin asti, jossa CO2:lla on viilentävä vaikutus. Kuinka paljon CO2:ta päätyy stratosfääriin ei selvinnyt.

"Good approximation of lower stratospheric temperature: constant temperature
Determined by ozone content, solar forcing, CO2 content, etc"

"How about changes to the stratosphere temperature?
Stratospheric warming could offset the tropospheric warming effect…
With increased CO2, the stratosphere cools though!
Primary cooling mechanism in stratosphere: CO2 cooling"

Käyttäjän arojouni kuva
Jouni Aro

Tapani Lahnakoski kysyy lapse rateen liittyen, että mikä vaikutus sillä on kasvihuoneilmiöön kun kosteus loiventaa lapse ratetta kolmella asteella kilometriltä.

Mihin suuntaan vaikuttaa kosteuden takaisinkytkentä lisääntyneeseen ilmakehän CO2 -pitoisuuteen.

Tropiikin troposfäärissä lapse muuttuu wet adiabatic lapse ratesta dry adiabatic lapse rateen hyvinkin nopeasti neljän kilometrin jälkeen.

Troposfäärin yläosassa lämpötila laskee kymmenen astetta kilometriltä, pudoten miinus kahdeksaankymmeneen asteeseen.

Maanpinnalta säteilevän infrapunan absorboitumisesta Lahnakoski kyselee vielä, että millä matkalla CO2 absorptiokaista absorboi säteilyn ja millä perusteella.

Ja miten kosteus vaikuttaa CO2 absorptioon infrapunasäteilyn osalta.

Lisään vielä Lahnakosken kysymykset suoraan kopioituna!
Kysy Ollilalta, että mikä määrää ilmakehämme lapse-rate-käyrän, kun vesihöyry loiventaa sitä yli kolme astetta/km. Sillä lienee siis jokin muukin merkitys, kuin pelkkä infrapunan absorptio eli kasvihuonekaasuominaisuus.

Mihin suuntaan lisääntyneen CO2-pitoisuuden vesihöyrytakaisinkykentä mahtaakaan vaikuttaa?

Ollilalta voisit kysyä myös, että millä matkalla hän kuvittelee maanpinnan infrapunasäteilyn absorboituvan hiilidioksidin absorptiokaistalla ja millä perusteella. https://www.facebook.com/tapani.lahnakoski?fref=ufi

Käyttäjän aveollila1 kuva
Antero Ollila

Käsitykseni eivät perustu luuloihini vaan omiin ja muiden tutkimuksiin.

En ole keskittynyt tutkimuksissani lapse rate-käyrän muodostumiseen ja siihen vaikuttaviin tekijöihin. Olen ottanut sen tosiasiana spektrilaskelmissani kuten muutkin ilmakehässä olevat profiilit maanpinnalta laskentakorkeuteen asti: paine ja kasvihuonekaasujen pitoisuudet. Maapallon lämpötilaprofiiliin vaikuttavilla seikoilla ei ole merkitystä oleellisimmassa asiassa eli paljonko kasvihuonekaasujen pitoisuudet lisäävät maapallon pintalämpötilaa.

Olen tutkinut vesihöyryn vaikutusta kolmella eri tavalla: maapallon energiataseen perusteella, spektrianalyysin perusteella ja suorien mittausten perusteella. Niiden mukaan ilmakehän vesimäärä on pitkällä aikavälillä vakio eli hiilidioksidin pitoisuuden nousu ei vaikuta vesimäärään.

Alkuperäiset tutkimukset:

http://www.seipub.org/DES/paperInfo.aspx?ID=17162

http://www.sciencedomain.org/abstract/17484

Pääkohteeni tutkimuksissani on ollut hiilidioksidin voimakkuus kasvihuonekaasuna spekrtianalyysin avulla. Hiilidioksidi on niin voimakas kasvihuonekaasu absorptioalueellaan, jonka pääpiikki on 15 mikrometrin molemmin puolin, että se tapahtuu jo yhden kilometrin korkeuteen mennessä. Vaikka hiilidioksidin pitoisuus on suunnilleen sama aina 80 kilometrin korkeuteen asti, niin sillä ei ole vaikutusta. Kun maapallon emittoiva säteilyenergia on absorboitu hiilidioksidin absorptioalueella, niin tyhjästä ei voi nyhjäistä.

Kokonaisabsorptio etenee seuraavasti: 1 km 90 %, 2 km 95 %, 11 km 98 %.

Käyttäjän arojouni kuva
Jouni Aro

Lahnakosken kysymys. Radioinsinöörinä tarkastelen nyt tätä CO2:n absorptiota antenniteorian pohjalta. Tässä muutamia laskemiani lukuja, jos joku kaipaa tarkennusta tai haluaa korjata, olkaa hyvät vain:

Kuutiossa ilmaa on n. 3,6 x10^21 CO2-molekyyliä.

Jos CO2-molekyylin oletetaan toimivan dipolina, jonka resonanssi on aallonpituudella 15 um, antenniteorian mukaan sen sieppauspinta on 2,86 x10^-11 m^2.

Jos oletetaan molekyylien olevan tasan jakautunut kuutionmuotoisessa hilassa, yhdessä molekyylikerroksessa on 2,35 x10^14 kpl molekyyliä.

Tästä seuraa, että noiden dipolien yhteenlaskettu sieppauspinta on peräti 6720 m^2. Sieppauspinnat menevät siis rutkasti toistensa kanssa päällekkäin yhden neliömetrin alueella jo yhdessä molekyylikerroksessa, joita tuossa kuutiossa on päällekkäin 15,3 miljoonaa kappaletta.

Tästä tulee väkisinkin mieleen kysymys, että miten ihmeessä kvantti, jonka aallonpituus on 15 um, pystyy luikertelemaan johonkin korkeuksiin ja vieläpä säteilemään sieltä alas?

Vaikka nuo oletetut CO2-dipolit toki ovat polarisaatioiltaan satunnaisissa asennoissa, suuruusluokat ovat sellaisia, että hyvää selitystä kaivataan.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Kyllä Lapse Ratella on erittäin oleellinen merkitys, se on itse asiassa ainoa olemassa oleva markkeri, joka perustuu suoriin mittauslukemiin ilmakehän profiilista ja se on epäsuorasti yhteydessä myös maan päällisiin lämpötila-muutoksiin. Jos Lapse Ratessa olisi otettu riittävästi huomioon myös kosteuden tiivistyminen ja vesihöyry, se antaisi vastauksia Tapani Lahnakosken esittämiin kysymyksiin.

Kuten Tapani Lahnakoski toteaa, "kosteus loiventaa Lapse Ratea kolmella asteella / km”.

Lisäksi, Lapse Rate ei ole lineaarinen troposfääristä - tropopaussiin, vaikka se graafissa näin näyttäisi olevan. Lämpötilamuutoksiin tällä välillä vaikuttaa epälineaariset muuttujat (absorbtiolämpötilat / pitoisuuksien vaihtelut jne). Lapse Raten kulmakerroin on myös muuttuva, se riippuu hyvin paljon troposfäärin olosuhteista.

Muutos 6,5°C / km tropsfääristä - tropopaussiin on karkea arvio, joka antaa vain osviittaa kulmakertoimesta silloin, kun vallitsevat olosuhteet pysyvät vakiona. Todellisuudessa käy niin, että vallitsevien olosuhteiden vakiot ovat lyhytaikaisia muuttuvia vakioita.

On myös otettava huomioon faasit, jotka määrittelevät sekä hiilidioksidin, että veden kolmoispisteet.

Hiilidioksidin Infrapunasäteilyn absorbtio on 4 - 4,5 µm:n välillä.

Maapallon pinnalta lähtevä säteily on infrapunasäteilyä, joka säteilee noin 3 - 100 µm:n aallonpituusalueella. Suurin osa tästä esiintyy välillä 5 - 20 µm. Toisin kuin ilmakehän yleisimmät kaasut typpi, happi ja argon, kasvihuonekaasut sitovat säteilyä juuri tuolla aallonpituusalueella.

"Kokonaisabsorptio etenee seuraavasti: 1 km 90 %, 2 km 95 %, 11 km 98 %.”?

Tämähän on luonnollista seurausta siitä, että konsentroitumiset ovat jo tapahtuneet. Jos tämä analyysisi tarkoittaa globaaleja muutoksia, kaikki muutkin muutokset lähestyvät aina ja vääjäämättömästi 100%:a.

Käyttäjän aveollila1 kuva
Antero Ollila

Tarkennan lämpötilaprofiilia koskevaa vastaustani. Käyttämässäni spekrianalyysisovelluksessa lämpötilaprofiilit on esitetty viidellä eli ilmastovyöhykkeellä kilometrin välein korkeuteen 25 kilometriä ja siitä harventuen 2-5 kilometrin välein korkeuteen 120 km. Kuten aikaisemmin totesin, niin troposfäärin jälkeen absorptio on tapahnut jo 98 - prosenttisesti, joten sen jälkeisillä arvoilla ja tarkkuuksilla on vähän merkitystä absorptiotapahtumassa.

Hiilidioksidilla on useita absorptioaallonpituuksia, mutta ehdoton pääabsorptio tapahtuu aallonpituusalueella 12-19 mikrometriä. Sekin jää pahasti veden absorptioalueen alle. Paras näkemäni esity asiasta löytyy tästä diaesityksestä

https://www.climatexam.com/co2-ja-kasvihuoneilmi

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Luonnollisesti hiilidioksidilla on useita absorbtio-aallonpituuksia ja absorbtiokertoimia. Tähän vaikuttaa faasi, maan pinnasta stratosfääriin ja vähän siitä yli.

Parhaista esityksistä en osaa sanoa, mutta omat analyysini poikkeavat parhaista. Mutta noin yleensä voisi sanoa, että on hyvä että ilmastonmuutosta tutkitaan ja olisi hyvä antaa rauha myös tutkijoille, jotka pääasiassa ovat kansainvälisesti näistä asioista vastuussa, eikö niin?

Käyttäjän aveollila1 kuva
Antero Ollila

Hannu. Ketkä ovat niitä tutkijoita, jotka ovat kansainvälisesti vastuussa ilmastonmuutosasioista? Tietääkeni tätä tutkimusaluetta ei ole nakitettu kenellekään tutkijalle eikä tutkijaryhmälle tai tutkimuslaitokselle. Tutkimus on vapaata ja tutkimukset julkaistaan kansainvälisissä lehdissä. IPCC tosin on ottanut itselleen sellaisen roolin, että se haluaa määritellä, mikä on hyvää tai vähemmän hyvää alan tutkmusta.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Ilmastonmuutosta tutkitaan hyvin runsaasti joka puolella maailmaa eri istituutioiden toimesta ja toki tutkimus tuleekin olla mahdollisimman läpinäkyvää ja avointa. Julkaisut on luonnollisesti se näkyvin anti.

Täällä US:ssa on linkitetty monenlaista tutkimusta, se on todiste tutkimuksen laajuudesta ja myös siitä epävarmuudesta, mitä tutkimukset osoittavat.

Tarkoitin kansainvälisillä tutkijoilla niitä, jotka julkaisevat tutkimuksiaan mahdollisimman laajamittaisessa konsensuksessa ja arvostetuissa lehdissä ja kuten tieteellisissä julkaisuissa on käytäntönä ollut referee-menetely, eli asiantuntija tarkistukset sekä lähdetiedot ja viitteet.

IPCC:n rooli tulee mahdottamaksi, jos sen täytyy kahlata tutkimuksia jokaisesta mahdollisesta käyttökelpoisesta lähteestä ja tehdä niistä synteesi.

Jos lähdeluettelossa on tutkimus, joka on julkaistu esim. Science-lehdessä ja jos tutkija julkaisee samassa lehdessä tutkimuksen, joka tukee lähdeluettelossa olevia tutkimuksia ja tai oikaisee niitä, sillä on merkittävämpi painoarvo kuin sellaisissa lehdissä, joilla ei ole vastaavaa statusta. Se on valitettavasti näin.

Käyttäjän aveollila1 kuva
Antero Ollila

Jos tutkimuksen pitää tukea jotain konsestusta, niin se ei tuo esiin mitään oleellista uutta. Ne tutkimukset, jotka tuovat esiin jotain oleellista uutta, ovat aina konseksen vastaisia.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta Vastaus kommenttiin #25

Se ei välttämättä ole näin. Konsensus ei aina ole sitä, että on samaa mieltä jostakin tutkimuksesta. Voi olla myös eri mieltä, mutta se silti voi johtaa konsensukseen.

Ihmiset ajattelevat eri tavalla ja jos konsensus on rakentava, se yleensä johtaa tutkimuksissa yleispätevään ratkaisuun.

Yksittäinen tutkija on tässä mielessä haastavassa tilanteessa ja voi helposti jäädä marginaaleihin, jollei tutkimustulos osoita viimekädessä teoriaa ja havaintoja yksiselitteisesti oikeiksi.

On paljon esimerkkejä tutkijoista, jotka eivät vielä tänä päivänäkään ole saaneet tunnustusta, vaikka aikaa on voinut kulua useita satoja vuosia heidän ajastaan.

Ilmastonmuutokseen liittyvät todelliset syyt ovat vielä toistaiseksi epäselviä, lähinnä takaiskytkentöjen osalta ja näissä on työ vielä kesken.

Tässä vaiheessa on mielestäni ennenaikaista "naulata" tutkimustuloksia toteemipaaluun ja alkaa kumartamaan niitä siinä uskossa, että nyt kaikki on selvitetty.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Itse henkilökohtaisesti luotan akatemia prof. Markku Kulmalan tekemiin tutkimuksiin. Hänellä on riittävää kokemusta sekä fysiikassa, että käytännön työssä. Hänellä on myös ainutlaatuinen tutkimusvälineistö, joka on ainutlaatuaan maailmassa.

https://www.youtube.com/watch?v=ehEFLlrIphQ

Toimituksen poiminnat

Tämän blogin suosituimmat kirjoitukset