Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Ilmastotutkimukseen sekä sitä sivuaviin tutkimusaiheisiin liittyvät keskustelut

Valvoja: Hallitus

AnteroOllila
Viestit: 66
Liittynyt: 18.04.2013, 11:49:01

Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja AnteroOllila »

Esipuhe

Kuten ehkä jotkut blogikirjoituksiani lukeneet ovat havainneet, niin olen kirjoittanut ilmastonmuutoksesta perustaen tulokseni pääosin omiin ja osittain muiden tekemiin tieteellisiin tutkimuksiin. Olen yrittänyt pitää matemaattiset mallit kohtuullisissa rajoissa ja tavoitteeni on ollut popularisoida ilmastomuutoksen perusteita niille, joita asia kiinnostaa. Noin puolella suomalaisista on ylioppilastausta, joten heille fysiikan peruslait ja matemaattiset yhtälöt eivät ole tuntemattomia käsitteitä.

Olen kirjoittanut kaksi blogikirjoitusta englanninkielellä kasvihuoneilmiön määritelmästä, ja mikä on sen suuruuden laskentaperuste. Kuten aina, niin varsinkin amerikkalaisilla sivustoilla on pieni aktivistien joukko, joista voi todella käyttää nimitystä ”ilmaston kieltäjät”, sillä he kieltävät kasvihuoneilmiön olemassa olon ja sen taustalla olevien termodynamiikan ja fysiikan peruslait. Kyllä niitä löytyy myös Suomesta ja aika oudoista paikoista. Tämän kirjoitukseni kohderyhmä ovat nuo ”ilmastonkieltäjät”, mutta samalla tämä kirjoitus avaa fysiikan lait, joihin kasvihuoneilmiö perustuu.

Mutta täytyy sanoa, kuten eräässä hupiohjelmassa, että ”nythän minä hokasin”, että on myös IPCC:n ja ilmastoeliitin kannattajia, jotka kieltävät fysiikan lakien toimivuuden kasvihuoneilmiön yhteydessä. Katsotaan, tunnustaako joku tässä joukossa, että he olivat jossain asiassa väärässä. Toistaiseksi näin ei ole käynyt, vaikka pystyn osoittamaan, että 1+1=2 eikä 3.

Dr. Roy Spencer kommentoi WUWT:n nettisivustolla kasvihuoneilmiön määritelmää koskevaa blogikirjoitustani, joka oli julkaistu eräällä muulla englanninkielisellä nettisivustolla. Kommentteja tuli lähes 600 ja kommentointi jatkui päiväkausia. Tosin vain pari kirjoittajaa ilmoittautui tukevansa Dr. Spencerin epäselviä ajatuksia, joissa hän tuomitsi sekä IPCC:n että minun määritelmäni vääriksi, mutta ei onnistunut esittämään mitään omaa määritelmäänsä. Valtaosa kommenteista oli näiden ”ilmastonkieltäjien” jankkausta, että ”termodynamiikan 2. säännön mukaan lämpöä ei voi siirtyä kylmästä kappaleesta kuumempaan kappaleeseen” ja sen perusteella ilmakehästä ei voi tulla mitään säteilyenergiaa maanpinnalle (reradiation eli takaisinsäteily), joka on kasvihuoneilmiön perusta, ja sen vuoksi ei ole kasvihuoneilmiötäkään.

Tämä pitkä kirjotukseni lähtee näistä asioista ja lopulta kertaan kasvihuoneilmiön perusteet ja IPCC:n määritelmän fysiikan lakien vastaisuuden. Antoisia lukuhetkiä koronasaarron keskelle.

Termodynamiikan pääsäännöt ja perusyhtälöt

Wikipedian mukaan Termodynamiikka (lämpöoppi) on energian, lämmön, työn, entropian ja tapahtumien spontaanisuuden fysiikkaa. Tässä osassa käyn lyhyesti läpi termodynamiikan pääsäännöt. Jätän kuitenkin tuon entropian rauhaan, kun siitä tulee sellaisia rauhattomia johtopäätöksiä kuten maailmankaikkeuden entropian lisääntyminen koko ajan. Huolestuttavaa. Lainaan yliopistotason fysiikan oppikirjojen tekstiä, joita yliopistojen professorit ovat opettaneet pitkästi yli vuosisadan ajan.

Termodynamiikan ensimmäinen laki määrittelee, että energiaa ei voida luoda tai tuhota eli universumin kokonaisenergian määrä on vakio. Termodynamiikan toinen laki soveltuu suljettuihin systeemeihin ja sen mukaan lämpöenergian siirto tai muunnos on irreversiibeli eli se ei voi tapahtua päinvastaiseen suuntaan. Tämä tarkoittaa, että lämpö siirtyy spontaanisti kuumemmasta kappaleesta kylmempään kappaleeseen eikä koskaan päinvastoin. Musta kappale on fysiikassa käytetty käsite ideaalisesta kappaleesta, joka absorboi kaiken elektromagneettisen säteilyn ja se myös emittoi eli säteilee ”täydellisesti”. Elektromagneettinen säteily kattaa kaiken säteilyn, joka lähtee kappaleista lämpötila-alueella -270 °C … +6000 °C (auringon lämpötila). Käytännössä on todettu, että aurinkoa ja planeettoja voidaan käsitellä mustina kappaleina. Vaikka ne eivät ole täydellisiä mustia kappaleita eli ne ovat harmaita kappaleita, niin myöhemmin esitetyt fysiikan yhtälöt ovat voimassa.

On olemassa kolme lämmönsiirtomekanismia: johtuminen eli konduktio, kuljettuminen eli konvektio ja säteily. Konduktio tapahtuu esimerkiksi talon seinässä, jossa muodostuu lämpötilaero lämpimän sisäpinnan ja kylmän ulkopinnan välille. Lämpö siirtyy konvektiolla esimerkiksi vesikiertoisessa keskuslämmitysjärjestelmässä, jossa aineen virtaus vie lämpöenergiaa mukanaan. Auringon säteily on esimerkki lämmönsiirrosta säteilyn välityksellä. Se on ainut lämmönsiirtotapa, joka toimii tyhjiössä, mutta toimii myös kaasufaasissa. Ilmakehässä tapahtuu lämmönsiirtoa konvektion avulla, kun lämmin ilma kumpuaa ylöspäin päiväntasaajaseudulla tai kun maanpinta aiheuttaa veden höyrystymistä ilmakehään.

Netto lämmönsiirtonopeus voidaan laskea samanlaisella kaavalla sekä konduktiolle että konvektiolle

Q = U A (T1 -T2), (1)

missä Q on lämmönsiirtonopeus (W), A on lämmönsiirtoala (m2), T1 on korkeampi lämpötila (°C) ja T2 on alempi lämpötila (°C). Konduktiossa U on lämmönjohtavuuskerroin (W/m2°C) ja konvektiossa U on konvektiivinen lämmönsiirtokerroin (W/m2°C). Kuten yhtälöstä (1) näkyy, niin oleellinen piirre on lämpötilaero kahden kappaleen välillä.

Stefan-Boltzmannin säteilylaki on kasvihuoneilmiön keskiössä. Lainaan kappaleen (kursiivilla) intialaisesta fysiikan yliopistotason kirjasta sen vuoksi, että sen teksti yksinkertaista ja yksiselitteistä. Kirjan nimi on Nonlinear Systems in Heat Transfer, 2018, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812024-8.00003-5. Lainaus alkaa:

3.1 Lämmönsiirto säteilemällä

Lämmönsiirto korkeamman lämpötilan kappaleesta alhaisemman lämpötilan kappaleeseen, kun kappaleet eivät fyysisessä kontaktissa toisiinsa, kutsutaan lämmönsiirroksi säteilyn avulla, kuva 3.1. Stefan-Boltzmannin laki mustan kappaleen säteilylämmönsiirron nopeudesta pinta-alayksikköä kohden perustuu lämpötilaerojen neljänsien potenssien eroon:

(3.1) q=σ A T^4

missä q on energian lämmönsiirtonopeus, A on pinta-ala ja σ on Stefan–Boltzmannin vakio.

Kuva
Kuva 3.1. Lämmönsiirto säteilemällä kahden kappaleen välillä.


Musta kappale on täydellinen säteilijä. Todelliset kappaleet eivät ole kuitenkaan täydellisiä säteilijöitä ja emittoivat säteilyä vähemmän. Tämän seikan huomioonottamiseksi, tarvitaan emissiviteetiksi kutsu tekijä ε. Emissiviteetti määritellään suhteeksi todellisen kappaleen ja täydellisen mustan kappaleen emissioiden välillä. Täten lämmönsiirtonopeus todellisesta kappaleesta lämpötilassa T1, joka on ympäröity mustan kappaleen lämpötilalla T2 on seuraava:

(3.2) q=σ A ε (T1^4−T2^4)
(Lainaus päättyy).

Ihmiset, joita kutsun nimellä ”ilmaston kieltäjät) yksinkertaisesti sanovat, että yhtälö (3.2) on termodynamiikan 2. lain vastainen. Mutta ei se ole. Yhtälö 3.2 osoittaa, että myös lämmönsiirto säteilyn avulla riippuu kappaleiden välisestä lämpötilaerosta, mutta säteilyssä se on verrannollinen lämpötilojen neljänsien potenssien eroon, koska fysikaalinen ilmiö on erilainen kuin konvektiossa ja konduktiossa. Yhtälö (3.2) tarkoittaa, että netto lämmönsiirto tapahtuu aina kuumemmasta kappaleesta kylmempään kappaleeseen. Ilmaston kieltäjät sanovat, että tämä yhtälö on väärä, koska se osoittaa, että lämpöä siirtyy myös kylmemmästä kappaleesta kuumempaan kappaleeseen.

Tässä kohtaa voisin takertua puhdasoppisesti sanaan ”lämpö”. Todellisuudessa tämän yhtälön (3.2) mukaan kappaleiden välillä ei siirrykään lämpöä vaan energiaa, joka on kirjaimellisesti totta. Sen vuoksi lause, että ”lämpöä ei voisi siirtyä kylmemmästä kuumempaan” ei sovellu yhtälöön (3.2). Kappaleiden välillä siirtyy energiaa fotonien muodossa, jotka ovat alkeishiukkasia ja joita voi kutsua universumin työhevosiksi. Fotonit tuovat auringon säteilemän energian maapallolle. Vasta kun jokin materiaali absorboi fotonin, siitä syntyy lämpöä eli energia muuttuu toiseen muotoon. Fysiikan lakien mukaan fotonia ei voi absorboida osittain, vaan se absorboituu aina kokonaan tai ei ollenkaan. Materiaalilla on kolme vaihtoehtoa, kun fotoni osuu siihen: heijastaa, absorboida tai läpäistä (läpinäkyvä materiaali), joiden summa on aina 100 %.

Nyt otan yhden askeleen taaksepäin selittääkseni, mitä tapahtuu lämmönsiirrossa kahden kappaleen välillä. Herra Stefan esitti oman lakinsa vuonna 1879 ja herra Boltzmann vuonna 1884. Näiden kahden herran esittämien lakien yhdistelmä eli S-B:n laki voidaan johtaa integroimalla kaikkien aallonpituuksien yli vielä perustavampaa laatua oleva säteilylain yhtälö (1), jonka esitti Max Planck vuonna 1901

E = ((8¶hc)/λ^5) * 1/(e^(hc/kTλ)-1), (1)

Missä E on energia säteiltynä mustan kappaleen onkalon tilavuutta kohden, h on Planckin vakio, c on valon nopeus, λ on aallon pituus, k on Bolzmannin vakio, ja T on absoluuttinen lämpötila. Tämä yhtälö synnytti uuden fysiikan alueen eli kvanttimekaniikan, koska Planck joutui käyttämään uutta käsitettä ”kvantti” johtaessaan tämän yhtälön. Se on mielestäni ”maaginen” yhtälö, koska se toimii röntgensäteistä radioaaltoihin. Planckin laki tarkoittaa, että materiaalin emittoima säteily riippuu ainoastaan materiaalin lämpötilasta ja todellisten kappaleiden tapauksessa myös emissiviteettikertoimesta. Yhtälössä on muuttujana myös säteilyn aallonpituus eli aallonpituutta varioimalla saadaan kuvan 2 kaltainen esitys.

Olen piirtänyt kuvan 1 selittämään, mitä tapahtuu säteilemällä tapahtuvassa lämmönsiirrossa kolmen kappaleen välillä.
Kuva
Kuva 1. Lämmönsiirto kolmen eri lämpötiloissa olevien kappaleiden välillä.

Kuvan 1 mukaan kaikki kolme pintaa emittoivat ja absorboivat infrapunasäteilyä niiden lämpötilojen mukaisesti. Planckin lain on todettu toimivan kaikkialla universumissa. Tässä tapauksessa ilmaston kieltäjät sanovat, että lämpötilassa 15 °C oleva pinta ei voi absorboida lainkaan sitä infrapunasäteilyä, joka tulee pinnalta lämpötilassa 7 °C (tämä lämpötila vastaa suurin piirtein sitä lämpötilaa, jonka ilmakehä säteilee maanpinnalle eli 345 Wm-2). Säteilylakien mukaan näin kuitenkin tapahtuu, koska musta kappale absorboi kokonaan kaiken sille osuvan säteily ja harmaa kappale tietyn osan emissiviteettikertoimen mukaisesti. Tämän asian havainnollistamiseksi olen piirtänyt kuvan 2 hyödyntäen Planckin yhtälöä (1).
Kuva
Kuva 2. Säteilyintensiteetit lämpötilojen 7, 15 ja 25 Celsius asteiden mukaisesti.

Kuvan 2 mukaisesti säteilyn intensiteetit eli säteilymäärät riippuvat voimakkaasti lämpötilasta, mutta sen sijaan säteilyn aallonpituusalueet, joilla kappaleet säteilevät, ovat käytännöllisesti samat eli 3 – 100 mikrometriä (kuvassa rajattu 50 mikrometriin).

Kysymykseni, johon ilmaston kieltäjien pitäisi löytää fysikaalinen selitys, on seuraava. Mikä on se teoreettinen perusta, että pinta 15 asteen lämpötilassa voisi erottaa toisistaan sille iskeytyvät fotonit, jotka ovat peräisin joko pinnalta 7 °C tai 25 °C? Jotta tämä olisi mahdollista, niin tällä pinnalla 15 °C pitäisi olla kyky mitata samanaikaisesti kunkin fotonin aallonpituus (tai taajuus) ja intensiteetti suurella tarkkuudella ja sitten vielä sillä pitäisi näiden mittausten perusteella tehdyn analyysin mukaan kyky päätellä, että kummalta pinnalta fotoni on peräisin ja lopulta vielä päättää, että absorboinko vai heijastanko kyseisen fotonin. Kaikki tämä pitäisi tapahtua valon nopeudella.

Tämän kaiken voi torjua pelkällä maalaisjärjellä, että tyhmällä pinnalla ei ole mitään älykkyyttä, joten sillä on vain kaksi vaihtoehtoa eli absorboida kaikki fotonit (musta pinta) tai valtaosa (n. 95 % -100 %) fotoneista (maanpinta ja kaikki taivaankappaleet). Ilmastonkieltäjät kieltävät kaiken tämän ja sanovat, että tässä tapauksessa 15 asteessa oleva pinta osaa tehdä täydellisen eron fotonien kesken, ovatko ne pinnalta 7 astetta vai 25 astetta. Edelleen 15 asteen pinnalla olisi tämän opin mukaan kyky huomata, että kun 25 asteen pinta jäähtyy vaikkapa 5 asteen lämpötilaan, niin sitten sen fotoneja ei voida enää absorboida, koska 7 asteen pinnalta tulevat fotonit voidaankin tässä tilanteessa absorboida. Tässä on kyse ilmeisesti ns. älymateriaaleista. Kun näiden ihmisten kanssa yrittää keskustella asiasta, he vain jankuttavat, että ei se lämpö siirry kylmästä kappaleesta kuumaan kappaleeseen.

Mielestäni tämä termodynamiikan 2. lain sanamuoto on epäonnistunut ja se on aiheuttanut kaiken tämän häsäkän. Oikeampi muoto, joka kattaisi kiistatta myös lämmön siirron säteilemällä, pitäisi olla

”Netto lämmönsiirto tapahtuu aina lämpimästä kappaleesta kylmään kappaleeseen”.


Tämä sanamuoto pitäisi sisällään sen tosiasian, että energiaa säteilee molempiin suuntiin kahden kappaleen välillä, mutta netto lämmönsiirto on aina kuumasta kylmään.

Takaisinsäteily ilmakehästä – mittauksiin vai laskelmiin perustuva?

Useimmat ilmakehän ilmiöistä voidaan havaita yksinkertaisilla mittauslaitteilla tai pelkästään ihmisen havaintojen perusteella. Ensiksi kaksi havaintoa ilmakehän takaisinsäteilystä. Kaikki ihmiset – tai ainakin maaseudulla elävät – ovat oppineet, että talviaikaan taivaan mennessä pilveen, lämpötila nousee. Tämä perustuu siihen, että pilvet absorboivat täydellisesti maanpinnan säteilemän infrapunasäteilyn. Tämä ei tarkoita sitä, että avaruuteen ei menisi ollenkaan infrapunasäteilyä. Lisääntynyt ilmakehän absorptio lisää ilmakehän säteilyä maanpinnalle. Toinen yhtä hyvä selitys on, että pilvet estävät tai paremminkin hidastavat maanpinnan jäähtymistä aivan kuin talon lämpöeristys estää talon jäähtymistä.
Pohjoismaissa autokatokset ovat yleisiä ja ne toimivat ihan saman periaatteen mukaisesti kuin pilvet. Autokatos estää auton lasien jäätymisen, koska niiden lämpötila säilyy kastepisteen yläpuolella estäen lasien huurtumisen ja jäätymisen.

Eräs ilmastonkieltäjä kirjoitti yhdessä kommentissa, että vaikka kasvihuoneilmiö hidastaisi maanpinnan jäähtymistä, niin sillä ei voi olla mitään vaikutusta maanpinnan lämpötilaan. Tässä on kysymys samasta ilmiöstä kuin omakotitalosta, jossa on heikko lämpöeristys, sisällä vakioteholla (ei termostaattia) toimiva lämmitys vaikkapa teholtaan 5 kW ja ulkona useita päiviä kestävä tasainen -25 asteen lämpötila. Tämä johtaa tilanteeseen, että sisälle muodostuu noin päivässä vakiollinen lämpötila vaikkapa +15 astetta. Ajatellaan, että talon lämpöeristystä parannetaan lisäämällä eristyskerrosta. Kysytäänpä kirvesmieheltä tai omakotitalon asukkaalta tai professorilta, mitä tapahtuu sisälämpötilalle, niin vastaus on sama: se tulee nousemaan, vaikka lämmitysteho pidetään samana. Sama tapahtuu maapallon pintalämpötilalle, jos kasvihuoneilmiön suuruus kasvaa, koska se hidastaa maapallon jäähtymistä. Kasvihuoneilmiö vastaa talon seinien lämpöeristystä, vaikka toimintaperiaate on erilainen.

Ilmastonkieltäjien asevarastoon kuuluu myös kyky kieltää ilmakehästä tapahtuva infrapunasäteily maanpinnalle. Tämän säteilyn olemassaolon ja suuruuden voi laskea spektrianalyysin avulla kuten minäkin olen tehnyt ja se voidaan myös mitata. Mittauslaite infrapunasäteilyn kokonaistehon mittaamiseen on nimeltään pyrgeometri, ja se mitta säteilyä tyypillisesti aallonpituusalueella 4-100 mikrometriä.

Maapallolla on kattava mittausasemien verkosto mittaamassa ilmakehästä tulevaa infrapunasäteilyä ja se on nimeltään Baseline Surface Radiation Network (BSRN) eli suomennettuna. Mittausverkostoon kuuluu 59 mittausasemaa (kuva 3) ja sitä on ylläpitänyt Alfred Wegener Institute (AWI) Bremerhavenissa Saksassa vuodesta 1992 lähtien. Linkki: https://www.researchollection.ethz.ch/b ... sAllowed=y. On olemassa myös Argo-poijuja meressä, jotka pystyvät samaan alaspäin suuntautuvan säteilyn mittaamiseen.
Kuva
Kuva 3. BSRN mittausverkosto säteilymittausten tekemiseen maanpinnalla.

Tässä on linkki julkaisuun vuodelta 2008, jossa on laskettu mittausten perusteella maapallon energiataseen säteilymääriä.https://journals.ametsoc.org/doi/full/1 ... JCLI2097.1. Tämän tutkimuksen mukaan takaisinsäteilyn määrä on ollut 338,6 Wm-2 ja maapinnan emittoima säteily on ollut 398,8 Wm-2. Tämä arvo vastaa pintalämpötilaa n.16 astetta. Viimeisimmät säteilymääräarvot ovat hieman erilaiset parantuneesta mittaustekniikasta ja auringon muuttuneesta säteilymäärästä johtuen.

Vihonviimeinen keino ilmaston kieltäjillä tässä kohtaa on väittää, että tällä mittaustekniikalla ei pystytä mittaamaan väitetyllä tarkkuudella infrapunasäteilyä. Kyse olisi siis suuren luokan huijauksesta, jossa maapallon maat laittavat suuret rahat laitteisiin, jotka olisivat ihan huijausta alusta loppuun.

Säteilymäärille ei voi laskea keskiarvoa, eikä niiden vaikutuksia voida laskea yhteen

Olen törmännyt myös sellaiseen erikoiseen väitteeseen, että vaikka säteilyvuon määrää voitaisiinkin hetkellisesti mitata, niin sille ei voida laskea keskiarvoa eli vaikkapa päivittäistä keskiarvoa. Tämä kuulostaa niin hassulta, että en oikein osaa keksiä mitään fysikaalista tai matemaattista perustetta, että miksi ei voitaisi laskea keskiarvoa. Mille tahansa suureelle, joka vaihtelee ajan mukaan, voidaan rekisteröidä hetkelliset arvot ja sitten suorittaa keskiarvon laskenta yleisellä matemaattisella keskiarvon kaavalla.

Toinen tähän liittyvä väittämä on, että säteilyvirtoja (säteilyvuo, Wm-2) ei voida laskea yhteen eli niiden yhteenlaskettu määrä ei ylittäisi suurimman yksittäisen säteilyvuon määrää. Tämän väitteen takana on ilmeisesti sellainen tosiasia, että maanpinnalle tulee auringon lyhytaaltoista säteilyä keskimäärin 165 Wm-2 ja pitkäaaltoista säteily paljon enemmän eli 345 Wm-2. Tämän väitteen mukaan näitä energiavirtoja ei voitaisi laskea yhteen ja tulos 510 Wm-2 ei ole todellinen, vaan ilmeisesti vain auringon suorasäteilymäärä 165 Wm-2 todellisuudessa lämmittäisi maanpintaa-. Jos näin olisi, niin se olisi suoraan ristiriidassa termodynamiikan 1. lain kanssa, että energia ei voi hävitä. Nämä ilmastonkieltäjät kuitenkin väittävät, että kyllä se 345 Wm-2 häviää jonnekin ilman vaikutusta.
Tämä väite energiavirtojen yhteenlaskemisen mahdottomuudesta, voidaan osoittaa vääräksi toimivan aurinkovoimaan avulla, jossa auringonsäteet keskitetään yhteen paikkaan, kuva 4. Tällä menetelmällä saadaan aurinkovoimalan keräimessä maksimissaan jopa 3500 °C lämpötila. Muutamalla keskitetyllä peiliratkaisulla tämä ei toimi, mutta kun keskitetään yhteen tarpeeksi monen peilin heijastamat energiavuot, niin lämpötila nousee todella korkeaksi.

Kuva
Kuva 4. Toimiva aurinkovoimala perustuen keskittäviin peileihin.

Kasvihuoneilmiön määritelmä ja syyt kasvihuoneilmiön olemassaoloon

Olen mielestäni käsitellyt takaisinsäteilyn olemassaoloon, mittaustekniikkaan ja sen vaikutukseen liittyviä asioita tärkeimmiltä osin. Kun luin Dr. Spencerin kirjoituksen aiheuttamia kommentteja, olisin ilmastoeliittiin kuuluvana tai sen tiedettä kannattavan varsin tyytyväinen. Ajattelisin, että nämä skeptikot eivät ole mikään todellinen uhka, koska näillä ihmisillä näyttää olevan ihan omat fysiikan lait lähestyen myös salaliitoteorioita, että eliitti huijaa meitä kaikessa ilmastonmuutokseen liittyen. Tämä väittely fysiikan laeista johtaa siihen, että emme esimerkiksi huomaa IPCC:n huijausta fysiikan lakien vastaisesta kasvihuoneilmiön määritelmästä. Näin kävi myös tuossa Dr. Spencerin blogikirjoituksessa, että itse sen kirjoituksen pääasia ja minun kirjoitukseni pääasia hukkui loiskiehuntaan. Senpä vuoksi palaan vielä kerran kasvihuoneilmiöön ja sen ominaisuuksiin, Viite 1.
Kuva
Kuva 5. Maapallon energiatase kasvihuoneilmiöön liittyen.

Palautan mieleen IPCC:n kasvihuoneilmiön määritelmän. IPCC on määritellyt kasvihuoneilmiön johtuvan vain ja ainoastaan kasvihuonekaasuista ja pilvistä, jotka absorboivat maapallon pinnasta tulevaa infrapunasäteilyä, jonka kasvihuonekaasut säteilevät takaisin maapallon pinnalle, kuva 1. “The longwave radiation (LWR, also referred to as infrared radiation) emitted from the Earth’s surface is largely absorbed by certain atmospheric constituents - (greenhouse gases and clouds) - which themselves emit LWR into all directions. The downward directed component of this LWR adds heat to the lower layers of the atmosphere and to the Earth’s surface (greenhouse effect).”

Tuo absorption määrä on 155 Wm-2. IPCC:n määritelmä johtaa siihen, että a) joko IPCC:llä on ikiliikkuja ilmakehässä nostaen säteilymäärän 155 Wm-2 arvoon 270 Wm-2 tai b) ilmakehästä tulevassa säteilyssä osuudella 270-155 Wm-2 = 115 Wm-2 ei olekaan lämpötilavaikutusta.
IPCC:n virheellisestä kasvihuonemääritelmästä johtuen hiilidioksidin osuudeksi on saatu joko 26 % (väärä ilmakehäkoostumus, Viite 2) tai 19 % (Viite 3), mutta oikean määritelmän mukainen arvo on 7 %. Kasvihuoneilmiön osatekijät ovat: vesi 33,6 %, latenttilämpö 33,6 %, pilvet 13,3 %, kuuman ilman kumpuaminen 8,9 %, hiilidioksidi 7,4 %, otsoni 2,6 %, metaani ja typpioksiduuli 0,7 %.

Loppukaneetti

Kokemuksesta tiedän, että ilmastonkieltäjien kanssa on turha ruveta väittelemään, koska se menee pelkäksi jankkaamiseksi. En ole koskaan huomannut kenenkään näistä ihmisistä myöntävän, että olinpa väärässä. Heiltä löytyy aina jokin pakotie. Ruvetaan puhumaan vaikkapa ilmastomalleista, jos kyse oli kasvihuoneilmiöstä. Esimerkiksi jos kerron, että aurinko paistaa, niin heidän vastaväitteensä on, että todista se.

Viitteet

1. Ollila A. The greenhouse effect definition. Physical Science International Journal, 23(2), 1-5, 2019
https://doi.org/10.9734/psij/2019/v23i230149.

2. Schmidt GA, Ruedy RA, Miller RL, Lacis AA. Attribution of the present-day total greenhouse effect. J Geophys Res 115,D20106:1-6, 2010. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com ... 10JD014287.
Viimeksi muokannut AnteroOllila, 09.04.2020, 22:58:45. Yhteensä muokattu 1 kertaa.
Carbonautti
Viestit: 928
Liittynyt: 01.09.2015, 19:59:12

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja Carbonautti »

Olipa pitkä ja perusteellinen artikkeli. En ihan kaikkea ymmärtänyt, mutta pääasiasta olen samaa mieltä. Jotkin kohdat vaativat mielestäni selvitystä tai korjausta. Alla olen lyhyesti kommentoinut artikkelia.
  1. On olemassa kolme lämmönsiirtomekanismia: johtuminen eli konduktio, kuljettuminen eli konvektio ja säteily.
    -> eikö tähän pitäisi lisätä myös faasimuutokset?
  2. Vesikiertoinen keskuslämmitys on mielestäni huono esimerkki, koska se voi toimia pumpun avulla (pakotettuna) tai luonnollisella tiheyseroista johtuvalla kierrolla.
  3. Lämmönsiirtonopeus (W) -> lämpövirta (W)
  4. Konduktiossa U on lämmönjohtavuuskerroin (W/m2°C) -> lämmönläpäisykerroin (W/(K·m²))
  5. Kaava (3.1) q=σ A T,4 -> q=σ A T^4
  6. (3.2) q=σ A ε (T14−T24) -> q=σ A ε (T1^4−T2^4)
  7. Kuva kahden kappaleen välisestä säteilystä on harhaanjohtava. Tällaisessa kahden kappaleen tapauksessa on huomioitava säteilevien pintojen välinen näkyvyyskerroin F(1->2). Kaava (3.2) on pätevä vain samankeskeisille (pallo)pinnoille. Kaikki ylemmästä kappaleesta lähtevä säteily ei osu alempaan kappaleeseen kuvan tapauksessa.
  8. Kuva kolmen kappaleen välisestä säteilystä on harhaanjohtava. Tässäkin tapauksessa vaikuttaa näkyvyyskertoimet monimutkaisella tavalla.
  9. ”Netto lämmönsiirto tapahtuu aina lämpimästä kappaleesta kylmään kappaleeseen”. Tästä olen samaa mieltä.
AnteroOllila
Viestit: 66
Liittynyt: 18.04.2013, 11:49:01

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja AnteroOllila »

Carbonautille.

Kiitos palautteesta. Korjasin pari virhettä heti ja tarkistan muutkin, kun ehdin. Faasimuutosta ei perinteisesti lueta lämmönsiirtoon kuuluvaksi, mutta yhdistettynä johonkin muuhun se siirtää lämpöä tehokkaasti. Vaikkapa veden höyrystyminen ilmaan ja sitten höyryn kondensoituminen takaisin vedeksi vapauttaa merkittävästi lämpöä.

Kysymys kahden kappaleen välisestä lämmönsiirrosta on siis otettu oppikirjaesimerkkinä. Nähdäkseni se toimii oikein, jos lasketaan vain toisen kappaleen lämpeneminen tai jäähtyminen, koska silloin vain sen kappaleen pinta-alalla on merkitystä.

Esimerkki kolmen kappaleen lämmönsiirrosta havainnollistaa sitä, että musta kappale ei voi valita, mitkä fotonit se absorboi ja mitä fotoneita se ei absorboi. Tämä tilanne liitty maapallon energiataseeseen hyvin läheisesti. Maapallon pinta absorboi kaiken sille osuvan säteilyn olipa se peräisin auringosta tai ilmakehästä.

Lainaus: "Tällaisessa kahden kappaleen tapauksessa on huomioitava säteilevien pintojen välinen näkyvyyskerroin F(1->2). Kaava (3.2) on pätevä vain samankeskeisille (pallo)pinnoille. Kaikki ylemmästä kappaleesta lähtevä säteily ei osu alempaan kappaleeseen kuvan tapauksessa."

Huomasin jälkikäteen, että maanpinta ja sitä syleilevä ilmakehä ovat lähes ideaalisesti samankeskeisiä pallopintoja, eikös totta?
Viimeksi muokannut AnteroOllila, 11.04.2020, 18:56:10. Yhteensä muokattu 1 kertaa.
unbiased
Viestit: 1458
Liittynyt: 13.01.2015, 09:31:57

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja unbiased »

Luin Anteron kirjoitusta, voisin sanoa minakin, se on Anteron ikiomaa fysiikkaa. :)
Anteron fysiikka kirjoitti:Fysiikan lakien mukaan fotonia ei voi absorboida osittain, vaan se absorboituu aina kokonaan tai ei ollenkaan. Materiaalilla on kolme vaihtoehtoa, kun fotoni osuu siihen: heijastaa, absorboida tai läpäistä (läpinäkyvä materiaali), joiden summa on aina 100 %.
Absorptio on ilmiö, jossa fotonin energia siirtyy elektronin energiaksi tai molekyylin sidosvoimien energiaksi. Hyvä esimerkki postmodernista fysiikasta, joka kokeellisesti havaittu tieto laajennetaan sumeilematta yleistiedoksi säteilyilmiöistä.
Kannattaa lukaista ihan Wikipediasta https://fi.wikipedia.org/wiki/Sironta ja vahvistukseksi https://fi.wikipedia.org/wiki/Comptonin_ilmi%C3%B6
IR fotoneiden reaktioista atomien kanssa ei tiedetä juuri mitään niiden heikon energian vuoksi. Yksittäisiä fotoneita ei voi havaita juuri tästä syystä, toisin kuin valofotoneita tai alfasäteilyn fotoneita, joista sitten onkin laajasti tietoa.
Riittämättömästä tiedosta johtuen fotoni (hiukkanen, aaltopaketti) on yksi kuvaus sähkömagneettisen säteilyn ominaisuuksille, siksi säteilylle tarvitaan myös aaltoliikettä kuvaava selitys https://fi.wikipedia.org/wiki/Interferenssi Lämpösäteily voi siis myös interferoida. Miten lämpösäteily vaikuttaa kappaleeseen ja mistä riippuu emissiokerroin, joka kaiken lisäksi riippuu säteilystä, on täysin tiedon ulkopuolella.
Kokemuksesta selvää, ettei alemmasta lämpötilasta tuleva terminen säteily voi kohottaa korkeammassa lämpötilassa olevan kappaleen lämpötilaa, tuoda siihen lisää energiaa. Kasvihuonekaasut eivät tuo siis lisää lämpöenergiaa maapallolle. No, estävätkö ne sitten lämpöenergian poistumista maapallolta. Pitäisi varmaan keksiä selitys. Kasvihuone ei ole toimiva malli. Lasikatto viilentää kasvihuonetta, ei lämmitä. Se estää tulevaa säteilyä ja tehostaa poistuvaa lämpösäteilyä, mutta samalla estää konvektion. Jos kasvihuoneilmiö olisi totta, sille olisi luonnollisesti keksitty toimiva malli.

Aurinko peilipaneelivoimalasta voisi esitää kysymyksen. Jos peilien määrää lisättäisiin riittävän suureksi, voitaisiinko ylittää auringon pinnan lämpötila? Tällöin tulisi todistetuksi, että lämpöä voi siirtyä alemmasta lämpötilasta korkeampaan.
Tronic
Viestit: 350
Liittynyt: 15.08.2010, 16:38:00

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja Tronic »

Netto lämmönsiirto tapahtuu aina lämpimästä kappaleesta kylmään kappaleeseen
Tämäkään ei pidä paikkaansa, sillä ulkoisessa potentiaalikentässä (erityisesti gravitaatio) tasapainotilaan jää lämpötilagradientti (lapse rate) ja tarvittaessa energiaa siirtyy jopa (nettona) kylmästä lämpimään, kunnes kokonaisenergian määrä on tasattu.
Carbonautti
Viestit: 928
Liittynyt: 01.09.2015, 19:59:12

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja Carbonautti »

Tronic kirjoitti: 11.04.2020, 14:15:17
Netto lämmönsiirto tapahtuu aina lämpimästä kappaleesta kylmään kappaleeseen
Tämäkään ei pidä paikkaansa, sillä ulkoisessa potentiaalikentässä (erityisesti gravitaatio) tasapainotilaan jää lämpötilagradientti (lapse rate) ja tarvittaessa energiaa siirtyy jopa (nettona) kylmästä lämpimään, kunnes kokonaisenergian määrä on tasattu.
Antaisitko tuolle väitteelle lähteitä.
AnteroOllila
Viestit: 66
Liittynyt: 18.04.2013, 11:49:01

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja AnteroOllila »

Tottahan se on, että fysikaalille ilmiölle pitää löytää myös atomi- ja alkeishiukkastason selitys. Sen ovat tehneet yli sata vuotta sitten eläneet fyysikot ja kukaan ei ole pystynyt niitä kumoamaan.

Tähän ilmakehästä tulevaan säteilyyn löytyy ihan makrotason selitys. Jos tuo säteilyvuo 345 W/m2 ei vaikuttaisi pintalämpötilaan, niin maanpinnan säteilytasapaino olisi toivottomasti pielessä. Mutta se ei ole , vaan se on kauniisti tasapainossa, niin kuin on ilmakehä ja ilmakehän yläreuna. Siinäkin on todistetta tarpeeksi, koska kaikki nämä säteilyvuot voidaan käytännössä mitata ja niin on tehtykin.

Nämä voi kumota vain ottamalla omat fysiikan lait käyttöönsä. Ja kuten olen todennut, nämä henkilöt eivät koskaan myönnä olevansa väärässä, eli turha väitellä, jos parempaa ei löydy.
Tronic
Viestit: 350
Liittynyt: 15.08.2010, 16:38:00

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja Tronic »

Carbonautti kirjoitti: 11.04.2020, 16:00:36
Tronic kirjoitti: 11.04.2020, 14:15:17
Netto lämmönsiirto tapahtuu aina lämpimästä kappaleesta kylmään kappaleeseen
Tämäkään ei pidä paikkaansa, sillä ulkoisessa potentiaalikentässä (erityisesti gravitaatio) tasapainotilaan jää lämpötilagradientti (lapse rate) ja tarvittaessa energiaa siirtyy jopa (nettona) kylmästä lämpimään, kunnes kokonaisenergian määrä on tasattu.
Antaisitko tuolle väitteelle lähteitä.
Raah, foorumi vaati kirjautumista ja kirjoittamani pitkä vastine hukkui sen myötä.

Erittäin lyhyesti: Toinen pääsääntö perustetaan nykyään entropian maksimointiin, eikä lämpötilaa suositellussa muodossa mainita lainkaan. Kysymykseksi jää mikä entropiamaksimi graviaatiokentässä olevassa fluidissa saavutetaan. Asiasta on väitelty 1800-luvulta nykyaikaan. Björnbom 2014 lähti todistamaan tasalämpötilaa, mutta saikin yllätyksekseen adiabaattisen lämpötilagradientin asiaa tietokoneella simuloidessaan). Tasalämpötilaan päästään vain termodynamiikan analyysissä, kun oletetaan ettei fluidi sekoitu lainkaan, kun taas tosimaailmassa gradientti on yleensä lähellä adiabaattista, mikä on todettu planeettojen kaasukehissä ja valtamerten syvimmissä haudoissa asti. Björnbomin mukaan tavallisesti päädytään metastabiiliin tasapainoon (adiabaattinen lämpötilagradientti), kun taas tasainen lämpötila voitaisiin saavuttaa vain hyvin pitkällä aikavälillä säteilylämmönsiirron kautta, jos fluidi ei lainkaan liikkuisi.

Aihetta on käsitelty myös skeptikkosivuilla: http://clivebest.com/blog/?p=4087
unbiased
Viestit: 1458
Liittynyt: 13.01.2015, 09:31:57

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja unbiased »

Aivan yksinkertaisesti. Lämpöenergiaa (molekyylien statistista kineettistä energiaa) siirtyy vain korkeammasta lämpötilasta alempaan ilman ulkopuolisen energian käyttöä. Gradientti on muutoksen nopeutta ja suuntaa kuvaava suure, siis derivaatta tai useamman muuttujan funktiossa osittaisderivaattojen summavektori, joka osoittaa funktion suurimman kasvusuunnan. Lämpötilagradientti voi osoittaa lämpötilan kasvusuunnan. Ilmastotieteen oivallusta "adiabaattista lämpötilagradienttia" en tajua.
Adiabaatiinen prosessi on tilanne, jossa lämpöenergiaa ei poistu tai tule lisää tarkasteltavaan tilaan. Pitää heti sanoa, että ilmakehässä on aina lämpöenergian vaihtoa siirtymisenä ja veden faasimuutoksien tuloksena. Kaipa kuitenkin jokin prosessi voi olla likimain adiabaattinen.

Kun vettä haihtuu merestä, joka on ilmaa alemmassa lämpötilassa, prosessi kuluttaa lämpöenergiaa (noin 2,5 kJ/g), joka enimmäkseen otetaan veden lämpöenergiasta. (Kokeessa haihtumista tapahtui tuulettomassa tilassa, t =20 C, R =35%, 0,015 g/m²s, lämmön siirtyminen oli 38 J/m²s, joka aiheutti veden 2 asteen lämpötilan alenemisen) Kaasu tiivistyy takaisin jossakin vaiheessa ja nyt sähköisiin voimiin sitoutunut energia vapautuu lämpöenergiana. Prosessissa lämpöenergiaa siirtyy alemmasta lämpötilasta korkeampaan. Kysymyksessä ei kuitenkaan ole lämpöenergian siirtyminen konvektiolla, johtumalla tai säteilemällä, johon laki viittaa.
Antero kirjoitti:Nämä voi kumota vain ottamalla omat fysiikan lait käyttöönsä. Ja kuten olen todennut, nämä henkilöt eivät koskaan myönnä olevansa väärässä, eli turha väitellä, jos parempaa ei löydy.
Useimmat näistä henkilöistä eivät sekoita eri energilajeja toisinsa. Lämpöenergia eri ole säteilyenergiaa. Ilmakehä säteilee sähkömagneettista säteilyä, koska sen lämpötila on satoja kelvineitä. Ilmakehän terminen säteily on vaikea tapaus, koska ilmakehä on läpinäkyvä omalle säteilylleen pieniä poikkeuksia lukuunottamatta. Kiinteän materian terminen säteily on yleensä peräisin pinnasta, koska materia ei ole läpinäkyvää omalle säteilylleen. (Kaasuille säteilylaki ei voi pitää paikkaansa, koska se pätee vain pintasäteilijöihin.)
Sen sijaan, että puhutaan maan pinnan säteilystä ja ilmakehän takaisinsäteilytä, tulisi tarkastella maapallon kohonaissäteilyä avaruuteen ja mistä lämpötiloista se on peräisin. Maan pinta säteilee ilmakehän muodostamassa säteily-ympäristössä, joten siinä mielessä ilmakehällä on vaikutusta maan pinnan menettämään lämpöenergiaan säteilemällä. Todennäköisesti kuitenkin suurin osa pinnan lämpöenergiasta siirtyy ilmakehään johtumalla. (Aamulla tämä ainakin on totta! Aurinko ei ilman lämpötila saa juuri nousemaan, ilma lämpenee vasta auringon lämmittämästä maan pinnasta. Ympäristöään seurannut veneijiä ilmiön on pannut merkille. Ilmastotietäjistä en tiedä.) Asiaa tulisi tarkastella tästä näkökulmasta, eikä puhua lämmön nettosiirosta, joka ilmaisee, ettei puhuja ymmärrä lämpöenergiakäsitettä.
unbiased
Viestit: 1458
Liittynyt: 13.01.2015, 09:31:57

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja unbiased »

Esimerkki kolmen kappaleen lämmönsiirrosta havainnollistaa sitä, että musta kappale ei voi valita, mitkä fotonit se absorboi ja mitä fotoneita se ei absorboi. Tämä tilanne liitty maapallon energiataseeseen hyvin läheisesti. Maapallon pinta absorboi kaiken sille osuvan säteilyn olipa se peräisin auringosta tai ilmakehästä.
En ole näköjään ainoa, jonka voisi väittää keksivän omia fysiikan lakeja. No, ei kai tästä olekaan kysymys, vaan siitä mitä itse pitää tarpeellisena ajatuksena.
Vihonviimeinen keino ilmaston kieltäjillä tässä kohtaa on väittää, että tällä mittaustekniikalla ei pystytä mittaamaan väitetyllä tarkkuudella infrapunasäteilyä. Kyse olisi siis suuren luokan huijauksesta, jossa maapallon maat laittavat suuret rahat laitteisiin, jotka olisivat ihan huijausta alusta loppuun.
Ilmastohuijaukseen tämä liittyykin. En muista vuotta (1970-1980) milloin Turun Yliopistossa tehtiin pyrgeometrejä, joilla mitattiin ilmakehästä tulevaa säteilytehoa. Pyrgeometrissä oli useita antureita, muistaakseni AD590, joka tuottaa absoluuttiseen lämpötilaan verrannollisen virran. Mitattiin siis säteilyn platinamustaan tuottamaa lämpötilaa tai platinamustan säteilyn johdosta menettämää lämpötilaa, eikä siihen aikaan yritettykään väittää, että mitattiin tulevan säteilyn intensiteettiä, vaikka siitäkin havaintoa saatiin, kun laskettiin teoreettisia säteilytehoeroja. Tarkoitus oli havaita auringon tuottamaa lämpöenergiaa eri suunnista myös pilvisenä aikana ja saada tietoa aurinkoenergian kerääjien suunnittelua varten.
No mitataanhan satelliiteillakin maan pinnan ja ilmakehän mikroaaltosäteilyn tehoja tietyillä aallonpituuksilla, joista arvioidaan lämpötila 0,01 asteen tarkkuudella. Havaintoja käytetään sekä ilmastonmuutoksen todistamiseksi, vaikka denialistit käyttävät mittauksia ilmastonmuutoksen kaatamiseksi. Kallista postmodernia tiedettä, jolla on poliittinen tarve puoleen tai toiseen.

Ainakin Ruotsista olen kuullut, että myös ilmakehän säteilyä käyttäviä lämpösysteemejä on kaupattu. Katolle asetetaan säteilyä keräävä putkisto, jossa jäätymätön neste kiertää. Kuvitellaan otettavan talteen ilmakehän säteilyä, kun luultavasti suurin lämpöenergia tulee johtumalla ilmasta. Koska säteilykohde on matalassa lämpötilassa, nesteen energiaa on kerättävä lämpöpumpulla. Kesällä auringon paistaessa lämpöä tulee ilman pumppaamistakin. No paljon halvemmalla saa tehokkaamman ilmalämpöpumpun, joka ottaa lämpönsä johtumalla ilman lämpöenergiasta eikä tarvita mitään pakkasta kestäviä nestekiertoja. Uskomukset satojen wattien ilmakehän lämpösäteilyyn saavat kalliita laitteita menemään kaupaksi.
Tronic
Viestit: 350
Liittynyt: 15.08.2010, 16:38:00

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja Tronic »

unbiased kirjoitti: 12.04.2020, 20:16:28Ilmastotieteen oivallusta "adiabaattista lämpötilagradienttia" en tajua.
Yksinkertaisimmillaan lämpötila muuttuu gravitaation vaikutuksesta korkeuden suhteen g/cp, jossa muuttujat ovat painovoimainen kiihtyvyys ja kaasun ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa. Kaava on johdettu mm. sivulla https://www.sciencedirect.com/topics/ea ... lapse-rate

Esimerkkejä eri planeettojen troposfääreistä:
- Maa (kuiva ilma): 9.8 m/s² / 1.0 kJ/kgK = 9.8 K/km
- Venus (CO2): 8.9 m/s² / 1.1 kJ/kgK = 8.1 K/km
- Jupiter (H2): 25 m/s² / 14 kJ/kgK = 1.8 K/km

Tämä on tietysti vain alkeellinen approksimaatio todellisesta kaasukehästä, mutta voit todeta arvojen silti osuvan suhteellisen lähelle mitattuja tuloksia.
AnteroOllila
Viestit: 66
Liittynyt: 18.04.2013, 11:49:01

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja AnteroOllila »

Olen jonkin verran ollut tekemisissä mittausten kanssa, koska olen alunperin uraltani suistunut automaatioinsinööri. Eipä tule yhtään mittausta äkkiseltään mieleen, jossa mitattaisiin suoraan kyseistä fysikaalista ilmiötä. Säännönmukaisesti mitataan jotain sellaista suuretta, joka korreloi erittäin voimakkaasti mitattavaan ilmiöön ja sitten yritetään eliminoida häiriötekijöitä minimiin. Lämpötilaa mitataan platina-anturin sähkönvastuksen muutoksesta, virtausta kuristuksen aiheuttavan esteen yli tai pyörteiden määrästä, paine pienestä muutoksesta kalvon liikkeessä jne.
unbiased
Viestit: 1458
Liittynyt: 13.01.2015, 09:31:57

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja unbiased »

Kun mitataan matkaa, massaa, voimaa, aikaa, virtaa, jännitettä, lämpötilaa... tulos kyllä katsotaan jonkin mittarin näytöstä. Jos tässä väittää, ettei mitata kyseistä fysikaalista ilmiötä, ei kyllä tiedä fysiikan mittauksista. Kuten ei siinäkään tapauksessa, jos väittää havaitessaan lämmön siirtymistä sanookin mittaavansa säteilyä. Nehän ovat vallan eri energialajeja. Laki mustan kappaleen säteilystä onko se riittävä yhdistämään säteilyn ja kappaleen lämpötilan? Kysymys liittyy varsinkin kaasuihin, jotka ovat osittain läpinäkyviä omalle termiselle säteilylleen.

Muistan yhden fysiikan opettajan, joka katsoi vanhanaikasella virtamittamilla tuleeko verkosta virtaa. Valitti sitten, ettei mittari toimi. Noilla magnetismiin perustuvilla mittareillahan aina mitattiin virtaa jännitettäkin mitattaessa. Havaittin jännitehäviötä mittausvirran kulkiessa tarkalleen tunnetun vastuksen kautta. Näissä mittauksissa ei ollut epäselvyyttä, koska kaikki oli tunnetttua. Virhettäkin oli tuloksissa.

Säteilymittauksissa onkin sitten epämääräisyyttä. Mitkä ovat emissiokertoimet eri säteilytaajuuksilla esimerkiksi. Tavallisessa säteilylämpömittarissa emissiokertoimeksi oletetaan yleensä 0.95. Säteilymittareiden epätarkkuus johtuu siitä, että lämpötila havaitaan mittarin lämpötilan muutoksena eikä mitattavan kohteen lämpötilana. Mittari on kuitenkin kätevä ja riittävän tarkka moneen tarkoitukseen.

Otetaanpa esimerkki. Pyrgeometri ei ole huippulaite, jossa anturi on jäähdytetty lähelle 0 K, vaan sen lämpötila on 20 astetta. Sillä mitataan ilmakehäsäteilyä, vai mitataanko? Ei vaan mitataan säteilynä poistuvan lämmön (hyvässä laitteessa anturi on vakuumissa ja lämmön johtuminen voidaan arvioida) alentavaa vaikutusta mittarin anturissa. Poistuvan lämmön määrä tietenkin riipuu mittarin säteily-ympäristöstä (mitenkä säteily arvioidaan aukon levystä ja seinistä? kalibroimalla?), ja siitä voidaan arvioida säteily-ympäristön lämpötila ja siitä arvioida ilmakehästä tulevan säteilyn määrä.
Noiden mittauksten perusteella väitetään, että ilmakehästä tuleva säteily lämmittää maan pintaa (kasvihuoneilmiö). Lämmittäähän se, jos maan pinta on ilmakehää alemmassa lämpötilassa, muutoin maan pinnasta siirtyy lämpöä ilmakehään johtumalla ja säteilemällä. lmakehä on kuitenkin maan säteily-ympäristöä ja se estää lämpösäteilyn avulla siirtyvää lämpömäärää. Onko tämä kasvihuoneilmiö? Jotakin se on, mutta vertaus on täysin huono, koska kasvihuoneen lasit säteilyn osalta alentavat kasvihuoneen lämpötilaa. Kasvihuone olisi lämpimämpi, jos jollain muulla tavalla voitaisiin estää lämmön siirtyminen johtumalla. Lämpöenergia ilmakehässä on peräisin maan pinnalta (vähän auringon energiastakin) eikä voi palata maan pinnalle takaisin kuin poikkeustapauksessa, eikä ainakaan tuoda lisää lämpöenergiaa maan pinnalle.
AnteroOllila
Viestit: 66
Liittynyt: 18.04.2013, 11:49:01

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja AnteroOllila »

Kasvihuonevertaus on loppujen lopuksi varsin hyvä. Lämpö pääsee poistumaan ilmakehästä avaruuteen säteilemällä. Koska sinne mahtuu vain sama määrä, mitä sieltä tulee eli 240 W/m2, niin maapallolla on näkymätön "lasikatto". Loputkin lämmöstä poistuvat ilmakehästä säteilemällä eli infrapunasäteilynä maanpinnalle, yhteensä 345 W/m2. JOs näin ei olsii, niin ilmakehä lämpenisi koko ajan. Einstein sanoi, että asiat pitää esittää mahdollisimman yksinkertaissesti, mutta ei sen yksinkertaisemmin.
unbiased
Viestit: 1458
Liittynyt: 13.01.2015, 09:31:57

Re: Termodynamiikan säännöt kasvihuoneilmiön taustalla

Viesti Kirjoittaja unbiased »

Lämpö pääsee poistumaan ilmakehästä avaruuteen säteilemällä. Koska sinne mahtuu vain sama määrä, mitä sieltä tulee eli 240 W/m2, niin maapallolla on näkymätön "lasikatto". Loputkin lämmöstä poistuvat ilmakehästä säteilemällä eli infrapunasäteilynä maanpinnalle, yhteensä 345 W/m2. JOs näin ei olsii, niin ilmakehä lämpenisi koko ajan.
Lämpöenergia ( 1) ja säteilyenegia (2) menevät sekaisin, mikä tietenkin on tarpeellinen edellytys kasvihuoneilmiölle. Eli lämpöä siirtyy termodynamiikan idean vastaisesti alemmasta lämpötilasta korkeampaan. Tätä sitten yritetään kiertää puhumalla lämmön nettosiirtymästä. Tätähän voisi tehdä matemaattisin yhtälöin loputtomiin, kunhan vain siirtyvien energioitten erotus pysyy vakiona. Oletetaan ristiriitaisesti, että olisi olemassa negatiivista lämpöenergiaa, joka ei kuitenkaan sovi lämpöenergian määritelmään. Pitäisi pysyä reaalisessa todellisuudessa.

Lämpöenergiaa voi siirtyä systeemistä toiseen säteilyn vaikutuksesta, mutta se tapahtuu aina termodynamiikan lakien mukaisesti eikä koskaan niiden vastaisesti. On tarkasteltava kokonaisuutta, maapallo menettää lämpöenergiaansa vain säteilemällä. Suurin osa lämpöenergiasta poistuu ilmakehän säteilynä avaruuteen ja pieni osa suorana säteilynä maan pinnasta. Merkittävin osa maan pinnan lämpöenergiasta siirtyy johtumalla ja latenttina lämpönä ilmakehään (arvio 2/3). Ilmakehässä kokonaisenergia on melko tasaisesti jakautunut, joten maan pinnalla ilman lämpöenergian määrä on suurempi ja lämpötila korkeampi johtuen vähäisemmästä potentiaalienergiasta. Tämä ei ole kasvihuoneilmiö.

(1) Kappaleen tai aineen sisältämä lämpö on energiaa ja se liittyy aineen hiukkasten liike-energiaan. Kappaleen sisältämä lämpöenergia on aineen kaikkien hiukkasten liike-energioiden summa.
(2) Radiant energy is the energy of electromagnetic waves. These waves can travel through space. Electromagnetic radiation is made up of tiny particles called photons – think of them as little packets of energy. Light energy is a form of radiant energy that is visible to the human eye. Ei ole ihme. että energiakäsitteissä on sekaannusta. Suomeksi ei löytynyt selvää määritelmää säteilyenergiasta.
Viimeksi muokannut unbiased, 11.05.2020, 10:36:57. Yhteensä muokattu 1 kertaa.
Vastaa Viestiin