4 feb. 2009

Satureringar, logaritmer och verkligheten

Två påståenden om koldioxid och dess absorption som florerar på nätet och framförs av skeptiker och förnekare av global uppvärmning tänkte jag diskutera nedan.

"Koldioxidabsorptionen är saturerad redan vid nivåer som är under de förindustriella. Ökningen av koldioxid i atmosfären har därför ingen effekt."
Påståendet, som ofta hänförs till den amerikanske kemisten Martin Hertzberg1, är alltså att när väl all strålning i absorptionsområdet redan absorberats av koldioxiden så gör mer koldioxid ingen skillnad. Samt att denna nivå redan uppnåtts.
Att påståendet är felaktigt kan enkelt visas genom att studera spektrat för Jordens värmestrålning som mätts av satelliter och konstatera att strålning lämnar Jorden även i det område där koldioxid absorberar.

Den svarta kurvan visar strålningen från Jorden om den vore jämnt för
delad utan absorptionslinjer i atmosfären

Tanken bakom resonemanget är att koldioxiden fungerar som färg på en glasskiva. De första lagrena minskar genomskinligheten men ganska snart är färgtjockleken så stor att extra lager inte gör någon nytta. Men detta är inte hur absorption i atmosfären fungerar.
En mer korrekt bild är denna: En molekyl nära marken som absorberar strålningen kan antingen återutsända den i en slumpmässig riktning eller så kan den föra över energin till molekyler runt om och där med värma luften. Så en del av strålningen återkommer som strålning ner mot Jordytan. En del värmer luften och en del fortsätter uppåt. Ju högre upp i atmosfären (egentligen troposfären som är intressant här) desto tunnare och kallare blir den. Temperaturen sjunker med strax under en grad per 100 m i snitt. Tillräckligt högt upp kan värmen stråla ut i rymden från en uttunnade gasen. Men den strålar då ut från kallare områden än Jordytan och där med mindre energi. Ju mer växthusgaser som tillförs desto högre upp till kallare luft flyttas området varifrån det mesta av strålningen lämnar atmosfären vilket minskar utstrålningen. Men det måste råda balans mellan uppvärmningen från Solen och utstrålningen så temperaturen vid Jordytan och i nedre delen av atmosfären ökar tills balansen återställts.2 Så idén om saturering bygger på en grundläggande missuppfattning om hur atmosfären fungerar.
Men kanske det mest uppenbara problemet för idén finns till höger. Planeten på bilden är Venus. En planet vars yta har en temperatur på kring 470 grader och vars atmosfär består till 98% av koldioxid och med ett tryck på 90 ggr Jordens vid ytan.

"Temperaturen ökar logaritmisk med koldioxidhalten alltså är det inget allvarligt problem."
Till skillnad från ovanstående påstående så är här första satsen med modifikation godtagbar. Slutsatsen är dock felaktig.
Koldioxidens växthuspåverkan, mätt i W/m2, är approximativt logaritmisk. Bakgrundet till det är en fråga om atomfysik och koldioxidens fördelning i atmosfären.3 IPCC anger ett antal approximationer för påverkan av koldioxid. Den enklaste är:
ΔF=5,35ln(C/C0) där C0 är den förindustriella nivån på ca 290 ppm.

Denna logaritmiska förändring är alltså både väl känd och just en approximation. Seriösa beräkningar liksom dagens klimatmodeller använder sig av betydligt exaktare modelleringar av den bakomliggande fysiken. (Man kan även notera att skillnaden mellan denna logaritmiska funktion och en linjär approximation av påverkan från dagens koldioxidnivå till 600 ppm, något som tar drygt 100 år att uppnå med dagens takt, är 18%. Märkbar skillnad men knappast något som får problemet att försvinna.)
Problemet är när man drar slutsatser från denna approximation av koldioxidens påverkan om temperaturhöjningen. Det går inte att isolera denna från återkopplingar som tex ökningen av mängden vattenånga i atmosfären med ökad temperatur. Det är också så att Jorden redan idag har en obalans i strålningen på 0.85±0.15 W/m2. Vilket betyder att Jorden även om koldioxidnivån slutar öka kommer att värmas ytterligare innan den är i balans igen. Allt detta , och mycket mer, är dock med i de analyser som klimatforskarna gör och i de modeller de arbetar med.
De som använder logaritmfunktionen i sin argumentation har alltså godkänt den grundläggande kopplingen mellan koldioxidnivån och växthuseffekten men de väljer bort andra delar av klimatvetenskapen och dess resultat. De tycks föredra en förenklad och ofullständig bild framför en mer realistisk då den ofullständiga ger resultat som närmare stämmer med deras önskningar.

1) Denna tanke kan ha sin grund i mätningar som gjordes för över hundra år sedan av Ångström med den tidens spektroskopiska utrustning och kunskap om atomen. För att inte tala om Venus atmosfär. (Se mer om historiken här)
2) En bra (bättre) beskrivning på svenska av fenomenet finns i Klimathusets Klimatskola
3) För en ingående beskrivning av koldioxidens absorption rekommenderas denna sida.

13 kommentarer:

  1. Peter Stilbs12 maj 2009 16:21

    Denna, av vattenånga, förstärkta växthuseffekt är hela grundpelaren för klimatalarmismen.

    Allt bygger på modeller - skapelser av klimatmodellerare, inte verklighet.

    SvaraRadera
  2. Peter,

    Du menar den där förstärkta växthuseffekten som inte existerar?

    Klimatforskares modeller bygger mycket riktigt på data, till skillnad från Peter Stilbs modeller, som bygger på den innerliga tron att allt är precis som det bör vara.

    / Per

    SvaraRadera
  3. Stilbs:
    Redan 1896 förstod Arrhenius kopplingen mellan temperatur och vattenånga när han undersökte växthuseffekten. Det är grundläggande fysik. Inget som är beroende av några klimatmodeller i modern bemärkelse.
    Kopplingen har verifierats genom observationer upprepade gånger. Se tex denna artikel.

    SvaraRadera
  4. När en molekyl emitterar en foton (strålar ut värme i rymden) så sker det vid givna egenvärden (energipaket av en viss storlek). Dessa varierar inte med temperaturen. Därför begriper jag inte resonemang i stil med "... den strålar då ut från kallare områden än Jordytan och där med mindre energi.". Jämförelsen med Venus är faktiskt bara löjlig. Venus råkar befinna sig tio gånger närmre solen än vad jorden gör. Strålningsintensiteten avtar med inversen av avståndet i kubik, så för att kunna jämföra så får ni ta höjd för att strålningsintensiteten på venus är 1000 gånger högre än på jorden. Då får man nog säga att 460 grader är ganska kallt...
    Peter: sluta använda 'alarmism' i tid och otid.

    SvaraRadera
  5. Björn, Venus ligger på avstånd från Solen på ungefär 0.72 ggr av avståndet mellan Solen och Jorden. Strålningen avtar med avståndet i kvadrat. Annars har du nästan rätt i allt.

    SvaraRadera
  6. Eller förresten, din beskrivning av utstrålningen är inte heller rätt. Beklagar, Björn.

    SvaraRadera
  7. Björn,
    Det är korrekt att energin hos en given foton som emmiteras inte beror på temperaturen. Men ju kallare det är desto mindre värmeenergi skickas ut totalt. Alltså färre fotoner i ett givet frekvensintervall. Koldioxidens absorbtion gör att den värmestrålning som lämnar jorden i vissa frekvensband lämnar jorden från hög höjd i atmosfären där det är kallt. Rymden "ser" bara den kalla utstrålningsytan, inte den varma jorden under.
    Läs mer tex här

    SvaraRadera
  8. "Att påståendet är felaktigt kan enkelt visas ...." Detta är en väldigt central fråga i koldioxidfrågan. Att avfärda den som felaktig genom att presentera ett diagram, utan skalor, som visar att jorden strålar i området för koldioxids absorption är kanske lite väl tunt? Den referens somlämnas är om möjligt ännu tunnare.

    SvaraRadera
  9. ErikS:

    Var det något som stämde? En förändring med inversen av avståndet i kubik är väl åtminstone en korrekt beräkning?

    / Per

    SvaraRadera
  10. Per, tänk på att samma effekt ska passera ut genom de tänkta skalen på olika stora sfärer med centrum i solen.

    Genom en sfär med samma radie som Jordens medelavstånd till solen (1 AU, astronomisk enhet) skall alltså passera like mycket energi per tidsenehet som ett skal med dubbla radien, 2 AU. Det andra skalet har fyra gånger större yta, så effekten per ytenhet måste vara en fjärdedel. Effekten per ytenhet varierar alltså med 1/r^2.

    SvaraRadera
  11. För övrigt varierar utstrålningen från en yta med temperaturen T^4. Det är då lätt att härleda att yttemperaturen varierar med fjärde roten ur intensiteten på solinstrålningen. Detta medför att utan växthuseffekt borde Venus temperatur vara roten ur (jordens avstånd till solen)/(venus avstånd till solen)=1.18 ggr varmare än jorden. Jordens temperatur utan växthuseffekt skulle vara ca 259 K. Venus beräknade temperatur utan växthuseffekt borde alltså vara 305 K.

    SvaraRadera
  12. Johan,
    Om du inte är nöjd med referensen kan du ju alltid läsa tex den här boken.

    SvaraRadera

Tips: Använd gärna signatur när du kommenterar. Det underlättar samtalet