lauantaina, syyskuuta 20, 2008

Miksi kasvihuoneilmiö on hyvä termi?

Periaatekuva kasvihuoneilmiöstä. Kuva täältä.

Tästä jaksetaan aina jauhaa. Jos unohdetaan ne rankimmat hörhöt, jotka väittävät että kasvihuoneilmiötä ei ole lainkaan olemassa (väite on räikeästi ristiriidassa sen faktan kanssa, että Maan keskilämpötila on plussan puolella vaikka Auringon säteilymäärän perusteella sen pitäisi olla pakkasella), on yksi useimmin kuulluista argumenteista ilmastonmuutosta hillitsevien tahojen kritisointiin se, että ilmakehä ei toimi kuten kasvihuone.

Asian ymmärtäminen vaatii perusfysiikan tuntemusta, mutta hyvän kuvan asiasta saa BBC:n erittäin havainnollisesta animaatiosta.

Tässä suomennos animaatiosta, ei sanatarkka:
  1. Aurinko säteilee lämpöenergiaa Maahan.
  2. Osa säteilystä heijastuu avaruuteen. Loppu absorboituu meriin, maahan ja ilmakehään.
  3. Säteilyenergia, joka pääsee läpi aiheuttaa lämpenemistä. Lämpenemisen jälkeen lämpö emittoituu pitkäaaltoisena infrapunasäteilynä.
  4. Osa infrapunasäteilystä päätyy avaruuteen, mutta osa absorboituu ilmakehään ja emittoituu uudestaan eri suuntiin ilmakehän kaasuista.
  5. Kasvihuonekaasuja on ilmakehässä luonnostaankin, mutta ihminen lisää toimillaan pitoisuuksia.
  6. Kasvihuonekaasut, kuten metaani ja hiilidioksidi absorboivat infrapunasäteilyn aallonpituuksia.
  7. Absorboitunut energia aktivoi kaasumolekyylejä ja ne emittoivat lämpösäteilyä eri suuntiin.
  8. Jälleen osa säteilystä häviää avaruuteen, mutta osa heijastuu maan pintaan lämmittäen sitä lisää.
  9. Kun kasvihuonekaasujen pitoisuudet kasvavat, maanpinta lämpiää lisää.
Yksinkertaista, eikö? Miten kasvihuone sitten toimii? Kasvihuoneen lasi- tai muovikatto päästää suurimman osan Auringon säteilystä läpi, mutta se heijastaa infrapunasäteilyä. Aivan kuten ilmakehän kasvihuonekaasut. Tosin kasvihuone lisäksi estää ilman vaihtumista, mutta kasvihuoneisiin pumpattavan hiilidioksidin tarkoitus ei ole lisätä kasvihuoneen kasvihuoneilmiötä vaan kiihdyttää kasvua.

Tässä vielä eri kasvihuonekaasujen aallonpituuksien absorptiospektrejä:

21 kommenttia:

JackAss kirjoitti...

Apropoo tuli tuossa mieleen mikä lienee ilmakehän luonnollinen CO2 pitoisuus?

Siis jos ajatellaan että sitä on tunnetusti ollut historian aikana varsin vaihteleviakin määriä ja nyt ihminen, enemmän tai vähemmän, sitä lisää sinne.

Anonyymi kirjoitti...

Jos vesihöyryllä on noin paljon isompi rooli lämmön absorboitumisessa, miksei sen muodostumista rajoiteta. Happi on varmaan pahempi kasvihuonekaasu kuin CO2 koska sen osuus on ilmakehässä n. 20% kun taasen hiilidioksidin n.0,038 %. Luulisi että hiilidioksidin määrän noustessa kasvuston tulisi kasvaa paljon paremmin mitä nyt tapahtuu. Saataisiin viljasatoja nopeammin? Miten meri ja sen lämpötila vaikuttaa CO2 pitoisuuksiin?

Theo Kurtén kirjoitti...

Pieni kommentti liittyen toiseen kuvaan: happimolekyyli O2 ei toki ole kasvihuonekaasu; kuvan vasemmassa reunassa olevat O2:n absorptiot liittyvät UV - säteilyyn eivätkä IR-säteilyyn (ja mikrotasolla elektronisiin tiloihin eikä värähtelytiloihin). Siten toisen anonyymin (kuvan perusteella sinänsä ihan ymmärrettävä) väärinkäsitys (tai vaihtoehtoisesti ironinen lausahdus) "Happi on varmaan pahempi kasvihuonekaasu" ei pidä paikkaansa siitä yksinkertaisesta syystä että O2 ei absorboi IR-säteilyä lainkaan.

(Välttämätön joskaan ei riittävä lähtöedellytys sille että joku molekyyli voi tehokkaasti toimia kasvihuonekaasuna on se että sen dipolimomentti voi muuttua sidoksia venytettäessä tai taivutettaessa. Siten O2 ja N2 ja Argon eivät pysty toimimaan kasvihuonekaasuina, mutta lähes kaikki muut kaasut ilmakehässä pystyvät.)

Vesihöyrypitoisuuden rajoittaminen on hieman hankalaa siitä syystä että vesi, toisin kuin muut tärkeät kasvihuonekaasut, pystyy ilmakehässä tiivistymään pisaroksi sopivien tiivistymisytimien ympärillä. Pisaroiden kasvettua riittävästi nämä poistuvat ilmakehästä painovoiman vaikutuksesta. Fyysikkojargonilla tätä sanotaan "sateeksi". Olette ehkä joskus kuulleet ilmiöstä. Ilmakehän vesipitoisuus ei siten ole itsenäinen, "vesipäästöistä" tms riippuva suure vaan se määräytyy muiden lämpötilaa säätelevien tekijöiden kautta (kasvihuonekaasupitoisuudet, auringonsäteily, aerosolipitoisuudet jne jne).

Tuukka Simonen kirjoitti...

Ilahduttavaa nähdä, että kommentteja tuli heti, ja ne jopa liittyivät aiheeseen. :) Hyviä kysymyksiä ja Theolta todella hyviä vastauksia!

jackass: On vähän kinkkistä määritellä luonnollinen CO2-pitoisuus. Se on nykyihmisen olemassaolon aikana vaihdellut ennen esiteollista aikaa noin 300ppm:n ja vajaan 200ppm:n välillä:

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Carbon_Dioxide_400kyr.png

Satoja miljoonia vuosia sitten CO2:a oli nykyistäkin paljon enemmän, mutta olot olivat monilta osin täysin erilaiset. Joka tapauksessa CO2-pitoisuus oli noin 280ppm ennen esiteollista aikaa jokusen tuhatta vuotta ja ihminen on nostanut pitoisuuden lähelle 390ppm:ää alle 200 vuodessa. Kasvua reilusti yli kolmasosa esiteolliseen aikaan nähden.

anonyymin kysymykseen tulikin Theolta jo kattavasti tavaraa. Pari lisäystä:

Ihmisen aiheuttamat vesihöyrypäästöt ovat niin mitättömät, etteivät ne vaikuta merkittävästi ilmakehän vesihöyrypitoisuuteen, johtuen osin siitä että aivan kuten Theo sanoi, vesihöyry sataa pois keskimäärin muutamassa päivässä. Käsittääkseni ihmisen tuottama vesihöyry ilmakehässä on HYVIN pieni määrä luonnollisista päästöistä, joten vesimolekyylien eliniän huomioon ottaen ihminen ei voi vesihöyrypäästöillä globaaliin ilmastoon vaikuttaa.

CO2:sta ja valtameristä juttua täällä: http://www.waterencyclopedia.com/Bi-Ca/Carbon-Dioxide-in-the-Ocean-and-Atmosphere.html

Hiilidioksidipitoisuuden nousu on jo lisännyt kasvunopeutta kasveissa, mutta se ei riitä kompensoimaan vuotuista lisäystä ilmakehään ihmisten toimesta.

Jackass kirjoitti...

Noiden palautekytkentöjen osuudesta tulee mieleen miksei järjestelmä ole romahtanut jo aikaisemmin.

Monissa yhteyksissä kun mainitaan että lämpötilan nousu lämmittää meriä joka huonontaa niiden kapasiteettia sitoa CO2 ja suurin osa maailman CO2 on nimenomaan sitoutuneena syvälle meriin. Lisäksi mm ikijäiden sulaminen ja niistä vapautuvat metaanipäästöt vaikuttavat edelleen lämmittävästi.

Kuten mainitsit CO2 on aikoinaan ollut ilmassa paljon enemmänkin. Voi siis olettaa että myös maailman ilmasto on ollut nykyistä paljonkin lämpimämpi. Miksi merien ja muiden järjestelmien palautejärjestelmät eivät sitten ole ajaneet maapalloa elinkelvottomaan tilaan jo aikaa sitten? Mikä on ylittänyt tuon CO2 määrän, ajanut ilmaston viilenemään, meret sitomaan enemmän CO2 ja pitoisuudet laskuun?

Toinen juttu mikä tuli mieleeni on jo tapahtunut mitattu lämpeneminen. 0,6-0,7 astetta 1800-luvun lopulta. Jos oletettaisiin (onko mittauksia olemassa?) että meret ovat lämmenneet tuona aikavälinä saman verran, paljonko tuon suuruinen valtamerien lämpeneminen vapauttaa CO2 meristä?

Perustuuko CO2 pitoisuuden lisääntyminen esiteollisesta ajasta oletukseen ettei se pitoisuus ole mistään muualtakaan tulla kuin tehtaanpiipusta?

Kumitonttu kirjoitti...

Kasvihuoneen lasi- tai muovikatto päästää suurimman osan Auringon säteilystä läpi, mutta se heijastaa infrapunasäteilyä.

Voitko kertoa hieman tarkemmin, mitä taajuuksia lasi/muovi heijastaa, sekä kuinka paljon kasvihuoneen ympäristöä korkeammasta lämpötilasta selittyy sillä, että lasi/muovi heijastaa infrapunasäteet takaisin kasvihuoneeseen?

Kumitonttu kirjoitti...

...unohdetaan ne rankimmat hörhöt, jotka väittävät että kasvihuoneilmiötä ei ole lainkaan olemassa (väite on räikeästi ristiriidassa sen faktan kanssa, että Maan keskilämpötila on plussan puolella vaikka Auringon säteilymäärän perusteella sen pitäisi olla pakkasella), on yksi useimmin kuulluista argumenteista ilmastonmuutosta hillitsevien tahojen kritisointiin se, että ilmakehä ei toimi kuten kasvihuone.

Onko Maapallolla olemassa joku keskilämpötila? Mitä järkeä on edes laskea keskilämpötilaa Maassa? Mitä se kuvaa? Että Afrikassa on lämpöistä ja Suomessa ei? Kuinka luotettavaa on laskea lämpötila asteen kymmenyksien tarkkuudella?

Onko sinusta talosi ulkoseinän sisällä oleva villa lämmön lähde vai eriste? Ilmakehä ei ole lämmön lähde vaan eriste. Ilman tuota eristettä Maan lämpötila vaihtelisi samalla tavalla kuin Kuun. Vastaavalla tavalla kasvihuoneen seinät ja katto (muovi/lasi) toimii eristeenä eikä lämmön lisääjänä. Kasvihuoneessa oleva lämpö pääsee johtumaan pitkin muovia/lasia samalla tavalla kuin lämmin maanpinta "vuotaa" avaruuteen lämpöä. Fysiikan peruslakien mukaan on mahdotonta, että lämpö johtuu kylmästä lämpöiseen ilman ulkopuolista voimanlähdettä. Samalla tavalla on mahdotonta, että korkealla oleva ilmamassa lämmittäisi alempana olevaa ja lämpöisempää ainetta. Lisäksi ilmanpaineella on oma vaikutuksensa lämpötilaan.

Kaj Luukko kirjoitti...

Noin yleisesti ottaen voidaan sanoa, että mitkään kaksiatomiset kaasut eivät ole kasvihuonekaasuja, mutta kolmiatomiset ovat. Siispä tavallinen happi O2 ei ole, mutta kolmiatominen hiilidioksidi CO2 on. Samoin otsoni, eli kolmiatominen happi O3. Alailmakehän kohonnut otsonipitoisuus lisää säteilypakotetta n. 0,35 W/m2.

Vesihöyry on kaikkein merkittävin kasvihuonekaasu, mihin ”skeptikot” usein vetoavatkin. Tämä tosiasia ei kuitenkaan tee muista kasvihuonekaasuista merkityksettömiä. Ilman vesihöyrypitoisuus riippuu paljon lämpötilasta. Lämpimässä tropiikissa ilma on hyvin kosteaa, mutta kylmillä napa-alueilla hyvin kuivaa. Ilmavirtaukset vaikuttavat myös paljon kosteuteen. Siksi esim. Saharassa ilma on Hadleyn kiertoliikkeen ansiosta kuivaa vaikka siellä on lämmintä.

Ihminen ei toimillaan tietenkään voi suoraan vaikuttaa ilmakehän vesihöyryn määrään millään tavalla, paitsi ihan paikallisella tasolla esim. voimalaitosten jäähdytystornien lähellä. Ilmaston lämpeneminen lisää vesihöyryn määrää, joten tästä muodostuu positiivinen palauteilmiö. Toisaalta se voi lisätä myös pilvisyyttä, josta muodostuu negatiivinen palauteilmiö.

Sillä, onko ilma lämpöeriste vai ei, ei ole merkitystä Maan säteilytasapainoon. Energia siirtyy Auringosta Maahan ja Maasta avaruuteen ainoastaan säteilemällä.

Theo Kurtén kirjoitti...

kaj: teknisesti ottaen kyllä kaksiatomiset molekyylit joissa atomit ovat eri alkuainetta (esim CO tai HCl) ovat kyllä IR-aktiivisia, ja voivat näin periaatteessa toimia kasvihuonekaasuina. Käytännössä niiden merkitys maapallon ilmakehän säteilytasapainossa on toki hyvin vähäinen. Valintasääntö on se minkä yllä esitin. (Tosin otsonin tapauksessa vaaditaan hieman syvempää teoreettista tarkastelua ennenkuin saadaan selville että sen dipolimomentti oikeasti muuttuu sidoksia venytettäessä tai taivutettaessa.) Käytännössä tuo sinun sääntösi on siten täysin toimiva, ja myös yksinkertaisemmin esitettävä.

kumitontun tässä esittämät väitteet pitävät paikkaansa mutteivät nähdäkseni oleellisilta osin kumoa tuukan postissa esittämää asiaa. ("Lämpö" merkityksessä lämpöenergia ja lämpötila kun ovat eri asioita. Eriste ei tuota lämpöä mutta lisää kyllä lämpötilaa. Ei kai tässä nyt mitään erityisen ihmeellistä ole?)

Oikean kasvihuoneen toiminta perustuu suurimmaksi osaksi konvektion estämiseen (joskin ymmärtääkseeni moderneilla materiaaleilla saadaan toimintaa vielä tehostettua kattomateriaalin IR - läpäisevyyttä vähentämällä), ja lämpötilan & paineen väheneminen korkeuden funktiona (siis tropopaussiin asti) on oleellinen ja välttämätön osa ilmakehän kasvihuoneilmiön mekanismia, mutta kumpikaan näistä seikoista ei poista analogian hyödyllisyyttä ilmiön perusluonteen selittämisessä. Kaikille kun eivät mustan kappaleen emissiokäyrät eri lämpötiloilla ja eri kaasujen absorbanssikäyrät pitoisuuden funktiona valitettavasti avaudu... Olen yrittänyt keksiä hyödyllisempää analogiaa opetustilanteita varten, "lämpöpeittoilmiö" on ehkä hieman parempi muttei sekään teknisesti tarkka, ehkä joillakin palstan vakiokriitikoista olisi ehdotuksia tähän?

Kumitonttu kirjoitti...

Eriste ei tuota lämpöä mutta lisää kyllä lämpötilaa. Ei kai tässä nyt mitään erityisen ihmeellistä ole?

Eriste ei lisää lämpötilaa. Eristetyn alueen lämpö nousee vain, jos sitä joku ulkopuolinen taho nostaa. Eristetyn alueen lämmetessä myös eristeen lämpötila nousee. Lämpö ei kuitenkaan koskaan siirry eristeestä takaisin eristettyyn alueeseen vaan ainoastaan ulospäin kohti kylmempää aluetta.

Mielestäni mitään analogiaa kasvihuoneen tai lämpöpeiton osalta ei siis ole. Jos asian haluaa jotenkin yksinkertaisesti koululaisille selittää, käyttäisin vertauskuvana luotiliiviä. Kun siihen iskee luoti, liivi lämpenee hetkellisesti, mutta lämpö sekoittuu viileään ulkoilmaan eikä luotiliivin sisällä olevaan lämpöisempään materiaan. Tämäkään esimerkki ei ole ongelmaton saivartelua vastaan, mutta se kuitenkin kuvaa ilmakehän toimintaa paremmin kuin suljettu peitto tai kasvihuone.

Theo Kurtén kirjoitti...

kumitonttu: tietenkään eriste ei nosta lämpötilaa itsekseen, vaan tarvitaan se mainitsemasi ulkopuolinen voimanlähde. Hmm, mikähän se mahtaisi ilmakehän tapauksessa olla... Olisiko kenties aurinko? Tämä osa analogiaa yllättäen avautuu koululaisillekin aika helposti, siitä saivarteleminen on aika turhaa. Kyllähän tuosta Tuukankin selostuksesta käy aika selkeästi ilmi että energia on alkujaan peräisin auringosta, eikä ilmakehästä itsestään.

En tiedä oletko luotiliivianalogian kanssa ihan vakavissasi, mutta ihan mielenkiinnosta: miten selität siinä analogiassa tiettyä kasvihuonekaasupitoisuutta vastaavan steady state - lämpötilan (yksinkertaistetussa systeemissä tietenkin), ja tämän muutoksen kaasupitoisuuksien funktiona? "Oletetaan ensin tasainen luotivirta kaliiperia .22..." ja sitten vaihdetaan tulinopeutta tai kaliiperia? Kasvihuone- tai peittoanalogiassa "eristeen" lisäämisen vaikutus lämpötilaan on aika ilmeinen.

Kumitonttu kirjoitti...

tietenkään eriste ei nosta lämpötilaa itsekseen, vaan tarvitaan se mainitsemasi ulkopuolinen voimanlähde. Hmm, mikähän se mahtaisi ilmakehän tapauksessa olla... Olisiko kenties aurinko?

theo, ilmakehä ei lämmitä maanpintaa. Maa luovuttaa lämpöä avaruuteen, ja ilmakehä toimii siinä systeemissä kuin eriste. Ilmakehän eristyskyvyn kannalta keskeistä on sen koostumus ja määrä (eli massa). Yhden barin paine pitää yllä elämälle suotuisan lämpötilan Maassa. Venuksen 90 barin kaasukehän paine nostaa Venuksen pintalämpötilan 400 asteeseen. CO2-pitoisuuden kasvu ei muuta tätä ominaisuutta ilmakehässä.

Jos eristät lämminvesiputken villalla ja puhallat töhöllä villaan, veden lämpötila putken sisällä ei nouse, vaikka villan ulkokerroksen lämpötila nouseekin. Jotta veden lämpötila putkessa nousisi, se vaatisi niin monta töhöä, että Maa-analogiassa Auringon säteilyn pitäisi muuttua. Mikä itseasiassa näyttää olevan meneillään, mutta sehän ei AGW-teoriaan sovi.

Theo Kurtén kirjoitti...

Kumitonttu, ilmakehä ei tietenkään lämmitä maanpintaa siinä merkityksessä että se tuottaisi itse lämpöenergiaa. Ei kai tätä juuri kukaan yritä väittääkään. Mutta lämpötila ilmakehän kanssa on huomattavasti korkeampi kuin lämpötila ilman ilmakehää. Tämän sinäkin ilmeisesti myönnät? Eli käytännössä ilmakehä pitää maanpinnan lämpimänä, tästä näkökulmasta katsottuna siis ihan samalla tavalla kuin eriste pitää talon lämpimänä. Onko tämä nyt oikeasti kaiken saivartelun arvoinen asia?

Ilmakehän koostumus on lämmitysvaikutuksen kannalta oleellisempi kuin massa. Paine vaikuttaa lämpötilaan jonkin verran, mutta ei sen mekanismin kautta mitä esität. (Paine vaikuttaa toki lämpötilavähetteeseen ja absorptioviivojen leveyksiin, eli sillä on sitä kautta merkitystä.) Maanpinta vuorovaikuttaa avaruuden kanssa pelkästään säteilyn kautta (tyhjiössä ei ole konduktiota tai konvektiota), joten eristevaikutuksen kannalta oleellista on ilmakehän optinen tiheys, ei sen massa. Tässä ilmakehän eristevaikutus eroaa siitä eristevillasta (tai luotiliivistä jne). Ja optiseen tiheyteen vaikuttavat nimenomaan ja ensisijaisesti kasvihuonekaasujen pitoisuudet. Tämähän on täysin peruskurssiasiaa, sunhan pitäisi asia ymmärtää kun niin asiantuntevasti valistat muita fysiikan peruslaeista...

Kumitonttu kirjoitti...

Eli käytännössä ilmakehä pitää maanpinnan lämpimänä, tästä näkökulmasta katsottuna siis ihan samalla tavalla kuin eriste pitää talon lämpimänä. Onko tämä nyt oikeasti kaiken saivartelun arvoinen asia?

Ei, vaan ilmakehä tasaa lämpötilan vaihteluita päivän ja yön osalta sekä tekee mahdolliseksi ilma- ja merivirrat, jotka tasoittavat alueellisia eroja. Eriste ei pidä taloa lämpimänä - se vain hidastaa sen jäähtymistä. Kuu aiheuttaa (n. 80%:sti) sen, että ilmakehä liikkuu ja tasaa lämpöä, ja muussa tapauksessa Maa olisi kuin Venus, jossa on yksi valtava pilvi sen Auringon puoleisella kyljellä. Ilman Kuuta ei olisi elämää eikä näin ollen tarvitsisi edes pohtia, mikä on vesihöyryn rooli. Tämä on pieni mutta merkittävä ero ajattelussamme.

eristevaikutuksen kannalta oleellista on ilmakehän optinen tiheys, ei sen massa. Tässä ilmakehän eristevaikutus eroaa siitä eristevillasta

Tässä kohtaa mukaan astuu vesihöyry. Ympärilläsi oleva ilma ei ole lämmintä CO2-pitoisuudesta johtuen. Vesihöyry on keskeinen tekijä siinä systeemissä, jossa Maa luovuttaa lämpöä avaruuteen. Ilmakehä viilenee vajaan asteen sataa metriä kohti ylöspäin mentäessä. Tämä viileneminen johtuu ilmanpaineen alenemisesta.

Jotta CO2-molekyylit voisivat aiheuttaa maanpinnan lämpenemisetä, ilmakehän pitäisi heijastaa IR-säteet takaisin maanpintaan. Eli olla eräänlainen lämpöpeitto (alumiinifolio), kuten esität. Kuitenkaan homogeeniset kaasuseokset eivät heijasta mihinkään yksittäiseen suuntaan. Jos ilma paikallisesti lämpenee IR-säteilyn takia, se laajenee ja nousee ylöspäin.

Laboratorio-olosuhteissa voidaan todeta, että CO2-pitoisuus lisää kaasuseoksen lämpöä, kuten AGW-teoria esittää. Kuitenkaan Maa ei ole laboratorio, vaan niinkin yksinkertainen asia kuin asia kuin "lämmin ilma virtaa ylös" on jäänyt AGW-teoriassa ottamatta huomioon. Ei ole olemassa kasvihuoneilmiötä - ilmakehä ei toimi niin kuin folio tai kasvihuoneen lasi.

On hyvä että tästä asiasta kanssasi keskustellaan, koska ilmiselvästi olet paremmin tietoinen IR-säteilyn mekanismista ilmakehässä kuin ilmakehän kaoottisesta luonteesta.

Theo Kurtén kirjoitti...

Kumitonttu, vesihöyrystä puhuessasi alat jo lähestyä asian ydintä. Eli sitä että ilmakehä ei toimi eristeenä ilman IR-aktiivisia molekyylejä. Lienemme siis samaa mieltä siitä että esim. typpi- tai argon-ilmakehä ei aiheuta minkäänlaista eristevaikutusta koska k.o. ilmakehällä ei ole mitään mekanismia jolla se voisi luovuttaa lämpöä avaruuteen? (Edellisestä postistasi sai toisen kuvan, hyvä että asia täsmentyy.)

Vesihöyry on toki tärkein IR-aktiivinen molekyyli ilmakehässä, muttei ainoa (ja sateen ansiosta sen pitoisuus ei myöskään ole itsenäinen muuttuja. Sade-teoriaakin voi tietysti vapaasti epäillä...)

Venuksen päivä on yli 200 kertaa Maan päivän pituinen mikä selittänee (muiden asioiden ohella) planeettojen ilmakehien välisiä eroja "hieman" enemmän kuin Maan kuu.

"lämmin ilma virtaa ylös" aiheuttaa ilmakehän lämpötilavähetteen (lapse rate) joka on kuivassa ilmassa noin se 10 astetta kilometrille jonka sanot. Tämä juuri mahdollistaa ns kasvihuoneilmiön, ja on täysin keskeinen osa mitä tahansa ilmakehän säteilytasapainoa käsittelevää teoria. Ilman sitä kun kaikki ilmakehän kerrokset olisivat yhtä lämpimiä, ja säteilisivät samalla tavalla (jos painelevenemistä ei huomioida).
Lämpötilavähetteen ansiosta korkeammalla olevat ilmakerrokset pysyvät kylmempinä, ja alemmat lämpimämpänä. Niillä aallonpituuksilla
joilla IR-aktiiviset molekyylit absorboivat & emittoivat, lopullinen emissio avaruuteen
tapahtuu siten(keskimäärin) korkeammalta. Mitä enemmän kyseistä kaasua ilmakehässä on,
sitä suurempi tämä korkeusero (ja siten lämpötilaero pinnan kanssa, ja eristevaikutus.) Do the math...
Ks vaikka Daniel Jacobsin suht helppolukuinen verkosta saatava kirja (luvut 7.2 ja 7.3).

http://www.as.harvard.edu:16080/ctm
/publications/jacobbook/bookchap7.pdf

Et kai vain oikeasti luule että esim tällä sivulla esitetty kuva kasvihuoneesta (joka on tosiaan vain epätäydellinen analogia) on todellisen ilmakehäfysiikan perusta? Kyllä se lämpötilavähete siellä oikeissa teorioissa mukana on, ja ihan alusta asti... Se ettei sitä opeteta jossakin kansantajuisissa teksteissä tai hesarin tiedepalsta-tasoisissa jutuissa on sitten ihan eri asia. Jälleen kerran: tämä on peruskursseilla käsitelty asia...

Kumitonttu kirjoitti...

Lienemme siis samaa mieltä siitä että esim. typpi- tai argon-ilmakehä ei aiheuta minkäänlaista eristevaikutusta koska k.o. ilmakehällä ei ole mitään mekanismia jolla se voisi luovuttaa lämpöä avaruuteen?

Nyt ymmärsin sen folio-esimerkin paremmin.

Ilman sitä kaikki ilmakehän kerrokset olisivat yhtä lämpimiä, ja säteilisivät samalla tavalla

Kaasu kuumenee paineen kasvaessa eli lähestyttäessä planeetan pintaa. Sen takia CO2 säteilee vain riittävän kylmässä eli riittävän korkealla. Tosin, siinäkään tapauksessa harvempi ja kylmempi aine ei lämmitä kuumempaa ja tiiviimpää.

(jos painelevenemistä ei huomioida).

Entä jos huomioidaan?

Venuksen päivä on yli 200 kertaa Maan päivän pituinen mikä selittänee (muiden asioiden ohella) planeettojen ilmakehien välisiä eroja "hieman" enemmän kuin Maan kuu.

Käsittääkseni Kuu vaikuttaa ilmakehään monin verroin enemmän kuin Aurinko; sama kuin vuorovesi-ilmiössä.

Theo Kurtén kirjoitti...

Kumitonttu: "CO2 säteilee vain riittävän kylmässä eli riittävän korkealla"

Niin, CO2 (ja muut kasvihuonekaasut) säteilevät lopulta _avaruuteen_ vain melko korkealta. Kyllä ne säteilevät myös alempana (ja itse asiassa enemmänkin), mutta tämä säteily absorboituu uudelleen.

Rankasti yksinkertaistettuna homma menee näin. Auringosta saapuu tietyllä teholla (W/m2) säteilyenergiaa maapallolle. Unohdetaan nyt hetkeksi pilvet, suora sironta
aerosoleista, UV-absorptio (ja sen kautta stratosfäärin olemassaolo) jne jne, ja oletetaan että kaikki tämä säteily pääsee maanpinnalle. Osa tästä heijastuu, loput absorboituu. Maanpinta
taas säteilee, kuten makroskooppiset kappaleet yleensäkin, IR-säteilyä liki mustana kappaleena
(itse asiassa lähes täydellisenä mustana kappaleena, korjauskerroin
on muistaakseeni jotain 0.9-0.95 luokkaa.). Jos ilmakehää ei olisi, tämä säteily
humahtaisi avaruuteen, ja maapallon pintalämpötila määräytyisi suoraan Stefan-Bolzmann
säteilylaista ja energian säilymislaista (nettoenergia sisään == nettoenergia ulos).

Asetetaan nyt paikalleen ilmakehä, jossa on (myös) kaasuja jotka absorboivat tiettyjä IR-taajuuksia. Yksittäiset molekyylit eivät säteile kuten musta kappale, vaan ne absorboivat ja emittoivat säteilyä vain tietyillä taajuuksilla (tai tarkemmin ottaen tietyillä kapeilla
taajuusvöillä). Säteilyn intensiteetti näillä vöillä riippuu tosin edelleenkin lämpötilasta,
aivan kuten mustan kappaleen säteilykin. Kuuma kaasu säteilee enemmän, ja kylmä vähemmän.

Mainitsemasi "lämmin ilma nousee" - ilmiön ansiosta ilmakehään syntyy lämpötilaprofiili, jossa ilma jäähtyy ylöspäin mentäessä. Tarkastellaan seuraavaksi miten IR-säteily käyttäytyy tässä ilmakehässä. Niillä taajuuksilla joilla kaasut eivät absorboi, mikään ei muutu - säteily humahtaa edelleen maanpinnalta avaruuteen. Niillä taajuuksilla joilla kaasut absorboivat, alkaakin tapahtua: maanpinnan lähellä olevat kaasumolekyylit sieppaavat
nämä fotonit, ja emittoivat ne sitten uudelleen (täysin isotrooppisesti eli tasaisesti
joka suuntaan, kuten aivan oikein huomautit). Osa fotoneista emittoituu alaspäin, osa ylöspäin. Ylöspäin menevät fotonit törmäävät ja absorboituvat taas hieman ylempänä oleviin kaasumolekyyleihin, jotka säteilevät edelleen, mutta hieman vähemmällä intensiteetillä koska
ne ovat kylmempiä. Tämä jatkuu monen, monen syklin verran (riippuen kaasujen pitoisuuksista
ja absorbanssista k.o. taajuudella) kunnes lopulta saavutetaan se kerros jolta säteily
(keskimäärin) karkaa avaruuteeen. (Kerroksen korkeus riippuu siis pitoisuuksista ja taajuudesta.) Jos maapalloa kuvataan avaruudesta lämpökameralla
(tätä on tehty jos vuosikymmenten ajan) nähdään siis spektri, joka koostuu alkuperäiseta maanpinnan mustan kappaleen spektristä MUTTA jossa on ikään kuin kuoppia niillä taajuuksilla joilla kasvihuonekaasut säteilevät. Kuopat ovat siis olemassa siksi että k.o. kaasut ovat
kylmempiä kuin maanpinta. Toistan: jos ne olisivat samanlämpöisiä, kuoppia ei olisi. Kun nyt integroidaan tämän kuoppaisen käyrän yli, saadaan nettoteho jolla maapallo säteilee avaruuteen. Mutta mutta. Tämä teho onkin niiden kuoppien takia pienempi kuin alkuperäisen, ilmakehättömän planeetan säteilemä teho - joka siis vastasi tarkalleen sitä säteilytehoa joka molemmissa tapauksissa saadaan auringosta. Eli planeetta on energia-epätasapainossa. Koska "lämmin ilma nousee ja noustessaan laajenee ja jäähtyy" pätee edelleenkin, epätasapaino ei voi korjaantua sillä että ilmakehä lämpenisi tasalämpöiseksi, ja kuopat katoaisivat. Tästä lienemme samaa mieltä? Ainoa tapa millä epätasapaino voi korjaantua on, että maanpinta lämpenee, kunnes teho sisään = teho ulos. (Mulla on tästä muutama loistava luentokalvo, mutta ne ovat valitettavasti salasanan takana HY:n Moodlessa...)

Tämä on siis hieman teknisemmällä tasolla se mekanismi jolla ilmakehä toimii eristeenä. Kaikki muut vaikutukset, esim pilvistä, aerosoleista, stratosfäärin lämpötila-inversiosta ja hehkuttamastasi kaaoksesta, tulevat sitten tähän päälle, ja nämä monimutkaistavat toki kuviota huomattavasti (ja ne täytyy huomioida ennenkuin mitään kvantitatiivisia ennusteita voidaan antaa muuta kuin hyvin hyvin karkealla suuruusluokka-tasolla). Mutta väite että ilmakehän fysiikan teorioissa ei huomioitaisi ilmakehän lämpötilaprofiilia on, kuten ylläolevasta käy ilmi, täysin posketon. Vähän kuin väittäisi että kuurakettien suunnittelijat eivät huomoi painovoimaa... Ilman lämpötilaprofiilia itse asiassa eristemekanismi ei edes toimisi; tällöin nimenomaan pätisi se sinun väitteesi että ilmakehän pitäisi olla ikään kuin alumiinifolio (mitä se ei siis ole). Lämpötilaprofiili on juuri se asia joka aiheuttaa kaipaamasi asymmetrian ilmakehän IR-säteilyn emissiossa maanpinnan lähellä ja korkeammalla.

Paineleveneminen lisää hieman kaasujen absorbtiota paineen noustessa, sinänsä olet oikeassa että tämä kontribuoi Venuksen kasvihuoneilmiön voimakkuuteen mutta ilman IR-aktiivisia molekyylejä sillä ei ole mitään merkitystä.


Väitteesi että Kuu vaikuttaa ilmakehään monin verroin enemmän kuin Aurinko on aika hauska, piristi ihan koko päivän, olisi mielenkiintoista tehdä koe jossa a)Aurinko sammutetaan, ja b)Kuu poistetaan, ja katsoa kumpi vaikuttaa enemmän...

Anonyymi kirjoitti...

Kun kerran tuolla UV-säteily kuvalla ei ole isoa merkitystä koko ilmiössä, olisiko kenelläkään tarjota linkkiä kuvaan, jossa olisi noiden eri kaasujen IR-säteily reagointi taajuudet tai vaikutukset toisiinsa nähden?

Tuukka Simonen kirjoitti...

anonyymi, tuossa artikkelissa on linkki wikipedian juttuun infrapunasta, sieltä heti alusta:

"Infrapunasäteilyn aallonpituus on siis väliltä 700 nm...1 mm."

Katso tuota kuvaa vain 0,7 mikrometristä oikealle niin voit tarkastella eri aineiden infrapunan absorptioita keskenään.

jackass mainitsi siitä, miksi merien ja muiden järjestelmien palautjärjestelmät eivät ole ajaneet maapalloa elinkelvottomaan tilaan. No, lähellä on käyty. Massasukupuuttoja on ollut todella monta maapallon historiassa. Luonto on sitkeä tapettava. Meristä ja CO2:sta kannattaa kysellä joltain muulta kuin minulta, yritän kaivaa tietoa siitäkin lisää jos tuo tämän topicin kommenteissa ensimmäisessä omassa kommentissani oleva linkki ei avaa aihetta tarpeeksi.

On muuten helposti blogin pisimmät kommentit kumitontun ja Theo Kurténin keskustelussa. Kiitän mielenkiinnosta ja yritän lisätä itse jotain väliin jos koen olevani pätevä siihen. :)

Mukavaa myös nähdä, että Kaj Luukko kommentoi jälleen!

Theo Kurtén kirjoitti...

Joo, kiitokset vain omastakin puolestani, ihan mielenkiintoinen keskustelu oli, sillä sai hyvin tapettua aikaa kun CSC:n supertietokoneet oli alhaalla enkä pystynyt tekemään leipätyötäni eli molekyylimallien pyörittelyä... Nyt koneet on taas pystyssä eli ei taas liikene hirveästi aikaa tähän vänkäämiseen.

Kommentoisin vielä aiempaa vastaustani Kajlle sillä lisäyksellä, että kaksiatomisten molekyylien sidosten jäykkyyden takia k.o. otusten IR-absorptiot (joita siis on ylipäätään olemassa vain kun atomit ovat eri lajia) eivät yleensä osu sille taajuusalueelle jolla maapallo emittoi. (Ts absorptiotaajuudet ovat liian suuria.) Eli ne voidaan käytännössä siitäkin syystä yleensä jättää käsittelystä pois. Kolmiatomisissa ja isommissa molekyyleissä on venytysvärähdysten lisäksi myös taivutusvärähdyksiä (yms) jotka ovat vähemmän jäykkiä ja joita vastaavat absorptiot osuvat paremmin maapallon emittoimille taajuuksille. Eli ilmakehän kannalta Kajn esittämä valintasääntö on todellakin täysin validi.

Anonyymi kirjoitti...

Pari hullua ajatusta:
Jos kasvihuoneessa poltetaan vaikka öljyä...missä suhteessa huone lämpenee polttamisen vapauttaman lämmön seuraksena vs. sen vapauttaman hiilidioksidin lisänä kasvihuoneilmiön kautta? Ainakin joissain käyrissä oli isot erot kaupunkien kohdalla lämpötilamittauksissa kun kaupungit ovat kuulemma täynnä jotain ns. "lämpösaastetta".

Näemmä meret vapauttavat hiilidioksidia kun ne lämpenevät. Voisiko hiilidioksin määrä selittyä lämpenemisestä ennemmin kuin lämpenemisen lisääntyminen ihmisen tuottamasta hiilidioksidista. Tätä kautta sen rooli ei olisi niin iso kuin valtiot ja energia firmat pelottelee?