MODTRAN antaa outoja tuloksia, osa 2

Kuva 1

MODTRAN on infrapunasäteilymalli, jolla on saavutettu hyviä simulaatiotuloksia jo kymmeniä vuosia sitten (Linkki). Kuvassa 1 on tämän kirjoitussarjani ensimmäisen osan kuva hieman täydennettynä. Aiempi ihmettelyni siitä, että pilvipeitteen alla hiilidioksidipitoisuuden muutos ei näy välittömänä säteilymuutoksena ilmakehästä pintaan suuntautuvassa säteilyssä saa nyt täydennyksekseen sen ihmettelyn, että vaikka pilvisellä säällä avaruuteen poistuva pitkäaaltoinen OLR-säteily onkin huomattavasti vähäisempää kuin kirkkaalla säällä, niin hiilidioksidipitoisuuden muutos näkyy varsin samantapaisesti. Vihreä ”OLR70km, pilvetön,standardi”-  ja violetti ”OLR70km, stratus,sandardi”-käyrät antavat tästä esimerkin standardi-ilmakehän osalta. Tämä voisi harhauttaa uskomaan, että CO₂:n pitoisuusmuutoksen pintalämpötilavaikutus on sama pilvipeitteestä riippumatta. MODTRAN kuitenkin vihjaa siihen suuntaan, että pintalämpötila ei muutu ollenkaan pilvipeitteisessä maassa, olipa hiilidioksidia enempi tai vähempi. Tässä siis pintalämpötilan muutosta odotetaan alas suuntautuvan säteilyn muutoksesta, mutta koska tämä DLR-säteily ei muutu, oletetaan pintalämpötilankin jäävän muuttumatta.

Edellä ei ehkä ole mitään oudoksi luettavaa, mutta sittenpä sitä saadaan, kun aletaan tutkailla MODTRANin antamia pintatehoarvoja. Kaavassa 2 RF on säteilypakote, jonka kerrotaan olevan palautteettomalla hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistumisella 3,7 W/m² ja lämpötilamuutoksen  (ΔT_s) olevan yhden kelvinasteen verran, jolloin ilmastoherkkyys λ saa arvon 0,27 K/(W/m²).

ΔTs = λRF  (Kaava 2)

Ilmastoherkkyys ei kuitenkaan ole mikään luonnonvakio eikä hiilidioksidin ominaisuus. Siihen ympätään myös seurannaisvaikutukset eli palautteet, jolloin käytetäänkin λ-lukemaa 0,8 K/(W/m²). Tällöin taas (ΔT_s) saakin arvon n. 3 K kaavasta 2 laskettuna.

MODTRAN ei anna palautevaikutuksille sijaa, vaan se voidaan nähdä silmänräpäyskuvana asetusten mukaisen järjestelmän alkutilasta. On varmaan kiinnostavaa, että pilvettömälle standardi-ilmakehälle MODTRAN antaa CO₂:n kaksinkertaistumisen säteilypakotteeksi hieman yleisesti käytettyä pienemmän arvon, 3,27 W/m², mutta kuivalle standardi-ilmakehälle vastaavaksi pakotearvoksi 6,4 W/m². Vesihöyryn vaikutus näkyy siis MODTRANissa varsin voimakkaasti ja pilvettömässä standardi-ilmakehässä vesihöyry onkin peittänyt miltei puolet hiilidioksidin absorptiosta tai säteilypakotteesta.

Vesihöyryn pitoisuusmuutoksen pakotevaikutus

Koska vesihöyry on selkeästi hiilidioksidia merkittävämpi IR-absorboija ja -säteilijä eli lämmöneriste ilmakehässä, yritin MODTRANista saada tämän muutoksen vaikutusta ulos. Kuva 2 kertoo tästä jotain. Kuvassa näkyy, miten yhden asteen lämpötilan muutos vaikuttaa pilvettömästä ilmakehästä alas tulevaan säteilyyn suhteellisen kosteuden pysyessä vakiona, käytännössä siis vesipitoisuuden kasvaessa.

Kuva 2.

Säteilyenergian muutos kuvan vasemman ja oikean puoliskon tilanteen välillä on 4,805 W/m². Siitä arviolta 0,7 W/m² on CO₂:n lämpenemisen osuutta ja vesihöyryn ”pakotevaikutus” yhtä astetta kohti on luokkaa 4,1 W/m².

Jos lasketaan välitön yhteispakote hiilidioksidipitoisuuden kohoamiselle esiteollisesta 280 ppm:stä 400 ppm:n ja yhden asteen kohoamiselle kirkkaassa ilmakehässä, saadaan 1,66 W/m² + 4,8 W/m² = n. 6,5 W/m².  Koska ilmaston lämpötila ei ole kohonnut ainakaan merkittävästi yli yhden asteen tällä tarkasteluajalla, välitön λ eli ilmastoherkkyys olisikin luokkaa 0,15 K/(W/m²).

Jos taas luotamme Wikipediastakin löytyvään arvioon hiilidioksidin kaksinkertaistamisen tasapainotilasta 3 K lämpötilan kohoamisineen, niin silloin arviolaskelma saa muodon 3,27 W/m² + 3*4,8 W/m² = n. 17,7 W/m². Tästä laskettu ilmastoherkkyys olisi 0,17 K/(W/m²). Yllättävästi kohtuullisen lähellä edellistä arviota.

Entä sitten?

Edellä olevasta selvinnee, että ilmastotieteen käyttämä kaavan 2 ilmastoherkkyyden λ-lukema on CO₂-priorisoitu. Eli siinä on ainakin vesihöyryn säteilyvaikutus ympätty hiilidioksidin ilmastoherkkyyteen. Tällä voinee olla merkitystä vesihöyryn itsenäisempää merkitystä korostavien esitysten osalta. Viittaan tässä mm. tohtoreihin Ollila ja Kauppinen.

Edellä laskemani ilmastoherkkyysarvot ovat kirkkaalle ilmakehälle, jolloin niitä ei pidä pitää koko ilmakehälle edustavina edes välittöminä eli palautteettomina lukemina. Olen tehnyt alustavia laskelmia, joissa eri pilvipeitemuodot ovat painoarvoisesti huomioituina.  Jatkoa saattaa seurata.

Linkkejä

https://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_forcing (Linkki) Artikkeli pilvipakotteesta. Ei näytä ottavan kantaa CO2-pakotteen häipymiseen pilvien alla.

https://en.wikipedia.org/wiki/Outgoing_longwave_radiation (Linkki) Artikkeli avaruuteen suuntautuvasta maapallon lämpösäteilystä.

https://scienceofdoom.com/2010/07/17/the-amazing-case-of-back-radiation/ (Linkki) Blogi aiheen liepeiltä.

https://judithcurry.com/2010/12/11/co2-no-feedback-sensitivity/ (Linkki) Curryn artikkeli samasta aiheesta.