Hiilidioksidin säteilypakote ja ilmastoherkkyys, osa 2. Veden takaisinkytkentä ja ilmastoherkkyysparametri
Johdanto. Tekemäni tutkimus nimeltä ”Radiative forcing and climate sensitivity of carbon dioxide (CO2) fine-tuned with CERES data” eli ”Hiilidioksidin säteilypakote ja ilmastoherkkyys hienoviritettynä CERES-datan avulla” on julkaistu 5.12.2023 (Viite 1). Tutkimus on niin laaja, että tulen tekemään siitä yhteensä viisi erillistä blogikirjoitusta, joiden aiheet ovat:
Osa 1. Kasvihuonekaasujen absorptiovaikutukset
Osa 2. Veden takaisinkytkentä ja ilmastoherkkyysparametri
Osa 3. Stratosfäärin kylmeneminen
Osa 4. CO2:n säteilypakote ja ilmastoherkkyys
Osa 5. Vertaisarviointi ja validiointi.
Yrittäkää siis pysyä kunkin kirjoituksen aiheessa, koska en tule kommentoimaan niitä kommentteja, jotka menevät aihepiirin ulkopuolelle. Muuten pyrin vastaamaan kaikkiin asiallisiin kommentteihin. Pyrkimykseni on edelleen ilmastonmuutostieteen kansantajuistaminen, koska niitä on huonosti tarjolla suomeksi tai englanniksi. Nämä kirjoitukset todennäköisesti ovat monelle lukijalle liian teoreettisia tai kokemuspiirin ulkopuolella. Olen toisaalta havainnut, että on myös niitä lukijoita, jotka ymmärtävät näitä ilmastonmuutostieteen perusasioita. Matemaattisilla yhtälöillä en tule lukijoita kuormittamaan, mutta kyllä esittämään tuloksia, jotka perustuvat monimutkaisiin fysikaalisiin laskelmiin. Esitän myös tapani mukaan kuvia, joita ette löydä samalla tarkkuudella internetistä tai edes tieteellisistä artikkeleista.
Veden takaisinkytkentä
Otan ensiksi käsittelyyn käsitteen ”veden takaisinkytkentä” ja sen määritelmän vuodelta 1995 IPCC:n 2. raportista (SAR) kappaleen 4.2.1 mukaan sivulta 200:
”Positiivinen vesihöyryn takaisinkytkentä oletettiin varhaisimmissa ilmaston lämpenemisen simulaatioissa yksinkertaisilla säteilykonvektiomalleilla (Manabe ja Wetherald, 1967). Se syntyy lähellä pintaa olevalle vesihöyrylle kyllästyshöyrynpaineen voimakkaasta riippuvuudesta lämpötilasta, kuten Clausius-Clapeyronin yhtälö osoittaa. Lämpötilan nousun odotetaan siten lisäävän ilmakehän vesihöyryn sekoitussuhdetta. Koska vesihöyry on tärkein kasvihuonekaasu, tällainen vesihöyryn lisääntyminen voimistaa kasvihuoneilmiötä. Toisin sanoen ne vähentävät ilmakehän pintajärjestelmästä lähtevää termistä infrapuna- (pitkäaalto) säteilyä ja tarjoavat positiivisen takaisinkytkennän, joka vahvistaa alkuperäistä lämpenemistä”.
Merkille pantavaa on, että IPCC tunnustaa, että aluksi oletettiin ilmakehässä olevan veden positiivinen takaisinkytkentä. Lainauksessani viitataan artikkeliin, jonka Manabe ja Wetherald julkaisivat nimellä ”Thermal Equilibrium of the Atmosphere with the given distribution of relative humidity” eli ”Ilmakehän terminen tasapaino vakiollisen suhteellisen kosteuden yhteydessä”, viite 2. Jo nimestä paljastuu, että tutkijat käyttivät vakioitua suhteellisen kosteuden profiilia ilmakehässä. Se tarkoittaa selkokielellä, että kun ilmakehän lämpötila nousee, niin oletetaan, että suhteellinen kosteus pysyy vakiona. Se taas tarkoittaa sitä, että silloin absoluuttinen vesihöyryn määrä ilmakehässä kasvaa, koska lämpimämpi ilma pystyy sitomaan enemmän vettä. Tämä taas tarkoittaa sitä, että koska vesihöyry on n. 12 kertaa hiilidioksidia voimakkaampi kasvihuonekaasu prosentuaalista muutosta kohti laskettuna, niin lopputulos on, että veden takaisinkytkentä nostaa alkuperäisen lämpötilan nousun (esimerkiksi hiilidioksidin tai absorboituneen auringon säteilyn aiheuttaman lämpötilan nousun) kaksinkertaiseksi.
Joku saattoi panna merkille tuossa Manabe & Wetheraldin ratkaisevassa tutkimuksessa, että tutkijat käyttivät ilmaisua ”Given Distribution of Relative Humidity” eli hyvin vanhahtavaa ilmaisua, että suhteellisen kosteuden jakauma on annettu. Tästä seuraa tietenkin retorinen kysymys, että kuka on antanut tällaisen jakauman. Ilmaisu yksinkertaisesti tarkoittaa, että tutkijat olettivat, että suhteellinen kosteus pysyy vakiona, kun ilmakehän lämpötila muuttuu. En löytänyt artikkelista pohdintoja tai perusteluja sille, että miksi suhteellinen kosteus (RH) pysyy vakiona mieluumminkin kuin että absoluuttinen kosteus pysyy vakiona. Artikkelista jää sellainen kuva, että tutkijat laskivat ja analysoivat, mitä tällaisesta oletuksesta seuraa eri muuttujien käyttäytymisessä. He eivät esitä teoreettista hypoteesia tai perustelua, miksi suhteellinen kosteus ylipäänsä pysyisi vakiona.
Käsitykseni on, että vasta parikymmentä vuotta myöhemmin, kun IPCC perustettiin ja alettiin satsata ilmastomallien kehittämiseen, piti löytää myös teoreettinen perustelu veden positiiviselle takaisinkytkennälle. Sellainen löytyikin herrojen Clausius-Clapeyron yhtälöstä, joka esittää matemaattisen kaavan, miten veden osapaine riippuu höyryfaasin lämpötilasta, jos siinä vallitsee 100-prosenttinen suhteellinen kosteus. Tässä jälkikäteen uuniin heitetyssä hiivassa on vain sellainen silmiinpistävä ongelma, että ilmakehän keskimääräinen suhteellinen kosteus on noin 75 % globaalisti ja vain paikoittain ja hetkellisesti 100 %. Tähän päivään mennessä ilmastoeliitti ei ole onnistunut esittämään ”veden pitävää” teoreettista pohjaa, että ilmasto toimisi niin, että ilmakehän suhteellinen kosteus pysyy vakiona.
Ilmastoherkkyysparametrin suhde veden takaisinkytkentään
Ilmakehän suhteellisen kosteuden pysymisestä vakiona on ruvettu myöhemmin käyttämään termiä ”veden takaisinkytkentä” ja selvemmin ”veden positiivinen takaisinkytkentä”. Tämä asia ilmenee ilmastoherkkyysparametrin arvossa. Nimittäin yksinkertaisin ilmastomalli on esitetty kaikissa IPCC:n raporteissa 1-6; (yllätys, yllätys)
dT = λ * RF (1)
jossa dT on globaali lämpötilan muutos, λ on ilmastoherkkyysparametri (K/(W/m2)) ja RF on säteilypakote (W/m2). Sattuneesta syystä olen ilmastoherkkyysparametrin arvoja selvittänyt ja etsinyt siihen liittyviä tutkimuksia.
Yksi tunnetuimmista ilmastotutkijoista nimeltä Ramanathan on julkaisut työryhmän kanssa vuonna 1985 , viite 3tutkimuksen nimeltä ”Trace gas trends and their potential role in climate change”. Tutkimuksessa on tehty yhteenveto λ:n arvoista. Tutkijat ovat löytäneet vuonna 1985 yhteensä 8 tutkimusta vuodesta 1967 alkaen vuoteen 1982 asti. Ei liene yllätys, että varhaisin tutkimus on juuri tuo Manaben ja Wetheraldin tutkimus ja siinä λ:n arvo oli 0,53 K/(W/m2). Näiden 8 tutkimuksen mukaan λ:n arvo vaihteli välillä 0,47 … 0,53 keskiarvon ollessa 0,5 K/(W/m2). Niinpä ei ole yllätys, että IPCC on käyttänyt arviointiraporteissaan vuoteen 2007 eli raporttiin AR4 juuri tuota arvoa. Sitten IPCC:ltä jotenkin katosi tuntuma, että miten tämä veden takaisinkytkentä oikein toimii ja AR5:ssä oli kuvaus, että veden takaisinkytkentä voi kaksin- tai kolminkertaistaa kasvihuonekaasujen lämpenemisvaikutuksen.
Ilmastoherkkyysparametrin nykyarvo IPCC:n mukaan
AR6:ssa IPCC muutti nimikkeistöään ja käytti termiä α , joka on suomeksi ”ilmaston takaisinkytkentäparametri”, ja se on λ:n käänteisarvo eli λ = 1/α. Takaisinkytkentäparametri α voidaan hajottaa erityyppisiin takaisinkytkentöihin, ja takaisinkytkentäparametrien summa on suora suhde ERF: n (Effective Radiative Forcing eli tehollinen säteilypakote) ja globaalin tasapainon pintalämpötilan muutoksen välillä.
Ilmastoherkkyysparametri λ jatkaa elämäänsä naamioituna α:ksi. Nyt uusimmassa elokuussa julkaistussa raportissa AR6 asia on ilmastoherkkyysparametrin λ arvo on keskimäärin 0,47 K/(W/m2) ja se löytyy Taulukosta 1.
Taulukko 1. Säteilypakotteiden erittely ja lämpötilavaikutukset IPCC:n mukaan.
Taulukko 1 osoittaa, että kaikki ilmastoon vaikuttavat muuttujat ovat IPCC:n tieteen mukaisesti ilmaistu säteilypakotteina (radiative forcing = RF) yksikössä W/m2. Ylivoimaisesti suurin ilmastoon vaikuttava tekijä on auringon säteily, mutta IPCC:n tieteen mukaan auringon aktiivisuus ei ole käytännössä muuttunut sitten vuoden 1750. Sen sijaan nyt tiedetään, että absorboitunut auringon säteilyn määrä on muuttunut rajusti sitten vuoden 2000, jolloin CERES-satelliittimittaukset aloitettiin, mutta se ei ole tämän blogin aihe, joten jättäkää se asia toiseen kertaan, jos vain suinkin pystytte.
Syitä λ-arvon muuttumiseen arvosta 0,5 K/(W/m2) nykyarvoon 0,47 K/(W/m2) IPCC ei ehkä häveliäisyyssyistä kerro, että tämä arvo on kymmenien valittujen tietokonemallien perusteella saatu keskimääräinen lukema ja numeroarvon pieneneminen johtuu pääasiassa siitä, että AR6:n raportin kirjoittajat nostivat ”omin lupinsa” CO2:n säteilypakotteen arvon pitoisuudelle 560 ppm arvoon 3,93 W/m2, kun se oli ollut kolmessa edellisessä raportissa 3,70 W/m2. Palaan asiaan osassa 4, malttakaa siihen asti. Joka tapauksessa veden positiivinen takaisinkytkentä on edelleen vahvasti mukana ja sen homman aloitti Manabe & Wetherald eikä λ:n (tai α:n) arvo ole oleellisesti muuttunut.
Hiilidioksidin aiheuttama lämpenemisarvo vuodelle 2019 on 1,01 °C, joka voidaan tietokonemallien sijaan laskea IPCC:n yksinkertaisella kaavalla 0,47*2,16 = 1,01 °C. Kokonaissäteilypakote vuodelle 2019 on AR6:ssa 2,70 W/m2 ja sen aiheuttama lämpeneminen on 1,27 °C (=0,47*2,70). Se on täsmälleen sama arvo kuin tietokonemallien laskema keskiarvo, joissa on mukana kaikki dynaamiset viiveet. Yhteenveto kaikista säteilypakotteista Taulukon 1 mukaan osoittaa, että IPCC:n mukaan lämpötilamuutos 1750 – 2019 johtuu pelkästään ihmisestä eli antropogeenisistä tekijöistä, jota auringon aktiivisuuden hienoinen lasku 0,02 W/m2 vuodesta 1750 pienentää.
Toistan vielä, kuinka tarkka ja hyvä ilmastoherkkyysparametri onkaan yhtälön (1) mukaisissa laskelmissa. Kun käytetään yhtälöä (1), TCR-arvo on 1,85 °C (= 0,47 °C/(Wm-2) *3,93 W/m2), kun taas paras arvio AR6:ssa on 1,8 °C. Esimerkiksi pahimman mahdollisen skenaarion SSP5-8,5 dTs olisi yhtälön (1) mukaan dTs = 0,47 K/(Wm-2) * 8,5 Wm-2 = 4,0 °C. AR6:n mukainen keskimääräinen lämpenemisarvo on sama. IPCC:n yksinkertainen ilmastomalli antaa samat arvot kuin tietokonemallitkin. Saa kommentoida.
Ilmastoherkkyysparametri laskettuna maapallon energiataseesta
Maapallon energiataseesta voidaan johtaa matemaattinen lauseke ilmastoherkkyysparametrille λ:
SC * (1-a ) * (¶r2) = ε * s * Te4 * (4¶r2) (2)
jossa SC on Auringon vakio, a on Maan albedo, ε on emissiivisyys, s on Stefanin–Boltzmannin vakio ja Te on lähtevän pitkäaaltoisen säteilyn (OLR) keskimääräinen emissiolämpötila. Maan pinnan emissiivisyys voidaan arvioida arvoksi 1, ja siksi se voidaan jättää pois. Tästä yhtälöstä saadaan λ
λ = dTe/d(RFnet) = Te/(4RFnet) = Te/(SC(1-a)) (3)
Käyttämällä CERES:n keskimääräisiä arvoja ajanjaksolta 2008–2014, λ = 255,29 K /(1360,04*(1-0,2916) W/m2) = 0,265 K/(W/m2). Tämä arvo on lähellä aikaisemmin laskemaani arvoa 0,27 K/(W/m2). Yhtälöstä (2) voidaan johtaa, että Te = (SC(1-a)/(4s))0,25 = 255,29 K = -17,87 °C.
Koska λ on hyvin epälineaarisen lausekkeen kulmakertoimen emissiolämpötilan kohdalla, voidaan epäillä, riippuuko lämpötilan muutos lineaarisesti ERF:stä (=säteilypakotteesta) alueella noin +10 W/m2, kuten IPCC:n SSP-skenaariolaskelmissa tarvitaan. Kuvassa 1 päästölämpötila on esitetty Stefan–Boltzmannin lain funktiona ja yhtälön (2) mukaisesti käyttäen λ-arvoa 0,265 W/m2. Kuten kuvasta 2 näkyy, näiden kahden käyrän välinen poikkeama on merkityksetön, ja numeeriset arvot osoittavat, että ERF-alueella 230 – 250 W/m2 virhe näillä kahdella yhtälöllä on vain 0,05 °C. Tämä tarkoittaa, että yksinkertainen ilmastomalli yhtälön (1) mukaan on erittäin tarkka ja hyvä laskettaessa eri ERF-pakotteiden aiheuttamia lämpötilamuutoksia. M.O.T.
Kuva 1. Lämpötilariippuvuus Stefan-Boltzmannin lain ja lineaarisen riippuvuuden mukaan.
Kysymys kuuluu, mikä on päästölämpötilan Te ja pintalämpötilan Ts välinen suhde? Normaalisti Te:hen lisätään 33 °C Ts:ää laskettaessa. Spektrilaskelmien avulla Ts-arvo 16,3 °C antaa tulokseksi 240,7 W/m2, mikä on riittävän lähellä 2000-luvulla mitattua avaruuteen menevää säteilyarvoa 240,86 W/m2. Tämä tarkoittaa, että lämpötilaero Ts:n ja Te:n välillä onkin 34,3 °C.
Mitä tälle erolle tapahtuu, jos tapahtuu pieniä ERF-muutoksia kasvihuonekaasupakotteiden vaikutuksesta? Eri ilmastovyöhykkeiden lämpötilaprofiilit on esitetty kuvassa 2.
Kuva 2. Emissiolämpötila Planckin lain mukaan nykyisessä ilmastossa.
Ilmastovyöhykkeiden lämpötilaprofiilit käyttäytyvät lähes lineaarisesti pinnasta tropopaussiin asti, ja vain polaarinen talviprofiili poikkeaa enemmän. Tätä tosiasiaa on sovellettu arvioimalla lämpötilagradientin (lapse rate) – nopeus, jolla ilman lämpötila laskee korkeuden kasvaessa – vakioksi 6,5 °C kilometriä kohti. Lämpötilagradientin arvoa ei ole ehdotettu muutettavaksi ilmaston lämpenemisen vuoksi. Voidaan arvioida, että jos pintalämpötila nousee jopa 4 °C, lämpötilaprofiilit pysyisivät samassa tilassa säilyttäen lineaarisen suhteen Ts:n ja Te:n välillä. Ilmastovyöhykkeiden väliset pintalämpötilaerot vaihtelevat -16 °C:sta +25,5 °C:seen, ja tämä tilanne osoittaa, että profiilit noudattavat samaa kaavaa erittäin suurilla Ts-eroilla. Johtopäätös on, että globaali lämpötilan muutos dTs aiheuttaa saman muutoksen ilmakehän keskimääräisessä lämpötilaprofiilissa, mikä tarkoittaa, että dTe = dTs – 34.3.
Mikä on näyttö veden positiivisesta takaisinkytkennästä?
Kun mikään muu ei auta, niin silloin kannattaa katsoa, että suorat mittaukset suhteellisen kosteuden trendeistä eli korkeuksissa ilmakehässä eivät ole vakiota, kuva 1. Kuvan 3 mukaan ilmakehän suhteellinen kosteus ei ole pysynyt vakiona vuodesta 1948 eteenpäin radiosondimittausten mukaan,
Kuva 3. Suhteellinen kosteus ilmakehän eri korkeuksissa 1948-2018
Absoluuttisen ja suhteellisen kosteuden käyrät on esitetty kuvassa 4.
Kuva 4. Suhteellisen kosteuden ja absoluuttisen kosteuden trendit vuodesta 1980 eteenpäin.
Kuvista havaitaan, että esimerkiksi vuosina 1980 – 2002 absoluuttinen vesimäärä ilmakehässä pieneni, vaikka lämpötila nousi (punainen käyrä), joka on vastoin IPCC:n teoriaa suhteellisen kosteuden vakiollisuudesta. Kuvasta 4 voidaan vetää myös sellainen johtopäätös, että El Nino – ja La Nina – ilmiöiden aikana veden positiivinen takaisinkytkentä toimii hetkellisesti, mutta ilmasto toipuu näistä poikkeamista, eikä noudata veden positiivista takaisinkytkentää pitkällä aikavälillä.
Loppukaneetti. IPCC;n yksinkertainen ilmastomalli dTs = λ * RF on toimiva malli. Sen sijaan maapallon energiatase osoittaa, että ilmakehässä ei ole veden positiivista takaisinkytkentää, joka näkyy ilmastoherkkyysparametrin λ-arvossa, että se ei ole 0,47 …. 0,50 K/(W/m2), kuten IPCC olettaa, vaan se on 0,265 K/(W/m2). Mitatut absoluuttiset kosteusarvo vahvistavat tämän seikan. Analyysini osoittavat, että λ-arvo 0,265 K/(W/m2) toimii säteilypakotearvoilla +10 W/m2, mutta maapallon säteilypakote tulee jäämään kirkkaasti tämän arvon alapuolelle.
Viitteet.
- https://journalcjast.com/index.php/CJAST/article/view/4300
- Manabe S and Wetherald RT. Thermal equilibrium of the atmosphere with the given distribution of relative humidity. J Atm Sci 1967;24(3): 241-259. https://climate-dynamics.org/wp-content/uploads/2016/06/manabe67.pdf
- Ramanathan V, Cicerone R, Singh H, Kiehl I. Trace gas trends and their potential role in climate change. J Geophys Res 1985;90:5547-5566. https://doi.org/10.1029/JD090iD03p05547
