«Digt og forbandet løgn»

Foto: NASA / Unsplash

I den grad jeg har tenkt på om noe fra Peer Gynt kan beskrive Bjørkums klimaskriverier, har det vært sitatet som begynner med «Når utgangspunktet er som galest». Når jeg nå har funnet fram et annet og spissere sitat, skyldes det Bjørkums innlegg 11. mars, som er langt utenfor det man må kunne forvente i en seriøs debatt hos «den fremste formidleren av norsk geofaglig forskning.»

Bjørkum skriver:

«Det har Raaen ikke kommentert. I stedet har han kritisert de to matematikerne for at de forenklet problemstillingen.»

Alle som sjekker, vil se at dette er oppspinn. Jeg har ikke kritisert modellen eller matematikerne; tvert imot har jeg framhevet den pedagogiske verdien av omtrentlige modeller. Det jeg kritiserte var Bjørkums bruk av en slik modell – som forfatterne selv sier mangler vesentlig fysikk – i en kvantitativ sammenheng, og til erstatning for de gjennomarbeidede modellene som klimafysikken benytter.

Bjørkum sier «vi må forenkle». Da kan vi like godt ta med det mest berømte sitatet i sakens anledning (men se likevel Occam’s razor), som tillegges Einstein:

«Man skal forenkle så mye som mulig, men ikke mer.» — Siste del er helt essensiell.

Dette er en kortform av et sitat som med sikkerhet kan spores til Einstein:

“It can scarcely be denied that the supreme goal of all theory is to make the irreducible basic elements as simple and as few as possible without having to surrender the adequate representation of a single datum of experience.”

M.a.o.,vi har ikke lov til å overse et eneste datapunkt!

Det er nyttig å få dokumentert at Bjørkum på en helt uakseptabel måte støtter seg på fantasien når han skal gjengi hva jeg har skrevet.

Jeg viser i det følgende noen eksempler på at noe av det samme har skjedd i andre sammenhenger.

«NASA-modellen»

Bjørkum berettet 6/10 med skråsikkerhet at Klimapanelet har misforstått noe viktig, og at NASA hadde en prinsipielt avvikende modell. «NASA modellen» hadde han funnet i en kortfattet, forenklet, populærvitenskapelig side hos NASA. Mitt spørsmål 17/1 om hvor denne dramatiske kontroversen er beskrevet i solide sekundærkilder står ubesvart. Til tross for dette beretter Bjørkum 19/2 og 11/3 om «NASA-modellen» som om intet har skjedd—men det er ikke dokumentert at andre bruker begrepet.

«Opptatte energinivåer»

Den 26/2 får vi høre at det er en begrensning at eksitasjonsnivåene er «opptatte», men at ingen korrigerer for det (samme idé gjentas 4. mars):

«Her møter mekanismen et problem. Når gassmolekyler eksiteres ved kollisjoner, vil et ledig eksitasjonsnivå bli okkupert. Varmestråler fra bakken finner dermed færre mulige eksitasjonsnivå. Dette er et forhold man må ta i betraktning ved beregning av absorbsjonskoeffisienter. Så langt jeg kan se, er det INGEN som gjør det.»

Dette framlegges som et prinsipielt, fundamentalt problem, og det gis inntrykk av at Bjørkum har full faglig oversikt, når han kan fastslå at «INGEN gjør det».

Dessverre er det hele en misforståelse: Den enkle modellen for et vibrerende molekyl er «den harmoniske oscillator», som kan eksiteres med et vilkårlig antall kvanter. Energinivåene er ekvidistante, så det koster akkurat like mye å eksitere fra f.eks. nivå 3 til 4 som fra grunntilstanden til første eksiterte nivå.

—Det er ikke nødvendig å korrigere for en ikke-eksisterende effekt, noe som jo forklarer hvorfor ingen gjør det!

For et reelt molekyl som CO₂ oppstår effekter som går utover harmonisk oscillator tilnærmelse, som kan være verdt å nevne:

• Bøyemoden til CO₂ med ett kvant har dreieimpuls 1. Eksiteres den videre med ett kvant til, kan dreieimpulsene adderes til 2, eller nulle hverandre ut.
• Hvis de adderes vil vi få et lite ekstra bidrag til det som skyldes eksitasjonen for ett kvant, i samme frekvensområde.
• Hvis dreieimpulsene nulles ut, skjer noe interessant. Tilstanden har da samme symmetri som den symmetriske strekk-moden, og nesten samme energi. Disse to tilstandene vil da påvirke hverandre; de endres i frekvens og amplitude, noe som betyr at de gir bidrag utenfor det området der den fundamentale bøyemoden dominerer. (Sagt på en annen måte: miksingen med den symmetriske moden flytter absorpsjonen fra ett til to kvant i bøyemoden vekk fra sentrumsfrekvensen for absorpsjon fra grunntilstanden til ett kvant, og gjør den dermed mer synlig.)
• Disse modene kan derfor, som vist i Figur 3 lenger nede, lett observeres i spekteret som satellitter observerer. (Mekanismen ble beskrevet i 1931 av en av naturvitenskapens absolutte giganter, og bærer hans navn: Fermi-resonans.)

Utstrålingsintensiteten

Bjørkum hevder 26/2 at «IPCC-modellen» innebærer at satellittene burde måle ekstra sterk stråling der CO₂ bidrar:

«Her må det imidlertid ha gått for fort i svingene. Ettersom varmestrålene antas å komme fra eksiterte drivhusgasser, vil strålene måtte ha deres fingeravtrykk. Satellittene skulle derfor, for eksempel, ha registrert ekstra intens stråling rundt 15 mikrometer, som er det området CO₂ er mest «aktiv», men, som vist i figuren under, registrerer satellittene redusert stråling i det bølgeområdet.»

Det samme gjentas 4/3. Ingen av gangene flagges dette som Bjørkums helt personlige oppfatning; leseren kan få inntrykk av at det hele er et udiskutabelt prinsipp.

Den som kjenner fysikken til problemstillingen, vet at realiteten er motsatt: Jo sterkere absorpsjonen er, jo høyere opp i atmosfæren må man for at fotonene skal unnslippe. Der er det gjennomgående kaldere, og intensiteten blir lavere. Satellittene skal derfor som hovedprinsipp observere lavest intensitet der absorpsjonen er sterkest (men det er fascinerende unntak som jeg kommer tilbake til)!

Figur 3 i Pierrehumbert (2011) viser svært godt samsvar mellom modellering og satellittmålinger. Vi kan derfor bruke den fritt tilgjengelige modellen MODTRAN som en god tilnærmelse for hva satellitter vil måle. MODTRAN er en modell med middels frekvensoppløsning, som er godt nok for vår bruk, selv om noen detaljer fra mer avanserte modeller glattes ut.

Figur 1 viser MODTRANs beregning av utadgående infrarød stråling fra jorden, som funksjon av frekvens. Vi kan beregne tilhørende utstrålingstemperatur ved å invertere Planckfunksjonen for hver frekvens. Resultatet vises i Figur 2.

Det er 4 hovedområder i figurene:

• Under ca 580 cm^-1 dominerer rene rotasjonsmoder for vanndamp.
• I området fra ca 580 cm^-1 til ca 750 cm^-1 dominerer CO₂.
• Området mellom ca 800 cm^-1 og ca 1200 cm^-1 er «det atmosfæriske vindu», med liten absorpsjon. Den strukturen man ser skyldes primært (troposfærisk) oson.
• Over ca 1200 cm^-1 dominerer igjen vanndamp, denne gang med en kombinasjon av vibrasjon i bøyemoden og rotasjon (metan bidrar også noe her, i intervallet 1200–1700 cm^-1).

Vi ser av figur 2 at utstrålingstemperaturen varierer mye med frekvensen, og går ned mot 220 K for CO₂-området og de laveste frekvensene.

I Figur 3 tar vi ut den CO₂-relevante delen av spekteret fra Figur 2. Vi ser at utstrålingstemperaturen er rundt 220 K (tilsvarende rundt 12 km høyde) i området fra ca 630 cm^-1 til ca 700 cm^-1, med unntak av et område i midten, rundt 667 cm^-1, svarende til bølgelengde 15 µm. Der er utstrålingstemperaturen atskillig høyere, opp mot 250 K.

Dette skyldes at vi her er midt i Q-grenen til den fundamentale bøyemoden, hvor absorpsjonen er aller sterkest. Den høye utstrålingstemperaturen skyldes altså at absorpsjonen er så sterk at utstrålingen skjer fra langt opp i stratosfæren (rundt 35 km), hvor temperaturen er høyere enn i toppen av troposfæren.

Det er vakkert at denne forklaringen faller rett ut av basisforståelsen, helt uten ekstra ad hoc antagelser. Det kunne vært interessant å se hvordan effekten må forklares i Bjørkums påståtte «NASA-modell», hvor «varmetapet til universet skjer fra bakken».

De to svarte sirklene viser effekten av Fermi-resonansen som ble diskutert over. Igjen faller forklaringen på enklest mulig vis rett ut av basis-forståelsen!

Bjerknessenteret og vanndamp

Bjørkum skriver 18/3:

«At vanndamp også er en drivhusgass, blir ikke nevnt (sic).»

De som følger linken han oppgir, kan lese hva Bjerknessenteret skriver:

«Ved siste årtusenskifte bidro vanndamp til rundt regnet halvparten (48%) av drivhuseffekten mens CO₂ og skyer bidro med ca. 20% hver. De resterende ca. 12% domineres av bidrag fra ozon, metan og N₂O.»

ARNE MARIUS RAAEN
Raaen er dr.ing. i fysikk, og har jobbet i Statoil og SINTEF.

Tillegg 1

Den 4. mars gjør Bjørkum noen «enkle undersøkelser», som skal vise at han har rett og IPCC tar feil. Det går så galt at jeg finner det rett å ta min kommentar ut av hovedteksten.

Bjørkum beregner energien knyttet til vibrasjon:

«Når CO₂ eksiteres ved opptak av varmestråler med bølgelengde 15µm, som er det området CO₂ er mest «virksom», øker molekylets energi med omtrent 10^-29 J. Til sammenligning er molekylets kinetiske energi rundt 10^-21 J. CO₂-molekylets kinetiske energi, som bestemmer temperaturen, er altså hundre millioner ganger større enn den eksiterte vibrasjonsenergien.»

Jeg vet ikke hva Bjørkum har gjort her, for dette enkle regnestykket består i å beregne frekvensen fra bølgelengden, og så multiplisere med Plancks konstant for å finne energien. Det rette svaret er omtrent 10^-20 J. Bjørkum har altså bommet med en faktor på minst hundre millioner, uten å skjønne at svaret er feil. All hans videre argumentasjon blir totalt irrelevant.

Tillegg 2

Bjørkum beretter at Arne Raaen skiller ikke mellom feil og nødvendige forenklinger. Det er jo greit, for ingen er i tvil om at dette er Bjørkums mening. Men jeg kunne ønsket meg at Bjørkum begrunnet det med mer enn banale generaliteter, som «Dyktige fysikere foretrekker derfor enkle forklaringer». Spørsmålet er jo, hva er konkret «forenklingen» i å bruke en modell som forfatterne selv sier mangler vesentlig fysikk, og det adresserer ikke Bjørkum.

Tillegg 3

Bjørkum synes ikke mitt enkle overslag relatert til jordas varmekapasitet var opplysende. Han vil heller at man baserer seg på IPCCs tall for jordas strålingsbalanse!

Til det er å si at mitt utgangspunkt var Bjørkums påstand om mer enn 99 % retur av stråling til overflaten, men at dette vil kompenseres av «tilnærmet uendelig varmekapasitet». Jeg så riktignok bort fra IR-stråling fra skyer, som Bjørkum anerkjenner, men gjorde samtidig en voldsom forenkling som virker kraftig motsatt vei når det gjelder overflatetemperaturen: Jeg antok at kloden varmes opp uniformt.

Ingen fysiker vil bruke noe annet ord enn et entydig «feil» om Bjørkums påstand. Men for Bjørkum er påstanden altså «noe upresis».

Tillegg 4

Den 4/3 antar Bjørkum at CO₂ tar hånd om omtrent halvparten av utstrålingen, ca 100 W/m². Her skal det veldig lite innsats til for å slippe å anta. Vi vet, som nevnt i hovedteksten, at modeller gjenskaper det satellitter måler, med svært god presisjon. Vi kan derfor kjøre en simulering i MODTRAN, laste ned rådataene, og summere opp for CO₂-intervallet. Intervallet er ikke helt veldefinert, men det er klart at det rette tallet er noe over 30 W/m², altså rundt 1/3 av Bjørkums gjetning.

Dette tallet kan man for øvrig raskt verifisere på øyemål fra Cicero figuren Bjørkum viser den 26/2. Man skal bare først overbevise seg om at for å gå fra utstråling per romvinkel (sr) til total oppover-rettet stråling, må man multiplisere med π. I det CO₂-dominerte intervallet viser altså figuren at utstrålingen er noe sånt som 150 mW/(m² cm^-1). Så skal man bare multiplisere med bredden, rundt 200 cm^-1, for å estimere 30 W/m².

30 W svarer til rundt 3·10²¹ fotoner per sekund, eller at alle molekylene i 0,2 gram CO₂ sender ut et foton per sekund. 0,2 gram CO₂ svarer til bare noen få titalls meter selv i en høyde på 30 km.

Tillegg 5

Bjørkum spør om jeg har funnet faglige svakheter i det IPCC har lagt fram. Jeg antar han da mener faglige svakheter utover det IPCC selv beskriver. Svaret er nei.

Men la oss anta at jeg mente å ha funnet en fundamental feil (som jo Bjørkum «finner» så mange av). Da ville mitt første spørsmål være; hva er det jeg ikke har forstått?

Anta videre at jeg etter mye grubling hadde konkludert med at jeg likevel var på sporet av noe viktig.  Da ville jeg ha konsultert klimaforskere og teoretiske fysikere. Jeg ville nok tatt hintet om de anbefalte meg introduksjonskurs, men hvis de ikke hadde vesentlige innvendinger, ville jeg skrevet en artikkel til Phys. Rev. Lett., Nature eller Science, for å sikre kvalitetskontroll fra de fremste i verden. Og hvis artikkelen ble trykt og anerkjent, ville det jo bare være å vente på telefonen fra Stockholm. For det er nok der lista ligger om man avdekker en fundamental feil i det fysiske grunnlaget for klimafysikken. Og da skjønner alle at jeg—og de fleste av oss—bør helt glemme tanken om å finne en slik feil!