Antero Ollila Aika on totuuden puolella

Ilmastonmuutos, osa 9: Pilvien rooli kasvihuoneilmiössä

  • Kuva 1. Maapallon energiatase
    Kuva 1. Maapallon energiatase
  • Kuva 2. Pilvisyyden vaikutus maapallon lämpötilaan
    Kuva 2. Pilvisyyden vaikutus maapallon lämpötilaan
  • Kuva 3. Pilvisyyden vaihtelu 1983 - 2010
    Kuva 3. Pilvisyyden vaihtelu 1983 - 2010

 Motto: Nihil in verbis, omnia probate – Älä luota pelkkään puheeseen, testaa kaikkea

Pilvet näyttelevät tärkeää ja yllättävän merkittävää roolia sekä kasvihuoneilmiössä että ilmastonmuutoksessa. Tässä osiossa käyn läpi perusasioita, miten pilvet toimivat ilmakehässä.

Pilvillä on kaksi vaikutusta ja ne tapahtuvat samanaikaisesti: 1) pilvet vähentävät maapallon saamaa auringon säteilyenergiaa, 2) pilvet lisäävät kasvihuoneilmiön vahvuutta vähentämällä maapallon avaruuteen säteilemää infrapunasäteilyä. Tämä kaksijakoinen rooli on aikaansaanut ristiriitaisia ja vastakkaisia tieteellisiä tuloksia pilvien vaikutuksista. Tämä on konkreettinen esimerkki siitä, että tiede ei ole koskaan konsensuksessa; jos niin olisi, niin tiede lakkaisi olemasta tiedettä. Onneksi valtaosa tutkijoista on pilvien vaikutuksesta samaa mieltä, vaikka numeeriset arvot vaihtelevat eri tutkimuksissa.

Kuvassa 1 on esitetty maapallon energiatase. Tämä kuva on omasta julkaisustani ja se on tietääkseni ainut, jossa energiatase on laskettu kolmelle erilaisille ilmakehän olosuhteille. Kutsun näitä olosuhteita seuraavasti: KT = kirkas (pilvetön) taivas, PT = pilvinen taivas ja NT = maapallon keskimääräinen taivas eli normitaivas, jonka pilvisyys on 67 %. Kullekin energiavuolle on kuvassa 1 esitetty numeeriset arvot järjestyksessä normitaivas, pilvetön taivas ja pilvinen taivas (alleviivattu).

Yhteenveto tärkeimmistä energiavuovirroista on yksikössä W/m2.

                                                KT       PT       NT

Auringosta tuleva                289     222     238

Ilmakehästä avaruuteen     259     227     238

Ilmakehästä alaspäin          318     359     345

Kasvihuonekaasut abs.      311     312     312

Pilviin absorboitunut               0     84        55

Ilmakehään absorb.            311     396     367

 

Yhteenvedon 3 ensimmäistä riviä perustuvat suoriin mittauksiin, kasvihuonekaasujen osuus spektrianalyysilaskuihin ja pilvien osuus pilvisyysmittauksiin. Näistä säteilyvuoarvoista voidaan tehdä monta johtopäätöstä.

Ensiksi kiinnittää ehkä huomiota, että pilvettömän ja pilvisen taivaan olosuhteissa maapallon energiatase ei olekaan tasapainossa eli tuleva ja lähtevä arvo eivät ole samat kuten NT-olosuhteissa. Syy on siinä, että mittausarvot on tehty vain muutaman päivän ajan kyseisissä olosuhteissa ja sitten laskettu koko maapallon arvot. Merten sekoittumiskerrokselta vie n. yhden vuoden ja maan pinnalta n. kolme kuukautta asettua uuteen tasapainotilaan. Sen vuoksi olen kutsunut kyseisiä arvoja pseudo-tasapainotilaksi. Se tarkoittaa sitä, että säteilyvuoarvot ovat pilvisyyden muutoksen johdosta asettuneet uuteen arvoon valonnopeudella, mutta meret, maanpinta ja ilmakehä vaativat paljon aikaa.

Ilmastotieteilijät ovat kehittäneet laskentatavan pilvien vaikutukselle ja he kutsuvat sitä termillä pilvipakote (=CF = cloud forcing). CF on kahden luvun summa. Ensin lasketaan, paljonko pilvet muuttavat maapallon kokonaisheijastuman eli albedon arvoa NT:n ja KT:n välillä ja se = (342-289) – (342-238) = 53 – 104 = -51 W/m2. Tämä tarkoittaa, että pilvet vähentävät maapallon saamaa säteilymäärää 51 W/m2 NT-olosuhteissa Sitten lasketaan, paljonko pilvet muuttavat avaruuteen menevän säteilyn määrää ja se = 259 – 238 = 21 W/m2. Laskemalla nämä kaksi lukua yhteen saadaan pilvipakotteen CF arvoksi = -51 + 21 = -30 W/m2. Tämä tulos tulkitaan niin, että pilvet vähentävät maapallon saamaa kokonaisenergiaa yhteensä 30 W/m2 normitaivaan olosuhteissa ja se tarkoittaa, että pilvet vaikuttavat negatiivisesti maapallon kokonaislämpötilaan.

Tämä tulos vastannee ihmisten kokemusta pilvistä. Jos aurinko paistaa ja sitten ”aurinko menee pilveen”, niin lämpötila laskee. Mutta pilvet käyttäytyvät myös niin, että kylmissä olosuhteissa pilvet estävät maanpinnan lämpötilan laskua. Tämä tilanne esiintyy Suomessa esimerkiksi, kun on hallanvaara. Pilvetön taivas tietää miinusasteita, mutta jos taivas menee pilveen, niin hallaa ei esiinny.

Pilvisyyden vaikutus näkyy konkreettisina lukuina myös siinä, kuinka paljon ilmakehä säteilee alaspäin infrapunasäteilyä: pilvetön taivas 318 W/m2 ja pilvinen taivas 359 W/m2. Ero johtuu siitä, että pilvet absorboivat kaiken maasta tulevan infrapunasäteilyn eli ilmakehässä esiintyy täydellinen kasvihuoneilmiö. Säteilylakien mukaan ilmakehän kasvihuonemolekyylit säteilevät absorboituneen säteilyn uudelleen pienemmällä energiatasolla kaikkiin suuntiin. Maapallon pinta säteilee käytännössä saman määrän energiaa kaikissa pilvisyysolosuhteissa. Energiaa ei synny tyhjästä pilvisessä ilmakehässä, vaan kyse on kasvihuoneilmiöstä, jossa infrapunasäteilyä absorboituu enemmän ilmakehään.

Normitaivaan olosuhteissa maapallon saa auringon energiaa 238 W/m2, mutta ilmakehä säteilee alaspäin maanpinnalle selvästi enemmän eli 345 W/m2. Tämä tilanne saa monet harrastelijat väittämään, että se ei voi olla mahdollista: ikiliikkuja, energiaa tyhjästä! Kyllä se on säteilylakien mukaan mahdollista ja olen itse laskenut sen spektrianalyysi- menetelmällä. Suorat mittaustulokset vahvistavat asian. Kyse on kasvihuoneilmiön yhdestä oleellisesta piirteestä.

Tarkastelen vielä pilvisyyden osuutta kasvihuoneilmiössä. Esitän tulokset taulukon muodossa (KT = pilvetön taivas, NT = normitaivas, pilvisyys 67 %).

 

                                               KT       NT

Vesi, %                                   82,2    69,8

Hiilidioksidi, %                      11        9,3

Otsoni, %                              5,2       4,4

Metaani, %                           0,8       0,7

Typpioksiduuli, %                 0,8       0,7

Pilvet, %                                   0          15

Maan säteily, W/m2         394,1  395,6

Kokonaisabs., W/m2        310,9  367,3

Pilvien osuus on siis 15 % todellisissa ilmakehän olosuhteissa. NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) antaa pilvisyyden osuudeksi 20 %. Ero johtunee siitä, että he noudattavat IPCC:n mallia, jossa hiilidioksidin vaikutus on lähes kominkertainen minun laskelmiini verrattuna. 

Pilvettömän taivaan prosenttiluvut ovat samat, jotka esitin osiossa 3. Sarakkeessa NT olevat luvut vastaavat normitaivaan olosuhteita eli ilmakehää, jossa on keskimäärin 67 %:n pilvisyysaste. Kasvihuoneilmiön suuruus on 93 % maksimistaan NT-olosuhteissa, kun pilvisyyden osuus lasketaan mukaan. Jos maapallolla olisi pysyvä pilvipeite, niin maapallolla olisi 100-prosenttinen kasvihuoneilmiö. Samaan aikaan maapallo saisi selvästi vähemmän aurinkoenergiaa, jolloin lämpötila kuitenkin lopulta laskisi. Tämä osoittaa, että pilvillä on selkeä rooli maapallon lämpötilan säätelyssä ja se toimii itsesäätyvyysperiaatteella, kuten kaikki luonnossa.  Kasvihuoneilmiö voidaan laskea monella tavalla, mutta yleisin tapa on laskea ilmakehässä tapahtuva infrapunasäteilyn absorption suuruus ja yllä olevat luvut on laskettu tällä tavalla.

Pilvipakotteen CF-laskenta on yksi tapa. Hieman hämmentävää voi olla se seikka, että eri pilvisyysolosuhteita vastaavat maapallon pinnan säteilemät energiamäärät eivät juuri poikkea toisistaan (W/m2): KT = 394,1, PT = 396,3 ja NT = 395,6. Näitä vastaavat lämpötilat ovat: KT = 15,6 °C, PT = 16,0 °C ja NT = 15,9 °C. Tämä voi näyttää siltä, että pilvisyydellä ei sittenkään ole vaikutusta siihen oleellisimpaan eli maapallon pintalämpötilaan. Selitys on sama kuin aikaisemminkin. Maapallolla ei ole ollut aikaa asettua pilvettömän tai pilvisen ilmakehän tasapainotilaan ja siksi pilvisyyden muutos ei näy näissä mittauslämpötiloissa. Jos pilvisyys muuttuisi pysyvästi toiseen keskimääräiseen pilvisyystasoon, niin sitten se näkyisi myös pintalämpötilassa.

Olen laskenut pilvisyyden vaikutuksen kahdella eri tavalla, jos maapallolla olisi tilaisuus hakeutua uuteen tasapainotilaan. Toinen tapa on Stefan-Bolzmannin mukainen energiatase, johon on yhdistetty maapallon albedon ja sitä kautta pilvisyyden vaikutus. Toinen tapa on maapallon energiatasemittauksiin perustuva tapa. Tulokset on esitetty kuvassa 2. Pidän jälkimmäistä tapaa oikeampana, koska se perustuu mittauksiin. Sen mukaan pilvet vaikuttavat maapallon lämpötilaan vähentävästi -0,1 °C/pilvisyys-%. Professori Kauppisen työryhmä Turussa on päätynyt erilaisella analyysitekniikalla käytännössä saman tulokseen eli -0,11 °C/pilvisyys-%.

Kuvassa 3 on esitys maapallon pilvisyyden muutoksista vuosina 1983 – 2010. Sen mukaan pilvisyys on vaihdellut maksimissaan +/- 3 prosenttia. Pysyvä noin 8 prosentin pilvisyysprosentin muutos pystyisi selittämään maapallon nykyisen lämpenemisen 0,85 asteella.

Seuraavissa blogeissa tulen tarkastelemaan kahta varteenotettavaa teoriaa maapallon lämpenemisestä: aurinkoteoria ja harmonisen värähtelyn teoria, joissa pilvisyyden muutoksilla on oleellinen rooli. Säästäkää näitä teorioita koskevat kommenttinne kyseisiin osioihin.

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Selvyyden vuoksi ilmoitan, että en ole ilmaston enkä ilmastonmuutoksen kieltäjä, joksi minua tavallisesti nimitetään englanninkielisillä nettisivustoilla. Olen eri mieltä IPCC:n kanssa siitä, kuinka paljon kasvihuonekaasut pystyvät nostamaan maapallon lämpötilaa. Olen julkaissut asiasta 10 vertaisarvioitua tieteellistä artikkelia viimeisen viiden vuoden aikana. Tämä juttu on nimensä mukaisesti 8. osa ilmastonmuutosblogeista, joita minulla on tarkoitus julkaista lähiaikoina. Niissä blogeissa menen syvemmälle ilmastonmuutoksen syihin mm. hiilidioksidin vahvuuteen kasvihuonekaasuna nykyilmakehässä.

Oma ilmastosivustoni, jossa on tarkempaa tietoa ilmastonmuutoksesta: www.climatexam.com

 

 

 

Piditkö tästä kirjoituksesta? Näytä se!

5Suosittele

5 käyttäjää suosittelee tätä kirjoitusta. - Näytä suosittelijat

NäytäPiilota kommentit (12 kommenttia)

Hannu Tanskanen

Minä uskon galileolaiseen eli kokeelliseen tieteeseen enemmän kuin teoreettiseen ja ilahduin kun löysin tutkimuksen, joka oli tehty Yhdysvaltain lämpötiloista noiden kolmen WTC-911 - päivän aikana, kun täydellisen lentokiellon aikana tiivistysjuovat puuttuivat. Tulos ( jota on toki myös kritisoitu ) oli että lämpötila nousi maanlaajuisesti lähes yhden C-asteen, eli pilvien vaikutus on todellakin negatiivinen.

Kun on kerrankin ajanut autolla viitostietä Friscosta Losiin auringonnousun aikaan ja nähnyt taivaan täyttyvän tiivistysjuovista noiden kahden megapoliksen välisen lentoliikenteen alkaessa, ei epäile vaikutusta.

Käyttäjän JukkaKeskinen kuva
Tapio Keskinen

Tarkistatko nuo NT (keskimääräinen) alleviivatut arvot.

Yleisesti ottaen eikö ne ole AINA kahden muun ääripään, kirkkaan taivaan ja pilvisen taivaan välillä.

Käyttäjän aveollila kuva
Antero Ollila

Kiitos Tapio. Olin luottanut muistiini ja järjestys oli jotain aivan muuta; korjasin asian blogitekstiini.

Käyttäjän StefanTallqvist kuva
Stefan H. Tallqvist

Tiedätkö mistä johtuu tämä vuotuinen hiilidioksidin vaihtelukäyrä, jossa pienin ja suurin arvo sattuu näissä kuukausissa:

- CO2 arvolla on minimi (SEP) syyskuussa
- CO2 arvolla on maksimi (MAY) toukokuussa

Olen hakenut erilaisia korrelaatioita tälle käyttäytymälle, mutta en ole löytänyt.

katso:
Trends in Atmospheric Carbon Dioxide
Up-to-date weekly average CO2 at Mauna Loa

http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/weekly.html

Käyttäjän aveollila kuva
Antero Ollila

Matti jo vastasikin tähän kysymykseen. että asia johtuu vudenaikavaihtelusta. Muistaakseni luokkaa 70 % kasvillisuudesta on pohjoisella pallonpuoliskolla. Sen vuoksi pohjoisne kesän aikana CO2-pitoisuus laskee, koska kasvit yhteyttävät CO2:ta. Talven aikan CO2-pitoisuus sitten nousee. Vuoden CO2-pitoisuus lasketaan keskiarvona.

Hannu Tanskanen

Eräs fb-kaverini jolta on estetty kommentointi tänne pyysi minua välittämään seuraavan huomion:

"Mikäli ajatellaan meriveden kykyä absorboida ja emittoida hiilidioksidia lämpötilan perusteella, tulee ristiriita. Talven (kylmän) aikana siis CO2 ilmassa kasvaa (OCT to MAY) , ja kesän (MAY to SEP) CO2 laskee."
Hän ajattelee vuodenaikoja pohjoisen pallonpuoliskon kannalta. CO2-pitoisuus ilmakehässä kasvaa etelän kesän aikana, koska siellä on paljon enemmän merta, joka vapauttaa hiilidioksidia lämmetessään. Ei siis ole mitään ristiriitaa".

Omasta puolestani haluaisin lisätä, että tarkasti Henryn lakia noudattavat vain kaasut, jotka eivät reagoi veden kanssa. Hiilidioksidi esiintyy vedessä virtuaalisena hiilihappona H2CO3 ja - HCO3 voi reagoida alkaalisen ( meriveden pH on hieman yli 8 ) alustan kanssa muodostaen puskurisysteemin.

( Sorry, tämä oli siis tarkoitettu Stefanin kommenttiin n:o 7 )

Käyttäjän StefanTallqvist kuva
Stefan H. Tallqvist

Hannu, väitteesi tuli esille viestissäni nro 8 .

https://en.wikipedia.org/wiki/Solubility_pump

Carbon dioxide, like other gases, is soluble in water. However, unlike many other gases (oxygen for instance), it reacts with water and forms a balance of several ionic and non-ionic species (collectively known as dissolved inorganic carbon, or DIC). These are dissolved free carbon dioxide (CO2 (aq)), carbonic acid (H2CO3), bicarbonate (HCO3−) and carbonate (CO32−), and they interact with water as follows : ...
=

Pohjoisen pallonpuoliskomme on myös kesällä suurimmalla etäisyydellä auringosta. Ja tietenkin päinvastoin eteläisellä pallonpuoliskolla

Käyttäjän MattiLehtinen kuva
Matti Lehtinen

Olisko niinkin yksinkertainen syy kuin kesän siirtyminen pallonpuoliskolta toiselle.

Käyttäjän StefanTallqvist kuva
Stefan H. Tallqvist

Se on varsin mahdollista, että kasvillisuus on se ratkaiseva tekijä.

Mikäli ajatellaan meriveden kykyä absorboida ja emittoida hiilidioksidia lämpötilan perusteella, tulee ristiriita. Talven (kylmän) aikana siis CO2 ilmassa kasvaa (OCT to MAY) , ja kesän (MAY to SEP) CO2 laskee.

Käyttäjän StefanTallqvist kuva
Stefan H. Tallqvist

Tunnettu tosiasia on siis se, että kylmä merivesi sisältää enemmän hiilidioksidia, kun lämmin. Kun veden lämpötila kaava, sen hiilidioksidipitoisuus pienenee.

Täten kylmä vesi pystyisi liuottamaan enemmän hiilidioksidia, mutta totesimme jo Mauna Loan tapauksessa, että ”talven (kylmän) aikana CO2 ilmassa kasvaa (OCT to MAY)".

Mutta todellisuus on paljon monimutkaisempi, kuten yleensäkin. Merivesi saa vaikutteita sekä ylhäältä että alhaalta:

Yllätys, yllätys; in surprising ways:

One of the largest unknowns in our understanding of the greenhouse effect is the role of the oceans as a carbon sink. Much of the carbon dioxide released into the atmosphere by the burning of fossil fuels is soaked up by the oceans, but changes in the climate are altering this absorption in surprising ways. (Photograph ©2007 *Fede*.)
The Ocean's Carbon Balance by Holli Riebeek • design by Robert Simmon • June 30, 2008

http://earthobservatory.nasa.gov/Features/OceanCar...
=

The solubility of carbon dioxide is a strong inverse function of seawater temperature (i.e. solubility is greater in cooler water); The thermohaline ...
https://www.google.fi/?gws_rd=cr&ei=gWdEUoTtJafV4g...

Käyttäjän aveollila kuva
Antero Ollila

Stefan, olet oikeilla jäljillä. Sinun kannattaa lukea uudestaan osioni nro 6. Siellä on hyvä kuva ilmakehän CO2-pitoisuudesta ja merten lämpötilariippuvuudesta.

http://aveollila.puheenvuoro.uusisuomi.fi/218673-i...

Jos haluat tietää asiasta enemmän, niin tässä on linkki julkaisuuni, jossa asiaa on käsitelty tarkemmin

http://sciencedomain.org/abstract/10193

Käyttäjän StefanTallqvist kuva
Stefan H. Tallqvist

Olin kyllä huomannut hienoa selostustasi osiossasi nro 6.

Asiat vaan monimutkaistuu mitä enemmän niitä tutkitaan.

Toimituksen poiminnat