Min nya geovetenskapliga artikel

Uppdatering 2014-12-03, referens till artikeln:

Pehr Björnbom, Temperature lapse rates at restricted thermodynamic equilibrium in the Earth system, Dynamics of Atmospheres and Oceans, Volume 69, March 2015, Pages 26-36, ISSN 0377-0265, http://dx.doi.org/10.1016/j.dynatmoce.2014.10.001. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0377026514000529)

Jag har fått en ny geovetenskaplig artikel accepterad för publicering i en tidskrift som heter Dynamics of Atmospheres and Oceans. Den är ett resultat av ren grundforskning, eller nyfikenhetsforskning som man också säger, om hur vertikala temperaturprofiler i atmosfären och i havet kan bero på olika termodynamiska jämviktstillstånd. Jag nämner också något om bakgrunden till att artikeln kom till eftersom den är något märklig.

Titeln och abstract för artikeln följer här från det inskickade manuskriptet.

Abstract

Man skall också ange huvudpunkter i denna tidskrift och de följer här:

Highlights

Först några ord om valet av tidskrift. Efter att ha undersökt vilka tidskrifter som var lämpliga kom jag fram till att den av Elsevier publicerade Dynamics of Atmospheres and Oceans skulle passa för min del. Som pensionär kan jag inte låta publicera artikeln som så kallad Open Access, dvs. att den blir fritt läsbar, utan artikeln i sin helhet kommer att finnas bakom betalvägg. Som författare måste man nämligen betala en ordentlig summa, mer än 10000 kronor (just denna tidskrift erbjuder Open Access för $2500 exklusive moms), för att ge läsarna förmånen att artikeln blir fritt läsbar, men om artikeln är bakom betalvägg behöver författarna i denna tidskrift inte betala någonting.

Jag skickade in manuskripteet elektroniskt till Elseviers webbaserade publiceringssystem EES 2014-07-18. Jag fick svar 2014-09-15 från den redaktör vid tidskriften som hade fått hand om mitt manuskript. Han skrev att artikeln skulle accepteras efter mindre revision enligt två positiva granskningsutlåtanden. Jag införde de föreslagna ändringarna, som bidrog till att förbättra artikeln, och skickade in det reviderade manuskriptet 2014-09-22. Jag fick sedan svar från redaktören 2014-10-15 att artikeln är accepterad för publicering.

Artikeln handlar om hur temperaturen kan variera med höjden i atmosfären och med djupet i oceanerna. Det är fråga om ren grundforskning, även kallad nyfikenhetsforskning, och det jag varit nyfiken på är hur dessa temperaturprofiler som funktion av höjd och djup ser ut vid termodynamisk jämvikt.

Det finns en mycket viktig grundläggande teori för termodynamisk jämvikt som utarbetades av Josiah Willard Gibbs på 1800-talet. Enligt hans teori så skall man vid jämvikt få en isoterm temperaturprofil i sådana fall. Men andra stora vetenskapliga forskare från 1800-talet, nämligen Lord Kelvin och James Clerk Maxwell, menade att i jordens atmosfär gäller inte detta utan där skulle man i stället få det som de kallade konvektiv jämvikt för värme (Convective equilibrium of heat) varvid man får en så kallad adiabatisk temperaturprofil som innebär att temperaturen minskar med höjden på grund av det minskade trycket vid ökad höjd.

Man kan termodynamiskt härleda formeln för denna adiabatiska temperaturminskning med höjden, den är cirka 10 grader C per km, och detta är elementa i läroböcker i atmosfärfysik. Att den adiabatiska temperaturprofilen uppstår i atmosfären är dessutom mycket vanligt och alla vet ju också att temperaturen blir lägre om man går upp på ett högt berg.

Men någon teoretisk motivering för att detta är ett jämviktstillstånd gavs inte av Kelvin eller Maxwell. Enligt den vetenskapliga litteratur som diskuterat detta på 2000-talet är detta ännu ett olöst problem. Det är faktiskt i fråga om just detta som min geovetenskapliga artikel ger ett litet bidrag till vetenskapen. Jag har inte kommit till något definitivt svar på frågan men har kunnat ställa upp en grundad hypotes som kanske kan leda till ett definitivt svar.

Jag gjorde nämligen av en tillfällighet en oväntad upptäckt. Genom mitt intresse för klimatfrågan och att jag deltagit med kommentarer på bloggar så blev jag också indragen i diskussioner om denna temperaturprofil i atmosfären så att jag började tänka på saken. Jag satte mig också in i litteraturen på området (jag är faktiskt, till min frus förundran, väldigt nyfiken på invecklade saker, det är det som är förklaringen till att jag ägnat mig åt denna konstiga fråga).

Så kom jag också på idén att jag skulle skriva ett datorprogram för att beräkna Gibbs jämviktskriterium och se om det stämde med isoterm temperaturprofil. Det var vid dessa beräkningar som jag gjorde en upptäckt som fick mig att bli förvånad och som gjorde att jag kom fram till att detta kanske borde publiceras. Det som hände var att mina beräkningar visade att det finns två jämviktskriterier, dels det som ger en isoterm temperaturprofil, men också ett annat som ger en adiabatisk jämviktsprofil.

Dessutom kan detta nya jämviktskriterium förklaras med hjälp av Gibbs teori. Det motsvarar vad som Gibbs kallade för ett metastabilt jämviktstillstånd som är ett övergångstillstånd. Ett sådant övergångstillstånd (som på engelska också kan kallas för restricted equilibrium) uppstår på grund av att det finns någon form av hinder för dess övergång till det slutliga jämviktstillståndet.

Ett jämviktstillstånd enligt Gibbs teori karakteriseras av att systemet har ett maximum i sin entropi. Det metastabila jämviktstillståndet motsvarar också ett maximum i entropin, skillnaden mot det slutliga jämviktstillståndet är att detta entropimaximum är lokalt medan för det slutliga jämviktstillståndet har entropin det absolut högsta värdet som den kan få i systemet. Det metastabila jämviktstillståndet har alltså ett lägre entropivärde än det slutliga jämviktstillståndet.

I både atmosfären och i havet finns alltså enligt min hypotes två termodynamiska jämviktstillstånd. Det ena, det slutliga jämviktstillståndet ger en isoterm temperaturprofil, och då får man också den högsta möjliga entropin i luften eller havsvattnet. Det andra, det metastabila jämviktstillståndet, är den konvektiva jämvikten, och då får man den adiabatiska temperaturprofilen med en lägre entropi, men ändå med ett lokalt maximum i entropin.

Jag gjorde mina beräkningar både för en ideal gas, vilket motsvarar atmosfären, men också för en idealiserad vätska, som motsvarar havet. För att motivera min hypotes är det naturligtvis av stort intresse att den gäller oavsett om det är en gas eller vätska vi tittar på. Men finns det adiabatiska temperaturprofiler i havet? Jodå, det är nog inte så vanligt som i atmosfären men de finns och har faktiskt större vetenskaplig betydelse än man kanske tror när man ser hur små de adiabatiska temperaturförändringarna i havet är.

Följande figur visar temperaturen i en djuphavsgrav, Kermadec Trench, där från botten och upp till djupet 5000 m så är temperaturändringen adiabatisk. Figuren kommer från en lärobok av Stewart (2005), figur 6.9 på sidan 85:

Adiabatisk lapse rate Stewart

Den så kallade potentiella temperaturen som den vänstra kurvan visar är den temperatur som en liten avgränsad vattenmängd skulle få om den adiabatiskt expanderades till trycket en atmosfär (i atmosfären använder man också potentiell temperatur men då talar man i stället av naturliga skäl om att det är den temperatur som en avgränsad luftmängd skulle få om den adiabatiskt komprimeras till trycket en atmosfär). Detta betyder att konstant potentiell temperatur motsvarar att den verkliga temperaturen enligt den högra kurvan ändrar sig adiabatiskt, precis det vi ser från botten upp till 5000 m. Trots att skillnaden mellan potentiell och verkligt temperatur endast blir som högst 0,9 C så ser vi att den inte är försumbar, temperaturvariationerna på djupet är ju för övrigt inte så stora.

Det kan se ut som ett mysterium att den vertikala adiabatiska temperaturändringen i luften är cirka10 grad C per km medan den i havet bara är cirka 0,1 grader per km. Men detta är fullständigt vetenskapligt förklarat. Den termodynamiska härledningen ger en allmän formel som stämmer precis med dessa värden.

Vatten har en värmekapacitet som är cirka fyra gånger större än luft. Samma värmemängd kan alltså värma upp ett kg luft fyra gånger mer än ett kilo vatten. En avgränsad luftmängd på 1 kg som förs upp 1 km adiabatiskt minskar sin temperatur 10 grad C. Detta sker på grund av det arbete som luftmängden uträttar när det expanderar. Men en avgränsad vattenmängd på 1 kg som förs uppåt adiabatiskt 1 km i oceanen minskar sin temperatur, inte med 2,5 C som man skulle tro från värmekapaciteten, utan som vi sagt ovan endast 0,1 C.

Skillnaden beror på att i luftmängden tas energin enbart från molekylernas rörelsehastigheter som minskar med minskad temperatur som följd. I en ideal gas, som luften så gott som är, verkar inga krafter mellan molekylerna. I vattenmängden finns det däremot mycket potentiell energi som beror på repellerande krafter mellan molekylerna i vätskeform. Energin som vattenmängden utvecklar vid expansionen utvinns till största delen genom att avstånden mellan molekylerna ökar något varvid potentiell energi avges i form av arbete. Endast en mindre del av energin kommer från minskade molekylrörelser som då leder till att det endast blir en liten temperaturändring på 0,1 C i stället för ett par grader om krafterna mellan molekylerna och deras ändrade potentiella energi inte skulle inverka. Det är därför som den adiabatiska temperaturändringen för vatten blir mycket mindre än för luft.

I den något märkliga bakgrunden finns en diskussion år 2010 om atmosfärens temperaturprofil som jag hade med Thomas P på TCS och som Uppsalainitiativet (UI) tog upp i ett blogginlägg där de mer eller mindre idiotförklarade mig. En kommentator reagerade på detta och fick svaret att det var eftersom jag hade skrivit en artikel (som kom i Ny teknik tillsammans med CG Ribbing också 2010). Denna artikel handlade i och för sig om något helt annat. Vi gav en positiv presentation av en uppmärksammad nyutkommen peer-reviewad klimatvetenskaplig artikel som publicerats i en välsedd geovetenskaplig tidskrift, men så fick man inte göra med just den artikeln i UIs värld.

Ändå märkligare är att när Olle Häggström kom med en smädesskrift om mig på sin blogg i januari i år och ville ge exempel på min mindervärdighet så var det precis denna diskussion på UI som han tog upp. Han kom där med påståendet att jag skulle ”gjort det till en sport att kunna försvara vilken utsaga som helst, hur orimlig den än må vara” där han som exempel gav diskussionen på UI om min ”egenhändigt ihopsnickrade nya teori för gaskinetik”. Men det jag hävdade där har alltså inte varit orimligare än att det blev grund för den nu accepterade geovetenskapliga artikeln.

I själva verket, frånsett den skit som jag fick ta, så var diskussionen på UI givande för min del. Jag fick en hel del värdefulla intryck och idéer som låg kvar och mognade för att sedan aktualiseras igen, faktiskt på grund av Häggströms smädesskriverier. Men det hade väl varit litet överdrivet att tacka UI och Häggström i acknowledgement, så det har jag inte gjort, även om jag kanske riskerar att bli utskälld ;)

http://www.youtube.com/watch?v=2dghiCibYvQ

Till slut har det för mig blivit så att det positiva resultatet uppväger de negativa upplevelserna. Man kan ju tycka att det inte är värt obehaget att bli hånad för att man på grund av sin nyfikenhet blir absorberad i en livlig diskussion. Men min nyfikenhet och envishet, som jag antar var en orsak till hånet, lönade sig i det långa loppet. Det känns ju väldigt kul, när man är gammal pensionerad forskare, att få en ny vetenskaplig artikel accepterad, speciellt som jag utvidgat mig till ett nytt forskningsområde som ligger en bit ifrån vad jag tidigare forskat på.

Referens

Robert H. Stewart. Introduction To Physical Oceanography. Department of Oceanography, Texas A&M University, USA, 2005.

Dela detta inlägg

54 reaktion på “Min nya geovetenskapliga artikel

  1. 2
    Stickan no1

    ”Det ena, det slutliga jämviktstillståndet ger en isoterm temperaturprofil, och då får man också den högsta möjliga entropin i luften eller havsvattnet. ”
    Kommer ihåg när vi diskuterade detta. Men glömmer du inte en sak?
    Den konvektiva får man om atmosfären kyls av växthusgaser. Den isoterma om atmosfären inte kan kylas av utgående IR från atmosfären själv. Det riktigt intressanta i det är att den isoterma jämvikten också blir en varmare atmosfär än idag. Annars hamnar man i den konvektiva jämvikten.
    ”Det andra, det metastabila jämviktstillståndet, är den konvektiva jämvikten, och då får man den adiabatiska temperaturprofilen med en lägre entropi, men ändå med ett lokalt maximum i entropin.”
    Allt detta leder nämligen till att:
    En isoterm atmosfär i jämvikt utan växthusgaser är också varmare än en adiabatisk atmosfär med växthusgaser.

    Växthusgaserna kyler atmosfären.

  2. 3
    Olaus Petri

    Stort grattis Pehr! Extra skoj förstås mot den bakgrund du tecknar i posten. :-)

  3. 4
    Lasse

    Grattis Pehr!

    Hoppas du slipper revidera din artikel med den nyhet som kom i P1 i morse:
    Strömmar i havet kan orsakas av bakteriers samlade rörelser!
    Visserligen dementerad av professor pga havens olika skiktningar-men ändå!

    Vore kul om du kunde svara på frågan om denna temperaturkurva gör haven mer eller mindre utsatta för strömmar?
    Här påpekas vikten av strömmarna i Atlanten: http://notrickszone.com/2014/10/22/ipcc-scientist-mojib-latif-sees-north-atlantic-cooling-over-next-decade-confirms-oceans-play-crucial-role/

  4. 5
    Thomas P

    Pehr Gratulerar till att du fått en artikel publicerad. Du får väl ta och lägga upp en kopia här när den kommer ut. Det är i teorin kanske inte tillåtet, men ”alla” gör det.

    Jag blir dock lite förbryllad av din diskussion. Loschmidt var den som hävdade att man fick en adiabatisk temperaturgradient i en isolerad gas under jämvikt medan Maxwell och Boltzmann (korrekt) hävdade att jämviktstillståndet är isotermt. Att man på jorden får en temperaturgradient har att göra med värmetillförseln som gör att det inte är ett system i jämvikt. När du skriver ”Men någon teoretisk motivering för att detta är ett jämviktstillstånd gavs inte av Kelvin eller Maxwell. ” blir det därför svårbegripligt vad du avser.

  5. 6
    Mats G

    Grattis, grattis. Det måste kännas fantastiskt kul, Det var väldigt intressant att höra hur processen gick till för att du tog dig dit du kom. Jag hoppas det kan inspirera andra. Kanske den dagen jag blir pensionär så skall jag göra nåt försök.

  6. 7
    LBt

    Intressant och välskrivet, men hur långt är vi från atmosfärens och havens verkliga tillstånd? Även intressanta kommentarer. Skall försöka sätta mig in i vad detta egentligen betyder för mig och mina värderingar.

  7. 8
    C-G Ribbing

    Grattis Pehr!
    Att få hån & skäll av Häggström är ett normaltillstånd som inte borde rubba din jämvikt. Sen kan du kassera in pluspoängen ograverat!
    /C-G

  8. 10
    Björn

    Gratulerar till publieringen! Några frågor uppstår: Vad innebär den adiabatiska uppvärmningen i förhållande till den uppvärmning som erhålls genom IR-absorptionen i växthusgaserna? Den adiabatiska uppvärmningen påverkar väl alla molekyler i lufthavet? Förmodligen finns det också skillnader i påverkan beroende på skilda molekylvikter?

  9. 11
    Peter Stilbs

    Bravo, Pehr!

    Att bli smädad av den av vissa upphöjde Chalmersprofessor framstår också allt mer som en stor merit.

  10. 14
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    Tack för alla gratulationer!

    Artikeln är mycket teoretisk och fylld med matematiska formler och abstrakta resonemang men jag kan skicka den till dem som är intresserade av sådant. Jag har läst igenom Elseviers villkor och finner att de tillåter att jag skickar preprint med epost. Så kontakta mig på epost så skickar jag det.

    Adress: pehrbjor@kth.se

  11. 16
    Slabadang

    Pehr B!

    ”Here is something for everyone” är en bra presentation av din artikel. Allt i från de stora sammanhangen och enkla slutsatserna ned till de små och mer komplicerade. O Häggström behöver du inte bry dig om han har pratat på sig helt och hållet självt genom åren och är nu att mer betraktas som klimatfanatisk pruttkudde från Buttricks som ger pinsamma ljud ifrån sig under tryck ?

  12. 17
    tty

    ThomasP #5

    Nu kommer ju något isotermt jämviktstillstånd aldrig att uppnås (om det inte rör sig om en planet med bunden rotation, utan inklination i helt cirkulär bana) eftersom markens temperatur kommer att variera och värme därmed överförs till/från atmosfären genom ledning. Dessutom är det inte strikt sant att t ex en N2 inte kan avge IR-strålning. En kvävemolekyl saknar visserligen elektriskt dipolmoment, men när den kolliderar eller passerar mycket nära en annan molekyl uppstår ett transient dipolmoment och molejkylen kan absorbera/avge IR-strålning. Detta är i och för sig en svag process vid låga temperaturer, men dessutom får det inte finnas några stoftpartiklar i den tänkta jämviktsatmosfären. Eftesom dessa i stort sett kommer att befinna sig i termisk jämvikt med omgivande gas kommer de nämligen att avge kontinuumstrålning i IR-området.
    Nu är ju hela resonemanget om atmosfärer utan växthusgaser i och för sig teoretiskt eftersom det sannolikt inte finns en enda planet i universum med sådan atmosfär. Kol och syre är alldeles för vanliga grundämnen. Och för heta jätteplaneter där CO2-molekyler inte är stabila i atmosfären blir kollisionsabsorption/emission verkligt viktiga.

    Nu är förresten EU:s energiproblem lösta. Den nya EU-kommisionären Violeta Bulc vet nämligen hur man upphäver entropilagen med hjälp av naturens kreativa makt ”syntropi” och producerar elektricitet ur tomma intet. Jag trodde det hela var en skröna påhittad av en UKIP-politiker men tyvärr är det faktiskt sant:

    ”Syntropy allows energy recycling. The vision allowed by the syntropy paradigm is exactly the opposite of what I described earlier: Natural environmental heat can be transformed directly into electrical energy. Let us imagine this process. By cooling the walls of this room just slightly, perhaps by mere 10°C, the heat difference could be used to produce electricity that could be routed into a power line.”

    http://www.violeta.si/2014_08_01_archive.html
    (men kolla snart, för jag misstänker att Violeta kommer att få en hint att det här är en blogpost som helst bör försvinna ut i cyberrymden)

    Stackars Europa!

  13. 18
    Thomas P

    tty #17 Du pratar om den praktiska situationen på en planet, medan jag (och vad jag förstår även Pehr) var inne på det mer fundamentala vad som händer om du har ett helt isolerat rör med en gas i ett gravitationsfält utan några energiflöden in eller ut. Om gradienten då blir isoterm eller adiabatisk.

    Den där Violeta Bulc tycks höra till kategorin som vet precis tillräckligt mycket för att skjuta sig själv i foten, ett fenomen som man också återfinner ofta här och på andra klimatskeptiska bloggar. I avsaknad av tillräckliga bakgrundskunskaper hakar hon på en teori som låter sofistikerad och säger vad hon vill höra. Det är ett bra exempel på varför envälde är dåligt. Det är många som tror på en eller annan sådan där knäpp teori, men det är sällan du får ihop en hel riksdag eller regering som tror på *samma* dumheter så de tenderar bli nedröstade. I det här fallet misstänker man att det är en god portion nationalism inblandad.

  14. 19
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    Stickan no 1,

    ”Allt detta leder nämligen till att:
    En isoterm atmosfär i jämvikt utan växthusgaser är också varmare än en adiabatisk atmosfär med växthusgaser.

    Växthusgaserna kyler atmosfären.”

    Min analys är en annan. Jag skulle först titta på det idealiserade fall vad som gäller om vi inte har några växlingar mellan dag och natt utan en planetyta med alltid samma konstanta solinstrålning.

    Om vi har en atmosfär utan växthusgaser och aerosoler som inte absorberar eller emitterar infraröd strålning så skulle planetytans temperatur bestämmas av strålningsbalansen för denna yta. Om planeten skulle ha samma solinstrålning som jorden i medeltal och samma albedo som jorden så skulle denna temperatur bli 255 K. Atmosfären kan bara utväxla värme med planetytan och kommer då att bli i termisk jämvikt med denna. Hela atmosfären får alltså i detta fall en temperatur av 255 K om den är i slutlig termodynamisk jämvikt med planetytan.

    Om atmosfären däremot innehåller växthusgaser så kan vi göra ytterligare en idealisering. Vi antar att atmosfären absorberar och emitterar med samma våglängdsfördelning som en svartkropp, dvs. att atmosfären kan betraktas som grå. Temperaturen skulle i ett sådant fall bli 255 K högt uppe i atmosfären i ett skikt som kan betraktas som en tänkt uppflyttad planetyta som är i strålningsjämvikt. Själva den riktiga planetytan måste då bli varmare för att värmeöverföring skall kunna ske genom atmosfären upp till den uppflyttade planetytan som har temperaturen 255 K. Detta är komplicerat att beskriva med matematiska modeller som måste ta hänsyn till värmeöverföring genom strålning, värmeöverföring genom så kallad turbulent diffusion samt värmeöverföring genom atmosfärens cirkulation. Men i fallet jorden leder allt detta tillsammans att planetytan i medeltal är 288 K och ungefär detsamma för luften alldeles nära planetytan.

    Så egentligen är det så att utan växthusgaser så kyler planetytan sig själv och då blir det kallast. Med växthusgaser så kommer dessa att kyla planeten på en högt liggande tänkt uppflyttad planetyta, och den verkliga planetytan och luften nära den blir därför varmare i detta fall eftersom värmen måste transporteras från den verkliga planetytan till den tänkta uppflyttade planetytan.

  15. 20
    Ingemar Nordin

    Stort grattis Pehr! Kombinationen envishet och nyfikenhet är oslagbara karaktärsegenskaper i forskningssammanhang.

    Thomas P: ”Den där Violeta Bulc tycks höra till kategorin som vet precis tillräckligt mycket för att skjuta sig själv i foten, ett fenomen som man också återfinner ofta här och på andra klimatskeptiska bloggar.”

    Du glömde att säga att frekvensen av skjutningar i de egna fötterna beror på den accelererande klimatuppvärmningen!

  16. 21
    ThomasJ

    Grattis Pehr! Kul att pensionerade forskare har intresse/chans att fortsätta verka, den nylagda budgeten á la KalleAnka-gänget till trots! :-D

    Mvh/TJ

  17. 23
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    Thomas #5,

    I den vetenskapliga litteraturen från 2000-talet, där man gör en översikt över problemets historia, diskuterar man inte Loschmidts (http://en.wikipedia.org/wiki/Johann_Josef_Loschmidt) invändningar. Av vad jag har läst på bloggar så gissar jag att han ansåg att Gibbs analys var fel för fallet med gravitation. Så var det nog inte med Kelvin och Maxwell. Maxwell framställer Gibbs analys som helt riktig i sin bok, men säger sedan att den inte är tillämplig för atmosfären (Gibbs analys är helt generell, inte inriktad specifikt på atmosfären).

    Min gissning är att Kelvin och Maxwell var inne på liknande tankegångar som jag föreslår i min hypotes, nämligen att det är fråga om ett övergångstillstånd (restricted equilibrium). De var nog väl insatta i Gibbs teori och visste att det förekommer ”restricted equilbrium”. Problemet är hur man skall påvisa att systemet har ett entropimaximum som motsvarar ett sådant jämviktstillstånd. På den tiden var man begränsad till att bevisa detta matematiskt tillsammans med numeriska beräkningar för hand. Att jag kunnat göra ett eventuellt framsteg i lösningen av detta problem beror på att det idag finns så potenta verktyg i form av datorer och mjukvara för att kunna göra komplicerade numeriska beräkningar.

    Vi har nog sällan eller aldrig verklig jämvikt i naturen. Det som kallas jämvikt är tillstånd som ligger nära ett idealiserat jämviktstillstånd. Jämviktstillstånden är dessutom beroende på vilken tidsskala som vi tittar på, ett järnspett som ligger på marken är i jämvikt på korta tidsskalor, men på längre tidsskalor rostar det och är därför inte i jämvikt. När temperaturprofilen blir adiabatisk så ligger enligt min hypotes betingelserna i denna del av atmosfären nära ett jämviktstillstånd av typen ”restricted equilibrium”.

  18. 24
    Stickan no1

    Pehr # 19
    Om jag glömt det. Grattis!
    Och tillbaka till hjärnövningen:
    Idealiserade fall utan dygnsvariation och växthusgaser resulterar i en isoterm atmosfär med temperatur bestämd av markytans strålningsbalans. Där är vi överens.

    Idealiserade fallet med dygnsvariation men utan växthusgaser resulterar också i en isoterm atmosfär ovanför ett konvektivt adiabatiskt gränsskikt. Precis som sker idag i Troposfären och Tropopausen.
    Utan växthusgaser blir det adiabatiska skiktet avsevärt tunnare än dagens troposfär.Tropspausens villkor utökas kraftigt i höjdled mot markytan. Med avdrag för en mycket tunt adiabatiskt skikt i atmosfären. Tropopausen skull sjunka ner mot marknivå. Och detta är det viktiga; den isoterma temperaturen närmar sig i detta teoretiska fall markytans maximala temperatur. Inte medeltemperatur utan maxtemperatur för att isotermiska villkoren skall uppstå och bibehållas.
    Den atmosfären är varmare än nuvarande atmosfär. Annars bibehålls inte isotermiska villkoren.
    Stoppa in värdena i ditt program.
    Addera växthusgas till denna idealiserade atmosfär med dygnsvariation och atmosfären får då en adiabatisk temperaturprofil så högt konvektionen orkar riva ner den isoterma delen av atmosfären.
    Det sker genom att kyla atmosfären via strålning.
    Det är den atmosfär vi har idag.

    Så vad gör växthusgaserna för temperaturen i vår atmosfär jämfört med en teoretisk atmosfär med dygnsvariation men utan växthusgaser? Jo sänker medeltemperaturen i atmosfären.

  19. 26
    tty

    PehrBjörnbom #19

    Det är ett extremt idealiserat fall du beskriver. Förutom de villkor du satt krävs dessutom att den aktuella planetytan är helt platt och isotrop. Finns det skillnader i solvinkel, albedo, specifik värme eller värmeledningsförmåga så kommer yttemperaturen att variera och du kommer att få konvektion i den ovanförliggande atmosfären (även om atmosfären består av icke-växthusgaser så kommer värme att överföras genom konduktion). Konvektionen kommer visserligen att bli mycket svagare och grundare än i en atmosfär med växthusgaser men den kommer ändå att hindra att ett helt isotermalt tillstånd uppstår. Detta gäller naturligtvis i ännu högre grad för en roterande planet. Det krävs också att atmosfären består av en enda gas och att det inte finns några olika isotoper i denna.
    Om allt detta är uppfyllt håller jag med om att man får en isotermal gas.

  20. 27
    Tudor

    Olle Häggström är en starkt ideologiskt övertygad akademiker. Det bör man ha i åtanke när man bedömer honom. Starka övertygelser kan göra en människa ”blind”.

    http://thomas1epikure.wordpress.com/2010/07/11/gastinlagg-av-olle-haggstrom-greider-och-judt-om-samhallsutvecklingen-kapitalismen-och-vanstern/

    Jag hade på 80-talet en föreläsare i nationalekonomi som hävdade att Jugoslavien var ett exempel på lyckad tillämpning av marxismen. Socialistisk marknadsekonomi kallade han det. Han hade en upphöjd position inom VPK (Nu heter de V). Jag besökte Jugoslavien i slutet av 80-talet och det var ett ekonomiskt och socialt kaos. Något år senare var inbördeskriget ett faktum.

  21. 28
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    Björn #10,

    Frågorna är svåra! Adiabatisk uppvärmning av en avgränsad luft- eller vattenmängd får man vid kompression utan att värme tillförs eller bortförs. Temperaturen ökar på grund av tillfört kompressionsarbete, men utan värmeöverföring.

    En avgränsad luftmängd som absorberar infraröd värmestrålning uppvärms på grund av den tillförda absorberade strålningens energi. Det är bara vissa molekylslag, främst vattenånga och koldioxid i luften, som direkt absorberar infraröd strålning. Men enligt teorin avger de snabbt den aborberade energin till andra molekyler i luften genom kollisioner, molekyler som sedan i sin tur kolliderar med andra molekyler. Genom dessa frekventa molekylkollisioner så sprids den absorberade infraröda strålningens energi snabbt över hela den avgränsade luftmängden.

  22. 29
    björn

    En fråga, kanske dum men ändå:
    Varför har vi den storlek på atmosfären som vi har?
    Varför är den inte dubbelt så stor, eller hälften?
    Varför har Venus så stor atmosfär, och Mars så tunn?
    Med storlek tänker jag främst på massa, och eller mol.
    Har jordens atmosfär alltid varit lika stor?
    Hur såg det ut för 100 miljoner år sedan, eller 10000 år sedan?
    När det flög runt pterodaktyler och 2-meters trollsländor, hade vi tätare atmosfär då?
    Går det att veta?
    Finns en lag som bestämmer atmosfärens täthet?

  23. 30
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    Stickan no 1,

    Intressant, men är det verkligen riktigt? Finns det någon som har gjort beräkningar på detta?

    Jag tycker intuitivt också att det borde bli så att man får ett gränsskikt med adiabatisk temperaturprofil längst ner i atmosfären om det inte finns växthusgaser, som du beskriver, men jag skulle vilja se en matematisk modellering som visar detta.

    Jag gissar att det blir mycket varmt vid ytan på eftermiddagen och mycket kallt på efternatten. Men jag skulle gissa att medeltemperaturen över dygnet borde ligga på omkring 255 K och då borde väl detta gälla även för atmosfären nära planetytan. Hur atmosfären då skulle kunna få en medeltemperatur som är större än med växthusgaser förstår jag inte.

  24. 31
    Ingemar Nordin

    Tudor #27,

    Jag har aldrig bemött professor Olle Häggströms ömkliga försök till smutskastningar av mig, något som han har ägnat sig åt lite då och då över åren. Men jag tycker att hans nedsvärtande av Pehr tillhör det grövsta haveristbeteendena som jag har sett.

    Professor Olle Häggström verkar rätt och slätt vara en mobbare som förklär sin mobbing i språklig och akademisk dräkt. Han återkommer ständigt till hatobjektet ”klimatförnekare”, likt en geting till ett glas saft under en varm sommardag. Han har för länge sedan passerat gränsen för ett anständig utbyte av idéer och en saklig diskussion. Hans inflytande på UI och på VoF (där jag var medlem från starten till för något år sedan, och jag vill på intet sätt döma ut alla medlemmar i VoF) har totalt förstört dem. Detta patologiska hat mot Pehr och oss andra gör det ganska meningslöst att ens försöka föra ett sansat tankeutbyte.

    Det hade annars kunna vara ett intressant meningsutbyte mellan KU och UI om en del saker. Men tyvärr är detta ganska meningslöst i dagens läge. Man får bara hoppas att professor Olle Häggström i framtiden tappar intresset för att mobba och istället ägnar sig åt sina studenter inom det fält som han, förhoppningsvis, kan någonting om. Vetenskaplig forskning inom det empiriska fältet tillhör definitivt inte hans område.

  25. 32
    Ingemar Nordin

    björn #29,

    OT: Nu ber jag dig igen: ändra din alias så att dina inlägg inte blandas samman med Björn (med stor bokstav)! Lägg till någon bokstav från ditt efternamn eller så. Jag har absolut inget att invända mot dina kommentarer, men låt bli att skapa (eller bidra till) oredan i debatten!

  26. 33
    Thomas P

    björn #29 Det var en hel massa frågor som inte alls var dumma. Det finns ingen enkel lag som säger hur tjock atmosfär vi har utan det är en följd av en hel massa omständigheter. Får en planet t ex tillräckligt stor massa så att den kan hålla kvar väte i atmosfären så växer den snabbt till en gasjätte som Jupiter till Neptunus, eftersom det tidigt i solsystemets historia fanns så mycket tillgängligt väte. På jorden har både oorganiska processer och livet radikalt förändrat atmosfären sen den skapades.

    Du kan hitta en hel del information på wikipedia om planeternas atmosfär, t ex:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth#Evolution_of_Earth.27s_atmosphere

  27. 34
    Alienna

    #31 Ingemar,

    För en evighet sedan, läste jag en artikel från 80-talet skriven av en av grundarna till VoF (minns inte vem, och artikeln är borttagen från nätet). Han beskrev där syftet och tanken bakom föreningen.
    Vad jag har förstått, så har föreningen nu förvandlats till diametrala motsatsen till vad det ursprungligen var tänkt att vara.

    I flashback beskrev jag ”lite” elakt VoF som: En antivetenskaplig woo-förening för foliehattar som drömmer om att vara ‘vetenskapare’. ( Något annat har jag inte sett…)

  28. 36
    Lars Cornell

    Artikeln och debatten förmedlar kunskap på hög nivå. Som kunnig amatör begriper jag en del och det jag inte begriper får jag fylla ut med Intuition. Men svar på tre frågor skulle underlätta förståelsen.
    Hur skiljer sig den adiabatiska (teoretiska) temperaturen upp till tropopausen från den verkliga?
    Är det lika eller olika i hög och lågtryck, vid polerna och vid ekvatorn?
    Mycket handlar om konvektion i olika former bla massförflyttning. En av dem är luftmolekylernas framfart och kollision med andra molekyler. Hur fort och långt far molekylerna iväg och hur mycket energi transporteras på det sättet?

    Tack Pehr för ditt idoga arbete. Det behövs fler som du.

  29. 37
    björn2

    #33
    Jag kollade på wiki-artikeln och hittade inget om atmosfärens täthet. Man får ju känslan av att planetens medeltemperatur på något vis bestämmer hur stor atmosfär planeten orkar hålla uppe.
    ”How Earth at that time managed a climate warm enough for liquid water and life, if the early Sun put out 30% lower solar radiance than today, is a puzzle known as the ”faint young Sun paradox”.”
    Eller är det tvärtom, atmosfärens täthet bestämmer vilken temperatur planeten får?
    Kan matematiken ge ledtrådar om det?
    Och skulle en tätare förhistorisk atmosfär förklara uppvärmningsproblemet med en svagare sol?
    Vad tror du? Är atmosfärens täthet avgörande för vårt klimat, och vem styr vem?

  30. 38
    LBt

    Det är alltid lika trevligt när vi här får meningsutbyten i kunskap från dem som har. Till och från händer det.

  31. 39
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    CG #8,

    Tack!

    ”Att få hån & skäll av Häggström är ett normaltillstånd som inte borde rubba din jämvikt.”

    Ha, ha, jo utan Häggström kanske klimatdebatten skulle förlora en del av sin sälta :D

    Peter #11,

    Tack!

    ”Att bli smädad av den av vissa upphöjde Chalmersprofessor framstår också allt mer som en stor merit.”

    Ha, ha, jo, jag börjar inse det och att jag stolt kan peka på att han i år skrivit inte mindre än två nidskrifter om mig :D

  32. 40
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    Slabadang #16,

    Tack!

    ” klimatfanatisk pruttkudde från Buttricks som ger pinsamma ljud ifrån sig under tryck”

    Ha, ha, man skulle kunna skratta på sig :D

  33. 41
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    Tudor #27,

    Det var intressant, tack för det!

    Det finns en intressant tendens tycker jag mig se som en följd av uppvärmningspausen, nya insikter om de naturliga klimatvariationerna och nya studier som pekar på lägre klimatkänslighet. Det verkar som man bland dem som ansluter sig till huvudfåran av klimatvetenskapen börjar bli kritiska mot de som är alltför ideologiskt drivna i klimatvetenskapliga sammanhang.

    Jag skrev nyligen en kommentar på Roy Spencers blogg vilket ledde till att jag blev diskussionsobjekt på William Connolleys blogg Stoat som jag därför har tittat på då och då och där jag gett en del svar på tal. I följande blogginlägg kritiserar William Connolley en artikel där Michael E. Mann är den ena författaren därför att de skräms med klimatet. Detta tycker jag är en anmärkningsvärd utveckling av klimatdebatten, jag har svårt att tänka mig att Häggström skulle kritisera Mann för att skrämmas med klimatet:
    http://scienceblogs.com/stoat/2014/10/21/limiting-global-warming-to-2c-the-philosophy-and-the-science/

    Denna kritik framgår av följande utdrag:

    ”The authors [Mann och medförfattare alltså] notice that we’re not getting very far:

    ”As of yet, however, the world has largely failed to move beyond moral, political, and economic parochialism.”

    Yup, that’s so. How are we going to get there, then?

    ”Our continued failure will supplant the promise of sustainability with a legacy of collapse.”

    By frightening people with scare-stories, it seems. Will our society collapse, specifically because of GW rather than ebola, IS, whatever? Not obviously. I wouldn’t rule it out, and were I being honest I wouldn’t claim any great expertise at being able to assess collapse probability, but I still think it moderately dubious that we’ll collapse due to GW. I’d give a higher probability to it all falling over because some bozo in the Kremlin pushes brinkmanship too far.”

    Nyligen har William Connolley också gett professor Peter Wadhams sina fiskar varma. Wadhams har för vana att skrämmas med att Arktis skall bli isfritt om något år, plus att jorden kommer att gå under på grund av en gigantisk metanpuls från Arktis i samband därmed, hans senaste bud är isfritt nästa år, genom att extrapolera kurvorna för isvolym på ett mycket kreativt sätt. Detta har lett till så kraftig kritik att Wadhams kommit i konflikt med ingen mindre än Gavin Schmidt på grund av dennes Twitterkommentarer:
    http://scienceblogs.com/stoat/2014/10/07/wadhams-and-the-mighty-shtwit-storm/

  34. 43
    Thomas P

    björn2 #37 ”Man får ju känslan av att planetens medeltemperatur på något vis bestämmer hur stor atmosfär planeten orkar hålla uppe.”

    Det har jag svårt att tro. Gasjättarna är motexempel.

    ”faint young Sun paradox” är ett intressant problem, men det handlade troligen om att jorden i sitt tidiga liv hade mycket mer växthusgaser som CO2 i atmosfären. Den totala mängden atmosfär har också betydelse som man kan se på Venus. Ju mer atmosfär du har desto tjockare blir det skikt för vilket atmosfären är någorlunda ogenomskinlig för värmestrålning och desto starkare blir växthuseffekten.

    Att Venus och jorden blivit så radikalt olika beror som jag förstått det på att jorden behållit sitt vatten och genom detta fått en hydrologisk cykel som omvandlat större delen av koldioxiden i atmosfären till sedimentära bergarter. På Venus bröts vattenmolekyler i atmosfären sönder av UV-ljus, och Venus gravitation var för svag att hålla kvar väteatomerna så gradvis försvann vattnet.

  35. 44
    Thomas P

    Pehr #41 Det ironiska är att Connolley fortfarande beskrivs som djävulen själv av de flesta förnekarna här. Du kanske istället kunde lära dig något av honom i konsten att kritisera extremister på båda sidor.

  36. 45
    Daniel Wiklund

    Du Thomas P skriver att Pehr kunde lära sig av Connolley. Frågan är, finns det nån här inne som kan lära dig nåt? Ödmjukhet verkar inte vara din bästa gren.

  37. 46
    Magnus Cederlöf

    Bra jobbat Pehr! Ser fram emot att få läsa din artikel.

    En sak jag funderat på är om det inte finns några experiment gjorda för att fastställa om temperaturprofilen är isotermisk eller adiabatisk. Det borde kunna vara ganska enkelt att genomföra ett sånt experiment.

  38. 47
    Jonas N

    TP

    William Connolley hr väl blivit mer eller mindre irrelevant han också, som alla alarmistbloggare och aktivistger. Men det stämmer att han numera försöker vara lite vettigare ibland, försöker sig på några sansade kommentarer här och var.

    Jag vet inte vem som skulle beksrivit honom som ”djävulen själv”, och inte alls vilka ”förnekarna här” skulle vara. Så’nt låter med mer som det idiotiska aktivist-tugget man har fått höra så långe från ditt och aktivisternas håll.

    Sen vet jag heller inte vilka ‘extremisterna’ skulle vara som Pehr skulle behöva kritisera enligt ditt inlägg. Och jag kan öht inte se du förmår (eller nånsin förmått) ”kritisera extremister på båda sidor”.

    Det är fortfarande så att i stort sett samtliga av dem återfinns på din sida. Ofta dessutom försörjda av och tom profiterande på skattemedel.

    Angående Connolley kan han inte få sina Wikipediahärjningar ogjorda. Vad han ägnade sig åt där var precis sådan extremism som får vanliga människor att inse att ngt är ruttet bakom alla dessa ord. För övrigt har du inte förmått att säga ett negativt (kritiserande) ord om vare sig honom eller ngt av allt som framkom i Climate Gate … Tom Al Gore sökte du skydda mot anklagelser … för att inte nämna Mann!

  39. 48
    Astrid Å

    Heja Pehr B! :)

    Lars Bern berättar från ett möte han bevistat:

    ”Behållningen från mötet var något oväntat ett inlägg från Johan Kuylenstierna som numer är VD för Stockholm Environment Institute (SEI), där riksalarmisten Johan Rockström tidigare var chef. Kuylenstierna efterlyste en mer kritisk granskning från medierna av det han kallade för konsensusforskning på klimatområdet. Att klimatfrågan blivit så hårt politiserad menade han, hindrade en objektiv belysning. Det han pekade på var den stora osäkerhet rörande de faktiska sambanden och vad som styr klimatet som skapats av uppehållet i uppvärmningen.
    Han sa att det inte längre går att bortse från att den globala uppvärmningen avstannat i femton år trots en fortsatt kraftigt stigande koldioxidhalt i atmosfären. Eftersom forskarna är eniga om koldioxidens växthuseffekt, måste det finnas andra viktiga faktorer som påverkar klimatet. Problemet som han upplevde var att forskare som började studera sådana faktorer lättvindigt stämplades som skeptiker och i värsta fall klimatförnekare av politiserade skribenter. Det var en allvarlig hämsko på forskarna.”

    http://antropocene.se/2014/october/svordom-i-klimatkyrkan.html

    Det rör på sig…

  40. 49
    Björn

    Astrid Å [48]; Om klimatforskningen fortsatt skall ha någon trovärdighet, måste avvikelsen från hypotesen om AGW, leda till frågetecken som inte bara kan viftas bort. Fortsatt utplaning av den globala uppvärmningen är en betydande avvikelse. Om förhoppningsvis Johan Kuylenstierna är en tillräcklig auktoritet, så gick kanske någon hem med denna anomali i bakhuvudet och funderade. Det är mycket anmärkningsvärt att så många naturliga faktorer vid sidan av CO2, helt förbises. Det är både ett ovetenskapligt och antiintellektuellt ställningstagande. Är konsekvensen av en fallande solaktivitet mot en global temperatur liknande ett nytt Maunder Minimum, orsakat av AGW? Hur är det möjligt att våra politiker har kunnat lura sig själva in i ett sådant tankemönster att de förbiser alla möjligheter att kunna ha beredskap mot en egentligen okänd klimattutveckling?

  41. 50
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    Magnus #46,

    Tack!

    Jag har skickat artikeln på epost.

    Följande författare citerar några artiklar som rapporterar mätningar av den adiabatiska temperaturprofilen:

    McDougall, T. J. and Feistel, R., 2003. What causes the adiabatic lapse rate? Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers 50 (12): 1523-1535.

    De skriver bland annat:

    “The first physical determination of the adiabatic lapse rate of water was done by Thompson (1857), who correctly derived its negative nature in cool fresh water. The very useful concept of potential temperature was applied to the atmosphere originally by Helmholtz (1888), first under the name of ‘heat content’, and later renamed ‘potential temperature’ (Bezold, 1888b). These concepts were transferred to oceanography by Helland-Hansen (1912). The most modern measurements of adiabatic lapse rates are by R.ogener and Soll (1980) for pure water and Caldwell and Eide (1980) for salty water.”

    Den sistnämnda referensen är:

    Caldwell, D.R., Eide, S.A., 1980. Adiabatic temperature gradient and potential temperature correction in pure and saline water: an experimental determination. Deep-Sea Research 27A, 71–78.

  42. 51
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    Thomas #44,

    Din vokabulär lämnar en del övrigt att önska. Se vad Astrid Å skriver i #48 ovan.

    Jag tycker inte att klimatdebattörer, vare sig de alarmerar eller gör motsatsen, skall kallas för extremister. Det finns redan för mycket överord i klimatdebatten.

  43. 53
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    Lars C #36,

    Tack!

    Dina frågor är mycket relevanta men svaren kan sägas motsvara en betydande del av en lärobok i atmosfärfysik, dvs. det skulle bli en omfattande redogörelse. Jag kom nu in här dessutom under en sen timme. Men jag kan ta den första frågan om hur ”Hur skiljer sig den adiabatiska (teoretiska) temperaturen upp till tropopausen från den verkliga?”

    Detta beror på tid, inte minst tid på dygnet, och plats. Ofta kan temperaturprofilen bli adiabatisk mitt på dagen från marken och högt upp i atmosfären medan det på natten blir så kallad inversion där det till och med skulle kunna bli varmare, högre verklig temperatur alltså, längre upp. Detta beror på att den turbulenta värmetransporten avtar under klara stilla nätter och då hinner värmeöverföring genom strålning med att kyla de lågt liggande luftlagren.

    I genomsnitt över tid och rum så sjunker temperaturen med höjden i atmosfären upp till tropopausen med cirka 6,5 grader C per km. Detta har visat sig stämma med en adiabatisk temperaturprofil det också, nämligen om luften innehåller vattendroppar, den så kallade fuktiga adiabatiska temperaturprofilen. Termodynamiken blir annorlunda då eftersom det blir ett tvåfassystem. Att temperaturen för en avgränsad luftmängd som stiger upp i atmosfären minskar mindre beror på att vatten kondenserar på vattendropparna och avger ångbildningsvärme. Det är detta ångbildningsvärme som gör att temperaturen bara minskar 6,5 grader C per km i stället för cirka 10 grader C per km som man får om luften är torr utan vattenkondensering.

  44. 54
    Pehr Björnbom Inläggsförfattare

    Ingemar #31,

    Jag tror det är fråga om mer allmänna företeelser med bäring långt utöver klimatdebatten.

    Från en bokrecension i dagens DN inspireras jag till följande ord och fraser som kan passa in i sammanhanget ur ett allmänmänskligt perspektiv:
    http://www.dn.se/dnbok/bokrecensioner/gabriella-ahlstrom-sirener/

    Självgod, diktatorisk, sättet att krympa andra, pompös tro på saken, svidande förebråelser förtäckta till godhet.

    Men om än detta inte gäller alla så illustrerar det ändå något allmänmänskligt, såsom att vi alla är fjättrade vid vår personlighet, att den fria viljan att bestämma hur vi skall agera inte alltid är så fri som vi kanske tror. Detta är också en tolkning som jag gör av August Strindbergs berömda ord: ”Det är synd om människorna”.

Kommentarer inaktiverade.