Dilemma säteilypakotteen ja maanpinnan säteilymäärän välillä
Kirjoituksen tavoitteet
Tässä blogissa käsittelen ongelmia, jotka on alun perin esittänyt TWTW tiedotteessaan 16.9.2023 ja jossa on lainattu fyysikko Howard Haydenin esittämiä haasteita ”The Energy Advocate”-lehden syyskuun 2023 numerossa, viite 1. Hayden haastoi ilmastotutkijat (nimenomaan IPCC:n tiedettä tukevat) esittämään ratkaisunsa seuraavaan tilanteeseen:
• Valitse mikä tahansa SSP. (SSP on IPCC:n skenaarionimitys).
• Valitse aika tulevaisuudessa. Milloin tahansa 20 tai pitempi ajankohta tulevaisuudessa.
• Käytä kyseisen SSP:n supertietokonekoodin tuloksia, ja esitä energiatase skenaarion arvoilla laskettuna.
• Sinun on esitettävä numeroarvo, joka puuttuu energiatasekaavioista eli kasvihuoneilmiö G:n arvo.
• Sinun on osoitettava, miten kasvihuoneilmiön suuruus G lasketaan säteilypakotteesta (RF).
Hayden antaa 1000 dollarin palkkion sille, joka pystyy antamaan vastauksen näin esitettyihin kysymyksiin. Otan haasteen vastaan. Tiedän, että IPCC:n tieteen mukaisia numeroarvoja käyttäen energiataseen lukuja ei saada täsmäämään, mutta esitän laskelmat ja lukuarvot, jotka muuten toteuttavat annetut haasteet.
Hayden havainnollistaa ongelmaa tuomalla esiin AR6-raportissa olleet luvut vuotta 2019 koskien. Haydenin mukaan antropogeenisista syistä johtuva säteilypakote on ollut vuodesta 1750 vuoteen 2019 yhteensä 2,72 W/m2 ja tästä aiheutuvat lämpötilamuutos 1,36 °C. AR6:n kuvien Fig. 7.6 ja 7.7 mukaan kokonaispakote on ollut 2,70 W/m2 (auringon osuus -0,02 W/m2) ja lämpötilanmuutos 1,27 °C. Pintalämpötilan nousu 1,27 °C aiheuttaa S-B:n lain mukaan 7,1 W/m2 lisää säteilyä maanpinnalta, kun lämpötilan nousun aiheuttama säteilypakotteen muutos on ollut vain 2,72 W/m2. Miten pystyt selittämään tämän dilemman?
Maapallon energiatase
Ensin esitän energiatasekuvan, jossa on esitetty myös kasvihuoneilmiön suuruus G, kuva 1.
Kuva 1. Maapallon energiatase sisältäen IPCC:n määritelmän mukaisen kasvihuoneilmiön (G=At) suuruuden. Maapallon saama auringon säteilyn määrä on esitetty vain nettoenergian arvoina. Lukuarvot poikkeavat hieman IPCC:n energiataseen arvoista, mutta ovat virhemarginaalien sisällä.
Kuvassa 1 näkyy, että todellinen kasvihuoneilmiön suuruus on 270 W/m2, joka tulee ilmakehästä kolmen energiavuon yhteissummana: pitkäaaltoisen säteilyn absorptio 155 W/m2, latenttilämpö 91 W/m2 ja kuuman ilman kumpuaminen 24 W/m2. Nämä kolme energiavuota lämmittävät ilmakehää, josta ne säteilevät energiansa takaisin maanpinnalle infrapunasäteilyn Ed muodossa. Maanpinnan saamaa kokonaissäteilyä SRF=510 W/m2 ei voi selittää ilman tätä ilmiötä todellista kasvihuoneilmiön suuruutta.
Yksinkertainen ilmastomalli iterointitekniikalla
Käytän analyysissäni skenaariota SSP3-7.0, joka IPCC:n mukaan tarkoittaa 7,0 W/m2:n säteilypakotetta ja sen lämmitysvaikutus on 3,2–3,3 °C. Koska minulla ei ole käytettävissäni GCM-malleja, käytän kehittämääni iterointimallia (viite 2) jonka avulla voi simuloida säteilypakotteen vaikutuksen energiataseessa esiintyvien säteilyvuoarvojen laskemiseen riittävällä tarkkuudella.
Iteraatiomallini perustuu kahteen perusperiaatteeseen. Kasvihuoneilmiön voimistuessa maapallon emittoiman infrapunasäteilyn Es absorptio At kasvaa ilmakehässä arvolla dAt (=dG) ja se aiheuttaa avaruuteen menevässä infrapunasäteilyssä OLR poikkeaman alaspäin suuruudeltaan RF. Maapallon energiatase alkaa automaattisesti korjaamaan poikkeamaa. Koska OLR on nyt pienempi kuin aikaisemmin (OLR-RF), niin se tarkoittaa, että maapallon pintalämpötila alkaa nousta (sisään tulee enemmän energiaa kuin poistuu), jotta sen emittoima säteilymäärä voisi lopulta palautua alkuperäisen OLR-arvon.
Lämpötilan nousemista nopeuttaa oleellisesti se seikka, että ilmakehä säteilee lisääntyneen absorptioenergian dAt takaisin maanpinnalle eli kasvihuoneilmiön perusperiaate toimii kierrättäen ilmakehään absorboitunutta kasvihuoneilmiön energiaa. Maanpinnan saama lisäenergia nostaa sen lämpötilaa ja maanpinta emittoi yhä enemmän infrapunasäteilyä Planckin lain mukaan. Lisääntynyt infrapunasäteilyn määrä kasvattaa kasvihuoneilmiön suuruutta entisestään, koska absorptio lisääntyy. Tämä energian takaisinkierrätys jatkuu niin kauan, että avaruuteen menevä säteily OLR on saavuttanut alkuperäisen arvon eli sen nettoenergiamäärän, jota maapallo saa auringosta.
Tutkimuksessani on perustelut, miten olen laskenut lineaariset riippuvuudet energiataseen oleellisille muuttujille, jotka ovat yksiköissä W/m2 energiasäteilyille ja lämpötiloille °C:
· Infrapunasäteily ilmakehästä maanpinnalle Ed = Sa + L + T + At = 75 + 91 + T + At
· Kuuman ilman kumpuaminen T = -7,277 + 1,9867 * Ts
· Infrapunasäteilyn absorptio ilmakehässä At = G = 0,4182 * Aa
· Maanpinnan emittoima infrapunasäteily ilmakehään Aa = 0,719 * SRF
· Maanpinnan emittoima infrapunasäteily avaruuteen Et = 0,0558 * SRF
· Maanpinnan emittoima kokonaissäteily Es = Aa + Et
· Maanpinnan saama kokonaissäteilyn määrä SRF = Ss + Ed = 165 + Ed
· Auringon säteilyn absorptio ilmakehässä Sa = 75
· Auringon säteilyn absorptio maanpintaan Ss = 165
· Latenttilämpö L = 91
· Maanpinnan pintalämpötila Ts = -55,6684 + 0,18077 *Es.
Taulukko 1. Iterointitulokset skenaariolle SSP3-7.0 käyttäen säteilypakotteen RF arvoa 7,0 W/m2. Viimeinen rivi taulukossa osoittaa muutoksen lähtötilanteen ja lopputilanteen välillä.
Iteroinnin tulokset osoittavat, että kun avaruuteen menevä säteily OLR on palautunut lähtöarvoonsa 240 W/m2, niin ilmakehän aiheuttama absorptio on lisääntynyt 11,48 W/m2, jonka suhde RF-arvoon on 1,64. Iteroinnit erilaisilla RF-arvoilla osoittivat, että tämä suhde vaihteli välillä 1,58 – 1,65. Nyrkkisääntönä voidaan sanoa, että ilmakehän absorptioa lisääntyy noin 1,6 kertaa RF-arvo.
Maanpinnan lämpötila on noussut iteroinnin perusteella noin 2,1 °C. Tätä arvoa voidaan verrata yksinkertaisen ilmastomallin avulla laskettuun arvoon, joka on
dTs = λ × RF (1),
jossa dTs on globaali keskimääräinen pintalämpötilan muutos (°C), λ on "ilmastoherkkyysparametri" ja RF on säteilypakote eli IPCC:n nimikkeistön mukainen säteilypakotteen nettomuutos dF. IPCC:n raportin AR6 mukaan λ on ollut 0,47 K/(W/m2), joka pitää sisällään veden positiivisen takaisinkytkennän. Ilman veden takaisinkytkentää λ:n arvo on 0,27 K/(W/m2) laskettuna maapallon nykyisestä energiataseesta, viite 3. Yhtälön (1) avulla käyttäen λ-arvoa 0,47 K/(W/m2) laskettu lämpötila on 3,3 °C avulla vastaten täysin IPCC:n GCM-mallien avulla laskettua lämpötilaa. Vastaava arvo ilman veden positiivista takaisinkytkentää yhtälön (1) avulla laskettuna on 1,9 °C. Iterointimallin tulos vastaa varsin hyvin ilmaston toimintaa, jossa ei esiinny veden positiivista takaisinkytkentää.
Yhteenveto
Kuinka hyvin onnistuin vastaamaan Haydenin esittämiin haasteisiin:
• Valitse mikä tahansa SSP. Valitsin SSP3-7.0
• Valitse aika tulevaisuudessa. Milloin tahansa 20 tai pitempi ajankohta tulevaisuudessa. Valitsin vuoden 2100, jota iteroin kahdeksan iterointiaskeleen avulla.
• Käytä kyseisen SSP:n supertietokonekoodin tuloksia, ja esitä energiatase skenaarion arvoilla laskettuna. Käytin iterointimallia.
• Sinun on esitettävä numeroarvo, joka puuttuu energiatasekaavioista eli kasvihuoneilmiö G:n arvo. Olen esittänyt energiataseen kuvassa 1, jossa esiintyy IPCC:n G-arvo 155 W/m2 sekä todellinen kasvihuoneilmiön suuruus 270 W/m2.
• Sinun on osoitettava, miten G lasketaan säteilypakotteesta (RF). Nyrkkisääntö G:n lisäykselle on dG = 1,6 *RF.
Iterointimallini osoittaa havainnollisesti, kuinka kasvihuoneilmiö toimii ja miksi kasvihuoneilmiön kasvu ei ole sama kuin säteilypakotteen nousu. Tulokseni osoittavat, että IPCC:n ilmastomallit antavat liian suuren lämpötilan nousun RF-arvon perusteella johtuen veden positiivisesta takaisinkytkennästä, jota ei ole ilmakehässä. Maapallon nykinen energiatase ja iterointimallini osoittaa myös tämän asian. Tässä blogissa ei käsitellä RF-arvon laskemista IPCC:n tapaan eikä sen oikeellisuutta, koska Hayden ei sellaista edellyttänyt.
Miksi ilmastotutkijat vaikenevat kasvihuoneilmiön (GHE) spesifikaatiosta?
Ilmastotutkijat ja IPCC ovat hyvin hiljaa GHE:n määrittelystä. Filosofi Wittgenstein on muotoillut syyn tähän: Mistä ei voi puhua, siitä on vaiettava.
Hyvä syy vaieta on se, että GHE-spesifikaatio on "IPCC:n tekemä" heti ensimmäisestä arviointiraportista lähtien eikä siinä viitata julkaistuihin tutkimusjulkaisuihin, mikä on yksi IPCC:n perusperiaatteista: emme tee omaa tutkimusta, viittaamme ja valitsemme vain parhaat julkaistut tutkimustulokset. AR5:ssä IPCC kirjoitti, että "tämän LWR:n alaspäin suunnattu komponentti lisää lämpöä ilmakehän alempiin kerroksiin ja maan pintaan (kasvihuoneilmiö)." Vuonna 2019 julkaistussa tutkimuspaperissani (viite 4) huomautin, että absorptiovaikutus on noin 155 W/m2 ja alaspäin suuntautuva komponentti noin 345 W/m3, mikä tarkoittaa, että tämä spesifikaatio on fysiikan lakien vastainen.
Kuinka ollakaan, IPCC muutti GHE-spesifikaatiota AR6:ssa vuonna 2021 piilottamalla sen sanastoon. Kaksi olennaista seikkaa ovat, että 1) "avaruuteen päästetty säteilyn nettomäärä on tavallisesti pienempi kuin se olisi päästetty ilman näitä absorboijia"; 2) "...Antropogeeniset päästöt edistävät hetkellistä säteilypakotetta. Pintalämpötila ja troposfääri lämpenevät vastauksena tähän pakotteeseen". Tämä määritelmä välttää sanomasta, että ilmakehästä alaspäin on LW-säteilyä, joka lämmittää pintaa. Tämä on GHE:n olennainen ominaisuus. Luulen, että syy on se, että IPCC välttää määrittelemästä pintaa lämmittävän todellisen säteilyvuon suuruutta, koska se ei ole sama kuin GH-kaasujen ja pilvien aiheuttaman LW-säteilyn absorptio.
Viitteet:
Viite 1. The Energy Advocate. http://www.sepp.org/science_papers/2802.pdf
Viite 4. https://journalpsij.com/index.php/PSIJ/article/view/570
Dr. Antero OIlila
