Kun hiilidioksidin lisäys ei vaikuttanut ilmastoon

Vuonna 1861 John Tyndall julkaisi tuloksensa laboratoriokokeista, joissa hän osoitti tiettyjen kaasujen pysäyttävän lämpösäteilyä. Hiilidioksidi oli yksi näistä kaasuista. Tämän perusteella Tyndall päätteli, että muutos kasvihuonekaasujen määrässä aiheuttaisi välttämättä ilmastonmuutoksen (Tyndall, 1861). Svante Arrhenius julkaisi vuonna 1896 teoriansa kasvihuonekaasujen vaikutuksesta maapallon ilmastoon. Hänen laskujensa perusteella näytti siltä, että hiilidioksidin lisäys vaikuttaa voimakkaasti maapallon lämpötilaan (Arrhenius, 1896).

Alkaen vasemmalta: John Tyndall (1820-1893), Svante Arrhenius (1859-1927), Knut Ångström (1857-1910) ja Charles Greeley Abbot (1872-1973). Vaikka nämä herrat päätyivätkin eri kannalle hiilidioksidin toiminnasta ilmakehässä, he olivat silti kaikki mainioita tiedemiehiä.

Vuonna 1900 kuitenkin Knut Ångström julkaisi laboratoriokokeiden tuloksia (Ångström, 1900), joiden perusteella näytti siltä, ettei hiilidioksidi olisikaan kovin merkityksellinen kasvihuonekaasu. Ensinnäkin näytti siltä, että hiilidioksidin lisäys ei vaikuttanut juurikaan kaasun läpi menevän lämpösäteilyn määrään ja toiseksi hiilidioksidin absorptioalue näytti olevan päällekkäin vesihöyryn absorptioalueen kanssa. Tämä kaikki ei kuitenkaan ollut uutta tietoa, vaan esimerkiksi Rubens & Aschkinass (1898) olivat jo havainneet vesihöyryn ja hiilidioksidin päällekkäisyyden spektrissä ja he myös päättelivät ilmakehän olevan täysin läpinäkymätön aallonpituusalueella, joka käsitti myös hiilidioksidin. Ångströmin tutkimuksen jälkeen kuitenkin ajateltiin, että vesihöyryä on ilmakehässä paljon enemmän ja se on siten paljon merkittävämpi kasvihuonekaasu, joten näytti siltä, että vesihöyryn vaikutus peitti alleen mahdolliset hiilidioksidipitoisuuden muutoksista aiheutuneet vaikutukset, eikä lisähiilidioksidi siten aiheuttaisi lisää lämpenemistä. Tästä tulikin sitten yleinen käsitys kymmeniksi vuosiksi. Esimerkiksi Charles Greeley Abbot totesi (Abbot, 1920):

Kaksi muuta absorboijaa ovat kumpikin rajoittuneet omille verraten kapeille absorptioalueilleen spektrissä, mutta otsonin kaista noin 10 mikronin paikkeilla on alueella, jossa vesihöyry ei oikeastaan absorboi ollenkaan, kun taas hiilidioksidin absorptioalue noin 14 mikronin kohdalla on alueella, jossa myös vesihöyry absorboi voimakkaasti. Hiilidioksidin osuus ilmakehässä on käytännössä vakio, kun taas vesihöyry ja otsoni vaihtelevat. Niinpä, vaikka vesihöyry on varmasti kaikkein tärkein näistä kolmesta, otsoni luultavasti vähäisestä määrästään huolimatta, ja vaikka ei varmasti ole voimakkaampi absorboija kuin hiilidioksidi, ansaitsee tulla mainituksi toiseksi tärkeimpänä tämän kummallisen asiavyyhden selvityksessä.

Otsoni näytti siis tuossa vaiheessa tärkeämmältä kuin hiilidioksidi. Abbot myös mainitsi, että otsonin kehitystä ilmakehässä kannattaisi pitää silmällä. Tässä yhteydessä on huomattava, että tuossa vaiheessa ei ollut vielä tarpeeksi hyviä mittauksia ilmakehän hiilidioksidipitoisuudesta, minkä takia pitoisuus näytti vakiolta, vaikka se tuossa vaiheessa oli jo hienoisessa nousussa (tämä on havaittu jälkeenpäin jäätiköiden jääkairanäytteissä olevista ilmakuplista, jotka tallentavat menneiden aikojen ilmakehän kasvihuonekaasupitoisuudet). Simpson (1929) myös käsitteli asiaa ja luetteli kolme syytä, miksi hiilidioksidin lisäys ei ole merkityksellinen asia ilmakehässä. Hänen mukaansa hiilidioksidin absorptiokaista oli liian kapea, jotta sillä voisi olla suurta merkitystä. Toinen syy oli aiemmin mainittu hiilidioksidin ja vesihöyryn absorptiokaistojen päällekkäisyys ja kolmantena syynä hän mainitsi, sen että nykyinen ilmakehän hiilidioksidimäärä absorboi jo täyden määrän absorptiokaistasta, eikä hiilidioksidin lisäys sitä enää muuttaisi merkittävästi. Tässä yhteydessä puhutaan absorbtiokaistan kyllästymisestä.

Oli siis yleinen käsitys, että hiilidioksidin lisäys ei vaikuttaisi merkittävästi maapallolta poistuvaan lämpösäteilyyn, eikä se niin ollen myöskään vaikuttaisi maapallon lämpötilaan. Oli kuitenkin joitakin soraääniä, joiden mielestä hiilidioksidi vaikutti lämpötilaan. Hulburt (1931) suoritti asiaan liittyvää laskentaa Arrheniuksen tapaan ja antoi tukensa Tyndallille ja Arrheniukselle:

Lasku osoittaa, että hiilidioksidin määrän kaksin- tai kolmikertaistuminen ilmakehässä nostaa keskimääräistä merenpinnan tason lämpötilaa noin 4° ja 7°K [suom. huom. astemerkkejä ei yleensä käytetä Kelvin-asteikossa]. Hiilidioksidin puolittaminen tai pudottaminen nollaan laskee lämpötilaa samanlaisella määrällä. Sellaiset lämpötilan muutokset ovat suurinpiirtein samoja kuin ne, jotka tapahtuvat maapallon siirtyessä jääkaudesta lämpimään kauteen tai toisinpäin. Niinpä tämä lasku osoittaa, että jääkausien hiilidioksiditeoria, jota alunperin ehdotti Tyndall, on mahdollinen teoria.

Hulburtin työ jäi kuitenkin vaille huomiota. Myös Callendar (1938) päätyi johtopäätökseen, että hiilidioksidilla on lämmittävä vaikutus. Callendar havaitsi, että maapallon lämpötila oli kasvamassa, joten hän teki yhteenvedon vanhoista ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden mittauksista ja sai tulokseksi, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli kasvussa. Hän myös esitti laskennan, jonka perusteella hiilidioksidilla olisi voimakkaasti lämmittävä vaikutus. Callendarin tuloksia ei kuitenkaan hyväksytty tieteellisissä piireissä. Hiilidioksidipitoisuuden nousua epäiltiin, koska sen mittaukset olivat niin epätarkkoja. Callendarin laskennassa oli myös puutteita, jotka myötävaikuttivat hänen tuloksiensa yleiseen hylkäämiseen. Hänen työnsä herätti kuitenkin tarpeeksi mielenkiintoa, jotta asiaa alettaisiin jälleen tutkimaan tarmokkaammin.

Laboratorioissa myös jatkettiin puurtamista kaasujen absorptio-ominaisuuksien kimpussa. Martin & Barker (1932) osoittivat, että hiilidioksidin absorptiokaistat itse asiassa koostuvat monista eri absorptioviivoista, jotka aiheutuivat hiilidioksidimolekyylin eri värähtelytiloista. Tämä tarkoitti sitä, että hiilidioksidin absorptiokaista ei ollutkaan täysin kyllästynyt, vaan yksittäisten viivojen välissä oli tilaa lisäabsorptiolle.

Strong & Plass (1950) tutkivat paineen vaikutusta ilmakehän kaasujen lämpösäteilyn absorptio-ominaisuuksiin. He havaitsivat, että ominaisuudet muuttuvat korkeuden mukaan. He osoittivat, että ylempänä ilmakehässä lämpösäteilyn absorptiota tapahtuu vähemmän kuin ilmakehän alaosissa. Niinpä ilmakehän alaosien säteilemää lämpösäteilyä pääsee karkaamaan ilmakehästä. Syy tähän on se, että absorptioalueet ovat leveämpiä alailmakehässä kuin yläilmakehässä, jolloin alailmakehän lähettämä lämpösäteily absorptioalueen reunoilla pääsee esteettä avaruuteen, koska ylemmän ilmakehän kapeampi absorptioalue ei ulotu alailmakehän absorptioalueen reunalle. Se on kuin yrittäisi tukkia kahden senttimetrin reiän vesitynnyrissä yhden senttimetrin paksuisella tapilla. Tämä on tärkeä havainto tässä keskusteltavan ongelman kannalta. Vaikka hiilidioksidin absorptioalue olisikin kokonaan kyllästynyt ilmakehän alaosissa, se ei ole kyllästynyt ylempänä ja hiilidioksidin lisäys aiheuttaa lisää lämpösäteilyn absorptiota. Strong & Plass eivät kuitenkaan itse ottaneet paljon kantaa juuri tähän asiaan, vaan keskittyivät enemmänkin analysoimaan stratosfääriin liittyviä asioita. Silti he mainitsivat:

Yhtälön (18) mukaan hiilidioksidin ilmakehästä pidättämän säteilyn määrä kasvaa hiilidioksidipitoisuuden neliöjuurena. Koska ilmakehän lämpötila on alempi kuin maapallon pinnan, pinnan lämpötila nousee kun hiilidioksidipitoisuus kasvaa.

Gilbert Plass oli sitten se henkilö, joka lopullisesti ratkaisi ongelman. Vuonna 1956 hän julkaisi tutkimuksensa tulokset (Plass, 1956), jossa hän oli käyttänyt viimeisimpiä laboratoriomittauksia kasvihuonekaasujen absorptio-ominaisuuksista ja laskennallisella mallilla määritellyt säteilyn kulun ilmakehässä (75 kilometrin korkeuteen saakka) hiilidioksidin tärkeimmällä absorptiokaistalla. Hänen mallinsa huomioi muun muassa absorptioviivojen paine- ja Doppler-levenemiset ja spektriviivojen päällekkäisyydet. Hänen tuloksiensa mukaan hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistuminen aiheuttaisi 3,6°C lämpenemistä maapallon pinnalle. Tämän tuloksen lisäksi Plass myös antoi vastaukset kaikkiin argumentteihin, joiden takia hiilidioksidin ei pitänyt aiheuttaa maapallon pinnan lämpenemistä. Plass (1956b) kirjoitti aiheesta yleistajuisen artikkelin, joka sattuu olemaan nykyään vapaasti kaikkien luettavissa. Tässä artikkelissa on vastaukset edellä mainittuihin argumentteihin. Ensin vesihöyryn ja hiilidioksidin päällekkäisyys:

Se tosiasia, että vesihöyry absorboi jossain määrin samalla spektrin alueella kuin hiilidioksidi, on tavallisesti perustana hiilidioksiditeorian vastustukselle. Tässä argumentissa vesihöyryn absorptio on niin voimakasta, ettei uloslähtevässä säteilyssä tapahtuisi käytännössä muutosta vaikka hiilidioksidipitoisuus muuttuisi. Tämä johtopäätös perustuu kuitenkin varhaisiin, hyvin likimääräisiin tarkasteluihin tästä monimutkaisesta ongelmasta, joka on ilmakehän infrapunavuon laskeminen. Uudemmat ja tarkemmat laskut, jotka ottavat huomioon näiden kahden kaasun spektrin yksityiskohtaisen rakenteen, osoittavat niiden vaikutuksen infrapuna-absorptioon olevan verrattain riippumattomia toisistaan. Tälle tulokselle on kaksi olennaista syytä: (1) hiilidioksidin ja vesihöyryn spektriviivojen taajuudet eivät korreloi keskenään, joten viivat eivät yleensä ole päällekkäin johtuen viivojen lähes samasta paikasta spektrissä [suom. huom. Plass sanoo asian tässä hiukan epäselkeästi – hän tarkoittaa, että suurin osa hiilidioksidin ja vesihöyryn spektriviivoista eivät ole päällekkäin]; (2) vesihöyrypitoisuuden osuus ilmakehässä vähenee nopeasti korkeuden myötä, kun taas hiilidioksidi on melkein tasaisesti jakautunut. Tästä viimeisestä tosiasiasta johtuen, vaikka vesihöyryn absorptio olisikin hiilidioksidin absorptiota voimakkaampaa tietyllä spektrialueella maapallon pinnan tasolla, niin vain lyhyen matkan päässä pinnan yläpuolella hiilidioksidin absorptio olisi huomattavasti voimakkaampaa kuin vesihöyryn absorptio.

Sitten hiilidioksidin absorptiokaistan kyllästyminen:

Vielä yksi vastaväite on annettu hiilidioksiditeorialle: ilmakehä on täysin läpinäkymätön hiilidioksidikaistan keskellä ja siten hiilidioksidin määrän vaihtelu ei aiheuta muutoksia absorptioon. Tämä on aivan totta noin yhden mikronin leveydeltä hiilidioksidikaistan keskustan kummallakin puolella. Argumentti kuitenkin jättää huomiotta ne sadat hiilidioksidin absorptioviivat, jotka ovat tämän täydellisen absorption alueen ulkopuolella. Hiilidioksidin määrän vaihtelu vaikuttaa eniten spektrikaistoilla, jotka ovat vain osittain läpinäkymättömiä; maapallon pinnan lämpötilan vaihtelu on määritelty absorption muutoksilla, jotka tapahtuvat sellaisilla kaistoilla.

Siispä hiilidioksidin muutos vaikuttaa lämpötilaan, koska tarkemmin katsottuna hiilidioksidin lämpösäteilyn absorptio ei olekaan päällekkäin vesihöyryn absorption kanssa ja vesihöyry absorboi voimakkaammin ainoastaan ilmakehän alaosissa, sekä hiilidioksidin absortioalueiden tietyn alueen kyllästyminen on jo huomioitu laskennassa, joka silti antaa tulokseksi maapallon pinnan lämpenemistä hiilidioksidipitoisuuden lisäykselle.

Tämä ongelma siis ratkaistiin vuonna 1956, yli 50 vuotta sitten. Ratkaisu on myös hyvin suoraviivainen ja helposti ymmärrettävä, eikä sen pitäisi jättää epäselvyyksiä. Silti näitä jo ratkaistuja väitteitä yhä esitetään julkisilla foorumeilla ikään kuin niitä ei olisi ratkaistu.

Kiitos hyvistä kommenteista Jarille, Kaitsulle ja AJ:lle.

Lähteet

Abbot, C. G., 1920, ”The larger opportunities for research on the relations of solar and terrestrial radiation”, PNAS, 6, 82-95, [koko artikkeli]

Arrhenius, Svante, 1896, ”On the Influence of Carbonic Acid in the Air Upon the Temperature of the Ground.” Philosophical Magazine 41: 237-76, [koko artikkeli]

Callendar, G. S., 1938, ”The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature”, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Volume 64 Issue 275, Pages 223 – 240, [tiivistelmä]

Fleming, James R., 2002, ”The carbon dioxide theory of climate change: emergence, eclipse, and reemergence, ca. 1850–1950”, 13th Symposium on Global Change and Climate Variations, AMS, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Hulburt, E. O., 1931, ”The Temperature of the Lower Atmosphere of the Earth”, Physical Review, vol. 38, Issue 10, pp. 1876-1890, [tiivistelmä]

Martin, P. E., Barker, E. F., 1932, ”The Infrared Absorption Spectrum of Carbon Dioxide”, Phys. Rev. 41, 291–303, [tiivistelmä]

Plass, G. N., 1956, ”The influence of the 15u carbon-dioxide band on the atmospheric infra-red cooling rate”, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Volume 82 Issue 353, Pages 310 – 324, [tiivistelmä]

Plass, Gilbert N., 1956b, ”Carbon Dioxide and the Climate” – artikkeli uudelleenjulkaistiin vuonna 2010: American Scientist, Volume 98, Number 1, Page: 58, DOI: 10.1511/2010.82.58, [koko artikkeli]

Rubens, H.; Aschkinass, E., 1898, ”Observations on the Absorption and Emission of Aqueous Vapor and Carbon Dioxide in the Infra-Red Spectrum”, ApJ, 8, 176, [tiivistelmä ja koko artikkeli]

Simpson, 1929 – tieto on peräisin lähteestä Fleming (2002), joka ei anna tarkkaa viitettä tähän.

Strong, John, Plass, Gilbert N., 1950, ”The Effect of Pressure Broadening of Spectral Lines on Atmospheric Temperature”, Astrophysical Journal, vol. 112, p.365, [tiivistelmä ja koko artikkeli]

Tyndall, John, 1861, ”The Bakerian Lecture: On the Absorption and Radiation of Heat by Gases and Vapours, and on the Physical Connexion of Radiation, Absorption, and Conduction”, Proc. R. Soc. Lond. 11:100-104; doi:10.1098/rspl.1860.0021, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Weart, Spencer, 2009, ”The Carbon Dioxide Greenhouse Effect”, [koko artikkeli]

Ångström, Knut, 1900, ”Ueber die Bedeutung des Wasserdampfes und der Kohlensäure bei der Absorption der Erdatmosphäre”, Annalen der Physik, Volume 308 Issue 12, Pages 720 – 732, [tiivistelmä (saksankielinen)]

Mainokset

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: