Hur kyls jorden?

Jag har skrivit förr att ibland är det, åtminstone för mig, ett äventyr och det kan bli en lång resa (huvudsakligen på nätet) när jag ska skriva ett inlägg på KU. Det här inlägget har nog givit upphov till en av de längsta resorna av alla inlägg jag skrivit.

Det har också framtvingat en fundering på varför blev jag skeptisk trots att jag egentligen inte visste så mycket om hur klimatet fungerar eller om på vilket sätt en ökning av koldioxidhalten påverkar klimatet. Svaret är för min del att det jag reagerade på var klimatpolitiken – inte så mycket på koldixodhypotesen i sig. Jag brukade säga i början av min tid som skeptiker att ”om koldioxiden är ett problem så är biobränslen inte lösningen”.

Senare upptäckte jag att argumenten för koldioxidhypotesen var mycket svagare än jag anade, och när det gått några år och uppvärmningen mer eller mindre upphörde så blev det ju lättare och lättare att förbli skeptisk. Jag vill gärna tillägga att jag kan inte annat än bli full av skratt när jag läser dessa psykologer och deras försök att sätta en diagnos på oss skeptiker – framför allt när de vill göra oss till auktoritetstroende.

Nåväl, jag fick ganska tidigt en förklaring till hur en högre koldioxidhalt skulle kunna påverka temperaturen och den förklaringen tycks fortfarande vara den som gäller. Det jag tycker är besvärligt är att jag tycker att det är svårt att kvantifiera effekten.

Det här inlägget följer på de inlägg jag haft de senaste veckorna och som började med att jag hade läst om ett av många ”utdöenden” i jordens historia, det som ägde rum i slutet av Perm för 250 miljoner år sedan. Det inlägget kallades Jordens historia – en fråga om eoner.

I samband med det inlägget upptäckte jag att det där motargumentet som brukar dras när vi skeptiker påpekar att koldioxidhalten varit minst 8 gångerhögre (d.v.s. tre fördubblingar) högre, nämligen att solen då var ”mycket svagare”, helt enkelt är ett ganska dåligt argument, eftersom det handlar om en tid när solen möjligen var 1% svagare än idag.

I samband med att jag skrev nästa inlägg som fick heta Geoengineering, och som egentligen var ett sidospår, upptäckte jag att havens medeltemperatur lär vara 3,5 grader. Titeln på inlägget relaterade till att jag insåg att om vi vill kyla ner jorden (något jag definitivt inte vill) så borde det enklaste sättet vara att få upp lite kallt vatten ur havsdjupen.

Det tredje inlägget Om jordbanans betydelse för klimatet, var den mer direkta uppföljningen av det första eftersom det jämförde skillnaden i solens ljusstyrka med avståndet till solen under olika delar av året. Den för mig intressantaste iaktagelsen i samband med skrivandet av det inlägget var att det inte är instrålningen som förändras när avståndet till solen är längre utan det är att utstrålningen ökar under det halvåret..

Det kan möjligen finnas en anledning att återkomma till jordbanan och Milankovic-cyklerna i ett senare inlägg.

Det fjärde och hittills senaste inlägget fick heta Om Jordens strålningsbalans. I samband med att jag skrev det inlägget konstaterade jag att jag i stort sett kunde härleda Kiehl-Trenberths diagram över jordens energibalans utifrån 4 antaganden. Det handlade om solarkonstanten på 1360 W/m2, albedot på 30%, en medeltemperatur om 15o Celsius, samt att nederbörden är 1 m/år. Det inlägget ledde till ett stort antal intressanta kommentarer och följdfrågor. En kommentar som gett mig mycket arbete kom från signaturen tty.

Jag hade skrivit att när en IR-foton fångas av en växthusgasmolekyl och sedan avger den igen så är sannolikheten nästan en halv för att den ska återstråla till jorden. Det tty påstod var att den förväntade tiden till dess att den avgav en foton var så lång att molekylen dessförrinnan råkat ur för ett stort antal krockar med andra molekyler. Det innebär i sin tur att en del av den ökade energin avgivits som lokal värme.

Den kommentaren har gett mig stora bekymmer, jag har nämligen letat och letat men inte kunnat hitta några siffror på den förväntade väntetiden. Men letandet har varit intressant och jag har fått mig en hel del annat till livs. Innan jag fortsätter vill jag passa på att tacka både tty och Peter Stilbs för hjälp med att leta efter olika länkar.

Jag har ännu inte hittat någon siffra på väntetiden, men jag har åtminstone, givet att jag litar på lite olika sifferuppgifter, kunnat räkna ut ”väntetiden fram till den första krocken”. De siffror jag hittat är att medelhastigheten för en kvävemolekyl vid rumstemperatur är ungefär 422 m/s, och att den ”fria medelväglängden” i vanlig luft är ungefär 68 nm (nanometer = 10-9 meter), vilket kan jämföras med storleken på ungefär 0,37 nm och avståndet mellan dem på 3,3 nm. Vi kan då räkna ut att den förväntade tiden är ungefär 68nm/422 m/s vilket blir 0,16 nanosekunder.

Om jag hade hittat några uppgifter om väntetiden till det att en molekyl avger sin foton så hade jag tänkt mig att ta ”huvudfallet”, där utstrålningen sker över ett ganska varmt hav och den molekyl som fångar den är en vattenmolekyl som ”börjar vibrera”, men det får anstå till ett möjligt nästa inlägg. I vilket fall som helst så konstaterar jag att om väntetiden handlar om minst ett tiotal nanosekunder så hinner den med ganska många kollisioner innan den eventuellt skickar iväg en foton.

Vad det egentligen handlar om är att när det gäller jordens energibalans så är det några saker som är relevanta. Först instrålningen med hänsyn taget till albedot och sedan utstrålningen. När det gäller uppvärmningen som beror av instrålningen så är det visserligen så att en liten del fastnar i atmosfären men det mesta värmer jordytan och främst haven. När det gäller avkylningen så är det i viss mån två steg. Det första är avkylningen av jordytan och det andra är utstrålningen till rymden.

Jag hoppas att jag i ett framtida inlägg kan gå närmare in på frågan om hur avkylningen av jordyten och därmed uppvärmningen av atmosfären går till. I detta inlägg kommer jag att begränsa mig till att mer eller mindre följa en kommentar av tty i mitt inlägg om strålningsbalansen.

Utstrålningen till rymden kan egentligen uppdelas i tre fraktioner. Dels har vi den som kommer direkt ifrån ytan genom det som kallas det atmosfäriska fönstret, dels den som kommer ifrån vatten högt uppe i atmosfären, dels den som kommer ifrån koldioxid i atmosfären.

Om vi ser på en figur om hur jorden ter sig ifrån världsrymden så ser vi att i det atmosfäriska fönstret där strålningen kommer direkt från ytan så dominerar de varma haven eftersom den följer en Planck-kurva för en temperatur om 22 till 23 grader.

De två groparna i spektrat är koldioxiden och ozonet som kommer från nivåer där temperaturen är -50 (för koldioxid) och -30 för ozon. För vatten kan man i stort sett utläsa den förväntade temperaturen om -19 grader.

Jag fick ytterligare en länk av tty som är intressant eftersom den visar spektrat över olika delar av jorden, i tur och ordning Sahara, Atlanten och Antarktis,

Till sist, utstrålningen från jorden ska avläsas som arean under kurvan i den första av figurerna, den som visar hur jorden ser ut från världsrymden. En ökning av koldioxidhalten fördjupar koldioxidgropen. Det brukar ofta antas att detta lett till en obalans om ungefär 1 W/m2. Den fördjupningen ska kompenseras av en höjning av hela kurvan.

Det är det som klimatmodellerarna har räknat på sedan åtminstone början av 1980-talet, och kommit fram till att för att få balans så måste temperaturen höjas med mellan 1,5 och 4,5 grader.

Dela detta inlägg

21 reaktion på “Hur kyls jorden?

  1. 1
    Håkan

    Hej

    Du skriver inledningsvis ”om koldioxiden är ett problem så är biobränslen inte lösningen”. Finns det något tidigare inlägg på KU som behandlar detta och som du kan referera till, eller någon annan länk på området?

  2. 2
    Lasse

    Sten
    Det senare diagrammet:
    ”Jag fick ytterligare en länk av tty som är intressant eftersom den visar spektrat över olika delar av jorden, i tur och ordning Sahara, Atlanten och Antarktis,”
    Fick mig att fundera över Arktis med eller utan is. Förra årets isläggning följdes med viss insikt i processen.
    Går det att dra några slutsatser när vattenytan successivt isoleras med is. Hur stor blir då skillnaden i utstrålning?

  3. 3
    Sten Kaijser Inläggsförfattare

    Hej Håkan,

    i ett par inlägg ifrån 2011 tar jag upp biobränslen som ett problem och ger en modell för vad som händer om de fossila bränslena fasas ut och ersätts med biobränslen.

    Lasse,

    det är säkert många som funderar på din fråga och en del hoppas kanske att de kan göra vettiga beräkningar. Jag kan det inte.

  4. 4
    Ivar Andersson

    #1 Håkan
    Biobränsle frigör av växterna bunden koldioxid till atmosfären. Om halveringstiden är 20 år kommer biobränslet vi eldar idag att bidra till att höja atmosfärens koldioxidhalt under minst 20 år. Eldar vi biobränsle kontinuerligt kommer biobränslet att höja atmosfärens koldioxidhalt under kanske hundra år innan biobränslet bidrag stabiliseras och inom hundra år är katastrofen ett faktum enligt de klimathotstroende.

  5. 5
    Simsson

    #4 Ivar Andersson

    På vad baserar du antagandet att CO2 har en halveringstid på 20 år? Visar inte ”bombkurvan” och ett relativt stort antal undersökningar på en betydligt kortare halveringstid?

  6. 6
    Lasse

    #3 Sten
    Räcker det inte med att konstatera att göra som du påpekar på de bägge figurerna?
    ”Till sist, utstrålningen från jorden ska avläsas som arean under kurvan i den första av figurerna, den som visar hur jorden ser ut från världsrymden”
    Det verkar enkelt.
    WUWT har en betraktelse från Willis E om samma fråga:
    https://wattsupwiththat.com/2017/12/14/where-the-temperature-rules-the-sun/
    Varför värmer inte solen ekvatorns vatten i den utsträckning som förväntas?

  7. 7
    Björn

    Ivar Andersson [4]; Du använder ordet halveringstid i samband med CO2, vilket förleder tanken till radioaktiva ämnens halveringstid. Du menar förmodligen uppehållstid i atmosfären vilket är en annan sak och i samband med det så är uppehållstiden för CO2 kontroversiell, med andra ord, spekulerande antaganden.

  8. 9
    Lasse

    #8 Kristian
    Precis så tänker jag. Men vi såg i vintras hur växthuseffekten hindrade temperaturen gå ner till -30 eftersom vatten fanns i atmosfären. Detta fortgick fram tills allt vatten hade snöat ner och sen fick vi den temperatur som utstrålningen i en torr atmosfär ger. (graf b övergick till graf c) Summan av utstrålning (på grund av den varmare atmosfären) ökade är min tes!
    Här finns en annan graf i dagens tema där CO2 fönstret visas:
    https://static.wixstatic.com/media/c266e2_f451d4a5ceaa4870b1477d40dc6db2c0~mv2.jpg

  9. 10
    Björn

    Flera här har ju länkat till Willis Eschenbach artikel i WUWT vilken passar väl in här i sammanhanget. Den är mycket läsvärd. Han har ju tidigare skrivit om denna tropikernas termostat vilken som hypotes är mycket trovärdig. Om vi talar om avkylning i allmänhet, så blir vi påminda om vad en frånvarande sol innebär. Avkylningen blir tveklöst inte obetydlig över tid om så någon hundradels procent i dess intensitet berövas oss.

  10. 11
    Kristian Fredriksson

    #9 Lasse.

    Jag tycker DMI:s diagram på temperaturen i Arktis tydligt visar hur fort och kraftigt temperaturen växlar här på vintern och det måste ju vara värmevågor som sköljer in då jag har svårt att tro att växthuseffekten kan orsaka så kraftiga svängningar så snabbt. Här kan man klicka på olika år och jämföra hur det har sett ut förr. Att temperaturen kan variera så kraftigt tyder ju på att växthuseffekten är svag, men det kan möjligen också bero på att det är få mätpunkter som genererar medeltemperaturen förstås. Vår käre Gustav Fridolin använde ju en sådan temperaturstegring förra året för att hota med jordens undergång. Han hade förmodligen inte en susning om hur det brukar vara där om han inte är så falsk att han medvetet kommer med Fake News. Han skall ju vara intelligent så i hans fall vet man ju inte. Den normale Miljöpartisten saknar förmodligen kunskap helt, men med honom vet jag inte riktigt. En 8 C högre temperatur än normalt borde ju med tanke på den svaga växthuseffekten där innebära en rejält ökad utstrålning. Något kring 15 procent mer än normalt just nu och det innebär ju en rätt kraftig avkylningseffekt som jag förstår det. Så att polerna är varmare än normalt är givetvis en viktig reglerande faktor för nerkylningen.

    http://ocean.dmi.dk/arctic/meant80n.php

  11. 12
    Karl Eider

    Sten.

    Har hittat följande angående tid innan CO2-molekylen emitterar IR-foton och tid mellan ”molekylkrock”:

    ”The relaxation time (amount of time that passes between absorption and emission of a photon by a molecule) for CO2 in the atmosphere is about 6 µsec. The elapsed time between collisions between gaseous molecules at sea level average temperature and pressure is about 0.0002 µsec.”

    http://globalclimatedrivers2.blogspot.se/2016/08/climate-changedrivers-summary.html

    Och referenser:
    http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/qj.49709540302/abstract
    http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1967/TF/TF9676302093#!divAbstract

    För att beräkna ”väntetid” för krock
    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Kinetic/frecol.html

  12. 13
    Lasse

    #11 Kristian
    Jag tolkar in något annat i dessa temperaturkurvor-vatten!
    Normalen är ju tydlig i dessa diagram.
    Avvikelsen från normalen är när luften innehåller vatten som förhindrar utstrålningen.
    Ok kalla det för väder och värme. Men det är något som förhindrar utstrålningen från marken, men inte från atmosfären. Ovan molnen är himlen svart och kall.
    Fast AGU mötet ger andra förklaringar. När isen försvinner så värms vattnet av solen-så nu vet ni!
    https://www.youtube.com/watch?v=FYTQJ6gCwMw

  13. 15
    Ivar Andersson

    #5 Simsson
    #7 Björn
    Givetvis ska det vara uppehållstid. Om den är 7 år eller 100 år vet jag inte. Jag drog till med halveringstiden 20 år bara för att det efter 100 år inte skulle vara mycket kvar. Det jag ville visa var att biobränslens utsläpp av koldioxid ökar atmosfärens koldioxid under en period innan bidraget från biobränsle stabiliseras.

  14. 16
    GoranA

    Atmosfären består inte bara växthusgaser utan också syre och kväve som har samma temperatur. Vilket innebär att de också måste fånga energi men också kunna avge denna energi. Om dessa gaser bara kan värmas i kontakt med havet eller marken. Hur blir de då av med sin energi. Man brukar räkna med att genomsnittshastighet för luftmolekyler är 500 m/s.

  15. 17
    Peter Stilbs

    #16 – missförstånd. Kväve och syre utbyter givetvis energi obehindrat med ex koldioxid – genom kollisioner. Det gäller såväl translationsenergi, vibrationsenergi och rotationsenergi.

  16. 18
    GoranA

    #17, 16
    Jag med på att luftmolekyler kan utbytta energi med varandra vid kontakt. I min undran ligger frågan varför, som det låter på diskussionen, är det bara är växthusgaserna ges ansvaret för att Jorden är 33°C varmare än en planet utan atmosfären. Som jag ser det borde syre och kväve bidra till att bromsa utstrålningen genom alla dessa kollisioner innan de också strålar ut sin energi via fotoner, för hur blir de annars av med sin energi på toppen av atmosfären.
    Skulle inte Jorden ha en högre temperatur än utan även om vattenånga och koldioxid?

  17. 19
    Lars Cornell

    #18 GoranA. #12 KE
    Jag håller helt med. 90% av energin går ned i haven. Därifrån letar den sig åter uppåt på olika sätt, som konvektion, molekyler i kontakt med varandra och som infraröd strålning. Det är ju en slags växthuseffekt utan inblandning av de gaser som tar emot energi med en frekvens och avger den med en annan frekvens.

    Uppgiften 500 m/s var intressant. Det innebär att de rör sig snabbare än ljudhastigheten.
    0.0002 µsec mellan kollisionerna var uppseendeväckande kort tid. Kan det verkligen vara sannt?
    Jag trodde att molekylerna åtminstone i stratosfären flög iväg flera meter utan krock.

    Om vi tar bort alla växthusgaser som koldioxid, vattenånga mfl, vilken temperatur får vi då?
    Ju mer jag lär mig desto mer börjar jag förstå att det intressanta med strålningsbalansen sker i stratosfären. Troposfären är mest en transportsträcka.

  18. 20
    Sten Kaijser Inläggsförfattare

    Hej Göran och Lars,

    den hastighet jag hittade med hjälp av Peter S var hastigheten 422 meter per sekund för kväve. Hastigheten är omvänt proportionell mot molekylvikten så att om 422 är rätt så ger det 396 för syre, ungefär 520 för vatten och ungefär 334 för koldioxid. Nu ska man veta att hastigheten beskrivs av Maxwell-fördelningen som är en tredimensionell helt symmetrisk normalfördelning, så att exakt hur medelhastigheten räknas ut vet jag inte just nu (men det kommer). Hur som helst så har jag ju också medelfrivägen på 68 nanomater vilket med en hastighet om 400 meter per sekund ger en tid om 0,17 nanosekunder mellan krockarna. Jag hoppas att jag ska hitta siffror om medelfrivägen för fotoner också så småningom. Då kan man kanske räkna ut sannolikheten att en ”uppåtriktad foton” ska smita ut oupptäckt i rymden.

  19. 21
    DG

    # 20 Sten

    Maxwell-Boltzmann-fördelningen är inte en symmetrisk normalfördelning när farten beaktas. Den har en faktor v^2 som ger en ”skewness” till fördelningen (den isotropa situationen ger en v^2-faktor när man transformerar till sfäriska koordinater). Den har således ett maxvärde som inte sammanfaller med väntevärdet, eller rms-värdet. Alla tre är mått på hastigheten, men rms-värdet är väl mest intressant eftersom det direkt relaterar till den termodynamiska kinetiska medelenerginenergin E=3/2 kB T (E = 1/2 m v_rms^2).

    När del gäller mfp:ths för fotoner vet jag inte om det är så intressant egentligen. Den intressanta storheten borde vara det optiska djupet för atmosfären, som då är parametern som anger det exponentiella avtagandet för intensiteten under en vägsträcka genom atmosfären.

    Generellt när det gäller grundfrågan (energitransport) så är jag inte övertygad att mikroskopiska modeller bidrar så mycket till förståelse. I grunden så är problemet termodynamiskt, så en uppsättning fenomenologiska ekvationer behöver ställas upp. Dessa måste i sin tur kompletteras genom ett antal parametrar behöver fixeras. Antingen med empiriska mätningar, eller med hjälp av statistisk fysik och transportteori. Det finns många fallgropar när man ger sig in på att modellera den mikroskopiska sidan, och det är inte givet att man får en djupare förståelse. Jag såg ju Claes Johnsons försök att behandla svartkroppsstrålning nu nyligen, vilket ser ut att vara ett exempel på att det finns fallgropar att falla i om man inte är försiktig. Han har fått ett svar på sin blogg där den som skriver just begränsar sig till fenomenologisk termodynamik ( https://claesjohnson.blogspot.se/2017/12/update-of-talk-at-climate-sense-2018.html#comment-form ). Det är ett riktigt snyggt inlägg eftersom alla funderingar kring den mikroskopiska situationen är koncentrerade i att bestämma den konstant som den som kommenterar har kallat beta. Men värdet på beta är inte intressant för just den diskussionen.

Kommentarer inaktiverade.