torstai 7. syyskuuta 2017

Mietteitä takaisin säteilystä

Tämä bloggaus on hajanainen kokoelma  kirjoittajansa pohdintoja  kasvihuonekaasujen takaisin säteilystä. Se sai alkunsa, kun löytyi netistä joukko aihetta sivuavia linkkejä ja mielenkiintoisia tutkimuksia. Niihin kannattaa muidenkin tutustua.
 

https://scied.ucar.edu/radiation-budget-diagram-earth-atmosphere
Kuva 1.
Note 1
Otsikkonsa mukaisesti kuva 1 esittää maapallolle  saapuvia ja sieltä poistuvia energiavirtoja. Kuva on uusi versio, vanhasta on kuva ja tutkimus tuolla. Kuvan mukaan pinnalta nousevasta lämpösäteilystä vain pieni osa menee suoraan ilmakehän läpi,  374 W/m² absorboituu mistä  333 W/m² palaa takaisin maahan ja aiheuttaa kasvihuoneilmiönä tunnetun ilmakehän lämpenemisen. Tai eihän tuo takaisin säteily oikeastaan mitään lämmitä, se vain hidastaa maanpinnan jäähtymistä.

Jos ajattelemme  pinnan säteilytehoa fotoneina, on 374 W/m² valtava joukko, josta jokaista 374 kappaleen fotonierää  kohti palautuu siis  333 kappaletta takaisin ja vain 41 kappaletta pääsee ilmakehän läpi avaruuteen. Vallitsevan teorian mukaan fotonin absorboinut molekyyli pysyy virittyneenä tietyn relaksaatioajan, minkä jälkeen se emittoi fotonin  satunnaiseen suuntaan. Ensimmäisen vaiheen jälkeen tuosta 374 fotonin joukosta vain puolet olisi siis enää matkalla ylös, toinen puoli olisi matkalla alas. Myös alas kulkeva joukko voisi vielä absorboitua mutta keskimäärin pitäisi kuitenkin olla voimassa yhtälö
 (1)         333=374*(1/2+1/4+1/8+1/16+...),
missä geometrinen sarja päättyy, kun yhtälö  toteutuu.

Matkaa, jonka fotoni ilman absorboitumista voi keskimäärin ilmakehässä kulkea, kutsun seuraavassa vapaaksi matkaksi ja käytän siitä lyhennettä frp (free path). Jos  tiedämme, kuinka korkealta takaisin säteily voi maahan yltää, voimme nyt yhtälön 1 avulla arvioida frp:n suuruutta. Netissä siitä löytyy paljon spekulaatioita - mm.  tuo, jonka mukaan hiilidioksidilla frp=33m. Intuitiivisesti ajatellen  frp ei kuitenkaan ole vakio, vaan  täytyy sen riippua ainakin ilman tiheydestä ja  kenties  muistakin seikoista, joita  en vielä ole huomannut.

Note 2
Koska yhtälö 1 on vain karkea likimääräistys fotonien poukkoilusta ilmakehässä, laadin aiheesta pienen tietokonesimulaation, jossa "fotonit" saivat  liikkua sattumanvaraisiin suuntiin kunnes palasivat joko takaisin maahan tai nousivat asetetun ylärajan yli, minkä jälkeen paluuta maahan ei enää oletettu mahdolliseksi.

Simulaatiossa frp oletettiin vakioksi, kuten se suurella joukolla oikeasti onkin, vaikka yksittäinen fotoni voikin sattumanvaraisesti kulkea millaisen matkan hyvänsä. Ylärajana oli 2000 m, koska tuossa korkeudessa vesihöyry yleensä katoaa,  jolloin hiilidioksidi jää yksin jatkamaan absorptiota ja  samalla frp rajusti kasvaa. Laskussa frp:lle asetettiin maan pinnan arvo, joka sai kasvaa kääntäen verrannollisesti ilman tiheyden kanssa. Tiheyden laskukaavat löytyvät tuolta. Absorptiokertojen yläraja oli simulaatiossa  400. Useiden kokeilujen jälkeen frp:lle löytyi arvo 239.87m, joka parhaiten tuotti kuvan 1 mukaiset tulokset.

Alla taulukko 10 simulaation tuloksista ja alinna niiden keskiarvo. Sarakkeessa 0 on maahan päätyneet "fotonit", seuraavissa  korkeuksille 0-300m, 300-1000m, 1000-2000m ja yli 2000m päätyneet sekä viimeisessä sarakkeessa laskettujen fotonien kokonaismäärä.


  0                 300      1000     2000     yli 2000     yhteensä
  3329673       0          2           0          410325     3740000
  3330040       0          1           1          409958     3740000
  3329365       1          0           0          410634     3740000
  3330575       0          0           0          409425     3740000
  3329209       1          0           2          410788     3740000
  3331310       0          0           0          408690     3740000
  3330749       0          0           0          409251     3740000
  3330640       0          0           2          409358     3740000
  3329800       0          0           0          410200     3740000
  3329801       0          0           0          410199     3740000
  3330116.2

Note 3
Jos hiilidioksidin määrä ilmakehässä kaksinkertaistuu, kohtaa fotoni absorboivan molekyylin nopeammin kuin ennen, minkä seurauksena frp pienenee samassa suhteessa kuin molekyylien poikkipinta-ala kasvaa (oma oletus, pitäisi tarkistaa). Jos oletamme CO2:n pitoisuudeksi 400 pmm, tarkoittaa se, että jokaista miljoonaa ilmamolekyyliä kohti joukossa on 400 CO2 molekyyliä. Kun ilman moolipaino on 28.97g  ja hiilidioksidin 44.01g, voimme laskea, että kilossa ilmaa  on hiilidioksidia n. 0.4·44.01/28.97g =0.607 g. Vastaavasti, jos ilman lämpötila on +15°C  ja suhteellinen kosteus 60%, on siinä vesihöyryä 6.37g.  Mooleissa pitoisuudet ovat
H2O = 6.37/18,02 = 0.353 mol ja CO2=0.607/44.01 = 0.0138 mol.  Koska moolissa on aina sama määrä molekyylejä (Avogadron vakio), saamme H2O/CO2 molekyylien lukumäärien suhteeksi 0.353/0.0138 = 25.6/1.

Huom! Edellä käytetty Vaisalan kosteuslaskuri ilmoittaa vesihöyryn pitoisuuden myös ppm yksiköissä, jolloin vältymme moolilaskuilta ja saamme H2O/CO2 suhteen helposti laskemalla 10235/400=25.59.


Note 4
Lukumäärän lisäksi frp riippuu intuitiivisesti myös absorboivan molekyylin koosta. Valitettavasti en tuota tietoa netistä löytänyt mutta aihetta sivuavan videon innoittamana päätin painottaa H2O/CO2 lukumäärien suhdetta ko. molekyylien bond-liitosten neliöillä. Vedellä liitoksen koko on 95.84 pm ja hiilidioksidilla 116.3 pm. Näillä arvoilla CO2:n kaksinkertaistuminen lyhentäisi fotonin vapaan matkan frp:n arvoa tekijällä
(2)       (10235·95.84² +400·116.3²)/(10235·95.84² +800·116.3²) =  0.94839

Käyttäen nyt frp:lle arvoa 0.94839·239.87m = 227.49 m, tuotti edellä kuvattu simulaatio tuloksen
 
 0                 300      1000     2000     yli 2000     yhteensä  

 3350188       0           0          1          389811     3740000
 3350344       0           0          0          389656     3740000
 3349212       0           0          0          390788     3740000
 3349540       0           0          1          390459     3740000
 3349851       0           0          0          390149     3740000
 3349982       0           0          0          390018     3740000
 3350099       0           0          1          389900     3740000
 3349462       0           0          0          390538     3740000
 3349304       0           0          0          390696     3740000
 3349046       0           0          1          390953     3740000
 3349702.8

Note 5
Simulaation mukaan CO2:n kaksinkertaistuminen nosti takaisin säteilyn määrää n. 2.0 W/m² ja tämä lämpötilaa +0.20°C  (= 33·2.0/333), jos oletamme lämpötilan nousevan suoraan verrannollisesti takaisin säteilyn määrään, jonka kokonaisvaikutukseksi on oletettu +33°C. Tämä pieni lämmönnousu aiheuttaa sitten sen paljon puhutun pakotteen, jonka mukaan lämmennyt ilma sitoo enemmän kosteutta ja lisää siten dramaattisesti kasvihuoneilmiön vaikutusta. Vesihöyryn lisääntyminen ei kuitenkaan voi olla miten suurta tahansa vaan on se rajoittunut siihen kylläisen vesihöyryn määrään, mikä kussakin lämpötilassa on mahdollinen.

Vaisalan kosteuslaskurin mukaan suhteellisen kosteuden ollessa 60% ja lämpötilan +15°C ilman vesihöyrypitoisuus on 10235 ppm, kun se lämpötilassa +15.2°C on 10369 ppm. Jos nyt lauseke 2 korjataan tällä arvolla,  tulee vapaan matkan frp:n lyhennyskertoimeksi 
(3)       (10235·95.84² +400·116.3²)/(10369·95.84² +800·116.3²) =  0.93739,
jolloin simulaatio tuottaa takaisin säteilyn arvoksi  335.40 W/m² ja vastaavaksi lämmön nousuksi  +0.24°C   (= 33·2.40/333).
Saadut arvot sopivat hyvin yhteen prof. Kauppisen tutkimuksen kanssa, jossa CO2:n kahdentumisen vaikukseksi saatiin +0.22°K (linkissä kaava 22), joka vesihöyryn kerrannaisvaikutuksilla korjattuna kohosi myös arvoon +0.24°K.


Note 6
Muunkinlaisia arvioita on esitetty. Jos ilmasto lämpenee 1.8°F, pitäisi tuolla referoidun tutkimuksen mukaan takaisin säteilyn kasvaa  n. 2 W/m² eli kääntäen,  2 W/m² aiheuttama lämpötilan nousu olisi silloin n. +1.0°C. Tämä päätelmä on kuitenkin virheellinen. Jos lämpötila kasvaa, silloin ilman absoluuttinen kosteus voi kasvaa, vaikka suhteellinen kosteus säilyisikin ennallaan ja tämä, kosteuden lisääntyminen, aiheuttaa takaisin säteilyn kasvun. Jos sen sijaan takaisin säteily kasvaa CO2:n lisäyksestä tai jostakin muusta syystä, on tästä aiheutuva lämpötilan nousu niin pieni (note 5), ettei sillä ole sanottavaa vaikutusta ilmakehän absoluuttiseen kosteuteen.  Eli korrelaatio on yksisuuntainen, sitä ei voi kääntää.


Note 7
Edellä ilman suhteelliseksi kosteudeksi oletettiin RH=60%. Jos CO2:n sijasta oletamme RH:n muuttuvan esim. arvoon RH=63.4%, olisi ilman vesipitoisuus  10821 ppm, jolloin lauseke (2) saisi muodon
(4)          (10235·95.84² +400·116.3²)/(10821·95.84² +400·116.3²) =  0.94864
eli molemmissa tapauksissa frp:n lyhennyskertoimet olisivat lähes yhtäsuuret ja tuottaisivat samanlaiset takaisin säteilyn lisäykset.  Näemme, että näinkin  pienellä suhteellisen kosteuden muutoksella, +3.4%, olisi jo sama vaikutus kuin ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kahdentumisella

Note 8
Edellä ilmakehän lämpötilaksi maan pinnalla oletettiin maapallon keskilämpötila +15°C. Jos se nousisi asteella ja RH olisi edelleen =60%, olisi ilman vesipitoisuus  10920 ppm, jollon lyhennyskertoimen arvoksi tulisi
(5)     (10235·95.84² +400·116.3²)/(10920·95.84² +400·116.3²) =  0.94048,
jota käyttäen simulaatio tuottaa takaisin säteilyn arvoksi 335.26. Muutosta kertyy siis +2.3 W/m², mikä on varsin lähellä edellä referoidun NASAn tutkimuksen arvoa +2 W/m² (note 6).

Note 9
Netissä CO2:n absorption kasvun mahdollisuus kiistetään usein argumentilla, että hiilidioksidia on jo nykyisin ilmakehässä niin paljon, että kaikki mahdollinen säteily absorboituu jo nyt. Tähän liittyen alla on  tyylitelty kuva maapallon avaruuteen säteilemästä spektristä.

https://earthobservatory.nasa.gov/Features/WaterVapor/water_vapor2.php
Kuva 2
Näemme, ettei CO2:n absorboima kuoppa ole vielä lähelläkään pohjaa, joten kasvunvaraa siinä vielä on. Tämä aiheutuu edellä mainitusta relaksaatioajasta, joka on hyvin pieni ja antaa fotonin absorboivalle molekyylille mahdollisuuden emittoitua nopeasti. Valitettavasti en ole netistä näita relaksaatioaikoja luotettavista lähteistä löytänyt mutta aiheesta käydyissä keskusteluissa on kyllä monasti mainittu CO2:n 15 mikronin relaksaatioajaksi 10µs eikä tuota kukaan ole ainakaan näkyvästi kiistänyt.

Kuvasta 2 näemme, että säteilyn huippu on n. 10 mikronin alueella. Tuollaisen fotonin energia on
1.2398/10 Ev = 1.98645·10-20 J. Jos nyt maan säteilyteho on 374 W/m² (kuva 1),
tarvitaan sen tuottamiseen joka sekunti  374/1.98645·10-20  = 188·1020  kpl tuollaista fotonia/m². Edellä kuvatussa simulaatiossa lähes kaikki fotonit olivat joko maassa tai avaruudessa 400 absorptio-emissio tapahtuman jälkeen. Jos oletamme relaksaatioajaksi varmuuden vuoksi 20 µs, kestää fotonien poukkoilu ilmakehässä  silloin maksimissaan 8 ms, minä aikana niitä on liikkeellä n. 0.008·188·1020  kpl = 1.50·1020 kpl.

Maan pinnalla kuutio ilmaa painaa n. 1.22 kg, joten pohjansa pinta-alalta 1 m² suuruisen ja fotonin vapaan matkan korkuisen ilmapilarin massa on silloin n. 293 kg (frp=239.87m) ja pilarin H2O ja CO2 moolimäärät  293·0.353 mol = 103 mol ja 293·0.0138 mol = 4.0 mol  (note 3). Avogadron vakiolla 6.022·1023 mol−1  kerrottuna saadaan  H2O ja CO2 molekyylien määriksi silloin  620·1023  ja 24·1023 kpl.
Näemme, että fotoneja absorboivien molekyylin määrät ovat 4-5 kertalukua suuremmat kuin liikkeellä olevien fotonien, joten mitään pelkoa absorption saturoitumisesta ei ole.

Note 10
Koska edellä esitelty simulaatio antaa yhdenmukaisia tuloksia muiden tutkimusten kanssa, Kauppisen (note 5) ja NASAn (note 8), voimme olettaa, että se muutoinkin kuvaa oikealla tavalla takaisin säteilyyn liittyviä ilmiöitä.

Linkit:
Tracking Earth’s Energy: From El Niño to Global Warming,  Trenberth  & Fasullo 2011
Atmospheric Transmission.png
The Science of Doom
Water Vapor Confirmed as Major Player in Climate Change
Earth’s Steamy Blanket
It’s not the Heat, it’s the Humidity
The Potency of Carbon Dioxide (CO2) as a Greenhouse Gas, Ollila 2014 
Warming Effect Reanalysis of Greenhouse Gases and Clouds, Ollila 2017
Major Portions in Climate Change: Physical Approach, Kauppinen et al 2011
Water-vapor climate feedback inferred from climate fluctuations, 2003–2008,  Dessler et al. 2008
Vaisala humidity calculator








tiistai 7. helmikuuta 2017

Sodankylän lämpötilojen aikasarjat

Ilmatieteen laitoksen tammikuun sääkatsaus on taas aiheuttanut monenlaista parranpärinää nettikansan keskuudessa. On mm. ilakoitu Sodankylän lauhasta tammikuusta vaikka pitkän aikavälin trendi tammikuussa onkin ollut siellä selvästi laskeva.

Kuva 1
Eikä tuo suinkaan ole ainoa laskevaa trendiä osoittava kuukausi. Myös joulukuu on Sodankylässä pitkällä aikavälillä viilentynyt. Alla vielä taulukko Sodankylän keskilämpötilojen  trendeistä eri kuukausina.


Sodankylän keskilämpötilojen kuukausitrendit  1901-2016

kuukausi        trendi [°C/vuosi ]        S.D. [°C ]
tammi -0.0044±0.0011
helmi 0.0163±0.0012
maalis0.0226±0.0089
huhti 0.0160±0.0053
touko 0.0179±0.0052
kesä 0.0074±0.0053
heinä 0.0019±0.0051
elo 0.0108±0.0042
syys 0.0133±0.0042
loka 0.0148±0.0070
marras0.0084±0.0091
joulu -0.0014±0.0127

Taulukon aineisto on kerätty käsin tuolta ja tuolta ja koottu yhtenäiseksi taulukoksi tuonne (taulukko 2).


Kuva 2.





















Taulukkoon 2 on laskettu myös kuukausien vuosittaiset keskiarvot ja saatu niistä Sodankylän vuositason trendiksi +0.0101°C ±0.0033°C, kuva 2 yllä.

Vertaamalle trendiä esim. kaupunkilämmön "saastuttamaan" Kaisaniemen trendiin näemme, että Sodankylässä lämpeneminen on ollut paljon vähäisempää vaikka asian alarmistiteorian mukaan pitäisi olla juuri päinvastoin. Trendin korrelaatio aineistoon on kuitenkin hyvin pieni, joten sen varassa pitkän aikavälin ennusteita ei todellakaan kannata tehdä. Itse asiassa, melkeinpä minkä tahansa muun käppyrän voi  sovittaa aineistoon paremmalla korrelaatiolla ja saada siitä parempia ennusteita tulevasta kehityksestä. Kuvaan piirretty punainen sinikäyrä on tästä oiva esimerkki. Kannattaa panna merkille, että siinäkin näkyy tuo sama 60-70 vuoden jakso kuten niin monissa muissakin ilmastoon liittyvissä aikasarjoissa.

Koska Sodankylän aikasarja on yksi maamme vanhimmista, pitäisi sillä olla myös tärkeä sija NOAAn ylläpitämässä lämpötilan globaalissa  aikasarjassa, varsinkin, kuten ao. kuvasta näemme, Sodankylän Tähtelä on vuosisadan alussa edustanut NOAAn asemaverkostossa

Kuva 3. NOAAn GHCN asemaverkoston kasvu Euroopassa.



yksin koko Pohjois-Eurooppaa ja vaikka esim. Helsingin Kaisaniemen aikasarja on paljon pidempi, on se päässyt mukaan vasta vuonna 1951. Kun toisaalta olemme saaneet nähdä, millä tavoin NOAA on muualla "adjustoinut" vanhoja havaintoja, päätin laskea myös, millaista aikasarjaa NOAAn arkistoimat havainnot Sodankylälle nykyään osoittavat.

NOAAn havainnot, Fahrenheit asteissa,  on kerätty vuosi kerrallaan tuolta ja niistä laadittu Celsius asteiksi muutettu kokoomataulukko on tuolla.  Koska taulukosta puuttuu muutama kuukausi vuosilta 1909, 1910, 1911, 1918, 1944, 1952 ja 2016, on nuo vuodet jätetty  pois vuotuista trendiä laskettaessa. Laskun tulos on nähtävissä alla kuvassa 4. Kuvassa näkyy myös  FMIn aineistoon perustuva trendi, kun molemmat trendit on laskettu täsmälleen samoja vuosia käyttäen. Kuvassa näkyvät harmaat pisteet ovat FMIn sarjasta karsittuja pisteitä eivätkä ole siis trendilaskussa mukana.


Kuva 4.







Jotenkin on tutun oloinen tuo kuva. NOAAn havainnoista laskettu trendi on +1.66°C/100 vuotta, kun se FMIn mukaan on vain +1.01°C samassa ajassa. Miksiköhön en ole pahemmin yllättynyt?


Linkit
Ilmatieteen laitoksen sääasemien arkisto
NOAA-Sodankylä
NOAA-asemahaku
NOAA-Kaisaniemi
NOAA GHCN
Sodankylän NOAA-FMI
NASA-GISS Station Data: Sodankyla
On the Validity of NOAA, NASA and Hadley CRU Global Average Surface Temperature Data


Laskut ja taulukoiden muodostus ohjelmalla Pc Calculator







tiistai 17. tammikuuta 2017

Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä

Tämä bloggaus sai kimmokkeen Antero Järvisen aloittamasta keskustelusta Epätieteellinen IPCC tulisi lakkauttaa, jossa todettiin ihmisperäisten CO2-päästöjen säilyvän ilmakehässä noin 10-16 vuotta. WMO:n pääsihteerin Petteri Taalaksen mukaan viipymäaika on kuitenkin paljon suurempi, jopa tuhansia vuosia. Koska väitteiden välinen ristiriita on suuri, aloitin laajan nettitiedustelun löytääkseni aihetta sivuavia tutkimuksia mutta huomasin pian, ettei oman lukukynnykseni alittavia tutkimuksia juurikaan löytynyt. Niinpä otin aiheen vastaan matemaattisena haasteena, yrityksenä kehittää metodi, jolla voisin omin voimin tutkia kysymystä.  Tuon haasteen tulokset ovat nähtävissä alla.

Nykyisin ilmakehän CO2 pitoisuus on n. 400 ppm eli ilmakehän kokonaismassasta n. 400 miljoonasosaa on tuota kaasua. Kun  ilmakehän paine on pyöreästi 1 kp/cm²,  on ilmakehän massa kilogrammoina  likimain = maapallon pinta-ala neliösenttimetreissä eli n. 5.1*1018 kg, josta hiilidioksidin osuus on siis 400*5.1*1012kg. Hiileksi muutettuna luku on kerrottava vielä hiilen ja hiilidioksidin atomipainojen suhteella 12/(12+16+16), jolloin 1 ppm hiilidioksidia vastaa likimain 1.391*109 tonnia hiiltä.
Vuonna 2013 ihmiskunnan tuottaman hiilidioksidin määräksi on hiileksi muutettuna arvioitu olleen n. 9976 milj. tonnia mikä miljoonasosa-asteikolla vastaisi lukemaa 7.028 ppm. Seuraavassa  käytän etupäässä  tätä  merkintätapaa, jos on CO2:n määristä  kysymys. Alla vielä kuva ilmakehän CO2-lähteiden määristä eri vuosina. Taulukko kuvan esittämästä datasta löytyy tuolta ja sen varmuuskopio myös tuolta (Alkuperäinen sivusto kertoo uudistuvansa lähiaikoina, jolloin linkkien toimivuus saattaa vaarantua.)


Ilmakehän hiilidioksidin lähteet





















Jos hiilidioksidin lähteet ilmakehässä tunnetaan, voisimme helposti laskea, miten  ilmakehän CO2 pitoisuus  muuttuu, jos  tunnemme kaikki hiilinielujen vaikutusta kuvaavat kaavat. Kaavoissa voisi olla parametreinä esim. meriveden ja ilman  lämpötilat,  sademäärä, tuuliolosuhteet tai mikä muu tahansa, minkä voisi kuvitella vaikuttavan nielujen toimintaan. Tässä tarkastelussa on kuitenkin oletettu yksinkertaisesti, että hiilinielujen suuruus on suoraan verrannollinen ilmassa olevan hiilidioksidin määrään. Jos siis k on tuo  verrannollisuuskerroin, A hiilidioksidin määrä vuoden alussa ja B sen vuotuinen kasvu, silloin oletuksen mukaisesti pitoisuus vuoden lopussa on  k*(A+B).

Esiteollisena aikana CO2-pitoisuus oli vuodesta toiseen jokseenkin vakio, jolloin voimassa oli yhtälö
(1)                                     k*(A+B)=A.
Myöhemmin, vuonna i, ihmiskunnan päästöt ovat kasvattaneet  A:n arvoon  A+Gi  ja  B arvoon  B+Vi ,  jolloin kaava (1) saa muodon
(2)                                     k*( A+Gi +B+Vi ) =A+ k*(Gi +Vi ) = A+Gi+1
ja voimme nyt sen avulla laskea CO2-pitoisuuden myös  vuoden i+1 alussa ja muodostaa näin, vuosi kerrallaan, pitoisuuden muutosta kuvaavan käyrän. Käyrän laskussa käytetyt A ja k  voidaan sitten optimoida siten, että saatu tulos seuraa mahdollisimman tarkoin jotakin havaintoihin perustuvaa oikeaa käyrää.  Laskuissa B  oletetaan vakioksi ja ihmisperäisen hiilidioksidin määrä Vi saadaan esim.  taulukosta 1. Samassa taulukossa on myös lasketut pitoisuuksien arvot, kun k ja A on sovitettu tuottamaan mahdollisimman tarkasti kuvan 2 alla kaltainen tulos.

Kuva 2
Kuvassa ohut punainen viiva esittää laskettua tulosta, kun A:lla on arvo 291ppm ja k=0.959. Näemme, että näinkin yksinkertainen tarkastelu tuottaa jo yllättävän hyvin havaintoihin yhteensopivan tuloksen. Jos kyseessä olisi tieteellinen tutkimus, voisi tietenkin 30-luvun lopulla alkaneen lämpöhuipun vaikutusta vielä  yrittää sovitella hiilinielujen kaavaan mutta tämän tarkastelun motiivin kannalta asialla ei enää ollut minulle merkitystä.

Tarkastelun perusteella vuoden aikana ilmakehään päässyt CO2-määrä puolittuu n. 16 vuodessa (k16=0.51) ja esim. vuoden 2013 päästöt,  9976 milj.tonnia vastaten 7.028 ppm CO2 pitoisuutta, häviäisivät mittaustarkkuuden alapuolelle n. 50 vuodessa (7*k50=0.86).

Tässä tarkastelussa esiteollisen ajan CO2 pitoisuudeksi muodostui A=291 ppm, kun se nykyisin on n. 400 ppm. Jos ihmiskunnan tuottama CO2 saataisiin kokonaan loppumaan, kestäisi  ilmakehän palautuminen esiteolliseen tilaan vielä n. 115 vuotta, mikä on kuitenkin huomattavasti vähemmän mitä Taalaksen  levittämät kauhuskenaariot yrittävät uskotella ( (400-A)*k115=0.88).

Kaavasta 1 voimme ratkaista  myös ilmastoon luontaisesti kertyvän hiilidioksidin määrän, jolloin saamme  B=12.44 ppm. Tulos on minusta yllättävän pieni, kun netissä puhutaan yleensä yli kymmenkertaisista arvoista ihmiskunnan tuotoksiin verrattuna. Puhuvat siis netissä puuta heinää tai sitten tässä tarkastelussa on jokin perustavaa laatua oleva heikkous. Otan kiitollisena vastaan kommentit, jos joku lukijoista osaa kertoa, mikä?


Linkit
Annual Global Fossil-Fuel Carbon Emissions - Graphics 
Global CO2 Emissions from Fossil-Fuel Burning
ESRL Global Monitoring Division
Global Carbon Budget 2016
Is the airborne fraction of anthropogenic CO2 emissions increasing? 
Mauna Loa CO2 annual mean data
Laskut ohjelmalla Pc Calculator
 
 






maanantai 22. elokuuta 2016

Onko Venus ollut asuttava?

Otsikon kysymys saattaa äkkiseltään tuntua naurettavalta, jos on lukenut alarmistien juttuja Venuksen käsistä karanneesta kasvihuoneilmiöstä. Teorian mukaanhan Venuksen kaasukehän korkea CO2 pitoisuus ja sen aiheuttama hirvittävä kasvihuoneilmiö on vähitellen kiehuttanut Venuksen meret, jos niitä joskus on ollut, ja saanut aikaan  siellä vallitsevan nykyisen  ilmaston. Nyt on kuitenkin NASAlta ilmestynyt uusi tuore tutkimus, joka avaa asiaan aivan uuden näkökulman.

Tutkimuksessa Venukselle oletettiin maan kaltainen ilma- ja vesikehä ja viritettiin tavallinen ilmastomallinnuksissa käytetty ohjelma Venuksen olosuhteisiin ajankohtana, jolloin aurinkokunta oli nuori ja auringon säteilyteho vain n. 70% nykyisestä.

Observations suggest Venus may have had water oceans in its distant past. A land-ocean pattern like that above was used in a climate model to show how storm clouds could have shielded ancient Venus from strong sunlight and made the planet habitable. Credit: NASA

Tutkimuksessa havaittiin, että Venuksen pitkä päivä, 117 maan vuorokautta, aiheutti merissä niin suurta haihtumista, että planeetan ympärille muodostui vahva suojaava pilvipeite,  jonka alla ilma oli jopa viileämpää kuin maan pinnalla nyt. (Tässä siis NASAkin jo tunnustaa pilvien viilentävän vaikutuksen.)
Tutkimuksen mukaan tilanne saattoi pysyä tuollaisena jopa pari miljardia vuotta ja päättyi vasta vajaat miljardi vuotta sitten, kun  merien kaikki vesi oli haihtunut ja hajonnut atomeiksi auringon UV-säteilyn vaikutuksesta.  Vulkaaninen toiminta kuitenkin jatkui, minkä seurauksena kaasukehän CO2 pitoisuus alkoi kasvaa, kun merien muodostama nielu oli kadonnut. Samalla myös pinnan lämpötila alkoi fysiikan lakien mukaisesti kohota, kun kaasun paine sen yläpuolella vähitellen  kasvoi nykyiseen hurjaan lukemaansa.

Huom! Tuo viimeinen lause on tietenkin vain "konitohtorin huuhaa teoriaa", kuten eräässä nettikeskustelussa napakasti on todettu ja josta parisen vuotta sitten laadin jopa oman bloggauksen. Sen päivitetty versio on luettavissa tuolta.

Linkit
NASA Climate Modeling Suggests Venus May Have Been Habitable
Was Venus the First Habitable World of our Solar System?
Was Venus the First Habitable World of ...
Venus May Have Been the First Habitable World in Our Solar System






torstai 11. elokuuta 2016

Kaisaniemen kaupunkilämpö, onko sitä?


Helsingin Kaisaniemessä on  vuodesta 1829 alkaen mitattu lämpötiloja päivittäin ja useaan kertaan ja koottu näin ainutlaatuinen havaintosarja lämpötilan muutoksista tuolla paikalla. Paikan kuukautiset keskilämpötilat löytyvät mm. tuolta tai tuolta   sekä myös alla olevasta kuvasta.




Silmämääräisesti kuvasta on vaikea erottaa muuta muutosta kuin ehkä sen, että viime vuosina aivan kylmimmät lämpötilat näyttävät leikkautuneen pois. Kuvaan on  merkitty myös  aineistosta laskettu lämpötilan matemaattinen trendi, joka on +0.014°C/vuosi mutta hyvin heikolla korrelaatiolla. Sama trendi mutta vahvemmalla korrelaatiolla syntyy myös, jos kuukausiarvojen sijasta käytetään vuotuisia keskiarvoja. Myös nämä näkyvät kuvassa punaisella merkittyinä,  mitään kiihtyvää lämpenemistä niistä ei kuitenkaan voi havaita. Sama pieni lämpeneminen näkyy vain jatkuneen Kaisaniemessa nyt jo liki 200 vuotta.

Kaisaniemen lämpösarja ei siis tue ilmastoevankelistojen väitettä ihmiskunnan tuottaman hiilidioksidin ja ilmaston lämpenemisen  välisestä kohtalon yhteydestä. Jos tuollainen yhteys olisi, pitäisi myös lämmöissä näkyä CO2-pitoisuuksien jyrkkä nousu vuoden 1950 jälkeen.

Onhan tosin Kaisaniemen ympärille kasvanut suurkaupunkikin  ihmiskunnan syytä ja on ilmaston luonnollisen vaihtelun lisäksi  saattanut vaikuttaa siellä mitattuihin lämpöihin. Alla kuva Helsingin asukasluvun kehityksestä Wikipedian  ym.  mukaan. 

Näemme, että myös väkimäärän kasvu on ollut melko tasaista ja korreloi varsin hyvin lämpösarjojen trendin kanssa, kun väkimäärä on ylittänyt n. 30 000 asukkaan rajan.

Talvisin talojen ja asukkaiden lämmitys tuottaa paljon  hukkalämpöä, joka lopulta päätyy ympäristöön ja lämpötilaa mittaaviin mittareihin. Kesällä myös kadut ja rakennukset imevät tehokkaasti auringon säteilyä ja tasaavat lämpötilaa päivän viileimpinä hetkinä.  Mikä sitten on näiden yhteisvaikutus, sitä on vaikea teoreettisesti arvioida mutta tilastollisesti kaupunkilämmön (urban heat) vaikutus on kyllä kiistatta osoitettu.

Silkkaa uteliaisuutta laskin  Kaisaniemen aineistosta myös paikan kuukautiset lämpenemistrendit. Ne ovat nähtävissä  alla. Sarakkeessa S.D. on tuloksen matemaattinen virheraja.

Kaisaniemen  keskilämpötilojen kuukausitrendit  1829-2015

kuukausi        trendi [°C/vuosi ]        S.D. [°C ]
tammi 0.0172±0.0049
helmi 0.0153±0.0050
maalis0.0208±0.0033
huhti 0.0196±0.0019
touko 0.0195±0.0022
kesä 0.0082±0.0021
heinä 0.0103±0.0022
elo 0.0077±0.0021
syys 0.0067±0.0020
loka 0.0077±0.0025
marras0.0158±0.0030
joulu 0.0174±0.0042

Hieman yllättäen lämpeneminen näyttää olleen kaikkein voimakkainta maaliskuussa ja heikointa syyskuussa. Tätä on vaikea selittää pelkän kaupunkilämmön tai pelkän luontaisen lämpenemisen aiheuttamaksi. Oma arvaukseni on, että kyseessä on tasapeli ja molemmat tekijät ovat olleet yhtä voimakkaat. Alla vielä trendikuvat näiden ääripäiden kuukausilämmöistä.







Linkit
Helsingin ympäristötilastot
Wikipedia, Helsingin asukasluvun kehitys
Kansalaispuisto, Helsingin historia
Urban heat island
FMI avoin data, tilastot
Ilmatieteen laitoksen historialliset lämpötilahavainnot Helsingissä



sunnuntai 29. toukokuuta 2016

Pilvien roolista ilmastossa


Vaikka pilvien rooli ilmastossa tiedetään tärkeäksi, on hämmästyttävää, miten vähän niiden syntymekanismia silti on tutkittu. Asia on kuviteltu ehkä itsestään selväksi, jonka syvempää ymmärtämistä ei ole katsottu tarpeelliseksi vaikka jopa IPCC itse on raporteissaan toistuvasti huomauttanut pilvien tärkeästä merkityksestä, tai oikeammin siis niiden aiheuttamasta epävarmuudesta ilmastomallien ennustuksia laadittaessa (clouds remained a major source of uncertainty in the simulation of climate changes).

Nyt näitä tutkimuksia kuitenkin on alkanut syntyä.  Yksi alan pioneereistä on tietenkin prof. Svensmark, joka jo vuonna 2006 osoitti, miten ionisoiva säteily lisää pilviytimien eli aerosolien määrää. Äskettäin  myös tiedelehti Nature julkaisi kaksi  tutkimusta, joissa CERNin pilvikammiossa tehdyissä kokeissa oli havaittu myös puiden ja metsien kyky tuottaa näitä pilviytimiä, joita vesihöyry tarvitsee voidakseen  tiivistyä pisaroiksi ja muodostaa pilviä.

Alla video, jossa yksi tutkijoista, Jasper Kirkby, kertoo saaduista käänteentekevistä uusista tutkimustuloksista.



Videon alussa Kirkby esittelee itsensä ja tutkimuksissa käytetyn laitteiston, jolla pilviytimien syntyä on voitu kontrolloidusti valvoa. Hän myös toteaa  pilvien ilmastoa viilentävän vaikutuksen ja kertoo tutkimusten tärkeinpänä tuloksena olleen pilviytimien  uuden syntytavan löytymisen, jota ilmastomallinnukset eivät aikaisemmin ole osanneet ottaa huomioon. Puista ja metsistä haihtuvien orgaanisten höyryjen on havaittu nimittäin muodostavan pilviytimiä uudella tavalla, joka nyt on selvitetty. Esiteollisella ajalla tällä on ollut  suuri merkitys pilvien synnylle ja olisi vieläkin,  jos metsiä olisi jäljellä yhtä paljon kuin ennen.

CERNin tutkimuksiin liittyen ja osittain  samojen tutkijoiden toimesta myös tiedelehti Science on julkaissut artikkelin, jossa  CERNissä löydetyn  mekanismin mukaan syntyneitä pilviytimiä on havaittu myös ilmakehässä suoraan. Tässä tutkimuksessa on ollut myös vahva suomalaispanos, mikä  näin on syytä panna ilolla merkille. Samoin on syytä muistaa prof. Kauppisen ansiokkaat tutkimukset, joissa hän on jo aikaisemmin  tuonut esiin sademetsien hakkuut yhtenä ilmastonmuutoksen tärkeänä syynä.

Yhteenvetona edellä mainituista tutkimuksista voidaan todeta, että Svensmarkin teoria on nyt entistäkin vahvemmin perusteltu. Auringon aktiivisuuden moduloima kosminen säteily yhdessä ihmiskunnan maanmuokkaustoimien, erityisesti trooppisten sademetsien hakkuiden kanssa näyttää siis olleen tuon viime vuosisadan lopulla tapahtuneen pienen lämpenemisen todellinen syy, ei CO2.


linkit
Ion-induced nucleation of pure biogenic particles
The role of low-volatility organic compounds in initial particle growth in the atmosphere
Response of cloud condensation nuclei ( > 50 nm) to changes in ion-nucleation
New particle formation in the free troposphere: A question of chemistry and timing
Major Portions in Climate Change: Physical Approach 
Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage-a missing link in solar-climate relationships
Earth’s climate may not warm as quickly as expected, suggest new cloud studies



maanantai 25. huhtikuuta 2016

Piirileikkiä navoilla

Viime viikkoina media on vaihteeksi kohissut  maapallon pyörimisestä, joka sattuneesta syystä on myös konitohtorille tuttu aihe. Tällä kertaa kohu alkoi, kun TheGuardian referoi aiheeseen liittyvää tutkimusta  ja otsikoi 6.4.
"Melting ice sheets changing the way the Earth wobbles on its axis, says Nasa"
‘Dramatic’ shift in polar motion attributed to effects of global warming and the impact humans are having on the planet.
Jatkoa seurasi sitten lähes välittömästi
The Washington Post 8.4.
Greenland and Antarctic melt isn't just raising seas - it's changing the Earth rotation
Verkkolehti Gizmodo  8.4
We  Finally Know Why the North Pole Is Moving East
Scientific American 8.4.
Earth Is Tipping Because of Climate Change. Melting ice and shifting rain patterns are causing the north and south poles to drift

ja kohta  myös aina valpas oma mediamme yhtyi piiriin  kaluamaan samaa luuta

MTV-uutiset 9.4.
Jäätikköjen sulaminen huojuttaa maapalloa - "Viime vuosisataan verrattuna dramaattista"
Uusi suomi 12.4.
"Planeetallemme tapahtuu jotakin outoa” – Pohjoisnavan liikkeelle löytyi kaksi syytä
Hesari 13.4.
Pohjoisnavan liikkeen suunta vaihtui äkillisesti 2000-luvun alussa. Muutos voi johtua siitä, että pohjoinen napajäätikkö on sulanut tavallista voimakkaammin viime vuosina

Niin, mitä sitten maapallon pyörimiselle on oikein tapahtunut? Alla video, joka esittää maapallon  navan näennäistä liikettä  pohjoisnavalla. Liike on siis näennäistä, sillä oikeastihan maankuori siinä vain liikkuu, kun   kiertoakseli  pallomme rautaytimen ansiosta on hyvin vakaa eikä pienistä hötkyile.

Alue, jolla napa liikkuu, on kooltaan n. 20x20 m  ja "dramaattinen" muutos, jota edellä lainatut otsikot hehkuttivat on siitä n. kymmenes osa. Vuoden aikana todellinen napa huojahtelee siis tuolla alueella  edestakaisin yli viisinkertaisesti sen, mitä keskimääräinen napa (kuvassa violetti viiva) on viimeiset 15 vuotta liikkunut uuteen suuntaansa.
Hmm, onhan tuo pikantti yksityiskohta mutta ei mitenkään tavaton. Samanlainen muutos on tapahtunut myös 40- ja 50-luvuilla kuten ao. kuva ja video osoittavat. Sinänsä tietysti on kiintoisaa, että tässäkin näyttää taas toistuvan tuo n. 60 vuoden mittainen jakso, kuten niin monissa muissakin ilmastoon liittyvissä ilmiöissä.

Climate-driven polar motion is discussed and  an animated plot of the motion is presented. The similar behavior of the pole path in 1935-1950 and 2000-2015 has pointed out, as well  the 65-year time span of these events, which is common for many other  climatic cycles, too.
















Kyseessä  saattaa siis todellakin olla ilmastoon liittyvä ilmiö, samalla tavoin kuin navan liikkeen vuotuinen jakso, joka selvästi liittyy talven ja kesän vuorotteluun ja siitä aiheutuviin vedenkierron ja lumipeitteen muutoksiin pallolla.
Toisaalta maapallon pyörimiseen liittyy myös toinen, ns. Chandler jakso, jonka pituus on n. 433 vrk ja jonka syy on toistaiseksi hämärän peitossa. Teorioita ja aihetodisteita tosin on esitetty, että asialla olisi kytkös merivirtojen  liikkeisiin ja ilmanpaineen säännönmukaisiin vaihteluihin. (Jos ilmanpaine  navoilla on korkea, maapallo pyörii nopeammin - aivan kuten taitoluistelija, joka saa piruetteihinsa lisää vauhtia vetämällä kädet tiukasti kiinni vartaloon.) Alla kuva vuodelta 1984, jolloin oli  jo selvästi osoitettu ilmakehän impulssimomentin ja maapallon pyörähdysajan välinen yhteys.

LOD
Ilmakehän aksiaalisen impulssimomentin ja maapallon pyörähdysajan välinen yhteys oli hyvin tiedossa jo vuonna 1984. Jos esim. Grönlanti alkaisi äkisti sulaa, näkyisi sen vaikutus ensinnä juuri pyörähdysajan muutoksena.   Navan liikkeestä ilmiön vaikutusta olisi paljon vaikeampaa havaita.
Alussa referoituja otsikoita lukiessa voi vain huvittuneena huokaista, miten tietämättömiä asiasta kirjoittavat toimittajat ovat. Kyseessä ei siis todellakaan ole mikään ilmastonmuutoksen aiheuttama hirmuinen mullistus, joka uhkaisi  kammeta jopa maapallon akselia pois suunnastaan. Ei, kyseessä on vain parantunut havainto- ja mittaustarkkuus, jonka ansiosta pienetkin ilmiöt voidaan nykyisin laskea ja tunnistaa  entistä tarkemmin.

Kehotan lukijaa tarkkailemaan videolla vuotta 1984, jolloin navan liike muuttuu entistä kiharaisemmaksi. Tuona vuonna liikettä alettiin seurata uusin menetelmin, jolloin saavutettu tarkkuus parani liki satakertaiseksi. Alla osasuurennus  videosta vuosien 2005-2006 taitteesta, jolloin napaliikkeen  Chandler jakso ja vuotuinen jakso olivat vastakkaisissa vaiheissa ja saivat liikkeen lähes seisauksiin ja navan tekemään hauskoja silmukoita. Tapaus oli niin erikoinen, että pitihän  siitä jonkun "paperikin" värkätä vaikkei asiasta  osattukaan vielä tuolloin alarmia  kohottaa.

Navan liike vuosien 2005-2006 taitteessa. 
Kuvissa alueen koko on n. 2x2 metriä.



















Resume
Climate-driven polar motion is discussed and  an animated plot of the motion is presented. The similar behavior of the pole path in 1935-1950 and 2000-2015 has pointed out, as well  the 65-year time span of these events, which is common for many other  climatic cycles, too. 


Links
Climate-driven polar motion: 2003–2015
How Anomalous is the Current Polar Motion?
Rapid variations in polar motion during the 2005–2006 winter season  
Earth orientation data

sitä sun tätä
OBSERVABLE CHANGES IN OBJECT COORDINATES
EXCITATION OF THE POLAR MOTION AND ROTATION RATE 
Glitches in the Earth's wobble help geophysicists probe the planet's core
Possible influences of core processes on the Earth’s rotation and the gravity field
Earth's rotational variations by electromagnetic coupling due to core surface...