Atmosfärens vertikala temperaturprofil

Fysik är inte så lätt alla gånger. Ett av de missförstånd som sprids gäller orsaken till temperaturavtagandet (lapse rate på engelska), det vill säga hur mycket temperaturen sjunker när ett luftpaket flyttar sig uppåt i atmosfären, eller motsatt hur mycket den stiger när luftpaketet förflyttas nedåt. Vi börjar med ett torrt, tillräckligt varmt luftpaket (en volym luft som kan sägas vara sammanhållen) som har en lägre densitet än luften ovanför. Det kommer då stiga (konvektion) i atmosfären och då trycket minskar kommer luftpaketet att utvidga sig och uppta en större volym. Detta kräver ett mekaniskt arbete för att flytta undan annan luft och energin minskar därmed i luftmassan vilket gör att temperaturen i luftpaketet sjunker. Om vi gör det rimliga antagandet att värmeledningen mellan paketet och omgivningen i en sådan process är försumbar kallas detta för en adiabatisk process. Om termodynamiska beräkningar genomförs visar det sig att luftmassan kommer kylas med 9,8 grader per tusen meters stigning. Detta kallas för torradiabatiskt temperaturavtagande. I verkligheten är dock temperaturavtagandet ofta lägre, huvusakligen beroende på vattenånga som kan genomgå fasförändringar varpå värme frigörs som minskar avkylningen. I atmosfärens nedersta lager, troposfären, liknar temperaturändringar med höjden de som förutsägs av adiabatiska temperaturavtaganden.

Figur från NOAA.

Missförståndet, vilket inte sällan framförs på ett arrogant sätt av personer som borde veta bättre, är att temperaturavtagandet skulle vara oberoende av att solen värmer upp jordytan. De menar att temperaturavtagandet enbart är en effekt av gravitationen.

Det finns många sätt att visa varför detta är fel. Ett lätt sätt är att kolla figuren här till höger. Varför blir det först kallare när vi stiger upp genom troposfären för att sedan bli varmare igen i stratosfären? Jo, naturligtvis för att troposfären huvudsakligen värms nerifrån, alltså från markytan, medan stratosfären huvudsakligen värms uppifrån genom gasmolekylers absorption av ultraviolett strålning från solen.¹

Ett annat sätt att förstå felet är att konsultera termodynamikens andra huvudsats. Temperaturskillnader kan inte uppstå eller upprätthållas av sig själva utan I jordens fall tar vi emot strålning (ultraviolett och synlig) med relativt hög energi från solen och skickar ut lågenergetisk (infraröd) strålning ut i rymden. I en sådan situation kan temperaturskillnader uppstå utan att termodynamikens andra huvudsats säger ifrån. Om vi däremot inte har någon inkommande strålning från en varmare kropp kan inte några temperaturskillnader uppstå. Om det gjorde det skulle vi kunna tillverka evighetsmaskiner.

I diskussionen hänvisas till härledningar i en lärobok. Så var går det fel? Djävulen bor förstås i de antaganden som görs i härledningen. Härledningen av det adiabatiska temperaturavtagandet bygger på att vi har ett stigande luftpaket och för att få stigande luftpaket måste vi ha uppvärmning av ytan. Det är väl dokumenterat att när ytan slutar värmas kommer temperaturavtagandet minska. Det är det som händer en kall och klar vinternatt. Då marken kyls av (genom att sända ut infraröd strålning) uppstår så småningom fenomenet att marken och de lägre luftlagren är kallare än luften högre upp. Detta kallas inversion, det vill säga ett tillstånd där temperaturen ökar med stigande höjd alltså tvärtom för vad som vanligtvis är fallet. I detta tillstånd (eller om temperaturavtagandet inte är tillräckligt högt) uppstår ingen konvektion.

Så om vi tar bort uppvärmningen av jordytan kommer vi inte få någon konvektion som upprätthåller temperaturavtagandet. Rörelser kommer oundvikligen saktas ner av friktion för att slutligen helt avstanna. I stället kommer värmeledning genom atmosfären och strålning jämna ut temperaturskillnaderna.

1 Temperaturminskningen i mesosfären beror på att den är för tunn för att värmas som stratosfären av absorption och de koldioxidmolekyler som finns där bidrar till att kyla genom att stråla ut värmestrålning till rymden. Värmeökningen i termosfären kommer från absorption av högenergisk strålning från solen hos syremolekyler.