Ilmastonmuutoksen perusteita – veden positiivinen takaisinkytkentä

Johdanto

Jatkan kirjoitussarjaani ilmastonmuutoksen perusteista. Nyt on vuorossa ilmastoauktoriteettien (IPCC) käyttämien ilmastomallien oleellinen ominaisuus eli veden positiivinen takaisinkytkentä.  Esitän sekä IPCC:n teoreettiset perusteet veden positiiviselle takaisinkytkennälle, että omat teoreettiset perusteeni, joka osittaa, että kyseinen ilmiö esiintyy vain tietyillä edellytyksillä ilmastossamme. Lopuksi esitän empiiriset havainnot asiasta, joista on helppo tehdä johtopäätöksiä. Joku varmaan ajattelee – ja aivan syystäkin – että näitä asioita on pyöritelty täällä Puheenvuorossa moneen kertaan. Edustan vähemmistöä eli toisinajattelijoita ja lähestymistapani on esittää asiat mahdollisimman yksinkertaisesti minimoiden kaavat ja maksimoiden sanalliset kuvaukset ja graafit.

Veden positiivisen takaisinkytkennän historia

Veden positiivinen takaisinkytkentä on ollut ilmastotutkijoiden laatimien ilmastomallien oleellinen ominaisuus jo 1960-luvulta lähtien. Tässä kohtaa usein vedotaan Nobel-palkinnon voittajan Manaben tutkimuksiin. Hän ei kuitenkaan todistanut, että ilmakehässä on veden positiivinen takaisinkytkentä. Hän vain laski, kuinka suuri hiilidioksidin lämpötilavaikutus olisi, jos ilmakehässä olisi veden positiivinen takaisinkytkentä, kuva 1.

Kuva 1. Kopio Manabe & Weatheraldin artikkelin yhteenvedosta ja tuloksista (viite 1), jossa he toteavat, että hiilidioksidin lämmitysvaikutus on 2,3 astetta, jos suhteellinen kosteus on vakio (=veden positiivinen takaisinkytkentä) ja 1,3 astetta, jos absoluuttinen kosteus on vakio. Nämä arvot vastaavat CO2-pitoisuuden kaksinkertaistumista eli kyse on ilmastoherkkyysarvoista.

M&W eivät perustelleet veden positiivista takaisinkytkentää fysikaalisilla laeilla, vaan käyttivät ilmaisua ”Given Distribution of Relative Humidity” eli hyvin vanhahtavaa ilmaisua, että ”suhteellisen kosteuden jakauma on annettu” eli oletetaan, että se on vakio. Vasta myöhemmin, kun IPCC perustettiin, tuli tarve löytää teoreettinen peruste ja se oli Clausius-Clapeyronin laki.

Veden positiivinen takaisinkytkentä tarkoittaa, että jos mikä tahansa ilmastotekijä nostaa pinnan lämpötilaa, niin noussut lämpötila haihduttaa enemmän vettä ja sitä kautta ilmakehän vesihöyrymäärä nousee noin 7 % maapinnan yhden asteen nousua kohti. Tämä yhteys tulee Clausius-Clapeyron (C-C) yhtälöstä, joka sitoo kaasufaasissa olevan vesimäärän sen lämpötilaan, kun suhteellinen kosteus on 100 %. Ilmakehässä ei ole 100-prosenttista suhteellista kosteutta kuin hetkellisesti ja paikallisesti, joten teoriaperuste on väärä.

Olen saanut palautetta jopa vertaisarvioijilta, että veden positiivinen takaisinkytkentä ei perustu Clausius-Clapeyronin yhtälöön, vaan se perustuu muihin fysikaalisiin lakeihin. Heiltä jää kuitenkin kertomatta, mitä ne sellaiset lait ovat. Tosiasia on, että tämä asia on perusteltu IPCC:n ensimmäisistä raporteista alkaen juuri C-C:n yhtälöllä. Kopioin tähän palan tekstiä IPCC:n viimeisestä raportista AR6 vuodelta 2021: ”7.4.2.2: According to theory, observations and models, the water vapour increase approximately follows the Clausius–Clapeyron relationship at the global scale with regional differences dominated by dynamical processes.” eli suomeksi : ”7.4.2.2: Teorian, havaintojen ja mallien mukaan vesihöyryn kasvu seuraa suunnilleen Clausiuksen–Clapeyronin suhdetta globaalissa mittakaavassa alueellisten erojen hallitessa dynaamisia prosesseja.”

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:

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 2, tutkimuksen 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.

Ilmastoherkkyysparametri ja sen 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), kuvissa 7.6 ja 7.7. Joissakin asioissa IPCC on avian oikeassa kuten siinä, että ilmaston lämpeneminen voidaan laskea niinkin yksinkertaisella tavalla, kuin mitä yhtälö (1) esittää.

Teoria vastaan teoria eli veden takaisinkytkennän laskeminen maapallon energiataseesta ja spektrianalyysin avulla

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.

Veden positiivisen takaisinkytkennän olemassaolo voidaan todeta myös spektrilaskennan avulla. Edellisessä blogissani kuvasin, miten olen saanut hiilidioksidin säteilypakotteen arvot spektrilaskennan avulla ja erikoisesti arvon 2,65 W/m2 CO2-pitoisuudelle 560 ppm käyttäen keskimääräisiä maapallon ilmasto-olosuhteita kasvihuonekaasujen, paine- ja lämpötilaprofiilien suhteen.

Kuinka paljon tällainen säteilypakote aiheuttaa pintalämpötilan nousua? Se tapahtuu yksinkertaisesti tekemällä samat laskut nostamalla pintalämpötilaa periaatteessa yritys- ja erehdysmenetelmällä niin kauan, että avaruuteen menevässä säteilyssä ei ole tuota poikkeamaa 2,65 W/m2 alaspäin. Näinhän maapallo korjaa kasvihuoneilmiön aiheuttaman säteilypoikkeaman. Minun yritys- ja erehdyslaskemien määrä putosi kahteen kertaan, koska pystyin laskemaan tarvittavan lämpötilan nousun kaavalla dT = λ * RF = 0,265 * 2,65 = 0,7 °C. Tulos vahvistaa, että ilmastossa ei ole veden positiivista takaisinkytkentää pitemmän aikavälin keskiarvoja käytettäessä. Näin olen käyttänyt kahta toisistaan täysin riippumatonta teoreettista menetelmää osoittamaan, että ilmakehässä ei ole veden positiivista takaisinkytkentää.

Nyt havaitaan, että IPCC:n viimeksi käyttämä λ:n arvo 0,47 on 1,77 kertaa suurempi kuin laskemani λ:n arvo 0,265. Hieman yksinkertaistaen on asiasta kirjoitettaessa todettu, että veden positiivinen takaisinkytkentä kaksinkertaistaa minkä tahansa säteilypakotteen lämpötilavaikutuksen, mutta kuten näkyy, se ei ole tänä päivänä ihan tarkka luku.

Koska λ on matemaattisesti hyvin epälineaarisen lausekkeen kulmakerroin emissiolämpötilan kohdalla, voidaan epäillä, riippuuko lämpötilan muutos lineaarisesti ERF:stä (=säteilypakotteesta) alueella noin +10 W/m2, kuten IPCC:n  SSP-skenaariolaskelmissa tarvitaan. Kuvassa 2 päästölämpötila on esitetty Stefan–Boltzmannin lain funktiona ja yhtälön (2) mukaisesti käyttäen λ-arvoa 0,265 W/m2.

Kuva 2. Maapallon emissiolämpötilan riippuvuus Stefan-Boltzmannin lain ja lineaarisen riippuvuuden mukaan.

Kuten kuvasta 2 näkyy, näiden kahden käyrän välinen poikkeama on merkityksetön sillä lämpenemisalueella, jolla maapallo tulee olemaan, vaikka lämpeneminen olisi erittäin rajua. 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.

Mitä tälle erolle tapahtuu, jos tapahtuu pieniä ERF-muutoksia kasvihuonekaasupakotteiden vaikutuksesta? Eri ilmastovyöhykkeiden lämpötilaprofiilit on esitetty kuvassa 3.

Kuvio 3. Ilmakehän lämpötilaprofiilit eri ilmastovyöhykkeillä.

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.

Empiirisiä näyttöjä veden positiivisesta takaisinkytkennästä: onko vai eikö ole?

Veden positiivinen takaisinkytkentä tarkoittaisi sitä, että ilmakehän suhteellisen kosteuden pitäisi pysyä vakiona. Kuvassa 4 on esitetty sekä suhteellinen kosteus että absoluuttinen kosteus vuodesta 1980 eteenpäin.

Kuva 4. Suhteellinen ja absoluuttinen kosteus vuosina 1980-2020.

Kuvan 4 graafit osittavat, että veden positiivisen takaisinkytkennän teoria ei toimi käytännössä. Osiossa A absoluuttinen ilmakehän vesimäärä laskee vuosina 1980 – 2002, vaikka lämpötila nousee. Vuodesta 2002 eteenpöäin on havaittavissa nouseva trendi absoluuttisen veden määrässä. Kommentoin sitä myöhemmin. Osiossa B on esitetty suhteellisen kosteuden trendi ja se ei ole vakio, kuten veden positiivisen takaisinkytkennän teoria edellyttäisi.

Minun täällä Puheenvuoron kommenteissa epäilty jotenkin manipuloineen kosteusdataa. Esitän sen vuoksi absoluuttisen veden poikkeaman kehittymisen IPCC:n mukaan, kuva 5.

Kuva 5. IPCC:n raportin AR6 kuva 2.14 absoluuttisen veden määrän muutoksen trendeistä 1980 – 2019 kuuden eri mittausdatan mukaan. Datasarja NVAP-M on vastaava sarja, jota olen käyttänyt kuvassa 4. (IPCC:n kuvien ja tekstein lainaus ja käyttö on sallittua).

Kaikki IPCC:n esittämät käyrät osoittavat samanlaista trendiä kuin itse tekemäni sininen käyrä kuvassa 4A.

Kuten kuvasta 4 käy ilmi, niin kosteusprofiileissa on ”säännöllisen epäsäännöllisiä” piikkejä ylöspäin ja alaspäin. Ne on helppo yhdistää ENSO-ilmiön vaiheisiin. El Ninon aikana absoluuttinen kosteus eli veden määrä nousee ja vastaavasti kylmän La Ninan aikan se laskee. Silmämääräinen tarkastelu osoittaa, että El Ninon aikana globaali lämpötilan muutos tapahtuu noin 50-prosenttisesti lisääntyneestä ilmakehän vesimäärästä johtuen eli kyse on veden positiivisesta takaisinkytkennästä.

Jouduinko syömään sanani ja johtopäätökseni? En joutunut. Kuvan 4A absoluuttisen veden määrän käyrä osoittaa, että vaikka El Ninon aikana veden positiivinen takaisinkytkentä toimii, niin kuitenkin pidemmällä aikavälillä 1980-2002 veden määrä ilmakehässä laskee. Tästä johtuu, että johtopäätöksiäni ei voi myöskään kumota sillä perusteella, että kyse olisi vain mittausepätarkkuuksista.

Yksi kysymys jää vielä vastausta vaille. Miksi vuoden 2010 jälkeen absoluuttisen veden määrä ilmakehässä on noussut? Kuva 6 antaa siitä ensimmäisen vinkin.

Kuva 6. Auringon säteilyn TSI poikkeama, auringon säteilyn heijastuksen poikkeama ja auringon säteilyn absorption poikkeama.

Kuva 6 osoittaa, että maapallo on varsinkin vuonna 2014 päättyneen lämpötilapaussin jälkeen saanut merkittävän määrän lisää aitoa ja oikeaa alkuperäistä aurinkoenergiaa. Voisiko se olla selitys? Se selviää kuvasta 7.

Kuva 7. Maapallon lämpötilatrendi, absoluuttisen kosteuden trendi ja yhdistetyn auringon absorptioenergian ja ENSO:n lämpötilavaikutuksen trendi.

Kuvasta 7 näkyy havainnollisesti, että ilmakehän absoluuttinen kosteus ja maapallon lämpötila seuraa maapallon saamaa primäärienergian muutosta. Sen sijaan CO2-pitoisuuteen ei ole mitään korrelaatiota. Absoluuttisen kosteuden vaihtelu on siis auringonsäteilyn absorption ja ENSO-ilmiön yhteinen vaikutus kuten on myös lämpötilavaikutus: ne kulkevat käsi-kädessä.

ENSO:n vaikutus vaati pari selityksen sanaa. ENSO ei vaikuta pitkällä ajanjaksolla (3-5 vuotta) maapallon lämpötilaan millään lailla, koska se ei kehitä oikeaa energiaa. ENSO toimii sen sijaan kuin pankki. Se lainaa aitoa lisäenergiaa El Nino – vaiheessa, jolla on sama vaikutus kuin absorboituneella auringon säteilyllä. Mutta pankki vaatii lainarahansa takaisin ja se maksuaika on lyhyt eli se maksetaan suurin piirtein takaisin La Nina – vaiheessa. Se vuoksi ENSO:n lämpötilavaikutus toimii lyhyellä aikajaksolla, mutta pysyvä vaikutus voi tulla lisääntyneestä auringonsäteilyn kasvusta. Tätä on tapahtunut erikoisesti vuoden 2014 jälkeen ja se mm. aiheutti vuoden 2023 korkeat lämpötilat.

Kuvasta 7 on vedettävissä sellainen johtopäätös, että absoluuttinen kosteus ilmakehässä voi nousta pysyvästi, jos maapallo saa pysyvästi lisää primäärienergiaa auringosta ja lyhytaikaisesti siihen vaikuttaa myös ENSO. Sekundäärinen energia eli kasvihuoneilmiön energia ei pysty heiluttamaan ilmakehän vesimäärää. Kuvaa 7 en ole löytänyt mistään, koska IPCC:n intressi ei ole esittää tällaisia kuvia. Tästä kuvasta on vedettävissä myös sellainen johtopäätös, että ajava voima maapallon lämpötilan muutoksiin on edelleen on aito primäärienergia eli aurinkoenergia eikä absoluuttinen kosteus. Syy-seuraussuhde on, että kosteuden muutokset riippuvat maapallon saamasta primäärienergian määrästä.

Loppukaneetti

Pahoittelen, että saan aikaan IPCC:n tieteen kannattajille pahan mielen heti viikon alkajaisiksi. Saapas nähdä, iskeekö sensuuri ja tuleeko bannia. Tässä kirjoituksessa on kuitenkin kyse IPCC:n tieteestä ja omasta julkaistusta tieteellisestä tutkimuksesta. Jos kirjoitus katoaa, se tulee löytymään omalta nettisivustoltani www. climatexam.com

Viitteet:

1. 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.
2. 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
3. Ollila, Radiative Forcing and Climate Sensitivity of Carbon Dioxide (CO2) Fine-tuned with CERES Data. https://doi.org/10.9734/cjast/2023/v42i464300

Lähde