Áhrif CO2 uppgötvað

Hér er farið nánar yfir hluta efnis sem er á fastri síðu  sem hefur haldist óbreytt frá stofnun loftslag.is  (sjá Sagan). Þessi færsla verður ein af undirsíðum föstu síðunnar Kenningin sem finna má á stikunni hér til hægri.

Árið 1861 gaf  John Tyndall út niðurstöður á tilraunum sem hann gerði á rannsóknastofu sinni, þar sem hann sýndi fram á að ákveðnar gastegundir gætu dregið í sig varmageislun. Koldíoxíð (CO2) er ein þeirra gastegunda. Á þeim grunni komst Tyndall að þeirri niðurstöðu að við breytingu á styrk gróðurhúsalofttegunda í andrúmsloftinu yrði breyting í hitastigi (Tyndall 1861).

Svante Arrhenius kom fram með kenningu um áhrif gróðurhúsalofttegunda á loftslag jarðar, árið 1896. Útreikningar hans bentu til að aukning á styrk CO2 myndi hafa sterk áhrif á hitastig jarðar (Arrhenius 1896). 

John Tyndall (1820-1893), Svante Arrhenius (1859-1927), Knut Ångström (1857-1910) og Charles Greeley Abbot (1872-1973).

 Árið 1900 sýndi Knut Ångström fram á það, með tilraunum í rannsóknastofu (Ångström 1900) að breyting í styrk CO2 myndi í raun ekki hafa ýkja mikil áhrif á hitastig, þrátt fyrir allt. Útreikningar hans bentu til að aukning á styrk CO2 myndi hafa lítil áhrif á magn geislunar sem færi í gegnum lofttegundina og það virtist sem gleypnisvið CO2 og vatnsgufu myndu skarast. Það voru reyndar ekki nýjar upplýsingar, t.d. höfðu Rubens og Aschkinass (1898) þá þegar skrásett þessa skörun milli gleypnisviðs CO2 og vatnsgufu, en einnig töldu þeir að lofthjúpurinn væri algjörlega ógegnsær á bylgjulengdum sem innihalda CO2. Eftir rannsóknir Ångström þá töldu menn að það væri mun meiri vatnsgufa í andrúmsloftinu og þar með að það væri áhrifamesta gróðurhúsalofttegundin, svo virtist vera að áhrif vatnsgufu myndu hylja möguleg áhrif vegna breytinga á styrk CO2 í andrúmsloftinu og þar með að aukinn styrkur CO2 myndi ekki valda hlýnun. Þetta varð almenn skoðun vísindamanna í nokkra áratugi. Til dæmis skrifaði Charles Greeley Abbot (Abbot, 1920):

The other two absorbents are each confined in their absorbing regions to comparatively narrow ranges of spectrum, but the ozone absorption band, at about 10 microns, occurs in a region where water vapor absorbs scarcely anything while the carbon dioxide absorption band at about 14 microns occurs in a region where water vapor is also powerfully absorbing. The atmospheric proportion of carbon dioxide is sensibly constant, while water vapor and ozone are variable. Accordingly, while water vapor is certainly the most important of the three, probably ozone, although much less plentiful in the atmosphere, and certainly not more powerful as an absorber for the spectrum of a perfect radiator than carbon dioxide, is yet entitled to be regarded as second in importance on account of this peculiar posture of affairs.

Samkvæmt þessu þá taldi Abbot að óson hefði meiri áhrif en CO2. Taka skal með í reikningin að á þessum tíma voru ekki til nógu góðar mælingar á styrk CO2 í andrúmsloftinu og töldu menn allt eins líklegt að sá styrkur væri nokkuð stöðugur (á þeim tíma var styrkur þess að aukast lítillega – eins og síðar kom í ljós þegar menn fóru að efnagreina loft í ískjörnum). Á svipuðum tíma þá taldi Simpson (1929) upp þrjár ástæður af hverju aukning á styrk CO2 myndi hafa lítil áhrif til hlýnunar. Samkvæmt honum er gleypnisvið CO2 of þröngt til að hafa mikil áhrif. Önnur ástæða er áðurnefnd skörun milli gleypnisviðs CO2 og vatnsgufu og þriðja ástæðan sem hann nefnir er að styrkur CO2 í andrúmslofti (þá) hafi náð að fylla gleypnisvið sitt og að viðbót í styrk CO2 myndi ekki breyti því að ráði. Þetta er kallað mettun gleypnisviðsins.

Almenn skoðun vísindamanna þess tíma var því að aukning á styrk CO2 í andrúmsloftinu myndi ekki hafa merkjanleg áhrif á varmageislun frá Jörðu og þar með hefði hún ekki áhrif á hitastig Jarðar. Stakar raddir heyrðust þó, þar sem því var haldið á lofti að CO2 myndi hafa áhrif á hitastig. Hulbert (1931) gerði útreikninga þar um, á sama hátt og Arrhenius gerði og tók þar með undir niðurstöðu Tyndalls og Arrheniusar:

Calculation shows that doubling or tripling the amount of the carbon dioxide of the atmosphere increases the average sea level temperature by about 4° and 7°K, respectively; halving or reducing to zero the carbon dioxide decreases the temperature by similar amounts. Such changes in temperature are about the same as those which occur when the earth passes from an ice age to a warm age, or vice versa. Thus the calculation indicates that the carbon dioxide theory of the ice ages, originally proposed by Tyndall, is a possible theory.

Fáir tóku þó eftir útreikningum Hulberts, en Callendar (1938) komst þó að svipaðri niðurstöðu. Callendar hafði veitt því athygli að hitastig Jarðar var á aukast og tók því saman eldri gögn mælinga á styrk CO2 í andrúmsloftinu og komst að því að styrkur þess væri að aukast. Hann lagði einnig fram reikninga sem bentu til þess að aukið CO2 myndi hafa töluverð áhrif til hækkunar hitastigs. Vísindasamfélagið tók þó ekki undir niðurstöðu Callendes. Mælingar á styrkaukningu CO2 sem Callendar notaði þóttu ónákvæmar auk þess sem vankantar voru á útreikningum hans. Þrátt fyrir það vöktu niðurstöður hans nægilega mikla athygli til þess að fleiri færu að skoða málið.

Á rannsóknastofum héldu rannsóknir áfram á gleypnieiginleikum lofttegunda. Martin og Barker (1932) sýndu fram á að gleypnisvið CO2 væri í raun margþætt, vegna mismunandi tíðniástands CO2 sameindarinnar. Þetta þýddi að gleypnisvið CO2 væri ekki mettað eins og áður var talið.

Strong og Plass (1950) rannsökuðu áhrif þrýstings á eiginleika lofttegunda til að gleypa geislunarvarma. Þeir tóku eftir því að eiginleikar þeirra breittust við hæð. Þeir sýndu að því hærra í lofthjúpnum, því minni var gleypni lofttegundanna. Þar með gæti hluti af geislunarorku úr neðri lögum lofthjúpsins sloppið út úr lofthjúpnum. Ástæðan er sú að gleypnissvið lofttegundanna er breiðara neðar í lofthjúpnum en ofar, sem gerir það að verkum að varmageislun frá ytri mörkum gleypnisviðsins sleppur þegar ofar dregur. Það gerir það að verkum að þótt gleypnisvið CO2 sé mettað í neðri lögum lofthjúpsins, þá er það ekki mettað í þeim efri og aukinn styrkur CO2 í efri lögum mun auka gleypni varmageisla. Strong og Plass tóku þó ekki beint afstöðu til málsins, annað en að þeir einbeittu sér að greiningu á áhrifum þess á heiðhvolfið. Þeir sögðu þó þetta:

According to equation (18), the radiation exhausted from the atmosphere by the CO2 increases as the square root of the concentration of CO2. Since the atmosphere is at a lower temperature than the surface of the earth, the surface temperature rises as the CO2 concentration increases. 

Plass 1956

Gilbert Plass (1956) er síðan oft nefndur sem sá sem kom með lausnina. Hann hafði notað nýjustu mæliniðurstöður úr rannsóknastofum (þess tíma) á gleypnieiginleikum gróðurhúsalofttegunda og fundið út geislunarflæði á megin gleypnisviðum CO2 í lofthjúpnum og birti tilgátulíkan þar um (upp að 75 km hæð). Auk annars þá sýndi líkan hans þrýsting og hvernig gleypnisviðið breyttist með hæð, auk skörunar í litrófi. Samkvæmt niðurstöðum hans, þá myndi tvöföldun í styrk CO2 í andrúmsloftinu valda um 3,6°C hlýnun við yfirborð Jarðar. Að auki svaraði hann öllum helstu rökunum sem áður sýndu fram á að aukning CO2 í andrúmsloftinu hefði lítil áhrif. Plass (1956b) skrifaði grein um málið fyrir almenning, þar svarar hann helstu rökunum. Fyrst að gleypnisvið vatnsgufu og CO2 skarist:

The fact that water vapor absorbs to some extent in the same spectral interval as carbon dioxide is the basis for the usual objection to the carbon dioxide theory. According to this argument the water vapor absorption is so large that there would be virtually no change in the outgoing radiation if the carbon dioxide concentration should change. However, this conclusion was based on early, very approximate treatments of the very complex problem of the calculation of the infrared flux in the atmosphere. Recent and more accurate calculations that take into account the detailed structure of the spectra of these two gases show that they are relatively independent of one another in their influence on the infrared absorption. There are two main reasons for this result: (1) there is no correlation between the frequencies of the spectral lines for carbon dioxide and water vapor and so the lines do not often overlap because of nearly coincident positions for the spectral lines; (2) the fractional concentration of water vapor falls off very rapidly with height whereas carbon dioxide is nearly uniformly distributed. Because of this last fact, even if the water vapor absorption were larger than that of carbon dioxide in a certain spectral interval at the surface of the Earth, at only a short distance above the ground the carbon dioxide absorption would be considerably larger than that of the water vapor.

Um mettun á gleypnisviði CO2 í andrúmsloftinu skrifaði hann enn fremur:

One further objection has been raised to the carbon dioxide theory: the atmosphere is completely opaque at the center of the carbon dioxide band and therefore there is no change in the absorption as the carbon dioxide amount varies. This is entirely true for a spectral interval about one micron wide on either side of the center of the carbon dioxide band. However, the argument neglects the hundreds of spectral lines from carbon dioxide that are outside this interval of complete absorption. The change in absorption for a given variation in carbon dioxide amount is greatest for a spectral interval that is only partially opaque; the temperature variation at the surface of the Earth is determined by the change in absorption of such intervals.

Niðurstaðan er sú að CO2 hefur áhrif á hitastig Jarðar, því að þegar gleypnisvið CO2 er skoðað nánar þá sést að það skarast ekki við gleypnisvið vatnsgufu en að auki þá virkar vatnsgufa mest í neðri lögum lofthjúpsins. Þótt tekið sé með í reikningin mettun í hluta gleypnissviðs CO2, þá er niðurstaðan sú að aukning í styrk CO2 leiðir af sér hækkun hitastigs.

Vísindamenn leystu gátuna fyrir rúmri hálfri öld. Lausnin er frekar einföld og liggur beint við – og ætti ekki að valda miklum misskilningi. Þrátt fyrir það, þá er enn verið að þylja upp sömu gömlu rökin, eins og gátan sé enn óleyst.

Ábendingar um þýðingarvillur fræðiorða eða mistúlkanir eru vel þegnar.

Heimildir og frekari upplýsingar:

Þessi færsla er að miklu leiti þýðing á færslu af AGW Observer – When carbon dioxide didn’t affect climate

Abbot 1920: The larger opportunities for research on the relations of solar and terrestrial radiation 
Arrhenius 1896: On the Influence of Carbonic Acid in the Air Upon the Temperature of the Ground
Ångström 1900 (ágrip á þýsku): Ueber die Bedeutung des Wasserdampfes und der Kohlensäure bei der Absorption der Erdatmosphäre   
Callendar 1938 (ágrip): The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature
Fleming 2002: The carbon dioxide theory of climate change: emergence, eclipse, and reemergence, ca. 1850–1950
Hulbert 1931 (ágrip): The Temperature of the Lower Atmosphere of the Earth
Martin og Barker 1932 (ágrip): The Infrared Absorption Spectrum of Carbon Dioxide
Plass 1956 (ágrip): The influence of the 15u carbon-dioxide band on the atmospheric infra-red cooling rate
Plass 1956b: Carbon Dioxide and the Climate
Rubens og Aschkinass 1898: Observations on the Absorption and Emission of Aqueous Vapor and Carbon Dioxide in the Infra-Red Spectrum
Simpson 1929: Þessi heimild er í Flemming (2002), en frekari upplýsingar finnast ekki þar um.
Strong og Plass 1950: The Effect of Pressure Broadening of Spectral Lines on Atmospheric Temperature
Tyndall 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

Athugasemdir

ummæli

About Höski

Áhyggjumaður um loftslagsmál