Temperaturen stiger medan luftfuktigheten minskar – eller?

Gästinlägg av professor Mats Almgren

Det brukar hävdas att i förvillarkretsar att det enda man vet om en effekt av en höjning av koldioxidhalten är att en dubbling av den skulle ge en temperaturökning med ungefär 1,2 grader. Detta är den direkta effekten, vilken inte brukar förnekas. Men att det därutöver skulle finnas återkopplingar som förstärker temperaturhöjningen till någonstans mellan 1,5 och 4 grader, är något som ivrigt bestrids. Det är speciellt återkopplingen från vattenånga vid en ökning av temperaturen som anses vara ett påfund av alarmister, helt utan verklighetsförankring. Ibland sägs det t.o.m. att luftfuktigheten har gått ner när temperaturen ökat. Ett exempel på detta sågs nyligen i ett inlägg på Stockholms initiativets blogg, där den mångkunnige, men ofta något selektive, signaturen tty skrev följande:

Flera av antaganden som ”förstärkningsteorin” bygger på kan förresten lätt motbevisas. Så brukar man t ex ofta utgå från att den relativa fuktigheten ska förbli konstant vid stigande temperatur. Så fungerar klimatet dock inte i verkligheten: Titta på denna vädermodell, skulle relativa fuktigheten vara temperaturoberoende borde färgen i medeltal vara densamma från pol till ekvator: https://earth.nullschool.net/#current/wind/surface/level/overlay=relative_humidity/orthographic=-58.28,89.70,296/loc=23.251,5.758

Jag måste erkänna att jag inte förstår hur ty menar att denna bild av globen skall läsas. Den relativa fuktigheten är kodad i färger, men hur förklaras inte. Och hur menar tty att man ska bedöma ”medeltalet” av färgerna? Ska man inte också försöka bilda sig en uppfattning om medelvärdet över året? Det blir lite svårt. Det intryck jag fick, när jag tittade, var att relativa fuktigheten var relativt jämn över hav, men varierade och var mestadels relativt låg över land. Så denna glob gav föga upplysning. 

Jag sökte då istället på nätet och fann bl.a. följande:

Den bilden visar hur specifika fuktigheten nära ytan varierade över klotet år 2013, som avvikelse från medelvärdena under 1981-2010. Man kan se att det förmodligen totalt var något våtare under 2013 än under jämförelseperioden, men att det över land på många håll var torrare. Detta visas klarare i följande figur, från samma källa, som visar hur relativa fuktigheten över land (åter nära ytan) varierar med tiden. Här ser man en klar minskning mot slutet, när temperaturen har stigit. Kanske det är sådana resultat som förvillat förvillarna?

Men observera att detta gäller fuktigheten strax över jordytan. Det finns en hel atmosfär ovanför detta skikt. Att relativa fuktigheten nära marken kan minska när ytan värms upp kan åtminstone delvis förklaras av att fukten till största delen kommer in över land från hav, och över hav ändras fuktigheten med vattenytans temperatur. När nu landytan värms snabbare än havet, och fukthalten följer havstemperaturen, så blir det en minskning av den relativa fuktigheten över land.

Hur är det då i resten av atmosfären? Det vi behöver ha reda på är hur den totala mängden vattenånga har varierat. Det som brukar hävdas av meteorologer (t.ex. av Lennart Bengtsson) är att fuktigheten ökar med ca 7% för en grads temperaturhöjning. Det är den ökning av vattenångans jämviktstryck som följer av Clausius-Clapeyrons ekvation vid nuvarande medeltemperaturer. Det innebär då att relativa fuktigheten i medeltal över hela atmosfären skulle hålla sig ungefär konstant. Arrhenius antog i sina beräkningar i slutet på 1800-talet att så var fallet, som en medveten första approximation. I nutidens avancerade klimatmodeller görs inga sådana antaganden, men att det är så följer ur resultaten. Klimatmodellerna är dock inte att lita på i allt, och det borde gå att finna mätdata som belyser saken.

Jag har dock inte lyckats hitta några lättillgängliga dataserier eller grafer över sådana mätresultat. Så jag valde därför att titta på vad reanalysprodukterna säger. Som jag framhöll i en tidigare post, så är styrkan med dessa just att man kan få ut den information man behöver (om man vet hur man ska hantera dem). Lyckligtvis finns en site http://cci-reanalyzer.org/Reanalysis_monthly/tseries.php där man kan få ut tidsserier av bl.a. ”precipitable water” som är allt vatten i gasform som finns i en kolumn från jordytan och upp till stratosfären. Man kan välja mellan en rad olika reanalysprodukter.

I figuren har jag valt precipitable water från medelvärdena av fyra tredje generationens reanalysprodukter under tiden 1979-2012. Man kan alternativt titta på resultaten av de enskilda produkterna. De skiljer sig åt ganska mycket, men samtliga ger en ökande trend.

Det är ju helt klart att mängden vattenånga i atmosfären har ökat, med ungefär 4,3 % från 1980 till 2010. Under samma tid har temperaturen alldeles över ytan, enligt samma samling av reanalysprodukter, ökat med ungefär 0,42 grader. Det skulle betyda att vattenångan ökat med ca 10% per grad, vilket då är något mer än vad Clausius-Clapeyrons lag förutspår för jämviktstrycket. Men man kan nog inte vänta sig någon god numerisk överensstämmelse. Både temperaturer och värdena på precipitable water varierar mycket mellan de olika reanalyserna.

Slutsatsen är emellertid att mängden vattenånga i atmosfären har ökat med temperaturökningen, så som man har all anledning att förvänta sig, och att återkopplingen från vattenångan då också är en realitet. Det finns andra återkopplingar, och andra forcings, som är betydligt mer osäkra.

Vatten som växthusgas - hur var det nu det hänger ihop?

Vatten är den viktigaste växthusgasen av alla och står för ungefär 60% av den naturliga växthuseffekten vid klar himmel. Utan denna vattenånga hade jorden varit en kall och ogästvänlig plats. Som växthuseffekt-pionjären John Tyndall skrev redan på 1800-talet:

"Water vapour is a blanket more necessary to the vegetable life of England than clothing is to man. Remove for a single summer-night the aqueous vapour from the air that overspreads this country, and you would assuredly destroy every plant capable of being destroyed by a freezing temperature. The warmth of our fields and gardens would pour itself unrequited into space, and the sun would rise upon an island held fast in the iron grip of frost..."

En dag fick Tyndall nog av kladdet i mustaschen när han åt spaghetti och köttfärssås. Bättre och mer hygieniskt såhär. 

Mätningar tyder på att vattenångan i atmosfären har ökat de senaste decennierna. (Se figur längst ner.) Inte så konstigt då att jordens medeltemperatur stiger! Men hur går detta ihop med IPCCs rapporter, som envisas med att lyfta fram de mänskliga utsläppen av koldioxid som huvudorsak till den globala uppvärmningen? Har IPCC dragit oss alla vid näsan, och medvetet flyttat fokus bort från det som i själva verket spelar störst roll? Eller har de helt enkelt stirrat sig blinda på kol- och oljeförbränningen och glömt allt annat?

Svaret är nej. "Water vapor is a key climate variable", inleder kapitel 3.4.2 i AR4. "Water vapor plays an essential role in the Earth's climate" kan vi också läsa. IPCC-rapporterna inkluderar omfattande redogörelser över vattnets roll för växthuseffekten, trender i luftfuktighet, nederbörd och annat. Så än en gång: hur går detta ihop? Låt oss börja med frågan vad som avgör mängden vattenånga i atmosfären. I viss mån påverkar mänskliga aktiviteter så som konstbevattning, flyg och annat, men till största delen beror det på luftens temperatur. Den maximala mängden vattenånga som luften kan hålla ökar ju varmare det blir. Den genomsnittliga relativa luftfuktigheten har inte ändrats i någon större omfattning de senaste årtiondena. Men eftersom lufttemperaturen har stigit innebär det att den absoluta luftfuktigheten (g vatten/ kg luft) nu, generellt sett, är högre än förut.

Till skillnad från koldioxid är vattenånga en kortlivad gas i atmosfären. Allt som oftast regnar eller snöar det, vilket innebär att vatten i luften kondenserar och faller ner till marken.  Men hur mycket vatten avdunstar sedan från mark och hav för att åter upptas av atmosfären? Tja, det beror som sagt på temperatur. Om vi ökar  CO₂-halten så leder det till en uppvärmning som i sin tur gör att mer vatten kan bindas i atmosfären. Människan påverkar alltså indirekt mängden vattenånga. Eftersom ånghalten i atmosfären till största delen bestäms av luftens temperatur räknas vattenånga inte som en egen drivkraft till klimatförändringarna (till skillnad från t.ex. utsläpp av koldioxid, vulkanutbrott, förändringar i solinstrålning m.m.). Det finns ingen anledning att tro att vattenångan i atmosfären hade ökat om inte temperaturen först hade börjat öka. I stället är det ett resultat av en temperaturökning. Däremot förstärker vattenångan uppvärmningen genom att öka växthuseffekten. Med andra ord: vattenångans temperaturberoende fungerar som en återkopplingsmekanism i den globala uppvärmningen.

De övriga växthusgaserna, med koldioxid i spetsen, är en FÖRUTSÄTTNING för att det överhuvudtaget ska finnas vattenånga i atmosfären. Om dessa gaser genom ett trollslag helt plötslig försvann skulle lufttemperaturen sjunka tillräckligt mycket för att sätta igång en spiraleffekt som tillslut fryser ner hela jorden. På samma sätt ökar vattenångan i luften om vi tillför mer koldioxid. 

På den utmärkta bloggen RealClimate bjuder Gavin Schmidt på en något mer teknisk genomgång. Han inleder med en observation av något som verkar vara någon sorts naturlag: Så fort tre eller flera klimat- ... eh... -fritänkare (mitt ordval)... är samlade, så kommer åtminstone en av dem påstå att vattenångans roll för växthuseffekten försummas av IPCC, och i förnärmad ton rada upp ett gäng halmdockor. Det är inte utan anledning som frågan "How important is water vapour to climate change?" är listad som en Frequently Asked Question i IPCCs senaste rapport (scrolla ner till fråga 8.1).

Figur 2.31 från AR5. Global årlig genomsnittlig anomali i vattenånga över havsytan, relativt genomsnittet för åren 1988-2007.

Om klimatkänslighet och återkopplingar

En liten principiell diskussion kring klimatkänslighet och återkopplingar. (För mer om begreppet klimatkänslighet se tidigare inlägg.)

Jordens temperatur bestäms av balansen mellan absorberad strålning från Solen och utstrålad värmestrålning mot rymden från atmosfärens övre skikt. (Se mer här.) Utan återkopplingar skulle strålningsbalansen ändras med 3,3 W/m²/K på grund av ökningen av svartkroppsstrålning¹. Alltså en höjning av jordens temperatur med 1 grad skulle kräva 3,3 W/m² ökad absorberad instrålning, 3,3W/m² mindre utstrålning, eller en kombination av båda.  Något som betecknas som en påverkan (eng. forcing) på 3,3 W/m². Se nedanstående diagram:

Den röda linjen visar hur nettot av instrålning och utstrålning ändras vid en förändring av jordytans temperatur utan återkopplingar. Den nya temperaturen uppnås då påverkan F balanseras av den ökade utstrålningen λ_pΔT där λ_p=-3,3 W/m²/K. I diagrammet är F=3,7 W/m² motsvarande en fördubbling av koloxidhalten.

Vattenånga i atmosfären fungerar dock som en positiv återkoppling. Alltså den förstärker temperaturförändringar då dess växthuseffekt beror på temperaturen. Vi kan lägga in denna återkoppling i diagrammet enligt nedan²:

Då vattenångans återkoppling är positiv (λ_v>0) ser vi att samma påverkan, F, nu resulterar i en större temperaturförändring.

En annan väl känd men svagare positiv återkoppling är albedoförändringen. Minskad is och snö gör att mer solstrålning absorberas. Vi kan även lägga in denna i diagrammet:

Den förhållandevis lilla positiva återkopplingen ger en ytterligare tydlig höjning av temperaturen. Vi kan notera att temperaturförändringen av samverkande positiva återkopplingar blir förstärkt. Ju närmare horisontell linjen som beskriver nettot i förhållande till temperaturen är desto känsligare är jordens temperatur för påverkan. Detta kan beskrivas med nedanstående diagram:

Notera att λ är summan av återkopplingar exklusive λ_p

Diagrammet visar temperaturökningen vid en fördubbling av koldioxidhalten för olika styrka på totala återkopplingen exklusive λ_p. (λ=0 motsvarar resultatet av påverkan F i första diagrammet ovan.) Vi kan notera att:

• När återkopplingarnas styrka går mot λ_p så går klimatkänsligheten mot oändligheten.
• Samma osäkerhet i återkopplingarnas styrka ger större osäkerhet för den övre gränsen för temperaturhöjningen än för den lägre. Speciellt då osäkerheten är kring en positiv återkoppling (λ>0). I detta fall är alltså inte osäkerheter vår vän.

Vidare finns det skäl att vara försiktig med att hoppas på okända/underskattade negativa återkopplingar som leder till en liten temperaturhöjning. Då det finns gott stöd för positiv återkoppling, på grund av vattenånga och albedo, nära 2 W/m²/K krävs det att dessa negativa återkopplingar är i samma storleksordning för att tydligt sänka känsligheten. Sådana starka negativa återkopplingar har svårt att gömma sig för vetenskapen uppe i bland molnen, eller annorstädes.

1) En linjär approximation fungerar då temperaturändringen är i storleksordningen 1% av absoluta temperaturen.
2) I diagrammet visas ett ungefärligt värde för vattenångans återkoppling inklusive den förändring av temperaturavtagande med höjden som blir följden. Den senare motverkar delvis den ökande växthuseffekten.

Återkopplingen från vattenånga

 Satellitbild över jorden tagen i ett av vattenångans absorptionsband. NOAA

Grundläggande teori

Över en vattenyta finns ett jämviktstryck för vattenånga då lika mycket vatten avdunstar som kondenseras. Detta kallas vattenångans mättningstryck. Ju varmare det är desto större är det trycket. Varm luft kan innehålla mer fukt än kall. Sambandet mellan mättningstryck och temperatur är exponentiellt och beskrivs av Clausius-Clapeyron ekvationen. (Mer detaljerat här)

Mättnadstryckets beroende av temperaturen är inte unik för vattenånga utan motsvarande samband gäller för alla ämnen som kan kondensera (sublimera) vid de temperaturer som är intressanta. Till exempel varierar koldioxidatmosfären på Mars med temperaturen.

 

Observationer av vattenånga i atmosfären

Att mängden vattenånga  i atmosfären följer temperaturen finns det många observationer av. Nedan följer några exempel.

Mättnadstryckets beroende på temperaturen från väderballongdata:

Andel vattenånga vid mättnad för olika temperaturer. Data från NOAA. Wikipedia

Vattenånga i atmosfären 1996-2010 för Europa och Östra centrala stilla havet. Notera årstidsväxlingarna i framför allt Europa:

Tidsserie för vattenånga från satellit-sensorer. ESA GlobVapour Project

Medelmängd vattenånga under 2009:

Medelmängd 2009 från satellit-sensorer. ESA GlobVapour Project

Tidsserier över mängden vattenånga från observationsdata 1970-2009:

Anomali för medelmängd vattenånga från väderstationer. (Berry and Kent endast över hav.)
 NOAA Climate indicators 2009

Vattenångans fördelning i troposfären och dess samband med temperaturen: 

Dessler et al 2008a Övre bilden visar temperaturen vid olika tryck (höjd) vid olika temperatur vid jordytan. Undre visar mängden vattenånga vid olika tyck och yttemperatur. Baserade på AIRS statellitdata.

Observationer av vattenångans växthuseffekt

Vattenånga är en växthusgas och ju mer vattenånga desto större växthuseffekt torde det bli från denna. Då mängden vattenånga i sin tur beror på temperaturen har vi en positiv återkoppling. Denna återkoppling brukar anges i W/m²/K, alltså den förändring av växthuseffekten som vattenångan ger för varje grads temperaturförändring.

Till skillnad från välblandade växthusgaser som koldioxid kommer dock vattenångans växthuseffekt variera  betydlig efter av var i världen och när på året man mäter. Detta leder till större osäkerheter i bestämningen av återkopplingen från vattenånga. Dock finns det ett flertal samstämmiga bestämningar av vattenångans växthuseffekt och återkoppling. Nedan är några exempel:

Diagrammet ovan är från Ramathan och Inamdar vars resultat baseras på satellitobservationer (ERBE). De jämför även med äldre data.

Forster och Collins 2004 använde avkylningen under vulkanen Pinatubos utbrott för att bestämma vattenångans återkoppling. De fann en återkoppling på 1.6 W/m²/K.

Dessler et al 2008b beräknade vattenångans återkoppling från globala temperaturvariationer 2003 till 2008 och satellitdata över mängden vattenånga. De fann en positiv återkoppling på 2,0 W/m²/K.

Philipona et al 2009 fann med data från Schweiz och Tyskland en återkoppling på ca 1,2 W/m²/K över Europa.

För fler artiklar om vattenångans återkoppling se: AGW Observer, papers on water vapor feedback observation 

 

Slutsats

Vattenångans återkoppling har starkt teoretiskt stöd. Att vattenångan varierar som förväntat med temperaturen har starkt stöd i observationer. Att återkopplingen är positiv och i den från teori förväntade storleken har även det gott stöd i analyser baserade på observationer.

År 2010 sammanfattade Andrew Dessler sin syn på forskningen kring vattenångans återkoppling:

If you go back 20 years, there was some credible arguments that maybe there were some holes in our understanding. But over the course of the last 20 years, we’ve really nailed down those potential problems. But for whatever reason, the knowledge that we’ve really solved a lot of these problems hasn’t made it into the public debate.

Lyssna på hela intervjun här. 
______________

Uppdaterat 13/10 med ytterligare satellitdata.

Dessler i debatt med Lindzen

Nyligen möttes professorerna Andrew Dessler och Richard Lindzen i en debatt kring global uppvärmning och klimatkänslighet, det sistnämnda är ju aktuellt här på bloggen. Dessler är en av de mest kända klimatforskarna och specialist på vattenånga i atmosfären. Lindzen är välmeriterad meteorolog och den kanske mest kända "klimatskeptiska" forskaren som arbetar inom fältet. Debatten som är på ca 1 timme och 20 minuter ägde rum vid University of Virginia Law School. (Den följs direkt av ett debatt kring policyimplikationer.)

Ses här:

Koldioxid och procentsiffror

Procenträkning är ofta knepigare än man skulle kunna tro. Redan inför en så oskyldig fråga som "Hur många procent alkohol innehåller ölet Tuborg Guld?" behöver vi stanna upp inför huruvida det är viktprocent eller volymprocent som avses. När vi så går vidare till klimatvetenskapliga sammanhang tenderar komplikationerna att rada upp sig. Två vanliga frågor angående koldioxidens klimatpåverkan är "Hur stor andel av vår planets totala växthuseffekt står koldioxiden för?" och "Hur stor andel av den globala uppvärmning vi sett sedan industrialismens barndom är en följd av ökad koldioxidhalt?". Min avsikt med denna bloggpost är att diskutera dessa båda senare frågor, och peka på ett par komplikationer som ofta inte framgår då de dryftas i dagens klimatdebatt.


1. Hur stor andel av vår planets totala växthuseffekt står koldioxiden för?

Denna fråga ställs ofta av s.k. klimatskeptiker, som vet att vattenånga är den viktigaste växthusgasen. Tanken är att få en låg procentsiffra som svar, för att därpå kunna replikera något om att med en så marginell påverkan kan koldioxiden knappast ha någon avgörande betydelse för de nu pågående klimatförändringarna (eller helt enkelt bara blinka menande, med samma betydelse).

Många felaktiga siffror cirkulerar i bloggosfärens klimatskeptiska ekokammare. Men vad är det sanna värdet? Det bästa svar jag kan ge är cirka 9-26%.

"Cirka 9-26%?!?" kanske klimatskeptikern nu utropar. "Nog för att vi börjat vänja oss vid de enorma osäkerhetsintervall som klimatvetenskapen levererar, men kan ni inte svara mer precist än så på en såpass grundläggande fråga inser man ju att det här med AGW bara är snack."

Svaret "cirka 9-26%" är emellertid ett uttryck inte för någon vetenskaplig osäkerhet (eller rättare sagt, ordet "cirka" indikerar faktiskt osäkerhet, medan själva intervallet inte gör det) utan för en fundamental svårighet i att ange en enskild procentsiffra, som inga förbättrade mätmetoder eller modeller i världen kan råda bot på.

Ett sätt att bestämma koldioxidens procentandel av den totala växthuseffekten (räknad i W/m², Watt per kvadratmeter) är att räkna på en tänkt situation där alla växthusgaser utom koldioxid plötsligt avlägsnas ur atmosfären, för att se hur mycket växthuseffekt som då återstår. Det visar sig bli 26% av den ursprungliga växthuseffekten. Detta beräkningsresultat redovisas, liksom de följande siffrorna, i en tabell i den läsvärda RealClimate-bloggposten Water vapor: feedback or forcing?, och samtliga siffror bör uppfattas som approximativa. Motsvarande siffra för vatten (i betydelsen vattenånga plus moln) är 85%. Eftersom 26%+85%=111% har vi problem: totalen överskrider 100% redan innan vi räknat med ozon, metan med flera växthusgaser.

Detta kan synas paradoxalt, men beror på att växthusgaser i allmänhet har absorbtionsspektra (dvs de frekvenser där de tar upp strålning) som delvis överlappar. Exempelvis får koldioxid en lägre växthuseffekt i närvaro av vattenånga eftersom vattenångan redan har absorberat en del av den värmestrålning som koldioxiden annars hade kunnat ta upp (och vice versa).¹ På matematikerspråk heter det att de olika gasernas växthuseffekter inte är additiva.

Ett annat sätt att räkna för att få en uppfattning om koldioxidens procentandel är att istället betrakta den tänkta situation där det är koldioxiden som plötsligt avlägsnas ur atmosfären, medan övriga växthusgaser får vara kvar. Då visar det sig att växthuseffekten sjunker till 91% av den nuvarande, varför koldioxiden kan antas stå för 100%-91%=9% av totalen. Motsvarande siffra för vatten är 66%. Om vi till koldioxidens 9% och vattnets 66% adderar motsvarande siffror för ozon, metan, etc får vi en total växthuseffekt som hamnar klart under 100%.

Vi har här alltså två olika sätt att få fram en siffra på den procentandel av växthuseffekten som en enskild växthusgas står för. Inget av sätten summerar sig på önskat vis till 100%, utan det ena hamnar över och det andra under. Inget av dem kan heller anses vara det objektivt riktiga, eller ens entydigt att föredra framför det andra. Därför brukar man ofta uppge båda siffrorna, inte sällan som jag gjort ovan i form av ett intervall (vilket dock som framgått har nackdelen att det lätt kan missförstås som ett osäkerhetsintervall).

2. Hur stor andel av den globala uppvärmning vi sett sedan industrialismens barndom är en följd av ökad koldioxidhalt?

Även besvarandet av denna fråga kan i princip leda till samma problem med icke-additivitet som ovan. I praktiken är detta dock inte så allvarligt, till följd av att de förändringar i klimatdrivande faktorer vi sett sedan förindustriell tid är tillräckligt små för att additivitet skall vara en hygglig approximation. Jag vill här istället peka på en annan vanlig källa till förvirring.

Jag ber läsaren tänka sig följande (fiktiva, men inte helt orimliga) meningsutbyte mellan vetenskapsjournalisten Ville och klimatforskaren Kalle.

V: Anser du att den globala uppvärmning vi nu upplever enbart beror på atmosfärens ökade koldioxidhalt?
K: Nej, absolut inte. Det finns en rad andra faktorer av betydelse.
V: Men hurpass stor del, i procent räknat, av den totala uppvärmningen skulle du uppskatta att koldioxidökningen står för?
K: Det är svårt att säga exakt, men om du ändå pressar mig på en siffra säger jag 100%.

Men nu är väl ändå Kalle ute och cyklar, kan man tycka. Man kan väl inte samtidigt hävda att den nu pågående globala uppvärmningen till 100% beror på koldioxidökningen, och att det finns andra faktorer som också påverkar förloppet?

Jo, det kan man faktiskt. En titt på nedanstående diagram, som visar IPCC:s uppskattningar av hur olika faktorers uppvärmningseffekt (åter räknat i W/m²) förändrats sedan industrialismens barndom. Här finns både koldioxid och andra växthusgaser, här finns albedoförändringar, aerosoler och infallande solstrålning.² De tjocka staplarna avser bästa skattning, medan de I-liknande strecken respresenterar osäkerhetsintervall. Som synes påverkar vissa faktorer i värmande riktning, medan andra - speciellt aerosoler - påverkar i kylande riktning.


Den totala uppvärmande effekten fås genom att summera de två nedersta staplarna (solstrålning plus total antropogen effekt). En enskild faktors andel fås genom att dividera dess bidrag med totalen, vilket i fallet med aerosoler ser ut att ge negativa procentsiffror. I och med att de blir negativa så blir den totala effekten av övriga faktorer mer än 100% - ty de olika procentandelarna måste³ summera sig till 100% - vilket öppnar för möjligheten att någon enskild faktor står för mer än 100%.

Hur blir det då med koldioxiden? Enligt de centrala skattningarna (de breda staplarna) hamnar koldioxiden strax under 100% av den totala effekten, men om vi tar hänsyn till osäkerhetsintervallen ser vi att koldioxidens andel kan hamna så lågt som 75%, eller så högt som 120%, 150% eller rentav uppåt 200%.

Sensmoralen här är att en vanligt förekommande föreställning är felaktig, nämligen den om att en enskild klimatpåverkande faktor står för en andel av uppvärmningen som måste ligga mellan 0% och 100%. En härmed förknippad föreställning är att det skulle vara en extrem uppfattning att anse att koldioxiden står för 99% eller mer av uppvärmningen. Men extrem är den inte alls - till skillnad mot om någon skulle hävda att koldioxid är den enda klimatdrivande faktorn av betydelse, vilket ju är ett helt annat påstående.

Fotnoter

1) Det är i princip samma fenomen som ligger bakom att koldioxidens uppvärmande effekt inte ökar proportionellt mot dess koncentration, utan långsammare (approximativt logaritmiskt vid de koncentrationer vi nu har att göra med). För växthusgaser med betydligt lägre koncentration, som exempelvis metan, är denna effekt försumbar, och växthuseffekten blir approximativt proportionell mot koncentrationen.

2) Någon kanske undrar varför vulkanutbrott inte finns med i diagrammet. Svaret är att stora vulkanutbrott som Pinatubo 1991 visserligen kan ge tydligt avtryck i klimatet under något år eller två, men att det så snabbt går tillbaka att effekten i detta sammanhang blir försumbar. Se vårt blogginlägg i samband med Eyjafjallajökull-utbrottet häromsistens.

3) Under antagandet om additivitet.

"TT-gate" - fel om vattenångan i media

I ett meddelande från TT, Tidningarnas Telegrambyrå, som bl a har publicerats i DN och AB, talas om två nyligen publicerade vetenskapliga artiklar som sägs visa att klimathotet kan vara överdrivet. En av dessa artiklar är Contributions of Stratospheric Water Vapor to Decadal Changes in the Rate of Global Warming av Susan Solomon, Karen Rosenlof, Robert Portmann, John Daniel, Sean Davis, Todd Sanford och Gian-Kasper Plattner. Så här beskrivs artikeln av TT:

Även den andra studien, nyligen publicerad i Science, ger visst fog för optimism. Den rör ett av de största problemen inom klimatforskningen — vattenavdunstningen på jorden.

Vattenånga är en mycket kraftfull växthusgas med extremt stor förmåga att binda värme i atmosfären.

Problemet är att ingen riktigt vet hur avdunstningen ska beräknas i klimatmodellerna. Många tror dock att en varmare värld kommer att ge ökad nederbörd vilket i sin tur kommer att medföra mer vattenånga, som höjer temperaturerna ännu mer.

Nu visar forskarna bakom studien att mängden vattenånga i atmosfären märkligt nog minskade med cirka tio procent mellan 2000 och 2009. Detta trots att årtiondet var det varmaste i modern tid.

Å andra sidan har temperaturerna på jorden legat stilla sedan 1998, efter att ha ökat stadigt i två decennier. Forskarna tror nu att orsaken är den minskade mängden vattenånga.

Nu är problemet att artikeln handlar om vattenånga i stratosfären, vilket tydligt framgår av dess titel. Det rör sig med andra ord om vattenånga högt upp, och inte i hela atmosfären.¹ En minskning på 10% av vattenångan i hela atmosfären (då främst troposfären) vore ju väldigt dramatisk och skulle ha en betydande inverkan på nederbörd och temperatur. Det skulle också innebära att forskarna finge grundligt revidera sina teorier om hur vattenångan fungerar som återkoppling, och detta skulle ha stora effekter på klimatprojektionerna. Men nu var det ju stratosfären det handlar om. Dessutom finns det tecken på att vattenångan där ökat de två föregående årtiondena. Dessa förändringar i den stratosfäriska vattenångan har en viss påverkan på temperaturen, men det verkar röra sig om några hundradelars eller kanske högst en tiondels grad. Vi kommer kanske att ta upp mer om detta i ett framtida inlägg.

Vi skulle nu kunna påstå att media går i "klimatskeptikernas" ledband, att artikeln är en avsiktlig bluff, att TTs chef måste avgå och att detta bevisar att vattenångan ger en förfärligt stark återkoppling. Och naturligtvis skulle vi kalla hela affären för "TT-gate". Men UI är en seriös blogg, och vi nöjer oss med att förmoda att det var ett misstag från den ansvarige journalistens sida, pga tidsbrist, dåliga kunskaper eller dylikt. Tyvärr kommer nog missuppfattningen om den 10%-iga minskningen av vattenångan i hela atmosfären att leva vidare bland bloggar och på andra internet-sidor.

Uppdatering: Den som vill läsa mer om Solomon et als studie kan göra det på Skeptical Science.

1) Mer än 90% av vattenångan finns i atmosfärens lägsta 2 km. Mindre än 5-6% är ovanför 5 km höjd och mindre än 1% i stratosfären. En minskning med 10% i stratosfärens vattenånga är alltså en minskning med mindre än 0,1% av atmosfärens totala mängd vattenånga. Dock har förändringar i mängden vattenånga på hög höjd en starkare effekt på växthuseffekten än förändringar på låg höjd vilket måste tas hänsyn till när man ska beräkna fluktuationernas effekt på jordens temperatur.

.

Vari börjar det som vi inte är överens om?

För att kunna sätta mig in i var i klimatdebatten det uppstår fnurror,

och för att man eventuellt, utopiskt, skulle kunna börja från punkterna man är överens om - ett trasslig uppgift, men ett försök kan man i alla fall kosta på sig - och utreda vidare därifrån, så tänkte jag gå tillbaka till pionjärerna inom uppvärmningsteorier, nämligen Joseph Fourier, Svante Arrhenius, John Tyndall, etc.... Ni klimatskeptiker verkar, så vitt jag läst i artiklar och bloggar, inte ha något speciellt emot dessa herrar, rent av hyser ni nog respekt för dem, jämfört med känslorna gentemot nutida forskare; beror detta på att ni accepterar de förras huvudteser?

Här kommer punkterna jag undrar kring (vissa av dem väldigt elementära, jag är inte ute efter att förolämpa någon läsares intellekt, eller att skämta, utan är genuint förvirrad kring vilka detaljer vi faktiskt är överens om):


1. Det finns en del gaser i atmosfären som ger växthuseffekt, dvs som hindrar värmeenergin från solens strålar att omedelbart lämna jorden. Vattenångan är den starkaste. Den har allra starkast värmestrålnings-absorptionsförmåga. Andra växthusgaser är koldioxid, kväveoxid, metan, etc...Utav dessa har koldioxiden högst koncentration i atmosfären.

2. Med ökad temperatur, ökar vattenångans mättnadstryck

3. Det finns positiva återkopplingar i atmosfären och på jordytan. En uppvärmning orsakad av en stor koldioxid-halt-ökning höjer temperaturen och höjer vattenångans mättnadstryck, vilket gör att luften kan fyllas med mer vattenånga, vilket gör att ännu mer infraröd strålning kan absorberas. En temperaturhöjning frigör mer koldioxid till luften.

4. Det sker hela tiden en värmeutjämning i atmosfären.
De övre/översta lagren är kallare och avger inte värme (utåt mot rymden) lika snabbt som de varmare nedre lagren har kapacitet att göra.


Jag skulle uppskatta ifall varje kommentator ville beröra alla fyra punkterna, om så bara med ett litet 'ja', på dem ni är överens om. Och helst en motivering på dem ni protesterar mot. I annat fall antar jag att den/de punkter en kommentator inte nämner invändningar mot, är försanthållna av vederbörande.


mvh
/Cecilia


Dagen: Hopp trots klimatkris

Stockholmsinitiativet ger sitt bästa?

Stockholmsinitiativet får av någon anledning husera fritt med felaktigheter på SvD Brännpunkt. Nu senast hävdar man att det finns 100-tals artiklar som visar att IPCC har fel, var de finns vet inte jag och jag hoppas att det inte är denna lista man åsyftar. Stockholmsinitiativet har valt att lyfta fram tre artiklar som man hävdar pekar ut felen i växthusteorin, man hävdar att det är:

”…tre mycket graverande forskningsresultat som går tvärs emot IPCC:s modeller”

Låt oss ta en snabbtitt på dessa artiklar.

1. A comparison of tropical temperature trends with model predictions.

Denna artikel är redan bemött och visats felaktig i den vetenskapliga litteraturen:

Consistency of modelled and observed temperature trends in the tropical troposphere

Som har en mer populärvetenskaplig följd som går att läsa här.

2. Trends in middle- and upper-level tropospheric humidity from NCEP reanalysis data

Låt oss börja med att citera artikelförfattarna själva:

”It is accepted that radiosonde-derived humidity data must be treated with great caution”

Man har alltså gjort en analys på data som måste hanteras

med stor försiktighet. Det är inte bara denna författare som

gjort den slutsatsen, Soden et al skriver till exempel följande och ger referenser:

”Although an international network of weather balloons has carried water vapor sensors for more than half a century, changes in instrumentation and poor calibration make such sensors unsuitable for detecting trends in upper tropospheric water vapor (27). Similarly, global reanalysis products also suffer from spurious variability and trends related to changes in data quality and data coverage (24)”

Kan man då inte göra bättre och säkrare analyser? Jodå. Till exempel använder sig följande två författare av satelitdata som inte har samma problem och dessa artiklar visar att vattenånga har en positiv återkoppling.

Water-vapor climate feedback inferred from climate fluctuations, 2003–2008

The Radiative Signature of Upper Tropospheric Moistening

Se även Board on Atmospheric Sciences and Climate Understandings climate change feedbacks och A Matter of Humidity eller lyssna på podcast med forskarna.

Låt oss gå vidare till nr 3: On the determination of climate feedbacks from ERBE data

Artikeln är så nyligt publicerad att inget svar hunnit dyka upp i någon vetenskaplig journal, men var lugn, det kommer. Det tog inte lång tid innan klimatforskaren James Annan visade på några problem i sin blogg, och som om detta inte var nog har en av pseudoskeptikernas egna favoriter trashat artikeln här.

Att Stockholmsinitiativet inte går att lita på vet vi sedan tidigare. Det är hög tid att agera i klimatfrågan.

Ingen Venus att vänta

Finns det risk att Jorden blir en växthusöken som Venus? Svaret är nej. Låt oss se på varför.

Vatten liksom de allra flesta ämnen kan vara antingen gas (ånga), vätska eller fast (is). Vid höga tryck och låga temperaturer är vatten fast, vid hög tempratur och eller lågt tryck är vatten gas och i ett mellanområde vätska. Detta kan beskrivas i ett fasdiagram för vatten. Se nedan.

Om vi gör ett tankeexperiment och startar med en planet som har en helt torr atmosfär och tillför vattenånga tex. genom avdunstning från hav. Mängden vattenånga kommer att öka och därmed vattenångans partialtryck. Samtidigt ger vattenångan i atmosfären upphov till en växthuseffekt som ökar temperaturen vilket bidrar till mer vattenånga i atmosfären. Vi får en positiv återkoppling. Var detta slutar beror på planetens ursprungstemperatur.

För Mars som ligger på ca 1,5 ggr jordens avstånd från solen är "torrtemperaturen" långt under noll grader. (Medeltemperaturen på Mars är idag -46 grader). Vattenångan kommer snart att uppnå ett partialtryck som leder till mättnad och iskristallbildning. Se röda kurvan i diagrammet nedan.

Jorden är närmare Solen och där med har den en varmare torrtemperatur. Vattenångan kan här uppnå betydligt högre partialtryck och där med kraftigare växthuseffekt innan den når mättnad och faller ut som regn. Se blå kurvan i diagrammet nedan. Vår förbränning av fossila bränslen med tillhörande koldioxidutsläpp kan beskrivas som en förskjutning av den blå kurvan mot högre temperatur.

Venus närhet till Solen gör att vattenångan aldrig uppnår mättnad utan allt tillgängligt vatten kan avdunsta med extrem växthuseffekt som följd. Se gula kurvan nedan.

Lyckligtvis är marginalen till Venussituationen för Jorden stor enligt alla bedömare även om vi bränner allt fossilt bränsle vi kan finna. Vi har heller inte 100 % relativ luftfuktighet överallt på Jorden, vilket är skönt!, då luften strömmar i de stora Hadley cellerna och av andra vindar omfördelas över planeten vilket begränsar den verkliga växthuseffekten från den maximala. (Om tropikerna nära ekvatorn inte kunde utbyta luft med resten av planeten skulle de nå en temperatur som leder till Venussituationen ovan.)

Fasdiagram för vatten med ungefärliga kruvor för vattenångans växthuseffekt inritade. Tryckskalan är logaritmisk. (Ursprungsbild Wikipedia)

Men Venus atmosfär är ju helt torr? Man antar att Venus ursprungligen mottagit ungefär samma mängd vatten som Jorden. Detta vatten har dock avdunstat enligt ovan. När detta skett har atmosfären hettats upp och vattenånga har nåt upp i de övre delarna av atmosfären. Vattenångan har där sönderdelats av UV-strålning och vätet som är lätt, och därmed har hög termisk hastighet, har läckt ut i rymden. (På Jorden är stratosfären nästan helt torr på grund av spärren av låg temperatur kring tropospausen). Utan hav att lösa koldioxiden i, utan kolbindande organismer och med obefintlig plattektonisk aktivitet fanns det ingen koldioxidsänka.

Medans Jordens ursprungliga koldioxidrika atmosfär förlorade huvuddelen av koldioxiden genom biologisk aktivitet och exogena processer, stannade koldioxiden kvar i Venus atmosfär. Samtidigt ökade Solens luminositet långsamt. Därmed var Venus öde beseglat och eventuellt liv som uppstått på dess yta var dömt dö ut. Resultatet av denna växthuseffektsspiral mot högre temperaturer, orsakad av vattenånga och koldioxid, ser vi idag en av solsystemts mest livsfientliga planeter vars temperatur på ytan är tillräcklig för att smälta bly! Detta trots att Venus albedo är nära tre gånger Jordens och därmed den mottagna energin från Solen faktiskt mindre.

Läs mer tex. i "Global Warming - Understanding the Forecast"

Venusbild från Wikipedia

Uppdatering 9/2-11: Korrigerat föråldrad albedoangivelse för Venus.

Vågar du åka bil? Om positiva återkopplingar

Uppdaterat efter påpekande av Bengt A 13/7

Många moderna bilar har turbo. Ett turboaggregat använder avgaserna från motorn för at komprimera inkommande luft. Detta ger högre effekt som ger större kompression av den inkommande luften. Ett exempel på positiv återkoppling. Även om det uppstår en viss "ketchupeffekt" i motorstyrkan är det inte så att bilar skenar vilt på våra vägar då den positiva spiralen begränsas av andra delar av systemet.


Positiva återkopplingar i ett system kan resultera i instabilitet men att det inte är en nödvändighet illustrerar turbon.

Vad menas med positiv och negativ återkoppling i klimatforskning?
En positiv återkoppling förstärker en förändring på grund av yttre faktorer (som tex. människans koldioxidutsläpp eller vulkanutbrott). Alltså den förstärker både en ökning och en minskning. Förändringar av mängden vattenånga med temperaturen är den kraftigaste positiva återkopplingen för jordens medeltemperatur.
En negativ återkoppling minskar en förändring och är alltså dämpande. Strålningen från Jorden till rymden beror på temperaturen upphöjt till fyra vilket brukar räknas som en negativ återkoppling.

Låt oss se på ett förenklat teoretiskt exempel av positiv återkopplingsloop.
Antag att vi har en återkoppling som förstärker en förändring med hälften. Vi gör förändringen 1, förstärkningen bidrar med ytterligare 1/2, denna halva ger en ytterligare förstärkning med 1/4 osv. i en loop av förstärkningar:

S = 1 + 1/2 + 1/4 +1/8 + 1/16 + ...

Detta är summan av en oändlig geometrisk serie. Summan av serien (S) blir i detta fall exakt 2. Alltså den positiva återkopplingen har fördubblat den ursprungliga förändringen. Detta värde kommer att nås asymptotiskt och vara stabilt. Ju större förstärkningen är i förhållande till förändringen desto större kommer slutvärdet att vara och detta slutvärde kommer att nås asymptotiskt och systemet vara stabilt. Detta gäller så länge förhållandet mellan förstärkningen och förändringen är mindre än 1. För större förstärkningar går summan snabbt mot oändligheten i förstärkningsloopen.

Positiv återkoppling även i återkopplingsloopar är alltså inget som per automatik hindrar ett stabilt system. Det handlar om styrkan på återkopplingarna och deras samspel med systemet i övrigt.

Återkopplingarna, så väl de positiva som negativa, i klimatsystemet måste analyseras i detalj för att bedöma funktionen, styrkan och övriga egenskaper - just som klimatologerna och modelerarna gör - de kan inte bedömas utifrån svepande påståenden. Jag har svårt att tro på ärligheten hos P-O Eriksson och andra klimatskeptiker av hans sort när de hänvisar till sina allmänna fysik- och ingenjörskunskaper för att hävda orimligheten i klimatologernas slutsatser kring positiva återkopplingar även om jag då bryter mot regeln att inte hänföra till illvilja det som kan hänföras till inkompetens.

Lackmustest för alternativa hypoteser

Det florerar en uppsjö av olika mer eller, oftast, mindre utarbetade alternativ till den beskrivning av den globala uppvärmningen som IPCC och den överväldigande majoriteten av världens klimatforskare utgår ifrån. För att underlätta i debatten lägger jag här fram Uppsalainitiativets lackmustest för alternativa hypoteser.

Klimatvetenskapens beskrivning av global uppvärmning och dess koppling till koldioxidutsläppen utgår från följande grundläggande resonemang:

• Hur växthusgaserna fungerar i atmosfären är välkänt. Vår förståelse av sambanden baseras på grundläggande fysik och är okontroversiell sedan minst 60 år. Vattenånga och koldioxid är de absolut viktigaste växthusgaserna i atmosfären.
• Mängden koldioxid i atmosfären är känd och den ökar på grund av människans utsläpp. Sambandet mellan mängden fossila bränslen vi förbränner och mängden koldioxid i atmosfären är väl etablerat. Mätningar sker kontinuerligt världen över och utsläppen följs på ett flertal olika sätt.
• Det råder jämvikt för mängden vattenånga i atmosfären ovanför Jordytan på grund av haven som täcker 70% av Jordens yta. Grundläggande fysik, känd sedan mitten av 1800-talet, beskriver balansen mellan vatten i haven och i atmosfären.
• Ju högre temperatur, desto mer vattenånga i atmosfären.
• Koldioxidens uppvärmning förstärks av ökande mängd vattenånga.
• Minskande isar ökar absorptionen av solstrålning.
• Detta ger en global uppvärmning på i storleksordningen 3 grader¹ vid en fördubbling av koldioxidnivån.

Till detta kommer påverkan av aerosoler, vulkanism, solintensitetens variation med mera och övriga återkopplingar i klimatsystemet.

De allra flesta alternativa förslag handlar om att mänsklig användning av fossila bränslen med tillhörande koldioxidutsläpp har ingen eller liten påverkan på klimatet. Utifrån detta kan följande klassificering göras:

Rimliga
Hypoteser som med vetenskapliga argument argumenterar för specifika underskattade eller hittills okända negativa (dämpande) återkopplingar eller påverkningar som minskar uppvärmningen i framtiden.
Dessa hypoteser bör tas på allvar och görs så av klimatforskarna. Om hypotesen är korrekt eller inte avgörs av hållbarheten i dess resonemang och resultatet av undersökningar. Ett sådant alternativ är Irishypotesen.

Möjliga
Hypoteser som framför specifik argumenterad kritik mot de grundläggande sambanden ovan och söker visa att dessa är felaktiga.
För att vara värd att undersöka närmare krävs att hypotesen är mycket väl underbyggd med vetenskaplig argumentation. En sådan hypotes måste tackla väl belagda fysikaliska samband och om den är riktig skulle det bli konsekvenser långt utanför klimatfrågan för vår förståelse av världen.

Meningslösa
Alla hypoteser som avfärdar eller ignorerar det grundläggande sambanden ovan. Detta inkluderar alla korrelationshypoteser mellan 1900-talets temperatur och olika fenomen som PDO och Solcykler. Varje hypotes som resulterar i att växthuseffekten av våra koldioxidutsläpp är mycket mindre än den allmänt accepterade måste också söka förklara orsaken till detta.

1) Notera att rapporten är från 1979. De grundläggande slutsatserna kring temperaturökningen har alltså stått sig sedan slutet av 70-talet.

En jubileumsdag

18 maj
John Tyndall experimenterade med sin egenutvecklade apparat för att mäta värmeabsorption hos gaser. Han fann att luft absorberade värme. Vidare experimenterande gav de mest uppseendeväckande resultat. Luftens vanligaste gaser, syre och kväve, visade sig nästan helt genomskinliga för värme medan mer komplexa molekyler absorberade betydligt mer. Kolgas, en blandning av kolmonoxid, metan och andra kolväten visade sig absorbera strålningsvärme nästan lika bra som trä. Vidare experiment visade att koldioxid och vattenånga var speciellt bra på att absorbera strålningsvärme och att dessa gaser stod för största delen av atmosfärens värmeabsorption.

Året var 1859, samma år som Charles Darwin publicerade "Om arternas uppkomst" och revolutionerade biologin och vår förståelse för världen. En knapp månad senare presenterade Tyndall sina experiment och resultat vid Royal Institution:

"To the eye, the gas within the tube might be as invisible as the air itself, while to the radiant heat it behaved like a cloud which it was almost impossible to penetrate. Thus, the bold and beautiful speculation has been made an experimental fact. The radiant heat of the sun does certainly pass through the atmosphere to the Earth with greater facility than the radiant heat of the Earth can escape into space."

Så för 150 år sedan idag lades alltså den experimentella grunden för förståelsen av växthuseffekten och de väsentliga slutsatserna drogs. Under 1900-talets första hälft kunde atomfysiker förklara fysiken bakom fenomenet och atmosfärsfysiker följa effekten i atmosfären.

Läs mer om Tyndall och hans experiment här
En bra introduktion till växthuseffektens fysik: Markku Rummukainens "Växthuseffekten"
Historien bakom upptäckten av global uppvärmning: Spenser Wearts "The Discovery of Global Warming"