Maapallon pintalämpötila

Ilmastotutkimukseen sekä sitä sivuaviin tutkimusaiheisiin liittyvät keskustelut

Valvoja: Hallitus

AJJ
Viestit: 11
Liittynyt: 04.03.2010, 01:05:07

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja AJJ » 05.04.2018, 00:59:56

Tämä on tosiaan ihan selvää perusfysiikkaa. Esim. meteorologian opinnoissa, joita olen opiskellut, ja fysiikan, joita myös, ja työkseni teen, ovat ihan selviä asioita. Onko tosiaan niin, että tätä ei ole otettu huomioon? En tiedä, mutta olet kärsivällisesti jaksanut tätä pitää esillä ja selittää. Kiitos!

unbiased
Viestit: 1250
Liittynyt: 13.01.2015, 09:31:57

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja unbiased » 05.04.2018, 11:23:14

Kiitoksia palautteesta nimimerkki AJJ. Aihetta on lukenut jo yli 2300 henkilöä. :)
Esimerkkinä oli saunailmiö, jossa ilman energia lisääntyi ja lämpötila aleni. Olisi mukava, kun löytyisi ilmastotieteessä esimerkki, jossa näin tapahtuu luonnossa. Carbon vihjaama Föhn-tuuli oli vastaava esimerkki päinvastaisesta tapahtumasta, ilman kokonaisenergia vähenne ja lämpötila nousee.

Kasvihuonekaasuihin perustuvassa ilmaston lämpenemisessä on tarkkailtu alailmakehän lämpötilaa ja väitetty lämpötilan kohoavan kasvihuonekaasupäästöjen tähden niiden lämmittävästä takasinsäteilystä vaikutuksesta johtuen. Ilmakehä ei kuitenkaan ole saanut lisää lämpöenergiaa. Väite ei siten pidä paikkaansa. On vaikea keksiä kasvihuonekaasujen yhteys lämpötilan kohoamiseen ja latentin energia vähenemiseen. Päästöissähän syntyy vesihöyrymolekyylejä yli kaksinkertainen määrä hiilidioksidimolekyyliä kohti, joten voisi kuvitella latentin energian lisääntyvän. Palamisessa syntyvä energia siirtyykin lopulta luontoon, mutta energian määrä on mitätön verrattuna auringosta tulevaaan energiaan.

Laskuleikki: Ihmiskunnan käytettyä fossiilisia polttoaineita 100 vuoden ajan on syntynyt likimain saman verran energiaa, kuin tarvitaan ilmakehän lämmittämiseen 1 asteella.

Avatar
BorisW
Viestit: 1766
Liittynyt: 08.08.2007, 10:38:11
Paikkakunta: Espoo
Viesti:

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja BorisW » 08.04.2018, 12:55:40

unbiased kirjoitti:Kasvihuonekaasuihin perustuvassa ilmaston lämpenemisessä on tarkkailtu alailmakehän lämpötilaa ja väitetty lämpötilan kohoavan kasvihuonekaasupäästöjen tähden niiden lämmittävästä takasinsäteilystä vaikutuksesta johtuen. Ilmakehä ei kuitenkaan ole saanut lisää lämpöenergiaa. Väite ei siten pidä paikkaansa.


IPCC onkin keksinyt tähän mielestään hyvän ratkaisun (AR5 WG1 CH8 FAQ8.1): Väite perustuu ajatukseen, että pienen pieni ihmistoiminnan aiheuttama CO2:n lisäys ei nostakaan kuin "hippusen" verran alailmakehän lämpötilaa. Sen sijaan väitetään, että se kuitenkin lisää hieman haihtumista ja eureka! vesihöyry, kun on se kaikkein tehokkain kasvihuonekaasu, absorboi merkittävällä tavalla (?) säteilyä ja nostaakin "kaivattua" alailmakehän lämpötilaa. Kyseessä on siis palaute (feedback) eikä siis lasketa pakotteeksi (kuten CO2:n kohdalla).

Itse hieman epäilen tätä IPCC:n keksimää kikkaa, eli riittääkö pienen CO2 lisäyksen aiheuttama lämpöpakote nostamaan haihtumista toivotulla tavalla ja aiheuttamaan globaalin keskilämpötilan nousun. Tässä keksityssä prosessissa sivuutetaan kokonaan vaikkapa tuulen vaikutusta haihtumiseen.

kkruuvari
Viestit: 10
Liittynyt: 18.08.2012, 17:55:46

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja kkruuvari » 23.07.2018, 19:50:12

[quote="unbiased"]Useimmiten lämpötila kertoo myös lämpöenergiasta muttei aina. Tästä esimerkki.

Saunoja heittäköön kiukaalle pikku kuupallisen vettä 0,2 litraa, 200g. Kun tämä höyrystyy lämpöenergiaa siirtyy kivistä höyryn mukana ilmaan 0,14 kWh. Energiaa sanotaan piileväksi, latentiksi energiaksi, koska se ei näy lämpömittarissa. Höyryä kemistin laskujen mukaan tulee 0,25 kuutiometriä. Saunan ilmamäärä laajenee tämän verran. Saunassa on tuuletusaukko ja siitä liika ilma tunkeutuu ulos kuten myös ovien ja ikkunoiden raosta. Tähän kuluu energiaa, jonka määrän fyysikko osaa laskea. Laajenemiseen tarvittavan energian määrä on 0,007 kWh. Tämä energia saadaan saunan ilmamolekyylien liike-energiasta ei höyrystä. Liike-energian määrää mittaa lämpömittari. Saunan ilman typpi ja happi molekyylien liike-energia vähenee ja siitä syystä 10 kuutiometrin saunan lämpötila laskee pari astetta.
Lopputulos, saunan ilman energia lisääntyy ja lämpötila laskee
.

Joku vuosi sitten tuli kina kavereiden kesken laskeeko vai nouseeko saunan lämpötila löylyä heitettäessä. Tein pienen epätieteellisen kokeen, lämmitin sähkösaunan jonnekin 80-90 asteen lämpötilaan ja sitten ylimmän lauteen tasolla mittasin Bilteman yleismittarilla lämpötilaa ja kosteutta. Poikkeuksetta lämpötila nousi vähän, suhteellinen kosteus paljon, näin myös runsaalla vesimäärällä. Suoraan vastuksille vettä heitettäessä ( mitä ei tietenkään suositella) syntyvä höyry tulistui ja lämpötila nousi yli asteen.

AJJ
Viestit: 11
Liittynyt: 04.03.2010, 01:05:07

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja AJJ » 23.07.2018, 23:28:56

Jos otat huomioon myös kiukaan kivien lämpötilan, kokonaislämpötila laskee. Vastukset paahtavat ulkoa päin lisää energiaa ja korvaa kivien alentuneen lämpötilan. Kokonaislämpömäärässä, latentti mukaan lukien (siis veden faasinmutos höyrystä nesteeksi), ei lyhyellä hetkellä tapahdu muutosta. Iholla kuumuus lisääntyy, kun kosteus tiivistyy ihon pinnalle. Sama ilmiö tapahtuu, kun kylmän olutlasin pintaan kosteus tiivistyy pisaroiksi. Tämäkin on eräänlaista "löylyä", mutta paljon matalammassa lämpötilassa.

kkruuvari
Viestit: 10
Liittynyt: 18.08.2012, 17:55:46

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja kkruuvari » 24.07.2018, 18:23:50

AJJ kirjoitti:Jos otat huomioon myös kiukaan kivien lämpötilan, kokonaislämpötila laskee. Vastukset paahtavat ulkoa päin lisää energiaa ja korvaa kivien alentuneen lämpötilan. Kokonaislämpömäärässä, latentti mukaan lukien (siis veden faasinmutos höyrystä nesteeksi), ei lyhyellä hetkellä tapahdu muutosta. Iholla kuumuus lisääntyy, kun kosteus tiivistyy ihon pinnalle. Sama ilmiö tapahtuu, kun kylmän olutlasin pintaan kosteus tiivistyy pisaroiksi. Tämäkin on eräänlaista "löylyä", mutta paljon matalammassa lämpötilassa.


Kyse on saunan ilman lämpötilasta ei kivien. Mikäli sauna on kunnolla lämmitetty sen ilman lämpötila nousee, kuten aiemmassa kommentissa mainitsin. Jos löylyllä saunaan lisätty höyry on kylläistä sen ilman lämpötila nousee vähän, tulistettuna puolestaan enemmän.

unbiased
Viestit: 1250
Liittynyt: 13.01.2015, 09:31:57

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja unbiased » 24.07.2018, 19:42:55

Pitäisi mitata saunailman keskimääräinen lämpötila. Löylyhöyryhan on 100 astetta ja näkymätöntä. Höyry minkä näkee ei enää olekaan vesihöyryä vaan pieniä pisaroita, pilveä tai sumua.
Säteilymittari on nopea, mutta se ei kaasun lämpötilaa mittaa. Sätelymittari mittaa siihen tulevan säteilyn intensiteettiä, joka ilmaisee säteilijän lämpötilan, jos säteilijän terminen emissiivisyys on 0.95. Kaasujen emissiivisyys on lähellä 0 mutta vesipisaroilla 0.95.
Tavallinen lämpömittari on hidas. Jokin nopea termoelementtimittari voisi toimia. Saunassa on yleensä ainakin 50 asteen lämpötilaeroja.

kkruuvari
Viestit: 10
Liittynyt: 18.08.2012, 17:55:46

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja kkruuvari » 24.07.2018, 20:48:32

unbiased kirjoitti:Pitäisi mitata saunailman keskimääräinen lämpötila. Löylyhöyryhan on 100 astetta ja näkymätöntä. Höyry minkä näkee ei enää olekaan vesihöyryä vaan pieniä pisaroita, pilveä tai sumua.
Säteilymittari on nopea, mutta se ei kaasun lämpötilaa mittaa. Sätelymittari mittaa siihen tulevan säteilyn intensiteettiä, joka ilmaisee säteilijän lämpötilan, jos säteilijän terminen emissiivisyys on 0.95. Kaasujen emissiivisyys on lähellä 0 mutta vesipisaroilla 0.95.
Tavallinen lämpömittari on hidas. Jokin nopea termoelementtimittari voisi toimia. Saunassa on yleensä ainakin 50 asteen lämpötilaeroja.


On totta saunassa on suuria lämpötilaeroja. Mainitsemani Bilteman yleismitttari art.15-284 on nopea, mittaustarkkuus on 0,1 astetta. Kuten kerroin mittaukset suoritin ylimmän lauteen tasolla. Vaikea kuvitella, että jossakin muualla saunassa lämpötila samaan aikaan laskisi.

AJJ
Viestit: 11
Liittynyt: 04.03.2010, 01:05:07

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja AJJ » 26.07.2018, 01:21:52

Pointtini ei tainnut tulla selväksi: kivet ja vastukset kuuluvat samaan systeemiin kuin ilma ja höyry. Kaikki lämpöenergia pitää ottaa huomioon. Jos Unbiasen kirjoituksia jaksaisi lukea, niin niistä löytyy todella monenlaisia esimerkkejä, miten erilaisissa muodoissa lämpöenergia piilee ja näyttäytyy. Tästä muuten suuri kiitos, Unbias, olet ollut hyvin kärsivällin ja viitseliäs tässä.

unbiased
Viestit: 1250
Liittynyt: 13.01.2015, 09:31:57

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja unbiased » 26.07.2018, 16:25:04

Kiitos vastauksista. Lämpötila nousi lauteitten korkeudella ja siihen pitää luottaa. Teoreettisessa laskelmassani lähtötilanne ei ole aivan todellinen. Jo se, että vettä kiukaalle heittäessä useimmiten näkee höyryä, pieniä vesipisaroita, osoittaa osan höyrystyneen veden latentista energiasta vapautuneen, mikä nostaa ilman lämpötilaa. Tätä en laskelmassa ottanut huomioon. Jos teoria on ristiriidassa havaintojen kanssa, teoria on vähintäänkin puutteellinen mutta usein kokonaan virheellinen.

AJJ
Viestit: 11
Liittynyt: 04.03.2010, 01:05:07

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja AJJ » 27.07.2018, 01:20:30

Tämä on hauskaa: monta havaintoa, oikeita jopa. Unbias, vedit homman hyvin yhteen. Kuten olet yrittänyt valaista, nämä faasimuutokset ja kokonaisenergiat, lämpötilat ym. on arkikielessä täyttä sotkua. Lehtijutut ovat tyypillisesti tätä arkikieltä.

unbiased
Viestit: 1250
Liittynyt: 13.01.2015, 09:31:57

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja unbiased » 27.07.2018, 18:34:07

Jatketaan hauskaa päivän sään parissa. Viime yönä lämpötila aleni klo 20 aamuun klo 6 26 asteesta 21 asteeseen Kaisaniemessä. Samaan aikaan kosteus muuttui illan 60% aamun 95%. Olisi mukava kun kosteus ilmoitettaisiin todellisena määränä g/kg ilmaa. Ilmatieteen havainnoista arvioin kosteuden lisääntyneen 3.3 g/kg. Tämä prosessi kulutti energiaa 8 kJ/kg ilmaa. Mistä energia tuli? Jos energia olisi tullut ilmamolekyylien liike-energiasta, ilma olisi viilentynyt 6 astetta. Laskelma on arvio ja tulos riittävä näyttö, ettei 26-27.7. Illan ja aamun aikana ilmakehän kokonaisenergia juurikaan muuttunut.

Ilmakehän alaosankin energian vaihteluun tarvitaan suuret määrät energiaa. Lämpötila voi kuitenkin vaihdella monia asteita latentin energian osuudesta johtuen. Keskimääräisen kosteuden lisääntyminen 6 g/kg ilmaa alentaisi lämpötilaa 10 astetta. Myös lumisateet lisääntyisivät ja seurauksena olisi jääkauden alkaminen.

unbiased
Viestit: 1250
Liittynyt: 13.01.2015, 09:31:57

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja unbiased » 29.07.2018, 12:03:28

Eilisestä lämpätilasta 26 C ja kosteudesta 60% saa ilman vesihöyrypitoisuudeksi 11.5 g/kg. Tämän päivän lämpötila oli 23.4 C ja kosteus 81% joten vesihöyryä oli 13 g/kg.
Jos ilman kineettinen lämpöenegia on 0C asteessa E (kJ/kg), se 26 asteessa on E+26. Kun tähän lisätään latentti energia 11.5×2.5=28.8, saadaan kokonaisenergia eilen oli E+54.8. Tänään kokonaisenergia oli E+23.4+13×2.5=E+55.9. Ilman kokonaisenergia oli lisääntynyt 1.1 kJ, vaikka lämpötila oli alentunut pari astetta. Virheet kosteuden määrityksessä voivat muuttaa tulosta.

Tämäkin lisää epäilyjä, ettei pelkästään ilmaston lämpötiloja tarkkailemalla voi päätellä ilmaston lämminneen 100 vuodessa noin yhden asteen. Pitäisi havaita kokonaisenergian muutoksia, jos tällaisia väitteitä esittää. Yhden asteen lämpötilan nousu voi johtua koteuden vähenemisestä noin 0.4 g/kg ilmaa. Suhteellisessa kosteudessa Suomen kesäilmassa ero olisi noin 2%. Onkohan muutosta havaittu?

kkruuvari
Viestit: 10
Liittynyt: 18.08.2012, 17:55:46

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja kkruuvari » 30.07.2018, 17:30:50

Ilman tila ja sen muutokset voidaan ehkä parhaiten kuvata ilman IX-piirroksella, joka on voimassa normaali ilman paineessa. Oheisessa kuvassa on tästä hieman yksinkertaistettu esimerkki, lyhyesti sen rakenne on seuraava:
-Pystyakselilla vasemmalla reunalla on ilman lämpötila eli se lämpötila mitä lämpömittari näyttää.
-Vaaka-akselilla kuvan yläreunalla on ilman vesihöyrypitoisuus [kgH2O/kg kuivaa ilmaa].
-Vaaka-akselilla kuvan alareunalla on ilman vesihöyrynosapaine [kPa, mmHg]
- Oikealle ylös kaartuvat käyrät ovat ilman suhteellisen kosteuden käyriä [%]
-Oikealle alas suuntautuvat katkoviivat ovat vakio entalpian eli ilman lämpökapasiteetin suoria [kJ, kcal/kg kuivaa ilmaa]
IX-diagrammilla voidaan kuvata erilaisia ilman normaalipaineen vallitessa tapahtuvia lämpötilan ja kosteuden välisiä prosesseja.
Kuvan punainen vaakasuoraksi tarkoitettu viiva (tuli käsivaralta tehdyksi) on isotermi 15 asteen lämpötilassa. Jos esimerkiksi haihtuvan veden lämpötila on sama kuin ilman, niin systeemin lämpötila ei muutu mutta sen entalpia ja vesipitoisuus kasvavat. Mikäli haihtuvan veden lämpötila on suurempi kuin ilman, niin systeemin lämpötila nousee, kuten myös sen entalpia ja vesipitoisuus. Tässä samalla selitys miksi saunassa lämpötila nousee, sillä onhan yleensä ”löylyn” lämpötila paljon korkeampi kuin ilman saunassa.
Vihreä suora on adiabaatti, ilman lämpötila ja kosteus muuttuvat, mutta entalpia säilyy vakiona. Mikäli haihtuvan veden lämpötila on suurempi kuin ilman, niin silloin systeemin lopputilaa kuvaava piste on jossakin adiabaatisuoran oikealla puolella, päinvastaisessa tapauksessa vasemmalla puolella.
Sininen adiaaattisuoran suoran pätkä kuvaa unbiasedin havaintoja Kaisaniemestä, siellä todellakin ilman muutos tapahtui adiabaattisesti, kuten hän laskemallakin osoitti.
Musta pystyviiva voisi esittää tilannetta jossakin kuivalla aavikolla, jossa vuorokautinen lämpötila vaihtelee jokseenkin säännöllisesti, mutta kuivuudesta johtuen ilman vesipitoisuus on vakio.
Vaalean sininen suora puolestaan voisi esittää vuorokautista lämpötilan ja kosteuden vaihtelua tropiikissa, jossa ilma on lämmintä kosteaa.
Prosessien ei tietenkään tarvitse kulkea pitkin tässä esitettyjä suoria, vain prosessin alku- ja loppupisteellä on merkitys, ei reitillä miten siihen on päädytty.
Todellisessa elämässä ilmassa voi olla kosteutta monin verroin enemmän kuin mitä lämpötilan mukaan siinä voisi olla, näin jos ilma on hyvin puhdasta. Toisaalta kuuluisa Lontoon sumu takavuosina syntyi kun hiilen polton seurauksena ilmassa oli runsaasti tiivistymiskeskuksiksi kelpaavia pienhiukkasia.



Kuva

unbiased
Viestit: 1250
Liittynyt: 13.01.2015, 09:31:57

Re: Maapallon pintalämpötila

Viesti Kirjoittaja unbiased » 30.07.2018, 22:41:03

Tietyllä korkeudella ilmanpaine pysyy likimain vakiona. Kun tarkastelee maan pinnan lähellä olevaa entalpian muutosta, se on karkeasti sama kuin sisäinen energian muutos, joka koostuu vesihöyryn latentista energiasta ja ilmamolekyylien liike-energiasta. Jopa myrskytuulen kineettinen energia on mitätön. Korkeuden kasvaessa potentiaalienergia lisääntyy, paine pienenee ja lämpötila laskee koska entalpia pysyy vakiona.
Entalpia H on termodynamiikassa energiaa ilmaiseva suure. Sen lauseke on H = U + p V, missä U on systeemin sisäenergia, p systeemin paine ja V tilavuus. Entalpiasta ei voi esittää molekyylitason tulkintaa, vaan se on vain sisäenergiasta johdettu apukäsite.[1] Useimmissa vakiopaineessa tapahtuvissa prosesseissa entalpian muutos on yhtä suuri kuin siirtyvä lämpöenergia. Vakiopaineisia prosesseja ovat esimerkiksi ilmakehän alaisuudessa tapahtuvat muutokset, jos ilmanpaine vaihtelee prosessin aikana merkityksettömän vähän.

dH = d(U+pV) =dU +p*dV +dp*V = dU, kun paine ja tilavuus ovat vakioita. Ilman lämmetessä, se tulee muuta ilmaa kevyemmäksi, jolloin lämmennyt ilma kohoaa, jolloin likimäärin dH = dU +p*dV. Ilmassa sisäenergia U koostuu liki kokonaan ilmamolekyylien satunnaisesta liike-energiasta (lämpötila) ja vesihöyryn latentista energiasta sekä potentiaalienenergiasta. Lämpöenergian ja potetiaalienergian summa on likimain vakio ilmakilogrammaa kohti. Ilmaston lämpenemisestä puhuttaessa latentin energian määrän muutokset ovat kokonaan unohtuneet mitata ja ottaa huomioon. Tämän kesän helleaaltokin johtunee latentin nenergian vähäisestä osuudesta, joten lämpötila on korkea ja kuivuus aiheuttaa metsäpaloja ja satojen menetyksiä. Hiilidioksidilla ei tähän ole mitään osuutta, koska sen ei voi osoittaa aiheuttavan ilman kosteuden muutoksia.

Nyt voidaan mennäkin löylyn heittoon. Siinä saunan ilman sisäinen energia U kasvaa (muutos dU), mutta saunan ilman tilavuus laajenee höyryn määrän verran, kun paine pysyy vakiona (dp=0). Laajennut ilma menee tuuletusaukoista ulos. dH = dU + p*dV. Oletetaan, että löylyvesi 0,2 kg höyrystyy kokonaisuudessaan. 30 m³ saunan lämpötila on 80C, jossa 100 asteista höyryä tulee ilmaan 0,2kg= 11.1 mol = 0,25 m³ ja dU= .2kg*1kJ/kgK*20K = 4kJ. Tilavuuden laajenemiseen kuluva energia 100kN/m²*-.25m³= -25kJ. Saunan ilman entalpia vähenee 21 kJ. Saunassa on ilmaa 30m³*1.3 kg/m³= 39 kg. Tämän lämpömäärä vähenee 21 kJ ja lämpötila alenee 39kg/1kJ/(kgK)*21kJ, siis noin pari astetta. Höyry tietenkin tiivistyessään luovuttaa lämpöenergiaa peräti 460 kJ, joka siiryy pääasiassa saunojien "kylmille" ihoille mukavana lämpönä. Höyryn tiivistyessä paine alenee ja tuuletusaukoista virtaa viileää ilmaa saunaan.
Jos sauna ja kivet eivät ole riittävän kuumia, höyry tiivistyy heti ilmassa näkyviksi vesipisaroksi. Tiivistymislämpö siirtyy saunan ilmaan eikä laajenemista juurikaan tapahdu. Tällöin lämpötila luonnollisesti kohoaa. Puhutaan kosteasta löylystä, kun edellisessä tapauksessa puhutaan kuivasta löylystä.

Vastaa Viestiin