Varmestrålingen

En gang i mellem står man som redaktør i lidt af et dilemma. I hænderne har man en artikel med et måske noget kontroversielt budskab, men som der alligevel synes at være noget rigtigt i. Vælger man at bringe artiklen, er der så de efterfølgende kommentarer, enten her på siden eller på Facebook, der kan kaste lys over, hvorvidt det var et vildspor eller ej. 

For godt et halvt år siden omtalte vi således en artikel, skrevet af fysikeren Thomas Shula om strålingsbalancen, hvor den gængse opfattelse om stråling ind og stråling ud fra jordkloden blev draget i tvivl. Normalt beskriver klimaforskningen situationen således at Jorden opvarmes af solens kortbølgede (synlige) lys og derefter udsender varmen igen i form af langbølgede infrarøde stråler – eller om man vil, varmestråling. Der kommer mere energi ind, end der går ud, og det medfører den globale opvarmning.

Shula påpegede ved hjælp af et elegant eksperiment, at varmestråling fra jordoverfladen overhovedet ikke kan nå ud til verdensrummet, den bliver omgående stoppet af den mellemliggende luft. Varmetransporten opad må derfor primært foregå ved såkaldt konvektion, dvs. det er de varme luftmasser, der stiger til vejrs og erstattes af koldere luft oppefra.  

En anden udfordrer til den gængse forklaring var Xavier Vinós, der i sin bog ”Climate of the Past, Present and Future” beskrev, hvordan størstedelen af varmetilførslen til jordkloden finder sted i troperne, hvorfra varmen med luft og vand transporteres mod polerne, hvor den så udstråles igen. Også den teori finder man ikke meget omtalt i den gængse klimalitteratur, der fokuserer på strålingsbalancer og ikke ret meget andet.

For nyligt var der så en omtale af et større videnskabeligt arbejde af forskerne Wijngaarden og Happer (W&H), som viser sig absolut at være et nærmere studium værd. Det er en svært tilgængelig artikel med mange fagudtryk og masser af matematiske formler, men den har nogle interessante beskrivelser og konklusioner, som vi kan gennemgå her.

Til en start rammer W&H en pæl igennem påstanden om varmestrålingen fra jordoverfladen og hele vejen ud i verdensrummet. En sådan stråling ville kunne lade sig gøre, hvis der slet ikke var drivhusgasser i atmosfæren, f.eks. hvis den udelukkende bestod af ilt og kvælstof. Men drivhusgasserne, primært vanddamp, lidt CO₂ og så de øvrige småtterier som metan og lattergas, vil omgående stoppe varmestrålingen. De udsender den igen i alle retninger, men det er ineffektivt og giver ikke nogen nævneværdig energitransport i opadgående retning.

Vi er derfor tilbage til mekanismen foreslået af Thomas Shula, og som W&H illustrerer som vist i fig. 2. Fra jordens overflade og op til den såkaldte tropopause, der er grænsen mellem troposfæren og den overliggende stratosfære, foregår energitransporten stort set udelukkende ved konvektion. Først herover er atmosfæren så tynd, at varmstrålingen uhindret kan sendes ud i verdensrummet. Tropopausen finder man 10-16 km over jordoverfladen.

W&H viser sig også at være enige med Xavier Vinós om varmetransporten fra Ækvator mod polerne. Det illustrerer W&H med fig. 3, som viser indstrålingen fra solen og varmestrålingen bort fra Jorden som funktion af breddegraden. Omkring Ækvator er der et stort overskud af indkommende energi, ved ca. 40 grader nord og 40 grader syd er indkommende og udgående energi i balance, mens der er et større tab af energi fra Jorden længere væk fra Ækvator.

Man ser flere interessante ting på fig. 3. Indstrålingen nærmere polerne er meget mindre end ved Ækvator, 50-60 watt pr. kvadratmeter (W/m²) mod over 300 i troperne. Hertil kommer, at arealet pr. breddegrad bliver mindre og mindre, desto nærmere man kommer polerne. Alt i alt leverer Solen kun en meget lille del af den samlede tilførte energi omkring polerne, og derfor har det ikke den store betydning, om der er mere eller mindre havis i Arktis. Mere havis skulle bortkaste strålerne og bevirke en afkøling, men effekten er lille på de breddegrader.

En anden interessant ting, som forfatteren Alan Longhurst har påpeget i sin bog ”Doubt and Certainty in Climate Science” er, at hvor klimamodellerne betragter afsmeltningen af den arktiske havis som en følge af stigende lufttemperaturer (igen fremkaldt af vores CO₂), så er det snarere den nordgående transport af varmere vand, der styrer mængden af is. Den varierer bl.a. med svingningerne i de store havstrømme og tabet af is de seneste 20-30 år er tilsyneladende en følge af nogle cykliske forløb.

Nu begynder vi at se konturerne af en forklaring på den globale temperaturstigning. Satellitterne synes at måle en ubalance mellem den indkommende og den udgående stråling i toppen af atmosfæren. Men hvad er det, der forårsager den? Varme i store mængder optages i første omgang fra sollyset ved Ækvator, og derefter fordeles varmen ved konvektion, opad eller mod nord eller syd. Undervejs udveksles varme mellem havet og luften, og der er også en udveksling mellem de forskellige lag af havet. Varme kan, midlertidigt eller mere permanent, i den forbindelse ophobes, nok i første omgang primært i havet, men efterfølgende afgives noget til atmosfæren – det vi kan konstatere som den globale opvarmning, vi kan måle.

Set i det lys er der ingen grund til at tro, at der altid skal være balance mellem indkommende og udgående stråling i atmosfærens top. Men det betyder omvendt, at det i høj grad er de forskellige svingninger i havene og mønsteret af vinde, der afgør, hvor meget varme, der holdes tilbage. Heri er IPCC naturligvis stærkt uenig. I den Sjette Vurderingsrapport ser man diagrammet vist på fig. 4, hvor bidraget til den globale opvarmning fra naturlige svingninger er sat til nul. Her er det alene de menneskelige udledninger af hhv. drivhusgasser og partikler, der betyder noget.

Drivhusgasserne spiller naturligvis en afgørende rolle for Jordens temperatur, uden dem ville al varmen fra den indkommende stråling omgående blive tabt igen i form af varmestråling. Men hvor meget betyder så f.eks. en fordobling af CO₂-indholdet? W&H regner sig frem til, at det vil give en ekstra påvirkning (forcing) på Jordens atmosfære på 3 W/m². Det er et beskedent bidrag til den stråling, som planeten modtager i forvejen. Fordobling af de to andre drivhusgasser, metan og lattergas vil give et endnu mindre bidrag. W&H skriver:

Hvis der ikke er nogen ændring i den opsugede mængde af solens indkommende stråler, vil denne påvirkning medføre en opbygning af varme i atmosfæren og Jorden nedenunder. Det er her, at pålideligheden af klimamodellerne ender, da der ikke er nogen, der ved lige præcis, hvordan det komplicerede klimasystem i Jordens atmosfære og have vil reagere på sådanne små påvirkninger.

Vi har allerede vist, at hvis der ikke er nogen ændring i opvarmningen fra solen … vil Jordens overfladetemperatur stige med ca. 1 grad celsius fra en fordobling af CO₂-indholdet.

En opvarmning på 1 grad er for lille en forudsigelse for dem, der hævder at stigende CO₂-koncentrationer allerede har medført en klima-nødsituation. Der er så foreslået mange forstærkende effekter, der skulle give en stærkere opvarmning. En af favorit-mekanismerne er, at der bliver mere vanddamp i de øvre luftlag, hvor det er koldere.

W&H beskriver herefter hvordan skyer og skydannelse yderligere komplicerer billedet, skyer kan give mere drivhuseffekt, men deres største bidrag er ved at tilbagekaste sollyset direkte, hvorved Jorden modtager mindre energi, end den ville med en skyfri himmel.

I konklusionen vender W&H tilbage til spørgsmålet om en forstærkning af CO₂’s drivhuseffekt: Det gentages, at efter deres bedste skøn er effekten af en fordobling af CO₂-mængden i atmosfæren ca. en grad celsius, når alle mekanismer og eventuelle forstærkninger medregnes.

Alarmerende forudsigelser om farlig opvarmning kræver en kraftig forstærkning, et såkaldt positivt feedback. Oftest peger man som forstærkende effekt på et forhøjet indhold af vanddamp i de øverste lag af troposfæren. Men de fleste klimamodeller har forudset meget mere opvarmning, end vi har observeret i realiteten, så de faktiske målinger understøtter ikke ideen om en kraftig forstærkning. Faktisk er de fleste feedbacks i naturen negative, da de følger Le Chateliers Princip:

• Når ethvert system i ligevægt udsættes for en ændring i koncentration, temperatur, volumen eller tryk, vil systemet finde en ny ligevægt, og denne ændring vil delvist modvirke den påførte ændring.

Med andre ord, atmosfæren og klimaet er stærkt selvstabiliserende, hvilket intuitivt virker rigtigt, ellers ville de næppe have kunnet tillade kompliceret liv på Jorden den seneste halve milliard år.

Hertil kommer, at W&H – og andre forskere med dem – peger på fænomener og mekanismer i klimaet, som de store computermodeller slet ikke kan simulere, og derfor har IPCC-klimaforskningen forsøgt at ignorere dem. Ellers ville det være svært at opretholde illusionen om CO₂ som den helt afgørende faktor for alt, hvad der sker med klimaet.