Absorptionsspektra berättar om gaser i atmosfärer

De senaste dagarna har vi fått veta Venus atmosfär med till visshet gränsande sannolikhet innehåller ämnet fosfin. [1] Hur kan man avgöra det utan att sända en rymdfarkost för att ta atmosfärsprover?

Gaser avger både emissions- och absorptionsspektra. Molekyler i rörelse sänder ut fotoner (elektromagnetisk strålning) i proportion till sin temperatur. Detta ger karakteristiska emissionsspektra för alla ämnen, men största delen faller utanför det synliga området. Tydliga exempel är neonskyltar med olika färger beroende på gas.

När fotoner med lämpliga frekvenser passerar genom en gas kan de råka träffa på eller nära vissa molekylers egenfrekvens (resonans) och absorberas. Då kan man mäta en karakteristisk dipp (minskning) i det passerande fotonflödet, ett absorptionsspektrum.

Venus-mätningarna har gjorts med radiofrekvenser i millimeterområdet. För att det ska fungera måste radioteleskopen [2] vara mycket högt och ensligt belägna för att inte få med störningar.

Detta är i linje med hur växthusgaser fungerar. Värmestrålning från Jorden absorberas och värmer vår atmosfär analogt med hur en sovsäck håller dig varm trots att det är kallt omkring dig.


[1] Fosfin består av en fosfor- och fyra väteatomer och påminner i sin molekylära uppbyggnad starkt om metan (en kol- och fyra väteatomer)

[2] Ett av observatorierna (med 66 antenner) är ALMA, beläget i Atacamaöknen i södra Chile. https://en.wikipedia.org/wiki/Atacama_Large_Millimeter_Array

Hur smälter is i Arktis ‘kalla’ vatten?

Is har lägre densitet [1] än vatten, därför flyter isberg [2] med ungefär 1/10 ovanför och resten under vattenytan. När iskanten utanför t.ex. Grönlands istäcke luckras upp av värme faller delar loss, glaciären kalvar. Efter en del tumlande runt kommer isberget att stabilisera sig i ett läge där dess masscentrum är så långt ner som möjligt.

Källa: Tyska Wikipedia, se länk nedan

Den största mängden is smälter under vattenytan då även kallt vatten innehåller mer värmeenergi per volym än varm atmosfär i samma trakter. Det innebär att masscentrum (tyngdpunkten) hamnar högre upp och om isberget inte har tillräckligt stor yta blir det instabilt och tumlar runt till ett nytt, stabilt, läge.

Ser du isberg som flippar runt beror det på att de smält mer under vattenytan. Men det visste du nog redan.


[1] Densitet kallas i dagligt tal ofta täthet och mäts i massa/volym, t.ex. kilo/kubikmeter. Sötvattensis har en densitet på 920 kg/m3.

[2] https://sv.wikipedia.org/wiki/Isberg, https://de.wikipedia.org/wiki/Eisberg och https://en.wikipedia.org/wiki/Iceberg

Förödande bränder i Oregon

Oregon gränsar mot Stilla Havet, mellan Californien i söder och Washington i norr. Oregon är skogrik och därför utsatt när brandrisken är stor. Enligt bilden nedan har brandförekomsten ökat dramatiskt de senaste 20 åren jämfört med 1900 – 1999, se även YouTube-videon.

https://www.esri.com/en-us/disaster-response/disasters/wildfires


En acre är 4047 m2, 1000 acre är alltså strax över 4 km2

Snökanoner och ‘atmospheric rivers´

Atmosfärens maximala förmåga att innehålla vatten varierar med temperaturen. Jordens medeltemperatur uppskattas till +15 C och vid det värdet kan ånghalten (osynligt för våra ögon) vara maximalt 13 gram/m3. Den möjliga ånghalten ökar med ungefär 7% per grad vilket gör att mängden (massan/vikten) vattenånga ökar allt mer vid högre temperaturer. Utöver det kan dimma och moln tillföra betydligt större vatteninnehåll.

Atmospheric rivers are relatively long, narrow regions in the atmosphere – like rivers in the sky – that transport most of the water vapor outside of the tropics. These columns of vapor move with the weather, carrying an amount of water vapor roughly equivalent to the average flow of water at the mouth of the Mississippi River. When the atmospheric rivers make landfall, they often release this water vapor in the form of rain or snow. Källa: https://www.noaa.gov/stories/what-are-atmospheric-rivers

I Sverige, men även vid de Nordamerikanska Stora Sjöarna, är det vanligare med snökanoner. (Engelska: Lake-effect snow) Källor: https://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/snokanoner-fran-havet-1.13740 samt https://en.wikipedia.org/wiki/Lake-effect_snow

Tillägg 14/9-21: https://youtu.be/M3VdToEv2qo


Klimat är de samlade effekterna av väder under en tillräckligt lång tid, vanligen 30 år eller mer. Inte sällan händer det att ‘klimatskeptiker’ refererar till tillfälliga omfattande snöfall och -djup som tecken på att Jordens klimat inte står inför betydande förändringar, åtminstone i negativ riktning.

Jag använder klimatskeptiker som en hövligare beteckning istället för det vanligare klimatförnekare. Inte för att egentliga praktiska skillnader finns. Ordet skeptisk ‘smakar’ väldigt olika för forskare och lekmän. För seriösa forskare är det nödvändigt att förhålla sig avvaktande, skeptiska, inför både egna och andras tankar, hypoteser och teorier. Lekmän som anser sig skeptiska brukar anta vilken som helst ståndpunkt sånär som de konventionella.

Havsisen i Arktis

Det finns minst två mått på havsisen i polartrakterna, yta (utbredning) och massa då man även tar tjockleken med i beräkningen. Via länken kan du välja olika sätt att betrakta sakernas tillstånd. Länkens data uppdateras för att vara aktuella.

The daily Sea Ice Index provides a quick look at Arctic-wide changes in sea ice. It provides consistently processed daily ice extent and concentration images and data since 1979. Daily extent images show ice extent at concentrations greater than 15% for a given day with an outline of the typical extent for that day based on a 30-year (1981-2010) median (orange line).

https://nsidc.org/data/seaice_index/

Båda graferna härunder visar utbredning (Yta täckt med 15% is eller mer). Den övre visar avvikelser mellan 1979 – 2020 medan den undre återger detaljer för två år (2012 var ett extremt år med osedvanligt kraftig El Niño i Stilla Havet) jämfört med medelvärden samt statistiska avvikelser för åren 1981 – 2010.

Jordens medeltemperatur och Solens fläckar

Solfläckar beror på att dess magnetfält bryter igenom ytan och ändrar fördelningen av partikel– och elektromagnetisk strålning. Temperaturen i fläckarna sjunker ungefär 1000 grader medan strålningen i den närmaste omgivningen är i motsvarande grad högre [1]. Energiproduktionen inne i Solen är närmast konstant över mänskligt sett mycket långa tider.

‘Klimatifrågasättare’ har hittills [2] gärna menat att solfläckscyklerna påverkar Jordens klimat. Den mörkblå kurvan är Jordens medeltemperatur utjämnat över 37 månader för att i någon mån kompensera för väderhändelser.

Period 24 med den lägsta solfläcksaktiviteten och följande minimum inträffar i tidsmässig anslutning till hög medeltemperatur på Jorden.


[1] Där temperaturen är högre förskjuts strålningsspektrat mot UV-frekvenser och tvärtom.

[2] På senare tid har många av de som ifrågasätter klimatförändringar bytt taktik från att rakt av blåneka till att istället så tvivel.

Se -hela- bilden

Med förutfattade åsikter och begränsad synvinkel kan man uppfatta närapå vad man vill.

”Men såå lättlurad är inte jag.” Kanske inte just du, men var inte så tvärsäker.

Den som är skeptisk när det gäller människans bidrag till de pågående förändringarna i klimatet kanske okritiskt tolkar nästa graf som ett starkt stöd för sin uppfattning.

Atmosfärens andel av koldioxid och avvikelser av Jordens marktemperatur (blått) kombinerat i samma graf. (1988 – 2015)

Diagrammet består av tre komponenter, tid längs X-axeln och avvikelser i marktemperatur samt atmosfärens koldioxidinnehåll i Y-led, redovisat till vänster respektive höger. Jag utgår från att kurvornas värden är korrekta men helheten är avsedd att bedra betraktaren. Lägg märke till att temperaturskalan är angiven till vänster, något som passar vårt sätt att läsa av diagrammet. Tyvärr känner jag inte till den ursprunglige kreatören men gissar att det är en uttalad ‘klimatskeptiker’.

Det spontana och ogenomfunderade intrycket är att marktemperaturen beter sig rätt kaotiskt medan koldioxiden oemotståndligt sågar sig uppåt. Om du uppfattar det så är du inte ensam. Men lurad.

Låt oss betrakta samma data där koldioxidskalan är till vänster, annorlunda vald och den till synes kaotiska temperaturdiffen är kompletterad med en (röd) långtidstrendlinje [1]. Nu är det möjligt att se ett samband mellan koldioxid och marktemperatur. Dock finns två platåer i temperaturen och trendlinjen stiger mindre mot slutet. Framtiden kanske inte är så varm ändå eller ligger längre bort.

Du kan själv åstadkomma en trend för koldioxiden. Håll upp en linjal, penna eller något annat rakt föremål och syfta längs koldioxidgrafen, kurvan blir brantare med tiden.

Men vad händer om man kompletterar med data från ytterligare ett år? Här är de två skalorna lika men positionerade så att de inte skymmer varandra. Den röda trendlinjen har en helt annan lutning vilken antyder att den varma framtiden inte längre är lika långt borta.

En vanlig ‘syndabock’ bland klimatifrågasättare är Solen [2] och dess aktivitet [3]. För närvarande (2020) är den inne i en låg del av sin elvaåriga cykeln och det borde innebära lägre temperaturer. Ur din synvinkel, verkar det stämma för Jorden som helhet?


[1] LOWESS alternativt LOESS smoothing över 10 år. https://www.statisticshowto.com/lowess-smoothing/

[2] https://urminsynvinkel.com/2019/09/21/milankovic-cykler-och-klimat/

[3] https://urminsynvinkel.com/2019/08/06/grand-solar-minimum/

Koldioxid hindrar värmestrålning

Jordens medeltemperatur beror på skillnaden i energi mellan inkommande strålning [1] från Solen och den som går ut från Jorden inklusive dess atmosfär. Om Jorden saknade atmosfär skulle temperaturerna likna de som råder på Månen [2].

Temperaturen beror på medelhastigheten av atomers/molekylers vibrationer. När du bränner dig på en spisplatta är det dess vibrationer som förstör din hud. Den ackumulerade (samlade) värmeenergin hos ett föremål beror på både dess temperatur och massa.

En avgörande förutsättning för Jorden är den tunna atmosfären [3] och dess skikt av växthusgaser som omger oss. Koldioxidens inverkan på värmestrålning testas här av Dr. Iain Stewart. Han använder värmekamera, ett slutet glasrör och ett ljus. När röret enbart innehåller luft registrerar värmekameran ljusets värmestrålning men när röret fylls med koldioxid bleknar bilden. Se videon för närmare förklaring.

Ren luft är genomskinlig vilket beror på att synligt ljus inte dämpas nämnvärt av de gaser som dominerar, kväve (N2), syre (O2), vattengas (H2O) och argon (Ar). Vad gäller vatten uppträder en abrupt skillnad när andelen stiger så att dimma och moln bildas.

Ljus-, värme– och radiovågor är alla samma fenomen men med radikalt olika våglängder (inversen av frekvens). När en sådan ‘stråle’ träffar ett föremål kommer den att reflekteras och absorberas. Det är möjligt att konstruera ytor som reflekterar merparten av strålning men bara inom begränsade våglängder. En spegel reflekterar merparten av ljus men lämna den i solskenet ett tag och känn hur varm den blir.

En tänkbar invändning kan vara att när koldioxid dämpar värmeutstrålning från Jorden så gäller samma för inkommande från Solen. Solens temperatur är >5500 k medan Jordens medeltemperatur är cirka 290 k vilket ger radikalt olika strålningsintervall. Bara en bråkdel av solstrålningen kommer där Jordens utgående strålning sker men även den värmer det isolerande atmosfärslagret.

Allt som har en temperatur över absoluta nollpunkten [4] vibrerar. När strålning når något och absorberas börjar dess atomer/molekyler att vibrera och delar med sig energin till omgivningen. På så sätt sprids energin och temperaturen sjunker till en lägre nivå. Solens ursprungliga temperatur på över 5500°C resulterar alltså i Jorden balanserar runt en (för närvarande stigande) medeltemperatur på cirka +15°C.


[1] Strålning i denna text gäller den elektromagnetiska varianten och innefattar inte partiklar.

[2] Månens rotation är långsam (29,5 dygn för ett varv), både minimi- och maximitemperaturer har därför gott om tid att verka fullt ut. Medeltemperaturen är -23°C och svänger mellan -233°C och +123°C. Uppgifter från https://sv.wikipedia.org/wiki/Månen

[3] Atmosfären är mycket tunnare än vi spontant föreställer oss. Ungefär hälften av dess massa finns inom 5-5.5 km från havsytan. Detta kan jämföras med Jordens radie som är cirka 6731 km. https://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/lufttryck-1.657

[4] Det är omöjligt att nå den absoluta nollpunkten (0 k eller -273.15°C) men det går att komma godtyckligt nära.


http://www.ces.fau.edu/nasa/module-2/how-greenhouse-effect-works.php