Diskusjonsforum > CO2 og menneskeskapte påvirkninger

Om å gjøre jordoverflaten varmere ved atmosfærisk 'tilbakestråling'

(1/9) > >>

Okular:
Jeg velger å legge denne rekka med vgd-innlegg ut her som en litt mer oversiktlig og sammenhengende referanse for min egen del, men også for andre som måtte være interessert. Diskusjonen har foregått over tre tråder i det siste, den siste så jeg meg nødt til å starte selv.

I og med at dette ikke er skrevet i sammenheng, men er utdrag fra en løpende og ofte hastig vekslende diskusjon (med motsvar innimellom som jeg stort sett ikke har tatt med, kun et par unntak), så vil man kanskje oppleve en del poenger gjentatt vel mange ganger og temahoppene litt tilfeldige.

Men jeg synes de gjentatte poengene er verdt gjentakelsen, for de er viktige å få hamret inn, både blant oss skeptikere og blant folk flest (alarmistene og nikkedukkene er nok langt på vei en tapt sak allerede).

Distinksjonen mellom VARME og ENERGI ligger ved kjernen til hele AGW-hysteriet, og benektelsen av denne distinksjonen sitter usedvanlig dypt hos tilhengerne av 'den radiative drivhuseffekten' og hypotesen om den menneskeskapte forsterkningen av den.

I deres hode, overføres energi, overføres varme, ferdig med det. Energi overført fra ett legeme til et annet, uansett hvilken temperatur de to har, vil føre til oppvarming. Uansett.

Det synes helt umulig å få dem til å innse at dette bryter fundamentalt med alt som heter termodynamikk (og kvantefysikk).

Vel, here goes ...

Okular:
Atmosfærens effekt på jordas overflatetemperatur fungerer faktisk som et drivhus.

Den via overflaten oppvarmede luften, altså det luftlaget som ligger aller nærmest overflaten og som følgelig er i direkte konduktiv/termisk kontakt med den, vil ikke i adekvat grad kunne unnslippe overflaten ved oppdrift (konveksjon) før nok energi/varme er akkumulert der (og følgelig en høy nok temperatur er oppnådd) til at atmosfærens tyngende masse kan overkommes av oppdriftstendensen. Jo tyngre atmosfære, jo høyere må dette temperaturnivået bli for å oppnå balanse mellom den innkommende solinnstrålingen og den konvektive avkjølingen av overflaten.

Slik kan en altså si at atmosfærens masse 'holder den oppvarmede luften ved overflaten innestengt'.

'Drivhuseffekten' er som en kan se faktisk et svært treffende navn på en atmosfæres påvirkning av en planets overflatetemperatur. Den er bare ikke begrensende på radiativ avkjøling. Den er begrensende på konduktiv/konvektiv avkjøling.

Akkurat som et ekte drivhus.

Et drivhus øker temperaturen ved å hindre fri konveksjon. Det samme gjør atmosfæren. Bare at et drivhus gjør det ved å blokkere den oppvarmede luftas unnslippelse ved hjelp av glassplater, atmosfæren gjør det ved sin pure masse tyngende på overflaten.

Allerede Fourier bommet jo i tolkningen sin av De Saussures 'drivhus'-eksperiment. Han tolket oppvarmingen som et resultat av ’fanget’ varmestråling, og skjønte ikke at det snarere var snakk om ’fanget’ luft (konveksjon).

Med 'konveksjon' inkluderer jeg selvsagt 'fordampning', som jo også er en mekanisme som søker å frakte akkumulert varme ved overflaten vekk og opp i luftlagene. Det er jo bare å tenke 'trykkoker-prinsippet' eller at vann koker ved lavere temperatur høyt til fjells enn ved havnivå. En tyngre atmosfære innebærer større trykk ved overflaten. Vannets gasstrykk må altså overgå det atmosfæriske trykket før det kan fordampe adekvat. Jo større atmosfærisk trykk, jo høyere må vannets temperatur bli før dets damptrykk overgår det atmosfæriske.


   - - -
Det kan jo påpekes her som en artig kuriositet, for å vise hvor stor effekt jordas atmosfære har på overflatetemperaturen vår jevnført med månens:

Månen har lavere albedo enn jorda (0,13 mot 0,3). Dessuten absorberer vår atmosfære ytterligere 31% av solinnstrålingen som kommer inn ved toppen av atmosfæren før den når overflaten.

Dette medfører at jordas globale overflate i snitt mottar en strålingsfluks fra sola på ~165 W/m2, mens månens overflate mottar ~300 W/m2. Like fullt er jordoverflatens globale snittemperatur 15 grader, mens månens tilsvarende er -75.

Så selv om månens overflate mottar og absorberer en global snittfluks fra sola som er cirka 80% større enn den jordas overflate mottar og absorberer, så er jordas overflate omtrent 90 grader varmere enn månens!

Litt av en atmosfæreeffekt, det!
   - - -


Et avgjørende poeng: Så snart vi plasserer et sort- eller grålegeme i et medium (som luft), så mister strålingen sin plass som viktigste overflateavkjøler (i vakuum er den den eneste). Da overtar konveksjonen i suveren stil.

Det vil si, så sant ikke legemet er svært varmt. Energifluksen ved stråling øker med T4 (eksponentielt, i fjerde potens), mens den kun øker lineært (T) ved konveksjon.

Ved temperatur +15C er konveksjonen sterkt rådende. Ved rødglødende kan man mer eller mindre se bort i fra det konvektive avkjølingsbidraget.

Okular:
De såkalte drivhusgasser er gode å ha for sin evne til å effektivt transmittere varmeenergi i form av stråling fra jordsystemet og ut til verdensrommet. Dette foregår helt fra overflaten og opp gjennom hele atmosfæren, i troposfæren nærmest eksklusivt ved H2O:



De har imidlertid selvsagt ingenting med oppvarmingen av jordas overflate å gjøre.

IR’en blir absorbert av de absorberende gassene og går inn i atmosfærens 'fond' (eller kontinuerlige, men dynamiske lager) av kinetisk energi. Den bidrar med andre ord til oppvarmingen av atmosfæren, men denne er selvsagt avhengig av at overflaten er varmet opp først (av sola), fordi det jo er herfra IR'en kommer fra i utgangspunktet.

Atmosfæren har en temperatur tett knyttet til overflatens, primært drevet av konveksjon. Den følger den slavisk, bare med større amplituder:



Alle legemer med en temperatur over 0 K utstråler IR i alle retninger. Men varmestrålingen fra et kaldere legeme (atmosfæren) kan aldri gjøre et varmere legeme (jordas overflate) enda varmere. Den kan i jordsystemets tilfelle heller ikke begrense jordoverflatens radiative avkjølingsrate til verdensrommet. En varmere troposfære (som funksjon av en varmere overflate) vil stråle ut mer IR både ned mot overflaten og ut mot verdensrommet. Atmosfærens radiative impedans på overflatens varmestråling er derfor i praksis lik null og i hvert fall ikke positiv.

Okular:
For det første, varmestrålingen reflekteres ikke fra atmosfæren og ned mot overflaten. Den absorberes og sendes ut (emitteres), også nedover, fra en atmosfære som er varm, primært varmet opp og holdt varm av overflaten selv, via konvektive prosesser, især overføring av latent varme:



Stråling som reflekteres av et legeme/en flate overfører ingen varme til legemet/flaten, og beholder derfor sin energi/intensitet/frekvens. Absorbert stråling, derimot, blir omgjort til varme (i en gass, økt kinetisk energi) og dette innebærer overføring av energi. Intensiteten/frekvensen til strålingen som så sendes ut igjen som resultat av den hevede temperaturen, vil følgelig være lavere enn hos den innkommende. Et 'tap' i overgangen. Dette gjelder solas kortbølger kontra jordoverflatens IR, og det gjelder jordoverflatens IR kontra atmosfærens IR.

Stort sett all IR fra overflaten som blir absorbert i atmosfæren blir til kinetisk energi; den rekker stort sett aldri å bli reemittert fra det absorberende molekylet før dette molekylet kolliderer med et annet gassmolekyl (stort sett N2 og O2) og slik overfører sin nyvunne kinetiske energi.

IR'en som stråler ned fra atmosfæren til overflaten er således bare i ytterst liten grad direkte reemittert fra 'drivhusgassene' (H2O, CO2 osv.) selv, men er rett og slett varmestråling som funksjon av atmosfærens kinetiske energinivå (temperatur). IR'en utstråles altså i all hovedsak av luftlagene som en enhetlig termisk masse.

Det er derfor man vil kunne se jordiske utstrålingssprektre som dette:



IR blir absorbert av CO2 i 15μm-båndet (667 cm-1), blir overført som kinetisk energi til resten av lufta (stort sett N2 og O2) og stråles ut som varmestråling ved andre frekvenser, til syvende og sist nesten alt gjennom det atmosfæriske vinduet:



Et slikt spektrum viser ikke hvor mye eller hvor lite av IR'en fra overflaten som unnslipper til verdensrommet, men i hvilke frekvensbånd den unnslipper og ikke unnslipper (transmissiviteten). Hvor mye IR som egentlig unnslipper jordsystemet til enhver tid måles ved TOA ('top of atmosphere') i form av OLR ('outgoing longwave radiation'). Denne vil stige naturlig som respons på økt jordisk temperatur. Ingen stråling 'holdes igjen'. Atmosfæren isolerer ikke jordas overflate radiativt, men konduktivt/konvektivt.

CO2 ’tvinger’ simpelthen IR'en til å stråles ut i andre deler av spekteret. Til syvende og sist vil dette si 'det atmosfæriske vinduet'.

Men atmosfæren ('drivhusgassene') begrenser ikke på noen måte unnslippelsen av varmestrålingen fra jordas overflate til verdensrommet. Den bremser ikke overflatens avkjølingsrate ved 'tilbakestråling'. Og den varmer den i hvert fall ikke opp direkte.

Okular:

--- Sitat ---Men atmosfæren ('drivhusgassene') begrenser ikke på noen måte unnslippelsen av varmestrålingen fra jordas overflate til verdensrommet. Den bremser ikke overflatens avkjølingsrate ved 'tilbakestråling'. Og den varmer den i hvert fall ikke opp direkte.
--- Slutt sitat ---

”Men hvordan kan de ikke gjøre det, når de absorberer strålinga, overfører (størstedelen av) den til andre omkringliggende molekyler som så emitterer deler av den tilbake til jordoverflaten? Dette er jo stråling som hadde vært på vei ut til verdensrommet hadde det ikke vært for klimagassene!”

Jeg skjønner at dette kan virke ulogisk og kontraintuitivt, men det enkle svaret er faktisk at de (altså 'drivhusgassene') også emitterer oppover.
La meg forklare. (Dersom mesteparten her virker forvirrende eller uoversiktlig, les i det minste delen til sist (under * * *).)

Sett at vi hadde to jordkloder. De var helt like på alle måter, kun med det unntaket at den ene ikke hadde noen absorptive/emissive gasser i atmosfæren der den andre hadde det.

Vi ser på frigivelsen av energi fra overflaten av disse to jordklodene til verdensrommet, altså gjennom atmosfæren. Vi setter konvektive prosesser til side for øyeblikket og konsentrerer oss om de radiative.

På jorda uten absorptive/emissive gasser i atmosfæren vil varmen absorbert ved overflaten stråles som IR direkte ut til verdensrommet, ingen atmosfærisk innblanding eller avskjæring.

På jorda med slike gasser i atmosfæren (vår jord) vil deler av varmestrålingen fra overflaten absorberes i atmosfæren, den blir altså avskjært på sin vei opp i luftlagene og ut mot verdensrommet. Dette innebærer altså at noe varme overføres fra overflaten til atmosfæren. Dette skjer ikke på den andre jorda.

Vi kan nå følge varmestrømmen fra overflate til verdensrom på de to jordklodene.

For jorda uten absorptive/emissive gasser (Jord 1) har vi:

Q = 1

Q: overflatens varmetap/avkjølingsrate (overflate->verdensrom)

For jorda med (Jord 2) har vi:

Q = Q' + Q'' = 1

Q: overflatens varmetap/avkjølingsrate (overflate->)
Q': varmeoverføringstakt overflate->atmosfære
Q'': varmeoverføringstakt atmosfære->verdensrom

Q = 0,5Q + 0,5Q = 1

Hva ser vi? Q er den samme for de to jordklodene, overflaten avkjøles altså like raskt på begge, men det endelige varmetapet til verdensrommet (Q'') for Jord 2 er bare halvparten av det tilsvarende for Jord 1 (Q). Dette skyldes at den resterende halvparten går til å varme opp atmosfæren hos Jord 2. Dette skjer ikke hos Jord 1.

Den absorptive/emissive atmosfæren på Jord 2 kan altså ikke bremse overflatens avkjølingstakt. Det den gjør er å halvere det radiative varmetapet for jordsystemet som helhet til verdensrommet.

Men her kommer selvfølgelig de konvektive prosessene inn. På Jord 1 kan ikke konveksjonen overføre varme fra jordoverflaten til verdensrommet. Den er der, den er i full operasjon, men dens nettooverføring er lik 0. På Jord 2, derimot, fører konvektive prosesser kontinuerlig varme fra overflaten til toppen av atmosfæren. Herfra stråles så varmen ut til verdensrommet. Konveksjonen frakter med andre ord den varmen som strålingen ikke får/tar med seg i andre former gjennom hele atmosfæren og opp til toppen av den. Slik vokser Q'' til 1 allikevel og balansen mellom innkommende og utgående opprettholdes.

Mulig alt dette var mer forvirrende enn oppklarende. The take-home message er imidlertid dette:

Q = Q' + Q''. Reduserer vi Q', øker vi samtidig Q''.

Hvorfor? Hvordan?

Q' er netto energiutveksling ved varmestråling (IR) mellom overflate og atmosfære, altså varmeoverføringen. Ifølge Stephens et al. 2012 er denne på cirka 398 – 345 = 53 W/m2 (egentlig enda en del mindre, fordi en god del av dette alltid vil gå uhindret fra overflaten ut i verdensrommet gjennom det atmosfæriske vinduet).

Dersom vi øker innholdet av 'drivhusgasser' som CO2 i atmosfæren, vil mer av IR'en fra overflaten kunne absorberes. En atmosfære som absorberer IR emitterer også IR - mer absorbert, mer emittert. Så da vil tallet 345 i likningen over isolert sett kunne øke (mer IR ned fra atmosfæren), slik at nettoverdien, altså Q' (53) blir mindre.

Men en atmosfære som emitterer mer IR ned, emitterer også mer IR opp. Følgelig kommer vi tilbake til det første jeg sa i dette innlegget: "(...) det enkle svaret er faktisk at de (altså 'drivhusgassene') også emitterer oppover."

Den atmosfæriske emitteringen oppover tilsvarer til syvende og sist Q''. Ved toppen av atmosfæren møter ikke denne lenger 'tilbakestråling' ovenfra, så netto tilsvarer brutto. Når bruttoen øker, øker altså nettoen, altså varmetapet atmosfære->verdensrom.

Q = Q' + Q''.

Q' er blitt mindre, si 0,4, fordi emitteringen nedover har økt (netto ned har minsket). Da har Q'' økt tilsvarende, til 0,6, fordi emitteringen oppover også har økt (netto opp har steget). Og vi har fortsatt Q = 1. Ergo, atmosfæren utøver ingen radiativ impedans på jordoverflatens varmetap/avkjølingstakt og følgelig ingen strålingsbasert innflytelse på dens temperatur.

                                           * * *

Dersom dette fortsatt virker forvirrende, så kan en tenke på jorda og atmosfæren som henholdsvis en planet med en konstant intern energikilde til overflaten (analogt til den konstante input'en fra sola) og et absorptivt/emissivt tynt, tynt 'skall' liggende tett rundt planeten. Imellom planetens overflate og skallet er det vakuum. Det er for å kunne se bort ifra konvektive prosesser. Alt foregår ved stråling. Utenfor skallet er verdensrommets vakuum ved hypotetisk potensiell temperatur 0 K (for å kunne ignorere innkommende stråling herfra).

Planeten stråler jevnt ut 400 W/m2 til alle kanter (isotropisk) - tilsvarer en temperatur på 290K. Fluksen treffer og absorberes i sin helhet av skallet rundt. Skallet stråler så ut 200 W/m2 fra sin indre overflate (mot planeten) og 200 W/m2 fra sin ytre overflate (mot verdensrommet) og antar følgelig en temperatur (ifølge Stefan-Boltzmann-likningen) på 244K. Vi har full balanse energimessig. Skallet mottar 400 W/m2 på sin indre overflate, 0 W/m2 på sin ytre, og stråler 200 W/m2 ut fra begge (skallet har samme temperatur gjennom hele, en god approksimasjon så lenge det er tynt nok og/eller ikke besitter konduktiv resistans).

Skallet stråler nå 200 W/m2 mot planeten. 'Tilbakestråling'. Hvorfor har dette ingen effekt på planetens temperatur? Hvorfor hoper ikke energien kontinuerlig tilført planetens overflate fra den interne energikilden seg opp?

Fordi energien hele tida har et sted å gå.

Før skallet kom på plass gikk hele fluksen direkte fra planetens overflate til verdensrommet. Med skallet på plass, går den ene halvparten av fluksen til å opprettholde skallets temperatur mens den andre går ut til verdensrommet, gjennom skallets ytre overflate. Men hele fluksen er fortsatt fullt i stand til å forlate planetens overflate uhindret. Skallet yter med andre ord 0 impedans på planetens varmetap/avkjølingstakt:

Q = Q' + Q'' (for definisjon, se lenger opp).

400 = (400 – 200) + 200. Leddet (400 - 200) beskriver netto varmeoverføringstakt planet->skall, iberegnet 'tilbakestrålingen' fra skallet (200).
Hadde vi skullet isolere planeten radiativt (altså ikke med vanlig konduktiv/konvektiv isolasjon) enda bedre, så måtte vi ha gjort skallet reflektivt. Det vil si, det ville måtte sende tilbake en del av innkommende fluks fra planeten uten å absorbere den. Merk altså at dette IKKE tilsvarer det vi normalt omtaler som ’tilbakestråling’ som skyldes varme grunnet absorpsjon.

Dersom skallet reflekterte f.eks. 200 av de 400 W/m2 fra planeten rett tilbake, ville regnestykket se slik ut:

(400 – 200 – 100) + 100 = 200. Leddet (400 – 200 – 100) beskriver netto varmeoverføringstakt planet->skall, iberegnet den reflekterte fluksen (200) og ’tilbakestrålingen’ fra skallet (100). Legg merke til at et reflektivt skall ikke ville kunne stråle ut like mye verken innover eller utover som et absorptivt, og at det av samme grunn ikke kan bli like varmt - 100 W/m2 -> 205K.

- - -


Vi gjentar:

Planeten mottar en konstant fluks på 400 W/m2 fra sin interne varmekilde. Den får følgelig en S-B-temperatur på 290K. Den sender så denne fluksen ut (for å balansere innkommende) mot skallet. Skallet mottar altså 400 W/m2 fra planeten, absorberer hele fluksen, antar en temperatur på 244K og stråler ut både ut og inn - 200 W/m2 hver vei.

Dette gir en varmeoverføringslikning som ser slik ut:

Q = Q' + Q''

400 = (400 - 200) + 200 = 400

-200 er 'tilbakestrålingen' fra skall til planet. +200 er skallets (og systemets) utstråling til verdensrommet.

Det eneste skallet gjør er å kutte systemets utstrålingsfluks i to. Det gjør ikke planeten varmere enn når det ikke hadde skall rundt seg.
Grunnen til at systemets varmetap nå kun er halvparten av hva det var tidligere uten at planeten varmes opp, er at skallet ikke yter noen impedans på planetens radiative fluks fra overflaten. Halvparten av de 400 W/m2 går med på å opprettholde skallets temperatur (det trengtes ikke uten skallet), halvparten går ut til verdensrommet. Én varmekilde varmer nå opp to legemer snarere enn ett. Mer av energien blir følgelig i systemet, fordi det nå kontinuerlig utføres ekstra termodynamisk arbeid. Derfor trenger ikke output'en fra systemet som helhet til omgivelsene å være like stor som før for å holde energibalansen.


Det hele er altså egentlig veldig enkelt.

Det eneste en trenger å ha i tankene er at det kun er planeten som varmer systemet planet/skall. Fordi varmekilden ligger inni planeten. Alle de 400 W/m2 'tilhører'/kommer strengt tatt fra planeten. De møter simpelthen skallet på sin vei.

Vi må rett og slett følge fluksen som stråles ut fra overflaten av planeten og se hvor den havner.

Før skallet kommer på plass, går hele fluksen selvsagt rett ut i verdensrommet. Output'en til den interne energikilden (tilsvarende 400 W/m2) går rett og slett med til å varme opp planetens overflate til 290K slik at den i sin tur kan emittere 400 W/m2 ut som varmetap.

Hva skjer så med den utgående fluksen fra planeten når skallet kommer på plass? Den kan ikke lenger gå direkte til verdensrommet, fordi skallet er IR-absorberende, det absorberer hele fluksen den mottar og varmes opp som følge. Dette er cluet. Skallet varmes opp av planeten. Varmekilden inni planeten opprettholder nå to legemers temperatur, ikke bare ett. Der har du grunnen til den halverte fluksen ut for systemet som helhet. Resten går inn i ekstra termodynamisk ’arbeid’ innad i systemet.

Men la oss følge de 400 W/m2 fra planetens overflate. Ved balanse går 400 - 200 = 200 av dem med til å varme opp skallet og 200 med til å avkjøle det. 200 inn, 200 ut, derimellom varmes skallet til 244K, og slik opprettholdes temperaturen - balanse.

Men husk, hele fluksen kommer egentlig fra planeten. Av de 400 W/m2, går 200 med til å varme skallet, 200 til å avkjøle det. Alt unnslipper planeten.

Det er ikke vanskeligere enn det. Når Q' minsker, øker Q'' tilsvarende. Og Q holdes stabil. Det er alt.

Navigering

[0] Oversikt

[#] Neste side

Skift til full visning