Et lite CO2-eksperiment

Leserinnlegg: Kan et enkelt eksperiment med brusflasker fortelle oss hvor effektiv CO2 er som drivhusgass?

Figur 1. IPCC/Kunnskapsforlaget

Drivhuseffekten

Drivhuseffekten, vist på figur 1, beskrives slik av IPCC (FNs klimapanel): Solstråling treffer jordoverflaten og varmer den. Den varme bakken sender ut infrarød (IR) varmestråling som sendes oppover i atmosfæren.

IR-strålingen blir så absorbert av klimagassene, primært vanndamp og CO2. Dette varmer opp luften i økende grad når konsentrasjonen av CO2 øker.

IR-absorpsjon i atmosfæren

Allerede på 1800-tallet visste man at CO2 absorberer infrarød (IR) varmestråling, noe som lett kan vises eksperimentelt. Figur 2 viser ved hvilke bølgelengder IR-stråling absorberes av klimagassmolekylene i atmosfæren.

Den viktigste klimagassen er vanndamp (H2O), både fordi den absorberer stråling i store deler av IR-spekteret og fordi konsentrasjonen er høy (ca. 10 000 deler per million (ppm)).

Effekten av CO2 er mer beskjeden fordi den har lavere konsentrasjon (ca. 400 ppm) og primært absorberer stråling kun ved ca. 4,3 og 15 µm der H2O slipper gjennom strålingen.

Men Figur 2 viser at en del av 15 µm absorpsjons-båndet til CO2 overlappes av H2O-båndet og hindrer CO2 sin absorpsjon, spesielt når konsentrasjonen av vanndamp er høy.

Figur 2. IR-absorpsjonsspektra for klimagasser i atmosfæren. (Data fra ref. [1], side 93).

CO2-eksperiment anbefalt av NASA

Når varmestråling absorberes i en gass er det logisk å anta at gassen blir varmere. Den amerikanske romfartsorganisasjonen NASA mener det og anbefaler å utføre et enkelt eksperiment for å vise dette.

Det benyttes to to-liters (brus)flasker av klar plast der én er fylt med vanlig luft og én med luft med forhøyet CO2-konsentrasjon. Flaskene utstyres med hvert sitt termometer.

Som en rimelig kilde til CO2 benyttes Alka Seltzer-tabletter. Hver flaske fylles delvis med like mye vann og den flasken som skal ha økt CO2 tilsettes Alka Seltzer-tabletter.

Tablettene utvikler CO2 gass som fyller flasken. Flaskene belyses så av sola eller lampelys.

Når de belyses vil temperaturen i flasken som inneholder CO2 øke raskere og stabilisere seg på et høyere nivå enn i flasken med luft.

Professor Erik Christensen, South Florida State College, USA har gjennomført forsøket slik NASA/NOAA beskriver det og fikk hele ni grader ekstra temperaturøkning i CO2-flasken!

På internett finnes mange andre forsøk som også viser at luft med økt CO2-nivå blir varmere enn luft uten økt CO2. Et av de mest kjente er utført av Al Gore og Bill Nye. Men resultatene varierer mye, fra kun én til ni grader.

Imidlertid finnes det også eksperimenter som ikke viser økt endring av temperaturen når CO2 tilsettes, snarere tvert imot! Denne store variasjonen gjorde at interessen ble vekket for å utføre et lignende eksperiment.

Forventet resultat

Hvis en klimagass absorberer IR-stråling og dette varmer gassen, så vil temperaturen øke mer i lufta enn om gassen ikke er til stede.

Men ethvert objekt som absorberer varme og plasseres i gassen vil gi en lignende temperaturøkning.

Vi kan for eksempel tilsette små sotpartikler i luften i beholderen eller større objekt som absorberer og varmes opp av stråling.

Et enkelt eksperiment er utført som illustrerer dette: Det ble brukt en femliters luftfylt plastflaske som belyses med en halogenlampe. Et termometer ble plassert øverst i flasken.

Når lampen ble slått på ble temperaturøkningen målt i luften i flasken.Se figur 3 (sort kurve).

Så ble en sort 7×7 cm² papplate plassert inne i flasken og eksperimentet ble gjentatt. Platen belyses, absorberer lyset, og varmes opp. Dette førte til økt oppvarming av luften i flasken (rød kurve i figur 3).

Fra dette slutter vi at hvis et objekt i flasken som absorberer stråling varmes opp, vil det varme opp luften i flasken. Dette vil skje enten objektet er en mørk papplate eller en klimagass som absorberer IR-stråling og oppvarmes.

Enten luftmolekylene i flasken kolliderer med den varme sorte platen, eller med oppvarmete CO2-molekyler, så blir de varmet opp!

Figur 3. Luften i en femliters plastflaske varmes mer opp når en sort papplate inne i flasken absorberer stråling og oppvarmes.

Eksperimentell oppstilling

Det var ønskelig å unngå en del mulige feilkilder som internetteksperimentene kan være utsatt for. Det ble oppnådd ved å endre/forbedre måleoppstillingen:

1. Ikke to, men kun én beholder/kasse ble brukt, som vekselvis ble fylt med luft og luft tilsatt CO2. For å isolere luften i kassen fra omgivelsene ble den laget av fem cm tykke polystyren (isopor) plater. Kassens ytre lengde/høyde/bredde = 120/60/40 cm. Det ga et indre volum på ca. 260 liter. (Stort volum benyttes fordi det kan øke målenøyaktigheten). Et lite hull ble laget i taket av boksen for at lufttrykket i boksen ikke skulle endre seg ved oppvarmingen. En liten vifte ble montert i kassen for å unngå at CO2 ble liggende i bunnen av kassen, samt til å utjevne temperaturen i luften. (Måling gjort etter utført eksperiment viste at temperaturen var den samme i topp og bunn av kassen).

2. Temperatursensor, tilkoblet temperaturmåler via ledning, ble montert i boksen bak en bit isopor for å unngå å treffes av lyset fra strålingskilden. Oppløsning: 0,1 ^oC.

3. CO2 ble tilført fra trykkflaske i en kullsyremaskin (brusmaskin), påmontert en slange på gassuttaket som tilførte gassen gjennom et hull i taket på boksen. CO2-konsentrasjonen i luften ble målt med selvkalibrerende CO2-måler. (Maksimum: 10 000 ppm. Oppløsning: 1 ppm. Måler også luftfuktighet).

4. To forskjellige vinduer i fronten av boksen ble benyttet for å slippe inn lys/IR-stråling. Satte først på vindu av fire mm tykk akrylplast (plexiglass). Akrylplast absorberer varmestråling fra lyskilden og ble brukt til å etterligne egenskapene til glass og plastbeholdere som ble brukt i internetteksperimentene. Det ble også benyttet vindu av LDPE (Low-density polyethylene) plastfolie. Denne folien er så tynn (0,011mm) at den slipper gjennom mesteparten av IR-strålingen ved de bølgelengdene som absorberes av CO2 og vanndamp.

5. Siden vanndamp (H2O) også er en viktig klimagass er betydningen av lav og høy konsentrasjon av denne også undersøkt.

Selv med én beholder, ett termometer og én lyskilde kan det oppstå unøyaktigheter:

•    Spenningen på nettet kan variere og endre strålingsstyrken på lyskilden.
•    Romtemperaturen kan variere noe mellom luft- og CO2-målingen.

Nettspenningen ble derfor kontrollert og var stabil under eksperimentene (under én prosent variasjon).

Det var vanskelig å unngå at romtemperaturen endret seg litt, men fordi endringen var kun en brøkdel av en grad så ble målekurvene gitt felles startpunkt (den ene kurven flyttet litt opp eller ned).

Lys/IR-kilder

Halogenlys ble brukt til å simulere sollys. Den største forskjellen er at sollysspekteret inneholder mindre IR-stråling enn halogenlampen. Men likevel absorberes svært lite IR-stråling av CO2, som vist i figur 4A (stiplet sort kurve).

Halogenlyset varmer opp kassens vegger som da avgir IR-stråling som CO2 absorberer. Se figur 4C der CO2-absorpsjonen (røde kurver) er vist for en «sortstråler» (sort kurve) på 20 ^oC.

CO2-absorpsjonen her er glattede kurver av absorpsjonsspektra vist i figur 3.

Det ble også benyttet to andre strålingskilder med temperatur på henholdsvis 180 og 450 ^oC. Deres strålingsspektra er vist i figur 4A og 4B.

Begrunnelsen for å benytte to ekstra strålingskilder var at de sender ut maksimal stråling i hvert av de to absorpsjonsbåndene til CO2. Se figur 4A og 4B.

Disse to strålingskildene favoriserer energiabsorpsjon i CO2-molekylene og vil kunne varme CO2-molekylene optimalt. Vanndamp absorberer stråling rundt 15 µm som overlapper CO2 sin absorpsjonsbånd. 450 ^oC-kilden i figur 4B, med maksimal utstråling rundt 4,3µm, er lite påvirket av mengde vanndamp i luften.

Figur 4. Normerte strålingsspektra for lys- og IR kilder (sorte kurver). Røde kuver indikerer hvor CO2 absorberer energi. 4A: IR-spektrum for keramisk varmeovn med temperatur på 180 ^oC (sort kurve), samt spektrum for halogenlampe (stiplet kurve). 4B: IR-spektrum for «terrasse-varmer» med temperatur på 450 ^oC. 4C: Strålingsspektrum for bakken når temperaturen er 20 ^oC.

Resultater

To eksperimenter ble utført, ett med plexiglassvindu og ett med vindu av tynn plastfolie.

1. Plexiglassvindu ble benyttet for å etterligne målesituasjonen i internetteksperimentene. Belyste gassen i kassen med en lysbildeprojektor med halogenlampe. Varmefilter i projektoren ble fjernet for å få et strålingsspektrum som vist i figur 4A (stiplet kurve til venstre i figuren).

Først ble luft uten tilsetning av CO2 belyst. CO2-konsentrasjonen ble målt til 580 ppm, det vil si høyere enn ca. 400 ppm fordi pusting innendørs hever CO2-nivået. Ventet så til temperaturen i kassen var sunket til romtemperatur.

Deretter ble CO2-konsentrasjonen hevet til 8 700 ppm, det vil si 15 ganger, men det ga samme oppvarmingskurve som før CO2-nivået ble hevet. Kassen ble åpnet og CO2 luftet ut.

Økte så CO2-nivået til ca. 25 prosent (250 000 ppm), men heller ikke nå ble oppvarmingskurven endret når CO2 ble tilsatt luften. Kassen ble åpnet og CO2 luftet ut.

Forsøket ble så gjentatt med en sterkere lyskilde, det vil si en 300W halogenlampe. I tillegg ble CO2-nivået hevet til ca. 50 prosent. Heller ikke nå ble det funnet målbart avvik mellom oppvarmingskurven for luft og CO2. Se figur 5A.

2. Plexiglassvinduet ble byttet ut med LDPE plastfolie for å unngå at vinduet absorberer IR-stråling fra lyskilden. Folien er så tynn at mesteparten av strålingen i 4,3 og 15 µm-båndene slipper gjennom. Projektor med halogenlampe ble benyttet til oppvarming.

CO2-nivået ble på ny økt til ca. 50 prosent, uten at målbart avvik ble funnet mellom oppvarmingskurven for luft og økt CO2-nivå. For å øke CO2 sin absorpsjon av IR-stråling fra lyskilden ble halogenlampen byttet ut med en keramisk varmeovn (temperatur på 180 ^oC) som sender ut stråling som absorberes av CO2, både ved 4,3 og 15 µm, men mest i 15 µm-området. Se figur 4A (røde kurver).

CO2-nivået ble nå hevet til ca. 100 prosent. Heller ikke denne gangen ble det funnet målbart avvik mellom oppvarmingskurven for luft og CO2, som vist på figur 5C.

Siden vanndamp absorberer en del av strålingen i 15µm-båndet, slik figur 3 viser, ble ovnen byttet ut med en «terrasse-varmer» på 450 ^oC. Se figur 4B. Denne sender ut mer stråling i 4,3 µm-båndet der vanndamp ikke absorberer stråling.

Heller ikke nå ble det funnet målbart avvik mellom oppvarmingskurven for luft og 100 prosent CO2, vist på figur 5B.

H2O er også en klimagass. Derfor ble konsentrasjonen av vanndamp i luften endret. Først ble relativ fuktighet økt til 82 prosent med en fuktig klut i kassen. Så ble den redusert til 16 prosent ved å legge inn poser med tørkemiddel (silica gel) i kassen og blåse luften fra viften over posene.

Heller ikke nå ble oppvarmingskurvene endret, som vist på figur 5D.

Flere av eksperimentene ble repetert, uten at resultatet endret seg. Grunnen til at så mange eksperimenter ble utført var å forsikre seg om at målingene er representative for hvordan CO2 (og H2O) varmer luft, spesielt fordi resultatene avviker fra hva de fleste internetteksperimentene viser.

Figur 5A: Eksperiment med plexiglassvindu, ca. 25 prosent CO2-nivå og 300W halogenlampe. 5B: Folie vindu, ca. 50 prosent CO2-nivå og 450 ^oC terassevarmer. 5C: Folievindu, ca. 100 prosent CO2 og keramisk varmeovn med filamenttemperatur på 180 ^oC. 5D: Fem ganger økning av H2O-konsentrasjonen ga ingen økt oppvarming av luften.

Kontroll av internetteksperimentene

At en rekke eksperimenter publisert på nettet viser økt oppvarming når CO2 øker, er ikke verifisert i disse eksperimentene. Ingen målbar temperaturendring er påvist når CO2-konsentrasjonen økes, helt opp til 100 prosent.

Derfor er eksperimentet til professor Erik Christensen som ga ni graders temperaturøkning repetert.

Jeg valgte å gjøre dette forsøket med større volum enn brusflasker og brukte derfor to femliters plastflasker, hver fylt med én liter vann. CO2 ble generert, ikke med Alka Seltzer-tabletter, men med Nyco Fruktsalt (som ble oppfunnet av min onkel).

300W halogenlampe ble benyttet som lyskilde. I stedet for ni graders temperaturforskjell etter nesten en time ble ingen forskjell i oppvarming innen måleusikkerheten på ± 0,2 ^oC observert med og uten høy (ca. 100 prosent) CO2-konsentrasjon. Se figur 6.

Ventet, som i internetteksperimentet, før siste del av målingen ble utført. Temperaturkurvene flatet ikke ut da men fortsatte å stige noe fordi rommet, og bordet der flaskene var plassert, ble oppvarmet av lyskilden.

Figur 6. Kontroll av eksperimentet til professor Erik Christensen, som skulle gi ni graders økt oppvarming med økt mengde CO2, ga ingen målbar temperaturforskjell.

Forsøket ble også repetert, uten vann og brusetabletter, men med «tørr» CO2 gass fra trykkflaske. Kun én femliters plastflaske ble da benyttet. Dette var samme flaske som ble benyttet i eksperimentet vist i figur 3. Den ble først fylt med luft og deretter med CO2.

Også denne gangen ble samme temperaturkurve funnet i de to situasjonene.

Hva kan grunnen være til at internetteksperimentet ga så avvikende resultat?

En grunn kan være at flaskekorkene var tette, noe som vil øke trykket (og temperaturen) i CO2-flasken når den varmes opp (NASA anbefaler at flaskene skal være tette).

I alle eksperimentene beskrevet ovenfor var beholderne utstyrt med små åpninger øverst slik at trykket ikke økte. Derfor ble det gjort et nytt eksperiment der korken på plastflasken var tett slik at trykket i flasken økte når Alka Seltzer-tabletter tilsettes.

Allerede etter noen minutter er det da høyere temperatur i CO2-flasken enn i flasken med luft, som vist i figur 7. Når flasken varmes av lyskilden, fra ca. 20 til 44 grader i Christensens eksperiment, så øker CO2-avdampingen fra vannet i flasken og trykket øker ytterligere.

Dette ble testet ved å sette inn trykkventil i korken på flasken. Fylte så vann i flasken med økende temperatur (20, 25 og så videre til 45 grader). For hver vanntemperatur tilsettes Nyco Fruktsalt.

Ventet så ett minutt og målte trykket. Det steg tilnærmet lineært, fra ca 0,2 bar ved 20 graders vann til ca. 0,45 bar med 45 graders vann. Gassloven sier at når volumet er konstant er temperaturøkning (i Kelvin) proporsjonal med trykkendring. Hadde beholderen vært termisk isolert ville temperaturen steget mer enn 70 grader når trykket økte 25 prosent!

Det ser derfor ut til at det er trykkøkningen som primært fører til høyere temperatur i CO2 fylt flaske, eventuelt forsterket på grunn av dugging inni flasken.

Siden vi kun får temperaturøkning i CO2 når trykket øker, så må vi slutte at luft med og uten forhøyet CO2-konsentrasjon varmes og kjøles på samme måte under normalt atmosfærisk trykk på én bar (trykkøkning varmer alle gasstyper, ikke bare CO2).

Men hvorfor foreslår NASA å tette flaskene? Kan det være fordi CO2 kan fordampe under forsøket med åpne flasker?

Jeg sjekket dette med flaske fylt med CO2 (fra trykkflaske), men med hull i korken. Den var fortsatt full av CO2 20 timer senere. Gassloven burde få NASA til å skjønne at flaskene ikke måtte tettes etter at Alka Seltzer ble tilsatt og brusingen hadde stabilisert seg og fylt flasken med CO2.

Figur 7. Når trykket øker i flasken med CO2 (røde sirkler) så øker temperaturen mer enn i flasken fylt med luft (sorte sirkler).

Litt kvantefysikk

Fra kvantefysikken vet vi at absorpsjon av IR-kvanter med bølgelengde 4,3 og 15 µm øker vibrasjonsenergien til CO2-molekylet.

Men for å få oppvarming må molekylenes bevegelsesenergi (kinetisk energi) øke. Mens det er stor enighet om hvordan IR absorberes av CO2 finnes det mange forskjellige teorier om hvordan CO2-molekylene reagerer etter at de er eksitert av IR-stråling.

Noen postulerer at infrarød utstråling fra bakken delvis fanges opp av drivhusgasser og overføres umiddelbart til varme. Som eksempel kan nevnes John Nicol [2]:

“As mentioned above, molecules in a gas are continuously moving and making collisions with other molecules in the ensemble. The results of these collisions is to cause the de-excitation of internally energetic molecules, the energy being transformed in general, into kinetic energy of both of the colliding particles and/or into excitation energy of the second molecule“.  

Generelt vil et eksitert CO2-molekyl de-eksiteres etter ca. 1 – 10 µs, men i mellomtiden har det kollidert med andre gassmolekyler opptil 10 000 ganger (ved normalt trykk og temperatur).

Fagdiskusjonen går ut på at enten fører kollisjonene til økt kinetisk energi (varme), eller så de-eksiteres CO2-molekylene ved å sende ut de innfangede IR-kvantene igjen. I siste tilfelle er jo energien til CO2 tilbake til hva den var før eksitasjon og kinetisk energi er uendret.

DeWitt Payne [3] nevner at det finnes to typer kollisjoner: elastiske og inelastiske. Ved inelastiske kollisjoner er bevegelsesenergien konvertert til vibrasjonsenergi, men denne type kollisjon er sjelden (1 av 10000 kollisjoner), sammenlignet med elastiske kollisjoner der bevegelsesenergien er bevart og ingen temperaturendring finner sted.

Tom Vonk [4] er også skeptisk til at økt CO2-nivå øker oppvarmingen av luften. Han peker på at når eksitert CO2 (betegnet som CO2*) kolliderer med N2 (nitrogenmolekyler) og avgir IR-kvant så økes kinetisk energi til N2 (betegnet ved N2⁺). Men den motsatte prosessen skjer også, og begge prosesser kan beskrives ved ligningen

CO2* + N2 <‒> CO2 + N2⁺                    Ligning (1)

Ved likevekt skjer de to prosessene like ofte. Denne likevektsligningen viser at det ikke oppstår økning i kinetisk energi og derved ingen økt oppvarming.

Diskusjon

Forsøkene presentert her viser at hvis det skjer en økt oppvarming av luften når CO2-nivået økes, så er denne for liten til å måles.

Resultatene støttes også av et kontrolleksperiment, utført etter kritikk av eksperimentet til Al Gore og Bill Nye. Deres eksperiment ble repetert, uten at påstått økt oppvarming ble funnet i beholder med CO2-gass.

Gore og Nye var vel så sikre på at CO2-molekylene absorberer varmestråling og blir varmere at de ikke gjennomførte eksperimentet, men simulerte en ikke-eksisterende temperaturøkning (for å si det pent).

Eksperiment nr. 2 med halogenlampe simulerer tilstanden ved bakken når den oppvarmes og sender ut IR-stråling. Når denne absorberes av luft med økende CO2-nivå, forventer vi fra klimamodellene at CO2-molekylene skal oppvarmes av IR-strålingen og varme luften.

Denne oppvarmingen kommer i tillegg til oppvarming som skjer når luftmolekylene kolliderer med den oppvarmete bakken. Men eksperimentet viser ingen målbar ekstra oppvarming av luften når CO2-nivået økes. Dette bør få konsekvenser for klimamodellene.

Vanndamp er den klimagassen som dominerer over CO2. Figur 5D viser at selv om konsentrasjonen av vanndamp økes fem ganger så øker ikke oppvarmingen av luften.

Klimamodeller, basert på at CO2 (og H2O) ble oppvarmet av IR-stråling, gjorde at klimaforskerne postulerte at det foregikk en oppvarming av troposfæren, som vist på figur 8A. Figuren viser antatt temperaturendring i tiden 1958 – 1999 (publisert i US Climate Change Science Program, 2006, Chapter 1).

Figur 8. Avvik mellom modellberegning (A) og målinger (B) av temperatur i atmosfæren.

Men målinger av temperatur, utført med ballonger og satellitter fra 1979 til 1999, viser at troposfæren ikke varmes i 8 til 13 km slik modellereringen i figur 8A postulerer.

I stedet viser målingene, vist i figur 8B, kun en relativt svak, homogen oppvarming av troposfæren, selv om CO2-mengden har økt betraktelig i troposfæren siden 1979.

Eksperimentene vist her kan forklare hvorfor målingene i figur 8B ikke viser noen økt oppvarming (hot spot) i øvre luftlag i troposfæren: Hvis klimagassen CO2 (og H2O) i troposfæren ikke varmes av IR-stråling så kan den heller ikke varme omgivende luft, som antatt i figur 8A.

Konklusjon

Resultatene støtter de teoriene som postulerer at IR-kvanteabsorpsjon i CO2 ikke fører til økt oppvarming av luft når CO2-nivået øker. Hvilken av disse teoriene som er korrekt blir ikke vurdert her.

Resultatet av eksperimentene vist her er så uventet at man må stille noen kritiske spørsmål:

• Siden 1858-59, da Tyndall gjorde sine eksperimenter, har vi målt absorpsjon av varmestråling i CO2. De fleste måleinstrumenter er laget for å måle absorpsjon av IR-stråling ved forskjellige bølgelengder. Kan det virkelig stemme at man ikke tidligere har utført tilsvarende målinger av hva som skjer med IR-kvantene etter absorpsjonen?

• Kan det være noen egenskaper ved eksperimentene som hindrer oppvarming av luften? Imidlertid, resultatet av forsøket vist i figur 3, tyder ikke på det.

CO2 absorberer IR-stråling, men sender den ut igjen i alle retninger. En del av strålingen som er absorbert av CO2 i forskjellige høyder i troposfæren vil sendes tilbake til bakken og varmer den.

Det betyr at, i stedet for å varme gassmolekylene i troposfæren, sørger CO2 for å redusere avkjølingen ved å returnere en del av IR-strålingen som ellers ville ha blitt sendt ut av atmosfæren tilbake til jordoverflaten og varme denne.

Det er derfor ingen tvil om at CO2 er en drivhusgass som vil varme kloden. Spørsmålet er da: hvor mye?

Referanser

[1]: Peixoto, J.P. and Oort, A.H., Physics of Climate, Springer, 1992.
[2]: Climate Change (A Fundamental Analysis of the Greenhouse Effect). By John Nicol, 2010. http://www.middlebury.net/nicol-08.doc
[3]: Molecular Radiation and Collisional Lifetime. By Jeff Id, 2010. https://noconsensus.wordpress.com/2010/08/17/molecular-radiation-and-collisional-lifetime/
[4]: CO2 heats the atmosphere…a counter view. By Tom Vonk,  August 5, 2010. https://wattsupwiththat.com/2010/08/05/co2-heats-the-atmosphere-a-counter-view/

Dedikasjon

Dette arbeidet er dedikert til min søster Elna Seim, som har støttet og oppmuntret meg til å gjennomføre dette, men som tapte kampen mot kreften i mai i år.