*

Hannu A. Sinivirta

Kasvihuoneilmiön fysiikkaa pähkinän kuoressa

  • Kuva 1.
    Kuva 1.
  • Kuva 2.
    Kuva 2.
  • Kuva 3.
    Kuva 3.
  • Kuva 4.
    Kuva 4.
  • Kuva 5.
    Kuva 5.
  • Kuva 6.
    Kuva 6.
  • Kuva 7.
    Kuva 7.
  • Kuva 8.
    Kuva 8.

Kasvihuonekaasujen vaikutuksista ilmastonmuutokseen ja maapallon lämpö-taseeseen on väitelty pitkään. Tutkimustuloksia on julkaistu, -ei pelkästään ilmastotutkijoiden, mutta myös poikki-tieteellisinä julkaisuina. Ilmasto-herkkyydet ovat vaihdelleet voimakkaasti ja eksakteja lukuarvoja on ollut vaikeaa arvioida.

 

Yksi selitys ilmasto-herkkyyden muutoksiin liittyy aikaan, eli arviot ovat perustuneet niihin vallitseviin olosuhteisiin, joissa sillä hetkellä olemme eläneet. Tässä mielessä myös ilmasto-herkkyys on muuttuva suure maapallon muihin muuttuviin suureisiin nähden. Muutos on siis ensisijainen tarkastelun kohde.  

 

Maan lämpö-taseeseen vaikuttaa paitsi ilmasto, myös geoterminen aktiviteetti ja luonnollisesti aurinko, fotosynteesi ja vihertyminen, sekä hiilen kierto. Mukaan on tullut myös kosminen tausta-säteily ja lisääntyneet tutkimushankkeet ilmakehän aerosoli-pitoisuuksista mm. pilvien muodostumisen fysiikassa kemiassa ja biologiassa. Analyyseihin on tullut mukaan myös muita suureita kuten n. 1200:n eri aineen yhteisvaikutuksia maasta - ilmakehään.

 

Hiilen ja sen oksidien kierrolla ja näiden kykyyn sitoutua sekä maaperään, meriin ja ilmastoon, ovat ensisijaisessa roolissa. Tarkkailemalla ilmastoa, muutokset näkyvät samassa suhteessa kuin jos tarkastelisi meriä tai maaperää. Yhtä ja samaa kiertoa ja ehkä helpommaksi tarkastelun tekee ilmakehän kokonaisuus, eli tiheys massa ja tilavuus. Olomuoto on sellainen, että tutkimusta voidaan suorittaa sekä eri suurien lämpösäteilyä absorboivien ja emittoivien partikkelien, ja kaasujen muodossa.

 

Auringon lisäksi, ilmakehä on maapallon lämpötilaa säätelevä kaasu-kerros, johon on sekoittunut eri suuria partikkeleita. Auringon säteily lämmittää koko ilmakehän profiilia, ylimmistä ilmakehän kerroksista alimpiin kerroksiin. Lämpötila-jakauma koko ilmakehän läpi on keskimäärin tasaisesti muuttuva, kun otetaan huomioon paineen ja kosteuden vaihtelut. 

 

Ilmakehässä olevien kasvihuonekaasujen ja partikkelien pitoisuudet kuitenkin joko lisäävät tai vähentävät kasvihuoneilmiötä ilmakehän absorbtio - kyvyn ja Stefan-Bolzamannin lain mukaisesti, alimmista ilmakehän kerroksista ylimpiin kerroksiin. Tämän seurauksena, myös lämpötila-erot lisääntyvät koko ilmakehän läpi. Syntyy tilanne, missä ilmakehän alimmat kerrokset lämpenevät ja ylimmät kerrokset jäähtyvät, eli avaruuteen vapautuva lämpösäteily hidastuu.

 

Jossakin yhteydessä on arvioitu, että ihmisen aiheuttamat hiilidioksi-päästöt vuonna 2017 olisivat olleet 2%:n luokkaa. Prosentti-osuus sinänsä on mitätön, mutta jos ja kun hiilidioksi-pitoisuudet ovat jyrkässä nousussa, prosentti-osuus olisi 20:n vuoden kuluttua > 40%. 

 

On myös väitetty, että ihmisen aikaansaamat hiildioksidi-päästöt olisivat luokkaa 5%, jota ei voida erottaa luonnollisesta hiilidioksidi-taseesta. Tämä johtaisi siihen, että ihmisen aiheuttamat hiilidioksidi-päästöt eivät olisikaan ilmastoa lämmittävä tekijä, vaan ainoastaan luonnollinen hiilidioksidi-tase. Tässä mallissa kuitenkin unohdetaan se, että niin luonnollinen kuin ihmisen aikaansaamat hiilidioksidi-päästöt integroituvat summana, joka näkyy ilmakehän absorbtio-kykynä.          

 

Kuvassa 1. on esitetty pähkinän kuoressa kasvihuoneilmiön vaikutus matemaattisena tulkintana (kuvat 2 - 8). Tämä tulkinta on formuloitu mustan kappaleen säteilynä (sovellettu maan säteilynä) ja ns. harmaan ilmakehä-mallin perusteella. Johdatuksena on ollut prof. Jouni Räisäsen materiaali Helsingin yliopiston fysiikan laitokselta. Hän on toiminut meteorologian lehtorina.

 

Lisättäköön tähän vielä maininta luonnon vakioista, jotka tähän päivään asti ovat toimineet myös ilmastonmuutoksen kulmakivinä siitäkin huolimatta, vaikka näihin suureisiin onkin osoitettu epäileviä ja epäilyttäviä kriteerejä.

 

Kun on kyse ilmastonmuutoksesta ja luonnon ilmiöistä muutenkin, se on herättänyt voimakkaita reaktioita puolesta ja vastaan. Ilmasto-fysiikka ja matematiikka ovat siinä mielessä hyvä työkalu, että näillä voidaan perustella ja osoittaa ilmastossa tapahtuvat perus-periaatteet suhteellisen yksi-selitteisesti.

 

Toinen asia joka liittyy aiheeseen on filosofinen pohdinta, mikä on eettisesti oikein ja mikä väärin. Oikeaksi pohdinnan tekee se, että asioihin tulee suhtautua puhtaan objektiivisesti sekä kriittisesti ja tehdä asioiden eteen jotakin konkreettista, mikä edistää ja jakaa oikeaa tietoa, sekä vähentää ilmastonmuutoksen vaikutuksia.

Piditkö tästä kirjoituksesta? Näytä se!

0Suosittele

Kukaan ei vielä ole suositellut tätä kirjoitusta.

NäytäPiilota kommentit (18 kommenttia)

Johannes Hissa

Ranskalainen Joseph Fourier oli havainnut kasvuoneilmiön jo 1824 tutkiessaan hiilidioksidin ja vesihöyryn lämpösäteilyominaisuuksia eli hän havaitsi, että ilmakehän kaasut päästävät auringon säteilyn maanpinnalle, mutta estävät myös sitä palaamasta avaruuteen (J. Fourier, Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires, Ann. Chim. Phys. 27(1824), 136-167). Toinen merkittävä kasvihuoneilmiön tutkimuksen pioneeri oli ruotsalainen Svante Arrhenius, jonka 1896 esittämän teorian mukaan jääkausien ja lämpimien kausien vaihtelu riippuu ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden vaihteluista (S. Arrhenius, On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground, Phil. Mag. 41(1896), 237–276). Käytännössä siis kuuden vuoden päästä voitaisiin viettää kasvihuoneilmiön tutkimisen 200-vuotisjuhlaa.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Tutkimushistoria on pitkä ja se jatkuu edelleen. Ilmastovaikutuksia tulee kuitenkin tutkia tämän päivän perspektiivistä ja niillä menetelmillä, jotka ovat käytettävissä. Kun kysytään, miksi ilmasto lämpenee tai jäähtyy, kuva 1. kertoo miten se tapahtuu matemaattisena tulkintana.

Tähän oleellisesti liittyy fossiilisten polttoaineiden voimakas kasvu ja öljynjalostuksen kautta muovien valmistus, joka on johtanut mikro- ja nanomuovien esiintymisille vesistöissä. Biohajoavia muoveja on myös kehitetty, jolloin hajoaminen tapahtuu kohtuullisen perusteellisesti, mutta hajotessaan siitä vapautuu kuitenkin hiilidioksidia.

Arvion mukaan vuodesta 1960 lähtien ei bio-hajoavaa muovia on maailmalla tuotettu yhteensä n. 8,5 mrd tonnia, joista osa on poltettu ja osa jäänyt luontoon. Yhteisvaikutus on siis ollut kohtuullisen huolestuttava.

Käyttäjän aveollila1 kuva
Antero Ollila

Johannes. Jos kasvihuoneilmiö on tunnettu näin kauan aikaa - niin kuin onkin ilmiönä - niin kaiketi osaat sanoa, mikä on tutkimusten mukaan hiilidioksidin osuus kasvihuoneilmiössä? Mistä tuo tieto on peräisin? Wikipediasta?

Johannes Hissa

J.-B. J. Fourierin (1824) ja Svante Arrheniuksen (1896) artikkelit löytyvät kyllä netistä eli se, että hiilidioksidi, vesihöyry ja muut kasvihuonekaasut aiheuttavat kasvihuoneilmiön on tunnettu jo melkein 200 vuotta ja ilman kasvihuoneilmiötä maan ilmaston keskilämpötila olisi noin -18 °C. Kasvihuoneilmiö on siis täysin luonnollinen ilmiö ja nostaa ilmaston keskilämpötilaa noin 30 astetta eli se on noin +14 °C. Svante Arrhenius taas laski, että hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistaminen nostaisi ilmaston keskilämpötilaa noin 5 astetta eli jos hiilidioksidipitoisuus on kasvanut mittausten aloittamisesta 1850-luvun alusta lähtien noin 30 %, niin ilmaston lämpötilan olisi pitänyt nousta 1,5 astetta. Mutta ilmastoon vaikuttavat myös muutkin esim. teollisuuden rikkipäästöt viilensivät ilmastoa vielä 1970-luvulla tai vuonna 1815 tapahtunut Tamboran tulivuoren purkaus laski pohjoisen pallonpuoliskon keskilämpötilaa yhdellä asteella. Tämän lisäksi pitää ottaa huomioon merien lämpeneminen eli se selittää osan kadonneesta ilmaston lämpenemisestä.

Juhani Vehmaskangas

Asia ei ole lainkaan niin yksiselitteinen.

Anak Krakatau on tällä hetkellä noin 500m. korkea: https://fi.wikipedia.org/wiki/Krakatau

Maapallon kiertorata ei ole pyöreä, vaan epäsuhtainen ellipsi.

Emme siis ole joka kesä tai talvi samalla etäisyydellä auringosta.

Myös auringon säteilymäärä vaihtelee.

Onko siis syy ilmaston lämpenemiseen ihmisen toiminnassa, ja jos niin missä määrin?

* * *

Tulivuoren purkaus saattaa syöstä ilmakehään paljon sellaisia partikkeleja jotka estävät auringon lämpöä pääsemästä maan pinnalle.

CO2 estää lämpöä haihtumasta maasta pois - vai kuinka?

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Tämä blogi käsittelee ensi-sijaisesti kasvihuoneilmiön vaikutusta, eli ilmakehän absorbtio-kyvyn ja Stefan- Bolzmannin vakion, sekä maan ja ilmakehän välisen lämpötila-eron vaikutuksia.

Maan asema aurinkoon toki vaihtelee, samoin maan akseli-kulman muutokset ja viime kädessä myös kosminen tausta-säteily pilvien muodostumiselle. Maan asema aurinkoon nähden on planetaarinen ilmiö, joka vaikuttaa hyvin pitkällä aika-välillä ja on vaikuttanut jo miljoonia vuosia. Tämä muutos näkyy luonnollisina muutoksina pitkällä aika-välillä. Auringon aktiivisuus ja säteilyn määrä näkyvät koko ilmakehän läpi ja tämä ei sinänsä vaikuta suhteellisiin lämpötila-eroihin.

Tulivuoren purkaukset toki vaikuttavat myös ilmakehän absorbtio-kykyyn ja menneisyydessä asteroidi-törmäykset jne. Jos tulivuoren purkaukset olisivat yleisempiä, ilmasto olisi jäähtynyt jo suhteellisen dramaattisesti. Koska purkaukset ovat epäsäännöllisiä ja paikallisia, muutokset näkyvät enimmäkseen siellä, missä purkaukset tapahtuvat. Jos purkausten esiintymis-tiheys kasvaa, silloin muutokset ovat luonnollisesti jyrkempiä.

Lyhyen ajan muutokset noudattavat ns. ei-luonnollisia muutoksia, jossa ihmisen rooli on tullut mukaan vasta huomattavasti myöhemmin. Nämä muutokset ovat planetaarisessa mittakaavassa hyvin nopeita muutoksia.

Ihmisen osuus tulee esiin epäpuhtauksissa ja kasvihuonekaasujen lisääntymisinä ja nämä hyvin yksi-selitteisesti vaikuttavat ilmakehän absorbtio-kykyyn.

Kuva 1. kertoo ja siitä voi päätellä, kuinka paljon ihminen vaikuttaa ilmastoon ja sen lämpö-tasapainoon matemaattisena tulkintana.

Käyttäjän aveollila1 kuva
Antero Ollila

Hannun käsitys kasvihuoneilmiön laskemisesta on niin yksinkertaistettu, että sen avulla ei voida laskea kasvihuoneilmiön suuruutta saatikka kasvihuonekaasujen pitoisuuksien vaikutusta kasvihuoneilmiöön. Hannu voisi kertoa vaikkapa yhden esimerkin, miten tuolla kaavalla päädytään siihen, että kasvihuoneilmiön suuruus on n. 34 astetta? Kyseisellä S-B:n kaavalla voidaan laskea maanpinnan säteilyvuo ilmakehään. Miten tuolla kaavalla lasketaan, paljonko maapallo säteilee avaruuteen lämpöä W/m2?

Todellisuudessa kasvihuoneilmiön suuruuteen ja siihen vaikuttavien kasvihuonekaasupitoisuuksien vaikutuksien laskemiseen tarvitaan aivan toisenlaiset kaavat ja menetelmät, jotka eivät onnistu ilman monimutkaisia tietokonelaskelmia. Tässä linkki niille, jotka haluavat saada kuvan niiden laskelmien monimutkaisuudesta: http://www.spectralcalc.com/info/CalculatingSpectr...

Vain pieni vinkki maallikoille: miten S-B:n kaavan avulla lasketaan vaikkapa hiilidioksidipitoisuuden vaikutus kasvihuoneilmiön suuruuteen, koska kaavassa ei edes esiinny kyseisen kaasun pitoisuutta?

Jos haluat saada oikean kuvan kasvihuoneilmiöstä ja siihen vaikuttavista tekijöistä, niin voit tutustua asiaan nettisivustollani oleviin diaesityksiin:
https://www.climatexam.com

Seuraava kohta on esitetty sillä tavalla, että se ei ole looginen:
” Jossakin yhteydessä on arvioitu, että ihmisen aiheuttamat hiilidioksi-päästöt vuonna 2017 olisivat olleet 2%:n luokkaa. Prosentti-osuus sinänsä on mitätön, mutta jos ja kun hiilidioksi-pitoisuudet ovat jyrkässä nousussa, prosentti-osuus olisi 20:n vuoden kuluttua > 40%. On myös väitetty, että ihmisen aikaansaamat hiildioksidi-päästöt olisivat luokkaa 5%, jota ei voida erottaa luonnollisesta hiilidioksidi-taseesta.”

Hiilidioksidipäästöt 2 %:n luokkaa? 2 % mistä arvosta??

Blogissa on monta muutakin vinksallaan olevaa kohtaa, mutta riittäköön tämä tällä kertaa, koska blogi ei tuo millään tavalla selitystä kasvihuoneilmiöön, vaan hämärtää ja antaa suorastaan virheellistä tietoa.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Hyvä Antero Ollila. En ota kantaa suorastaan hyökkääviin väitteisiisi ja emotionaalisiin ulostuloihisi siitä, mikä on oikea tai väärä tapa analysoida kasvihuonekaasujen vaikutuksia.

Argumentaatiosi negatiivinen painotus on myös täysin perusteeton ja tulkitset sekä prof. Jouni Räisäsen laskelmia, että minun tekemiäni johtopäätöksiä virheellisesti.

Ja toisaalta, ihmisen aikaansaama 2%:n kasvu hiilidioksi - pitoisuuden nousuna vuonna 2017 on ihan suora lainaus Sinun julkituomasta kommentistasi. Jos tulkintani on väärä, suosittelen avaamaan ajatuksiasi niin, ettei tule epäselvyyksiä.

Toisaalta suosittelen myös, että luet blogini huolella ja tutustut prof. Jouni Räisäsen matemaattisiin analyyseihin ja hänen Curriculum Vitaeen, jotta ymmärrät mistä on kysymys.

Käyttäjän aveollila1 kuva
Antero Ollila

Hannu. Olen kyllä pitäytynyt ihan pelkissä tosiasioissa. Et näköjään pystynyt tunnustamaan edes pientä lapsustasi, että ei mikään suure ole jonain vuonna 2 %. Onko Suomen valtion budjetti vuonna 2017 2 % vain 100 % vai kuinka monta %?

En tunne Räisäsen tutkimuksia kasvihuoneilmiöstä. Voisitko antaa yhden linkin tällaiseen julkaistuun tutkimukseen?

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta Vastaus kommenttiin #9

Antero,

En tiedä kenen lapsuksesta on itse asiassa kysymys, mutta lueppa Jouni Aron blogista "Imperium nostaa päätään, maapallo lämpenee jopa 5 °C vuosisadan loppuun mennessä”, kommenttisi 2.

"Hiilidio9ksidipäästöjen kasvu on arvion mukaan vuonna 2017 kasvanut n. 2 % edellsieen vuoteen verrattuna eli kovin olematon se kasvu on ollut ja perustuu toistaiseksi arvioituihin lukuin”.

Palataan Räisäsen tutkimuksiin hieman myöhemmin ja peräänkuulutan todellakin asiallista keskustelua.

Käyttäjän aveollila1 kuva
Antero Ollila Vastaus kommenttiin #10

Tutustuin Räisäsen tutkimuksiin otsikkotasolla. Se osoittaa, että hän on hyvin perehtynyt ilmastomuutoksen mallinnukseen ja on ollut aktiivisesti mukana tietokonepohjaisten mallien vertailemisessa ja ilmeisesti myös kehittämisessä joiltakin osin. Räisänen on täysillä mukanan IPCC:n toiminnassa, koska oli mukana vastaanottamassa Nobelin rauhanpalkintoa, kun Al Gore ja IPCC saivat sen vuonna 2008.

Käyttäjän jallerajala kuva
Jari Rajala

Vieläpä kun konstit löytyisi vastustaa ilmiötä, nyt näperrellään edelleen ja vaan. Tutkijoiden karu arvio: Ilmastonmuutosta hillitsevät teknologiat eivät täytä suurta lupaustaan > https://tekniikanmaailma.fi/tutkijoiden-karu-arvio...

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Arvioita ilmastonmuutoksesta on esitetty laidasta-laitaan ja varmoja ilmastonmuutosta torjuvia tekniikoita edelleen kehitetään. Pääasia tietysti on, että tutkimusta jatketaan ja siirrytään konkretioihin.

Ilmastonmuutoksen syitä ja seurauksia on vatvottu vuosikymmenet ja luotettavia analyyseja on vaikeaa erottaa ehkä siksi, että lähestymistavat ovat olleet liian monimutkaisia ja ei ehkä olla otettu huomioon niitä kaikkein oleellisimpia muuttujia.

On siis ollut liikaa epämääräisiä muuttujia, joilla on ollut vain marginaaliset vaikutukset.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Lisäsin muutamia kuvia (kuvat 2 - 5), joissa käydään läpi mm. auringon säteilyn määrää ilmakehän laidalle mitattuna satelliiteista käsin, sekä maan energiataloutta.

Kuvista selviää myös mustan kappaleen säteilyn perustaa sovellettuna maapalloon ja ratkaistaan maapallon pinta-lämpötiloja, sekä lämpötilaero [-18°C] + [14°C] = 30°C.

Yritän tehdä lisää materiaalia, kunhan aika vaan riittäisi.

Käyttäjän JukkaKeskinen kuva
Tapio Keskinen

Ihan vertailun vuoksi, kun meillä on tässä ihan äärellään tuo kuu, kiertolaisemme. Siellä vuorokautiset lämpötilat vaihtelee -200 ja +130 °C välillä. Syy on aivan selvä, ilmakehä puuttuu ja maaperä (lue kuuperä :) ) ei sido lämpöä vastaavalla tavalla, kuten meillä täällä maassa. Maaperän lisäksi lämpötilaa on täällä tasoittamassa valtavat merivolyymit. Jos näitä mekanismeja ei täällä olisi, olisi olot maan päällä sietämättömät. Tästäkin huolimatta maassakin lämpötilat vaihtelevat -60 ja +50 °C välillä. Teoreettisesti vaihtelun pitäisi olla pienempi, koska maa on pinta-alaltaan yli 50 kertaa suurempi kuin kuu.

Selityksiä tähän. Kiitos

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Kyllä kuun ylin lämpötila on +123°C ja alin -233°C. Keskilämpötila on n. -23°C, eli suhteellisen lähellä maan keskilämpötilaa -18°C silloin, jos ilmakehää ei olisi.

Ilmakehä kuussa on mitättömän pieni, samoin paine ja kosteus.

Lämpötilojen vaihteluväli riippuu taivaan kappaleiden asemasta suhteessa aurinkoon, jolloin auringosta lähtevä säteilyenergia vaihtelee.

Nyt on hyvä muistaa, että säteilyn voimakkuudet ovat keskiarvoja, johtuen juuri taivaan kappaleiden sijainnista toistensa suhteen.

Se säteilyenergia mikä maahan kohdistuu on n. 340W/m2, sama koskee kuuta, suurin piirtein.

Lämpösäteily karkaa avaruuteen riippumatta siitä onko meriä tai mantereita, jos ilmakehä ei ole absorboimassa lämpösäteilyä, eli hidastamassa lämpösäteilyä avaruuteen.

Käyttäjän JukkaKeskinen kuva
Tapio Keskinen

Ihan asiaa, muttei juurikaan vastannut kysymykseeni. Ilmakehä tuulineen ja virtauksineen tasoittaa, ainakin pitäisi, huomattavasti vuorokautisia lämpötila eroja. Ilmakehän ansiosta lämpötila muuttuu maanpinnalta noustessa varsin hitaasti, toisin kuin kuussa.

Mutta ero lienee selitettävissä yhtä vaikeasti kuin ilmastonmuutoskin.

Eniten minua ärsyttää väite, että lämpötila ei olisi noussut , kun se olisi mennyt meriin. Tasan tarkkaan vuosikymmeniä sitten lämpö on siirtynyt meriin yhtälailla.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Kaikkihan riippuu siitä, missä mittasuhteissa liikutaan. Ilmakehässä olevat lämpötilaerot tasoittuvat lähinnä osapaineissa ja kosteuden tilavuuden paikallisina muutoksina.

Suuremmassa mittakaavassa eli koko maapallon mittakaavassa, ilmakehässä tapahtuvat muutokset näkyvät keskimäärin tasaisina.

Vertikaalisuunnassa maan lämpötilamuutokset muuttuvat suhteellisen hitaasti ilmakehän paineen ja myös kosteuden funktiona, mutta myös kasvihuoneilmiön vuoksi.

Kuussahan ei ole ilmakehää, joka estäisi lämmön siirtymistä avaruuteen, eli auringosta tuleva lämpösäteily heijastuu kuun pinnasta lähes välittömästi avaruuteen.

Kuun geoterminen lämpö on osa kuun lämpökapasiteettia, joka selittyy em. lämpötilaeroina ja luonnollisesti kuun perän absorbtiosta auringon vaikutuksesta.

Loppuosaa tekstistäsi en valitettavasti ymmärtänyt?

Toimituksen poiminnat

Tämän blogin suosituimmat kirjoitukset