Arne Raaen oppfordret meg til å «gjøre [noen] enkle undersøkelser» før jeg kritiserte strålingsmodellen til FNs klimapanel (IPCC). For nye lesere så har jeg problematisert IPCCs påstand om at drivhusgassene som befinner seg høyt oppe i atmosfæren, bidrar til å avkjøle jorda (se her og her).
IPCC legger til grunn at drivhusgassene eksiteres når de kolliderer med andre luftmolekylene som derfor tappes for energi (se Pierrehumbert, 2011). Avkjølingen skjer ved at «høytsvevende» drivhusgasser gir fra seg energien i form av varmestråler fra et luftlag som har en snittemperatur på minus 18 grader. Ingen, heller ikke IPCC, har lagt frem en (kvantitativ) fysisk analyse som viser at eksitering av drivhusgasser ved kollisjon er en viktig prosess i vår atmosfære.
Så til det Raaen utfordret meg på.
Raaen synes å tro at han har tilbakevist min kritikk av IPCCs strålingsmodell ved å vise at CO2-molekyler også har energi knyttet til vibrasjoner. Det er, som vi skal se, ikke det jeg har problematisert. Alle molekyler har vibrasjonsenergi under de betingelsene som eksisterer i vår atmosfære. Det er en permanent tilstand, se simuleringen under.
Kilde: Wikipedia
Det er også etablert at vibrasjonene er et resultat av at molekyler kolliderer (jf. Equipartition principle). Det er heller ingen tvil om at kollisjoner også kan eksitere CO2-molekyler slik varmestråler kan.
Jeg har kanskje ikke vært tydelig nok på det, men min kritikk har, som forklart over, gått på at jeg ikke kan se at IPCC, eller andre, har godgjort at det er en effektiv prosess, dvs. at den er i stand til å avkjøle atmosfæren fra et luftlag høyt oppe.
Det er nemlig store energimengder det dreier seg om. IPCC påstår at drivhusgassene sender ut det aller meste av energi som forlater jorda, dvs. nesten 200 W/m2 (AR6 WG1, 2021, Chapter 7). Hvis vi antar at CO2 tar hånd om halvparten, må CO2-molekylene stå for en energifluks vekk på cirka 100 W/m2. Satellittene registrerer imidlertid ikke den forventede intense strålingen innenfor de bølgelengdene CO2 kan formidle. Det kommer mindre energi ut i det området.
Dessuten, hvis varmestrålene som CO2-molekylene sender ut til universet kommer fra et 100 meter tykt luftlag, betyr det at noen titalls gram CO2 står for en energifluks på 100W. Det foreligger ingen eksperimentell bekreftelse på at CO2 oppfører seg slik i vår atmosfære.
Saken synes derfor å være avklart, men jeg skal følge rådet til Arne Raaen og utføre «noen enkle [teoriske] undersøkelser» og se om de understøtter min skepsis til strålingsmodellen som IPCC opererer med. Jeg skal gjøre det ved å sette tall på det som må skje for at prosess skal være viktig.
Utgangspunktet er at et luftmolekyl kolliderer ti millioner ganger i sekundet. Spørsmålet blir derfor: Hvor sannsynlig er det at hver kollisjon fører til eksitering av et CO2-molekyl – og hvor mye energi blir overført hver gang?
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.
For at et CO2-molekyl skal kunne redusere energien til ett luftmolekyl med én prosent, krever det én million suksessfulle kollisjoner, dvs. hele 90 % av alle kollisjoner må føre til eksitering.
Sannsynligheten for at en kollisjon skal føre til eksitasjon, er mye mindre enn 90 %. Ifølge kvantemekanikken kan nemlig CO2-molekylet kun eksiteres når energien som avgis er eksakt lik energispranget ved eksitering.
Eksitering ved kollisjon vil enn videre kun inntreffe når energinivået er ledig og CO2-molekyler holder på den eksiterte energien flere millisekunder. Det betyr at tiden som er tilgjengelig for eksitering ved kollisjon reduseres mange størrelsesordener.
For at lufta skal tappes for én prosent av energien må hvert CO2-molekyl avkjøle flere tusen molekyl.
Vi må også ta høyde for at det er anslagsvis 100 000 eksitasjonsnivå rundt 15µm og at hver kollisjon kan medføre mange eksiteringer. I så fall kan kravet til andelen vellykkede kollisjoner reduseres, men det vil ikke løse problemet. Det er simpelthen ikke nok kollisjoner for at prosessen blir viktig.
Jeg stanser her. Det synes åpenbart at prosessen som IPCC påkaller er flere størrelsesordener unna å ha noen betydning. Den teoretiske analysen peker derfor i samme retning som satellittene: modellen for hvordan jorda kvitter seg med energi er gal.
Det betyr at IPCCs modell for den motsatte prosessen, der drivhusgasser varmer opp luftmolekylene som kolliderer med dem når de er i en eksitert tilstand, også er gal, noe jeg også har problematisert. Kvantemekaniske prosesser er nemlig symmetriske, som betyr at dersom CO2 ikke kan avkjøle atmosfæren, kan CO2-molekylene heller ikke varme den opp.
Det er imidlertid ingen tvil om at drivhusgasser varmer opp jorden, men det skjer altså ikke på den komplekse måten IPCC påstår. Klimaforskerne lander på beina når det gjelder selve energibalansen, men de betaler en høy pris. Modellen stjeler mye datakraft som de så sårt trenger.
Modellen forlanger at IPCC deler opp atmosfæren i over hundre lag,hvert med sin snittemperatur, der det siste laget har en temperatur på minus 18 grader (se figuren under som kun viser 3 lag). Fra da hevdes det å være «fri» passasje for varmestrålene som kommer fra CO2-molekylene.
Heller ikke her har klimaforskerne fullført resonnementet. Hadde de gjort det, ville de oppdaget at det totalt sett er mer CO2 i atmosfæren over enn under luftlaget som har en temperatur på minus 18 grader, dvs. det er ikke fri passasje derfra og oppover.
Antagelsen om at jorden sender ut energi fra et luftlag som har en temperatur på minus 18 grader, er et klassisk eksempel på hvordan man kan berge en gal teori ad hoc slik at den gir rett (nok) svar. Samtidig illustrerer det at når man forsøker å berge en teori på den måten introduserer man noe nytt som også er galt. Det er ikke så lett å oppdage for ekspertene som behersker teorien. De slår seg til ro med at de får relativt god tilpasning til de observasjonene man har forholdt seg til. De svikter imidlertid ofte i møte med tester de ikke har tenkt på. Det var en slik test strålingsmoddleen til IPCC ikke tålte – se her.
Ekspertpanelet i IPCC ser også ut til å ha glemt at vi skal søke enkle teorier.
Hvis det finnes enklere teorier som forklarer det «samme», skal vi gripe fatt i dem. Det er et prinsipp som dyktige forskere blir tiltrukket av. IPCC burde derfor ha vist større interesse for arbeidene til nobelprisvinner S. Manabe (se her og her) – og NAAS sin modell (som jeg har diskutert her og her). Modellene tilsier at jorda kvitter seg med energi ved at bakken og skyene sender ut varmestråler i henhold til temperaturen i fjerde potens. Punktum.
Til slutt vil jeg kommentere Arne Raaens påstand om at CO2 har to mulige rotasjonsretninger (frihetsgrader). Raaen viser til en lærebok i fysikk. Jeg kunne ha vist til en lærebok som sier at CO2-molekylet har tre rotasjonsretninger slik jeg hevdet – fordi den «bøyde» formen til CO2-molekylet er en permanent svingetilstand og ikke knyttet til eksitasjonen (noe Cicero og Arne Raaen synes å tro).
Jeg ser imidlertid ikke noe poeng i å fortsette den diskusjonen. Antall rotasjonsretninger er, som vi har sett, ikke relevant for det jeg har utfordret IPCC på. Det ville Arne Raaen, som er fysiker, trolig ha oppdaget om han hadde tatt seg tid til å «gjøre noen enkle undersøkelser».
PS. Jeg vil komme med et eget svar på Arne Raaens siste innlegg.
PER ARNE BJØRKUM
Professor emeritus i geologi ved Universitetet i Stavanger
