Posted by: Boris Winterhalter | December 26, 2008

Vesitermostaatti maapallon lämpötilan säätelijänä

Moni on minulta kysynyt onko hiilidioksidi todella maapallon ilmaston tärkein säätelijä kuten IPCC antaa ymmärtää. Helpoin ratkaisu olisi suoraan kieltää. Todellisuudessa vastaus on erittäin vaikea, etenkin kun emme ole edes varmoja siitä ovatko kaikki tärkeimmät tekijät kunnolla hallinnassamme.

Rajoittakaamme pohdiskelun nykyaikaan, eli aikaan, josta on jonkinlaisia mittaustuloksia. Tiedämme, että meret muodostavat valtavan lämpöpuskurin, jonka sanotaan sotkevan hiilidioksidisignaalin ja lämpötilan välistä riippuvuutta. Entä jos näin ei olekaan. Tällöin etusijalle ei väitteistä huolimatta nousekaan hiilidioksidi vaan vesihöyry.

Seuraavassa lyhyt essee, jossa pohdin veden roolia:

Vesi – maapallon ilmaston säätelijänä

Omassa mielessäni näen Roy Spencerin tapaan yhden prosessin yli muiden säätelemässä maapallon ilmastoa eikä siinä hiilidioksidilla ole kovin suurta roolia. Maapallomme on nimitäin vesiplaneetta, joka avaruudestakin nähtynä näyttää siniseltä.

Tässä yhteydessä tulee kysyä: missä maapallolla vuorokauden aikana lämpötila pysyy mahdollisimman tasaisena ja missä lämpötila vaihtelee vuorokauden ajan mukaan mahdollisimman paljon? Vastaukset: – merellä pientä ja vastaavasti hiekka-aavikolla suurta vaihtelua.

Auringon lämmittämältä veden pinnalta haihtuu vettä – vesihöyryä. Haihtumisessa vesimolekyyli sitoo itseensä lämpöä ja samalla pinta jäähtyy. Hiilidioksidin sanotaan absorboivan lämpimän pinnan tuottamaa pitkäaaltoista (lämpö)säteilyä, mutta näin tekee myös vesihöyry.

Vaikka pinnan lämpösäteily nostaa kasvihuonekaasumolekyylien välityksellä yläpuolella olevan ilman lämpötilaa, merkittävämpi lämmönsiirto tapahtuu suoraan johtumalla, eli pinnan lämpöä siirtyy siihen kosketuksessa olevaan ilmaan. Lämmennyt ilma kevyempänä pyrkii nousemaan ylemmäksi antaen tilaa sitä kylmemmälle ja painavammalle ilmalle, joka vuorostaan kevenee ja nousee. Lämpimän pinnan yläpuolelle kertyneen ilmamassan kohtalosta pohdintaa hieman myöhemmin. Palatkaamme hetkeksi vielä lämpötilan vuorokausirytmiin.

Auringon valon hiipuessa iltaa myöten pinta jatkaa lämpösäteilyään ja jäähtyy. Tosin tätä jäähtymistä hidastavat kasvihuonekaasut, johtuen niiden säteilyominaisuudesta. Tästä pääosin vesihöyryn mutta myös hiilidioksidin säteilemästä lämmöstä osa lankeaa takaisin pinnalle.

Aavikolla hiekka lämpiää haihtumisen puuttuessa huomattavasti meren pintaa kuumemmaksi. Vastaavasti tärkeimmän kasvihuonekaasun eli vesihöyryn puuttumisen takia pimeään aikaan kuivalla aavikolla pinta menettää päivällä varastoitunutta auringon lämpöä huomattavan nopeasti. Tästä johtuen aavikolla lämpötilan vuorokautinen vaihtelu on monin verroin suurempaa kuin merellä.

Aiemmin mainitsemani pinnan läheisyydessä lämmenneen ilmamassan kohtalona on tietysti kohoaminen sitä korkeammalle mitä lämpimämpää se on. Noustessaan ylöspäin ja paineen laskiessa ilma kuitenkin jäähtyy. Tässä astuu kuvaan vesihöyryn toinen hyvin merkittävä ominaisuus – kyky muodostaa pilviä. Kun vesihöyryä sisältävän ilmamassan lämpötila laskee sen sisältämän vesihöyryn kastepistettä vastaavalle tasolle, siinä oleva vesihöyry pyrkii tiivistymään ensisijaisesti vesipisaroiksi tai riittävän korkealla peräti jääkiteiksi muodostaen pilviä.

Päiväsaikaan näin muodostuneet pilvet vähentävät auringonsäteilyn lämmittävää vaikutusta. Tällöin haihtuminen sekä vedenpinnalta että myös kasvipeitteestä hidastuu ja samalla uusien pilvien muodostuminen estyy. Mikäli pilvipeite on riittävän paksu ja säilyy illan tullen haihtumatta, yöllä tällaiset pilvet hidastavat varsin tehokkaasti lämmön karkaamista yläilmoihin ja sitä kautta avaruuteen.

Spencer kutsuu edellä mainittua tapahtumasarjaa vesitermostaatiksi. Veden olomuodon muutos toimii siis eräänlaisena lämpötilansäätäjänä.

Lisäys 4.1.2009

Sain juuri vinkin Roy Spencerin uudesta ilmastoblogista, joka täydentää mitä olen yllä kirjoittanut ja lisäksi sisältää paljon uutta aineistoa.


Responses

  1. Muutama kysymys:

    Miten vesitermostaatti reagoi, jos
    1. Auringosta saapuvan säteilyn määrä kasvaa?
    2. Auringon säteily pysyy vakaana, mutta ilmakehään lisätään kasvihuonesaasuja, muita kuin vesihöyryä?
    3. Miten vesitermostaatti toimii navoilla, jossa ilmassa on hyvin vähän vettä ja jossa Aurinko paistaa puoli vuotta kerrallaan?

  2. 1. Jos auringon säteilyteho kasvaa on loogista ajatella, että haihtuminen aluksi lisääntyy, mutta pilvien muodostuminen taasen vähentää pinnan lämpenemistä, koska osa auringon energiasta heijastuu jo pilvistä saavuttamatta maapallon pintaa.

    2. Muiden kasvihuonekaasujen kuin vesihöyryn lisääntyminen nostaa luonnollisesti pinnanläheistä lämpötilaa, jolloin myös haihtuminen lisääntyy ja pilvien muodostuminen jälleen vähentää auringon lämmittävää vaikutusta. Tässäkin vesihöyry on ylivoimaisesti tärkein kasvihuonekaasu. Pelättyä lämmönnousun (“tipping point”) karkaamista ei siis voi tapahtua.

    3. Olet oikeassa, että navoilla on alhaisen lämpötilan takia vesihöyryä vähän. Tosin ei navoilla ole paljon lämpöäkään. Vostok asemalla Etelämantereella auringon ollessa korkeimmillaan tammikuussa 50-vuoden maximi lämpötila oli noin -30 astetta, mutta pohjoista Lappia vastaavalla leveyspiirillä Davis asemalla korkeimmat mitatut lämpötilat olivat samana aikana (tammikuussa) hieman plussan puolella; ei sen enempää.

    On myös todettava, että navoilla pilvet ovat tavallisia ja jopa Etelämantereen laajalla jäätikkölakeudella pilvisyys on 25-70%. Näiden pilvien kosteus on tosin peräisin alemmilta leveyspiireiltä.

    Edellisen perusteella on helppo oivaltaa, että auringon teho navoilla on maapallon kaarevuuden, heijastavan lumipinnan ja pilvisyyden takia varsin vähäinen.

  3. Tarkastellaan tapausta 2: Lämpötila nousee jolloin haihdunta lisääntyy. Lisääntyvä pilvien muodostus vähentää Auringon lämmittävää vaikutusta. Miten käy lämpötilan? Jos se laskee ennalleen, haihdunta vähenee ja pilvisyys vähenee, jolloin ollaan taas alkupisteessä?

    Vai käykö niin, että lämpötilan noustessa pilvisyyden lisääntyminen muodostaa negatiivisen takaisinkytkennän joka stabiloi systeemin. MUTTA, lämpötila jää pysyvästi alkutilaa korkeammalle? Kysymys kuuluukin, kuinka paljon korkeammalle?

    Mitä muuta lisääntynyt haihdunta aiheuttaa? Enemmän pilviä merkitsee vähemmän valoa maanpinnalla. Miten se vaikuttaa kasvillisuuteen?

    Sadanta lisääntyy, sen myötä eroosio, varsinkin jos kasvillisuus valon puutteet takia heikkenee.

    Osa ilmakehän vedestä ajautuu navoille ja lisää pilvisyyttä siellä. Talviaikana pilvien lämmittävä vaikutus (säteilypakote) navoilla on todella suuri, mikä ei ole yhtään hyvä juttu.

    Jottei tämä menisi pseudotieteen puolelle, pitäisi kohta löytyä teoriaa tukevia kirjallisuusviitteitä. Löytyykö? Peräänkuulutan nyt niitä samoja todisteita, joita sinä ja muut skeptikot penäävät IPCC:n tekemistä kirjallisuustutkimuksista.

  4. Kaj Luukon kolmeen tilannevaihtoehtoon esitin omat näkemykseni mahdollisimman lyhyesti. Seuraavassa lisää tuosta 2. tilanteesta, jossa ilmakehään ihmisen toimesta lisätään kasvihuonekaasuja.

    Aiemmassa vastauksessani jäi mainitsematta, että esimerkiksi hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistumisen lämpötilavaikutus on todellisuudessa varsin pieni. Arviot vaihtelevat mittaustarkkuuden alarajoilta ehkä puoleen celsiusasteeseen, eikä IPCC:n esittämät arviotkaan ole merkittäviä. Tulevaisuuden “uhkaavat” lämpötilaskenaariot perustuvat nekin lähinnä vesihöyryn aiheuttamiin epärealistisiin takaisinkytkentöihin.

    Täytyy muistaa, että globaali ilmasto on erittäin kompleksinen ja kaoottinen, jota säätelevät hyvin monien erilaisten ja osittain vielä huonosti tunnettujen prosessien summa. Kuitenkin IPCC tukeutuu tulevaisuuden skenaarioissaan ennenkuulumattoman monimutkaisiin ja verifioimattomiin matemaattisiin malleihin. Niissä monet prosessit joudutaan yksinkertaistamaan (parametrisoimaan), koska supertietokoneidenkaan laskentakyky ei vielä riitä. Laskennassa käytettävien lähtöarvojen puutteet lisäävät vaikeuksia. Jopa maapallon energiabudjetti, siis maapallon vastaanottaman energian ja maasta avaruuteen karkaavan energian määrät vaihtelevat eri julkaisuissa.

    Kuten olen aiemmin todennut mallit ovat varmaan hyviä työkaluja pyrittäessä ymmärtämään paremmin miten eri prosessit ilmakehässä toimivat, mutta ei tämä suinkaan tarkoita, että näillä malleilla olisi minkäänlaista ennustekykyä. Tämän myöntävät jopa rehelliset mallintajatkin.

    Palataanpa kysymyksiisi. Ensimmäisenä on miten käy lämpötilan? Ilmakehän lämpötila nousee, mutta hädin tuskin mitattavissa. Vedenpinta, mistä haihtunut vesihöyry oli alunperin lähtöisin, jäähtyy, jolloin haihtuminenkin vähenee, kunnes aurinko jälleen lämmittää pintaa tarpeeksi jotta höyrynpaine veden pinnalla ylittäisi yläpuolella olevan ilman vesihöyrypaineen. Tällöin haihtuminen voisi jatkua ja olosuhteissa tapahtuu heilahdus.

    Toisessa kappaleessa kysyt stabiloituuko systeemi. Kuten aiemmin olen todennut maapallon ilmasto ei ole stabiili, vaan on jatkuvassa muutostilassa. Vesihöyry pyrkii pitämään lämpötilaa aikaan ja paikkaan nähden mahdollisimman vakiona koskaan kuitenkaan saavuttamatta tasapainoa. Sadantaan, eroosioon ja napojen lämpötilaan tällä vesitermostaatilla ei liene suurtakaan merkitystä, eikä globaaliin keskilämpötilaan, sillä siihen vaikuttavat paljon suuremmat auringosta peräisin olevat voimat.

    Peräänkuulutat kirjallisuusviitteitä, jotka tukisivat edellä esittämiäni ajatuksia. Vesitermostaatin osalta voisit aloittaa lukemalla Roy Spencerin uusimman kirjan, Climate Confusion (saatavissa mm Amazonin kautta hintaan US$ 15). Auringon ja pilvisyyden suhteen löytyy useita Henrik Svensmarkin julkaisemia tutkimuksia, jne.

    Pyrin lähitulevaisuudessa laajentamaan tätä vesitermostaatti-juttuani pohdiskelemalla maapallon energiatasetta ja erilaisia palautemekanismeja.

  5. Jos lämpötila nousee vain “hädin tuskin mitattavasti”, eihän vesitermostaattiakaan tarvita.

  6. Vesitermostaatti, johon kuuluu haihdunta, pilvien muodostus ja sadanta pyrkii nimenomaan tasaamaan maapallon dynaamista lämpötaloutta…


Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Categories

%d bloggers like this: