It’s a heavily insulated box that — theoretically — should chill air at night to a temperature below that of the outside air. The following is a conceptual design of The Box before I built it, along with the key components:

This all came about because I got tired of being asked about the theory behind global warming, specifically, how can downwelling infrared sky radiation from greenhouse gases (mostly water vapor, to a lesser extent CO2) cause global warming of the Earth surface, when the emitting temperature of the sky is colder than the surface?

Some people are convinced that this cannot happen, since the 2nd Law of Thermodynamics says energy naturally flows from higher temperature to lower temperature. In contrast, the mainstream science community, while agreeing the NET energy flow is from warm to cold, you can still cause warming by adding more greenhouse gas to the colder atmosphere. This happens even though the IR emitting temperature of the sky “causing” that warming is 10’s of degrees colder than the surface.

[NOTE: the direct warming effect of more atmospheric CO2 is small; its the resulting indirect warming (positive feedbacks) from clouds and water vapor that has most scientists worried. But not me...I think the net feedbacks are negative.]

The Box

So, since I have two automated weather stations in my backyard, I decided to build a heavily insulated box that would contain a small amount of air, and try to reduce all the other kinds of energy exchange between that air sample and the environment to a minimum EXCEPT for the influence of the downwelling sky radiation.

The air sample and the sky would be allowed to exchange IR radiation, and the colder the infrared emitting temperature of the sky is, the colder the air in the box should become compared to the air outside of the box. More about that later.

While we might not put the debate to rest with such an experiment, we can build some intuition about the energy flows that cause day and night air temperatures to be what they are. Of course, one could simply buy a hand-held infrared radiometer and take the sky’s “temperature” directly. But since everyone (myself included) has at least some trouble conceptualizing the role of infrared radiation in weather and climate (after all, we can’t see IR radiation), I thought that letting the IR effect be measured through its influence on temperature would make a bigger impact.

So, here’s a picture of the real thing that I took this morning, after collecting data since about noon yesterday:

The wireless data processor for the cavity temperature data is the little unit on the top. It sends a new temperature measurement every 5 minutes to my desktop computer in the house.

Here’s a close-up of the cavity. There is an insulating layer of air trapped between the two thin sheets of polyethylene, which are nearly transparent to infrared energy. The temperature sensor itself can be seen below that, in the cavity, the walls of which are painted with high emissivity paint (Krylon 1502 Flat White, IR emissivity = 0.99; Note that in the infrared, black is not necessarily more emissive than white…it depends on what the paint is made of, and whether the surface is rough or smooth).

Meanwhile, my regular weather station is about 20 feet away, and it is collecting air temperature and dewpoint data on the same schedule as The Box cavity temperatures are taken:

First Data from The Box
The first 17 hours of data, from midday yesterday until 8:05 a.m. this morning, are plotted below:

When I first closed up the box with the thermometer placed in the cavity, I was surprised how hot the cavity became. The maximum temperature recorded yesterday afternoon was 158 deg. F, and that must have been the limit for the sensor, because the temperature then flatlined for about an hour.

The reason for the high temperature was some direct sunlight reflecting off of one wall of the airspace, above the cavity. Even though the cavity was painted white, it still absorbed enough energy to make the air very hot. From what I have been able to gather, it is very difficult to get the solar reflectance of white paint above about 0.9.

It is interesting to calculate what rate of energy input would be required to cause this rapid rate of warming, which was about 3 deg. F per minute. If the cavity is initially in energy equilibrium, and we start reflecting 20 Watts per sq. meter more onto the cavity walls, about 10% of that (2 Watts per sq. meter) would be heating the paint, and so the air in the cavity.

According to my calculations, that would be more than enough to explain the initial rapid rise of temperature in the cavity on its way to 158+ deg. F. My calculations are only approximate, though, since I did not take into account the heat capacity of the cavity walls (painted aluminum foil), or the increased loss of IR as the cavity warmed, or conductive losses to the styrofoam and air space above the cavity.

But what we are really interested in is what happens when the overwhelming influence of solar radiation subsides. In the above plot, look at what happens as sunset approaches. Despite diffuse solar radiation still entering The Box from the blue sky, the cavity air cools to a couple of degrees below the ambient air temperature by sunset. Then, during the night, the cavity air averages about 4 deg. F colder than the outside air.

To see how even a little diffuse sunlight from the sky can cause warming of the cavity, note what happened just after sunrise this morning…even though our yard does not see direct sunlight till close to 11 a.m. (very tall trees in the way), the blue sky started warming the cavity almost immediately after sunrise.

Then, after a short while, I put a white cover from a plastic cooler over the cavity to minimize the daytime heating of the cavity. At the end of the data plot you can see this solar cover caused the cavity to cool back down to the same temperature as the ambient air.

So, we already can see the cooling effect of infrared radiation in the data…in the form of cavity temperatures colder than the air. This happens from just before sunset, until sunrise — the period when there is little or no sunlight, either direct, or diffuse from the sky. But what, exactly, is the reason for this chilling effect?

Why Was the Cavity Colder than the Outside Air Temperature?
The temperature of virtually anything is the result of a balance between (1) energy gained and (2) energy lost. As long as the energy gained exceeds that lost, the temperature will rise. This was clearly seen when I closed up The Box, and the rate of sunlight absorption in the cavity exceeded the rate of energy lost by infrared emission (and any — hopefully small — conductive losses). The temperature skyrocketed.

But once the rate of energy loss exceeds that gained, then the temperature will fall, as was seen when The Box entered the shade. Then, then rate of IR energy lost (which increases rapidly with temperature) exceeded that gained from diffuse solar radiation, and the cavity temperature fell.

So, at night when there is no solar energy available, what is to prevent the cavity from getting very cold? Outer space is supposed to emit near absolute zero, 3 K. The Box’s cavity enters the hours of darkness at something like 300 K temperature. At 300 K, and assuming an IR emissivity of 0.99, the cavity is emitting IR at a rate of just over 400 Watts per sq. meter. Assuming the box is very well insulated, and is not leaking air, what is to prevent the cavity temperature from dropping well below freezing (273 K)?

The answer is downwelling IR from the sky. During the day in the summer, the broadband infrared sky temperatures viewed from the ground generally runs about 10 – 20 deg. F cooler than the near-surface air temperatures. This source of energy must exist, because without it the temperature of a cavity in a well insulated box at night would plunge even faster than we saw it heat up when exposed to indirect sunlight. And that rapid rate of temperature rise was due to only about 2 Watts per sq. meter! Imagine what in imbalance of 400 Watts per sq. meter would do.

Instead, the sky emits at only a slightly lower temperature than the surface, so the cavity cools only a little at night: about 4 deg. F cooling out of a “potential cooling” of 15 deg. F, assuming the IR emissivity of the cavity is 1.0.

By the way, I calculate that, if the cavity emissivity was only 0.90 rather than the advertised 0.99 (we really don’t know), we could explain the entire 4 deg. F drop based upon the cavity coming to a radiating temperature equal to that of the sky.

Presumably, once drier air arrives here in Alabama in another couple months, I should see larger temperature falls in the cavity, since water vapor is the Earth’s main greenhouse gas. In the meantime, I’m open to suggestions regarding simple ways to make The Box more efficient at rejecting all sources of energy except downwelling infrared radiation from the sky.

…a radiation source which some say, does not exist.

Metsäpalot lisäävät pienhiukkasten ja ärsyttävien hiilivetyjen määrää ilmassa. Ilmatieteen laitoksen mukaan auringonsäteily lisää myös haitallisia alailmakehän otsonipitoisuuksia, joten riskiryhmät voivat saada ärsytys- ja terveysoireita.

Tilanne helpottaa myöhään torstai-iltana tai yöllä, kun etelästä saapuu sade- ja ukkoskuuroja. Sadekuurojen myötä myös ilmavirtaus kääntyy etelän ja lounaan välille, joten uusia palosavuja ei enää Venäjältä pääse Suomeen.

Palojen vaikutus voidaan havaita myös savun hajuna ja näkyvyys voi hieman heiketä.

Lue lisätietoja terveyshaitoista: www.ilmanlaatu.fi

THL:n tiedote asiasta: www.thl.fi

Ilmatieteen laitoksen tiedotteet ovat saatavilla myös RSS-syötteenä osoitteesta http://fmi.fi/rss.xml.

Ilmatieteen laitoksen mukaan ilmavirtaukset kuljettavat lähipäivinä aikaisempaa enemmän savua Venäjän metsä- ja maastopaloista Suomeen. Arvioiden mukaan ilmanlaatu on heikoimmillaan torstaina.
- Suomeen tulee kaakosta keskiviikon ja torstain aikana uusi annos hyvin helteistä ilmaa ja sen myötä myös palosavuja. Savua kulkeutuu keskiviikkona jo kaakkoisimpaan Suomeen ja etelärannikolle, torstain ja perjantain aikana savua leviää todennäköisesti myös muualle maahan, kertoo päivystävä meteorologi Henri Nyman.
Venäjän metsäpalojen seurauksena Suomen ilmanlaatu on viime päivinä ajoittain heikentynyt lisääntyneiden pienhiukkas- ja otsonipitoisuuksien takia. Metsä- ja maastopalot sijaitsevat kuitenkin sen verran kaukana Suomesta ettei savusta ole terveydelle suurempaa haittaa.

Metsäpalot aiheuttavat pienhiukkasten ja ärsyttävien hiilivetyjen lisääntymistä ilmassa. Palojen vaikutus voidaan havaita savun hajuna, näkyvyyden heikkenemisenä sekä herkillä väestöryhmillä ärsytys- ja terveysoireina. Riskiryhmiin kuuluvat henkilöt voivat vähentää altistumistaan pysyttelemällä sisätiloissa ovet ja ikkunat suljettuina.

Lisätietoja:

Suomen ilmanlaatutilanne ja metsäpalosavujen leviämisennuste

Ilmatieteen laitoksen tiedotteet ovat saatavilla myös RSS-syötteenä osoitteesta http://fmi.fi/rss.xml.

The design is pretty simple and inexpensive, and looks a little like the blackbody radiators that are used as calibration sources. The following cartoon shows the main components:

The idea is to isolate a sample of air and control its environment so that it’s main source of energy gain or loss is through an opening that looks at the sky. You have probably noticed that on a clear evening, dew forms first on the tops of cars and other surfaces. This is because these surface are losing IR energy faster than the air and other surfaces are, so their temperature falls below the dewpoint temperature first.

If we can isolate that effect sufficiently from other sources and sinks of energy, we should be able to get air temperature drops within the cavity in the direction of the colder, effective sky temperature. (We use air since it is very hard to measure the temperature of a cold surface accurately, so we let the cold surface inside the cavity chill the air in contact with it).

The cavity will be lined with aluminum foil, which has very high reflectivity in the infrared, painted on the inside only with high-emissivity paint (Krylon flat white, #1502 if I can find it…apparently, black paint isn’t as good an emitter in the IR.)

The 2 thin polyethylene sheets are in the upward-looking cavity opening to trap a layer of air for thermal conductive insulation, while at the same time passing most IR radiation (something polyethylene is apparently quite good at). The thermal conductivity of the trapped air is a little better (less) than that of Styrofoam, but since convection can occur in an air cavity, I’m sure the actual rate of heat transfer will be more than that for Styrofoam.

SO WHAT KIND OF SIGNALS CAN WE EXPECT?

(…assuming the experiment isn’t a complete failure because of something important I haven’t thought of…)

If you search around on the internet you will find that those who have made such broadband IR measurements of the sky (from what I can tell, usually with instruments that measure between 8 and 14 microns wavelength) report that the effective sky temperature in the infrared is usually 10 to 30 deg. C lower than the near-surface air temperature. Ten deg. C is more typical during humid conditions or cirrus cloud cover, while 30 deg. C would be during clear, low humidity conditions.

Low clouds produce a downwelling sky temperature nearly the same as the upwelling temperature. The sky temperature increases as you scan from the zenith down in elevation, due to the greater path length through the atmosphere.

As an example of the theoretically-expected difference in IR energy flows in and out of the cavity, at an emissivity of 1, a cavity at 300 K temperature should emit a broadband IR flux of 459 Watts/m2, while a downwelling apparent temperature of 290 K (10 deg. lower than the cavity) would produce 401 Watts/m2, the difference being 58 Watts per sq. meter.

In a perfect setup with a cavity emissivity of 1 and no other losses of energy under these conditions, the inside of the cavity would then cool to 10 deg. C less than the surrounding air temperature as the insulated cavity comes into radiative equilibrium with the sky. (I am currently monitoring 2 temperatures in my back yard, with the data sent to my computer by wireless. My first design failed due to large conductive energy loses, which led to the 2nd design, above).

Of course, a “perfect” experimental setup is not possible. I’ve run some numbers based upon the thermal conductivity of Styrofoam and I think I can keep the energy loses to about 20% of the signal being sought, but this is uncharted territory for me.

OK, TIME FOR YOUR PREDICTIONS

So, for all of you who think you know what will happen in this experiment, come on and tell the rest of us. Will the temperature of the air in the cavity stay the same? Will it cool? By how much?

I especially want to hear an answer to 2 questions:

(1) If you think the cavity will be the only source of IR radiation, and there is no downwelling IR radiation from the sky, then what will keep the air temperature inside from falling dramatically lower than the air temperature outside of the box?

(2) If you think the temperature in the cavity will not change, then what is keeping the IR radiation flowing out of the cavity toward the sky from causing a temperature fall? Wouldn’t want to violate the 1st Law of Thermodynamics, ya know.

Let the thinking begin.

Kahdesta Ilmatieteen laitoksen tutkijasta ja yhdestä Geodeettisen laitoksen tutkijasta koostuva ryhmä vietti Grönlannin mannerjäätikön huipulla sijaitsevalla Summit-tutkimusasemalle kolme viikkoa. Kolmiviikkoisen RASCALS-kampanjan aikana tutkittiin Grönlannin lumen fysikaalisia ominaisuuksia sekä auringon säteilyn heijastumista. - Mittaukset sujuivat retken aikana erinomaisesti ja säät olivat pääsääntöisesti loistavat. Varsinkin kahden ensimmäisen viikon aikana säät suosivat, ja säteilysuureista eli mittauksista saapuvasta valosta ja sen heijastumisesta lumesta saatiin käytännössä niin hyviä mittauksia kuin kenttäolosuhteissa on mahdollista, kertoo Ilmatieteen laitoksen tutkija Panu Lahtinen.

Havainnot tarkentavat satelliittimittausten tuloksia
Retken tavoitteena on parantaa paikan päältä kerätyn aineiston pohjalta satelliittimittausten tarkkuutta erityisesti arktisen lumen ja jään kirkkauden eli albedon osalta. Albedon muutokset vaikuttavat esimerkiksi ilman lämpötilaan lähellä pintaa ja lumen ja jään sulamiseen. Mittausalueille kaivetuista lumikuopista mitattiin myös lumen tiheys-, kosteus-, ja lämpötilaprofiilit ylimmän metrin osalta.

Kampanjan tuloksien avulla tullaan kehittämään tarkempia menetelmiä satelliittihavaintojen tekoon. Mittausten lisäksi kesän aikana kerätään samalta alueelta myös runsas määrä satelliittihavaintoja eri avaruusjärjestöjen kautta. Tarkemmilla satelliittimittauksilla voidaan havaita ilmastonmuutoksen aiheuttamat vaihtelut arktisilla alueilla.

Retkikunta ylläpiti matkan ajan blogia, joka on luettavissa Ilmatieteen laitoksen nettisivuilta.

Lisätietoja:
Ilmatieteen laitos
Tutkija Panu Lahtinen, p. (09) 1929 3628
Lue lisää matkasta tutkijoiden ylläpitämästä Vintiöt jäätiköllä -blogista.

Ilmatieteen laitoksen tiedotteet ovat saatavilla myös RSS-syötteenä osoitteesta http://fmi.fi/rss.xml.

Pitkä viive nauhoituksen ja ensiesityksen välillä on toki aiheuttanut sen, että ohjelmassa ja sen kuvauksessa tulee esille virheellistä tietoa, sillä kuten tarkimmat lukijat ovat saattaneetkin havaita, en enää ole Liberaalit ry:n hallituksen jäsen erottuani yhdistyksestä 20.7.2010 poliittisen ideologiani kehittymisen myötä.

PÄIVITYS: Ohjelman voi nyt kuunnella YLE Areenassa tai ladata MP3-formaatissa.

More specifically, that adding CO2 to the atmosphere is not physically capable of causing warming.

These arguments usually involve claims that “back radiation” can not flow from the cooler upper layers of the atmosphere to the warmer lower layers. This back radiation is a critical component of the theoretical explanation for the Greenhouse Effect.

Sometimes the Second Law of Thermodynamics, or Kirchoff’s Law of Thermal Radiation, are invoked in these arguments against back radiation and the greenhouse effect.

One of the more common statements is, “How can a cooler atmospheric layer possibly heat a warmer atmospheric layer below it?” The person asking the question obviously thinks the hypothetical case represented by their question is so ridiculous that no one could disagree with them.

Well, I’m going to go ahead and say it: THE PRESENCE OF COOLER OBJECTS CAN, AND DO, CAUSE WARMER OBJECTS TO GET EVEN HOTTER.

In fact, this is happening all around us, all the time. The reason why we might be confused by the apparent incongruity of the statement is that we don’t spend enough time thinking about why the temperature of something is what it is.

How Cooler Objects Make Warmer Objects Even Hotter

One way to demonstrate the concept is with the following thought experiment, which I will model roughly after the Earth suspended in the cold of outer space. Even my oldest daughter, a realtor who has an aversion to things scientific, got the right answer when I used this example on her.

Imagine a heated plate in a cooled vacuum chamber, as in the first illustration, below. These chambers are used to test instruments and satellites that will be flown in space. Let’s heat the plate continuously with electricity. The plate can lose energy only through infrared (heat) radiation emitted toward the colder walls of the chamber, since there is no air in the vacuum chamber to conduct the heat away from the plate. (Similarly, there is no air in outer space to conduct heat away from the Earth in the face of solar heating.)

The plate will eventually reach a constant temperature (let’s say 150 deg. F.) where the rate of energy gain by the plate from electricity equals the rate of energy loss by infrared radiation to the cooled chamber walls.

Now, let’s put a second plate next to the first plate. The second plate will begin to warm in response to the infrared energy being emitted by the heated plate. Eventually the second plate will also reach a state of equilibrium, where its average temperature (let’s say 100 deg. F) stays constant with time. This is shown in the next illustration:

But what will happen to the temperature of the heated plate in the process? It will end up even hotter than it was before the cooler plate was placed next to it. This is because the second plate reduced the rate at which the first plate was losing energy.

(If you are unconvinced of this, then imagine that the second plate completely surrounds the heated plate. Will the heated plate remain at 150 deg., and not warm at all?)

Since the temperature of an object is a function of both energy gain AND energy loss, the temperature of the plate (or anything else) can be raised in 2 basic ways: (1) increase the rate of energy gain, or (2) decrease the rate of energy loss. The temperature of everything is determined by energy flows in and out, and one needs to know both to determine whether the temperature will go up or down. This is a consequence of the 1st Law of Thermodynamics involving conservation of energy.

Note that the above example involving 2 plates, one hotter than the other, is apparently where the greenhouse effect deniers (sorry, I couldn’t help myself) would claim the “physically impossible” has occurred: The presence of a colder object has caused a warmer object to become even hotter. Again, the reason the heated plate became even hotter is that the second plate has, in effect, “insulated” the first plate from its cold surroundings, keeping it warmer than if the second plate was not there.

The only way I know of to explain this is that it isn’t just the heated plate that is emitting IR energy, but also the second plate….as well as the cold walls of the vacuum chamber. The following illustration zooms in on the plates from our previous illustration:

What happens is that the second plate is heated by IR radiation being emitted by the first plate, raising its temperature. The second plate, in turn, cannot cool to the temperature of the vacuum chamber walls (0 deg. F) because it is not in direct contact with the refrigerant being used…it can only lose IR at a rate which increases with temperature, so it achieves some intermediate temperature.

Meanwhile, the cooler plate is emitting more radiation toward the hot plate than the cold walls of the vacuum chamber would have emitted. This changes the energy budget of the hot plate: despite a constant flow of energy into the plate from the electric heater, it has now lost some of its ability to cool through IR radiation. Its temperature then rises until it, once again, is emitting IR radiation at the same rate as it is receiving energy from its surroundings (and the electric heater).

As we will see, below, in the case of the Earth being heated by the sun, the vacuum chamber “wall” (outer space) is close to absolute zero in temperature. Putting anything between that (essentially infinite) heat sink and the Earth’s surface will cause the surface to warm.

Examples are All Around Us

Examples of objects with lower temperatures causing objects with higher temperatures to become even higher still are all around us.

For instance, in terms of these most basic heating and cooling concepts (energy gain and energy loss), the same thing happens when you put a blanket over yourself when it is cold. The blanket stays cooler than your skin, but it nevertheless makes your skin warmer than if the cooler blanket was not there. Even though the direction of flow of heat never changes (it is always from warmer to cooler objects), a cooler object can still make a warm object even hotter.

It doesn’t matter what the mechanisms of energy transfer are….if the presence of a cooler object keeps a warmer object from losing energy as rapidly as before, the warm object will become even hotter.

But if you insist on another real-world example involving infrared radiation, rather than heat conduction, let’s use clouds at night. Almost everyone has experienced the fact that cloudy nights tend to be warmer than clear nights.

The most dramatic effect I’ve seen of this is in the winter, on a cold clear night with snow cover. The temperature will drop rapidly. But if a cloud layer moves in, the temperature will either stop dropping, or even warm dramatically.

This warming occurs because the cloud radiates much more IR energy downward than does a clear, dry atmosphere. This changes the energy budget of the surface dramatically, often causing warming — even though the cloud is usually at a lower temperature than the ground is. Even high altitude cirrus clouds at a temperature well below than of the surface, can cause warming.

So, once again, we see that the presence of a colder object can cause a warmer object to become warmer still.

Extending the Concept to the Atmosphere

As mentioned above, in the case of the cold depths of outer space surrounding the Earth’s solar-heated surface, ANY infrared absorber that gets between the Earth’s surface and space will cause the surface to warm.

This radiative insulating function occurs in the atmosphere because of the presence of greenhouse gases, that is, gases that absorb and emit significant amounts of infrared energy…(mostly water vapor, CO2, and methane). Clouds also contribute to the Greenhouse Effect.

Kirchoff’s Law of thermal radiation says (roughly), that a good infrared absorber is an equally good infrared emitter. So, each layer of the atmosphere is continuously absorbing IR, as well as emitting it. This is what makes the Greenhouse Effect so much more difficult to understand conceptually than solar heating of the Earth. While the sun is a single source, and most of the energy absorbed by the Earth is at a single level (the surface of the ground), in the case of infrared energy, every layer becomes both as source of energy and an absorber of energy.

It also helps that our eyes are much more sensitive to solar radiation than they (or even our skin) are to infrared radiation. It’s more difficult to conceptualize that which you can’t see.

Our intuition begins to fail us when presented with this complexity. The following illustration shows some of these energy flows: just the IR being emitted upward and downward by different atmospheric layers. If I included arrows representing the IR energy being absorbed by those layers, too, it would become hopelessly indecipherable.

As a result of the atmosphere’s ability to radiatively insulate the Earth’s surface from losing infrared energy directly to the “cold” depths of outer space, the surface warms to a higher average temperature than it would have if the atmosphere was not there. The no-atmosphere, global average surface temperature has been theoretically calculated to be around 0 deg. F.

This, then, constitutes the basic mechanism of the Greenhouse Effect. Greenhouse gases represent a “radiative blanket” that keeps the Earth’s surface warmer than it would otherwise be without those gases present.

In fact, research published in the 1960s showed that, if the current atmosphere suddenly became still – with no wind, evaporation, and convective overturning transporting excess energy from the surface to the upper atmosphere – the average surface temperature of the Earth would warm dramatically, from 0 deg. F with no greenhouse gases, to about 140 deg. F. That the real world temperature is much lower, around 59 deg. F, is due to the cooling effects of weather transporting heat from the surface to the upper atmosphere through convective air currents.

Weather as we know it would not even exist without the greenhouse effect continuously destabilizing the vertical temperature profile of the atmosphere. Vertical air currents associated with weather act to stabilize the atmospheric temperature profile, but it is the greenhouse effect that keeps the process going by warming the lower atmosphere, and cooling the upper atmosphere, to the point where convection must occur.

What About Kirchoff’s Law?
One of the statements of Kirchoff’s Law is:

At thermal equilibrium, the emissivity of a body (or surface) equals its absorptivity.

Many well-meaning people think that one of the consequences of Kirchoffs Law of radiation is that an individual layer of the atmosphere that absorbs infrared energy at a certain rate must also emit energy at the same rate. This is NOT true.

The rate of emission becoming the same as the rate of absorption occurs in the very special case where (1) the temperature has reached thermal equilibrium, and (2) that equilibrium is the result of only those two radiative flows, in and out of the object.

Interestingly, this condition of a layer emitting the same amount of IR as it is absorbing is virtually never met anywhere in the atmosphere. This is because of the vertical, convective flows which are also transporting energy between layers.

In the global average, air below about 5,000 feet in altitude is absorbing more infrared energy than it emits, while air above that altitude (up to the top of the troposphere, the 80% of the atmosphere where weather occurs) is losing infrared energy faster than it is gained.

The reason why these two regions stay at roughly a constant temperature, despite very different rates of infrared loss and gain, is convective heat transport by weather: air heated by sunlight absorbed at the Earth’s surface has its excess energy transported to the upper troposphere, where a lack of water vapor (Earth’s main greenhouse gas) allows that energy to escape more rapidly to space.

The 2nd Law of Thermodynamics: Can Energy “Flow Uphill”?
In the case of radiation, the answer to that question is, “yes”. While heat conduction by an object always flows from hotter to colder, in the case of thermal radiation a cooler object does not check what the temperature of its surroundings is before sending out infrared energy. It sends it out anyway, no matter whether its surroundings are cooler or hotter.

Yes, thermal conduction involves energy flow in only one direction. But radiation flow involves energy flow in both directions.

Of course, in the context of the 2nd Law of Thermodynamics, both radiation and conduction processes are the same in the sense at the NET flow of energy is always “downhill”, from warmer temperatures to cooler temperatures.

But, if ANY flow of energy “uphill” is totally repulsive to you, maybe you can just think of the flow of IR energy being in only one direction, but with it’s magnitude being related to the relative temperature difference between the two objects. The result will still be the same: The presence of a cooler object can STILL cause a warmer object to become even hotter.

Anyway, that’s my story, and I’m sticking to it. Until someone convinces me otherwise.

So, let the flaming begin! No, really, have fun…but if you want your comments to remain available for others to read, please keep it civil.

SUGGESTION FROM ROY (7:50 a.m. Monday, July 26): If you want to add intelligently to this discussion, you need to actually read (1) what I have said, and (2) what others have said. Chances are, your point has already been made and discussed.

Roy Spencer kirjoittaa kotisivuillaan (www.drroyspencer.com) yleisön pyynnöstä listan, miksi hänestä teoria ilmaston lämpenemisestä ihmisen polttaman fossiilisen polttoaineen takia (AGW-teoria) on virheellinen. Suomenkielisiä sivuja Wikipediassa ei tästä herrasta ole, mutta englanninkielisillä sivuilla todetaan hänen olevan ansioitunut ja palkittu ilmastonmuutoksen tutkija, joka ei kuitenkaan pidä muutosta minään katastrofina vaan hänen mielestään havaittu muutos mahtuu hyvin kaoottisen järjestelmän luonnolliseen vaihteluun.

Spencer toteaa, että AGW-teorian arvostelijoilla on erilaiset syyt ja lähtökohdat epäilyilleen ja jokainen toivoo olevansa oikeassa, mutta että se on tietysti mahdotonta. Riittää kuitenkin, että yksikin epäilys osoittautuu oikeaksi ja YK:n luoma korttitalo kaatuu. Mittausten tekeminen on aina helpompaa kuin ymmärtää, mistä tulokset johtuvat ja mihin ne vaikuttavat.

Spencerin lista AGW-teorian epäselvyyksistä:

1. Nouseeko Maapallon keskimääräinen lämpötila?
Mahdotonta sanoa, koska vuosittainen vaihtelu on niin suurta. Maanpinnan tasolla havaittu nousu viimeisen 30 tai 50 vuoden aikana on mitattu pohjoisella pallonpuoliskolla. Luotettavaa aineistoa pitkän aikavälin lämpötilan muutoksista ei ole saatavilla. Jos lämpötila edelleen nousee (tai laskee) se voidaan havaita vasta tulevaisuudessa.

2. Miksi osa tutkijoista väittää ilmaston kylmenevän, osa lämpiävän ja osa lämpiämisen kiihtyneen?
Siksi, että vuosittaiset (ja vuosikymmenittäiset) vaihtelut ovat niin suuria. Lopputulos riippuu lähtökohdasta, johon nykyistä lämpötilaa verrataan. 1900-luvun alusta tarkasteltuna lämpeneminen näyttää kiihtyneen, mutta vuoden 1998 jälkeen tilanne on puolestaan tasaantunut. Näiden tietojen perusteella ei voida tietää, mikä on tilanne juuri nyt saati tulevaisuudessa.

3. Onko ilmasto lämmennyt aiemmin?
Kyllä. Satojen tai tuhansien vuosien jänteellä tehdyt epäsuorat havainnot luonnosta antavat aiheen olettaa, että muutosta on tapahtunut. Muutokset ovat tapahtuneet ennen ihmisen mahdollista vaikutusta, joten se vahvistaa epäilyjä ihmisen syyllisyydestä. Vaikka geologit muistuttavat miljoonien vuosien aikana tapahtuneista paljon suuremmista lämpötilan muutoksista, en itse usko niiden selitysvoimaan muutoksille, jotka ovat tapahtuneet viimeisen 10 tai 100 vuoden aikana.

4. Eikö lätkämaila osoittanut viimeaikaisen lämpenemisen olleen ennalta arvaamatonta?
Lätkämailan esittämä muutos viimeisen 2.000 vuoden ajalta on vahvasti kiistanalainen. Mailaa käytettiin todistamaan, että pariin tuhanteen vuoteen ilmasto on pysynyt koko ajan samanlaisena, mutta vasta 1900-luvulla ihmisen toiminnan seurauksena lämpötila alkoi nousta. Todistusaineisto saatiin pääasiassa tarkastelemalla vanhojen puulöydösten vuosirenkaiden muutoksia. Aineisto kuitenkin viittaa omasta mielestäni siihen, että 1.000 vuotta sitten oli lämpimämpää kuin nyt, ja että viimeisen 50 vuoden aikana on tapahtunut kylmenemistä, vaikka olemme mitanneet lämpenemistä.

5. Onko Jäämeren sulaminen todiste lämpenemisestä?
Lämpenemisestä kyllä – ihmisen osuudesta ei. Havaintoja sulamisesta on vain vuodesta 1979, joten nykyiset ennätykselliset sulan veden alueet, kuten vuonna 2007, saattavat silti hävitä 20- tai 30-luvuille, jolloin alueella mitattiin samanlaisia lämpötiloja kuin nykyään. Kiinnostaa on myös se, että Etelänavan merijää on kasvanut melkein yhtä paljon mitä Pohjoisnavan merijää sulanut viimeisen 30 vuoden aikana.

6. Entä merenpinnan nousu?
Täytyy tunnustaa, etten laita sille paljon painoarvoa. Lämpenemisen seurauksena merenpinta nousee osaksi lämpölaajenemisen ja osaksi jäätiköiden sulamisen takia. Mutta sen perusteella ei voida tehdä johtopäätöksiä mahdollisesta ihmisen osuudesta tapahtumaan. Jäätiköiden sulamisen ja merenpinnan nousun tiedetään alkaneen ilmiöinä ennen ihmisen vaikutusta, joten tapahtuman syy on hyvin epävarma.

7. Voiko kasvava hiilidioksidimäärä nostaa ilmaston lämpötilaa?
Moni älykäs tutkija väittää, että CO2-määrän nousu ei voi aiheuttaa lämpenemistä. He perustelunsa ovat hyvin teknisiä kuten että “CO2-määrän aiheuttama lämpötilan imeytyminen on jo nyt täysin katettu”. Se ei silti mielestäni tarkoita, etteikö lisääntyvä CO2-määrä voisi aiheuttaa havaitun kasvun. Kaikesta huolimatta pidän mahdollisena, että juuri tässä kaikkein keskeisimmässä kohdassa on virhe. Tieteessä on ennenkin tehty virheitä.

8. Kasvaako CO2:n määrä?
Kyllä, ja kaikkein nopeimmin viimeisen 50 vuoden aikana, miksi “useimmat” ilmastontutkijat selittävät juuri sillä lämpenemisen. Käytössämme on hyvin tarkat havainnot kasvusta.

9. Ovatko ihmiset vastuussa CO2:n kasvusta?
Vaikka ilmakehässä on voimakas vuosittainen vaihtelu CO2:n määrässä, varsinkin El Ninon ja La Ninan takia, pidän itse todennäköisimpänä syynä havaittuun kasvuun juuri ihmisen polttamia fossiilisia polttoaineita. Siitä huolimatta, että ihminen aiheuttaisi CO2-määrän kasvun, myös luonto toimisi tässä tilanteessa samaan suuntaan. Havaittu määrä on nyt 390 ppm, kun ennen teollista aikakautta se oli enintään 270 ppm. Kaupungeissa ja rakennuksissa pitoisuudet ovat paljon tätäkin suurempia.

10. Eikö luonnon omat CO2-päästöt ole 20 kertaa suuremmat kuin ihmisen aiheuttamat?
Kyllä, mutta luonnon arvioidaan imevän takaisin kiertoon saman määrän, minkä se aiheuttaa päästöinä. Noin puolet ihmisen aiheuttamista päästöistä poistuu ilmakehästä kasvien yhteyttämisen takia. Kasvit rakastavat hiilidioksidia. Se on elämän eliksiiriä. Kuvitelkaa vastalauseiden määrää, jos lisäämisen sijaan ihminen toiminnallaan vähentäisi hiilidioksidin määrää.

11. Johtuuko nyt havaittu lämpeneminen hiilidioksidista?
Vaikka se on teoriassa mahdollista, pidän luultavampana luonnollisia syitä. Tällä hetkellä emme osaa erottaa ihmisen vaikutusta luonnon vaikutuksesta.

12. Miksi enemmistö tiedemiehistä uskoo CO2:n lämmittävään vaikutukseen?
Koska he eivät keksi muuta syytä, ainakin niin he minulle ovat kertoneet. He eivät epäile, etteikö luonto voi itse olla vastuussa lämpenemisestä, mutta he eivät osaa tehdä eroa ihmisen ja luonnon vaikutukseen. Tässä suhteessa IPCC on valehdellut poliitikoille.

13. Jos ei ihmiset, niin mikä aiheuttaa lämpenemisen?
Tämä on yksi omasta tutkimusalueestani. Käsitykseni mukaan auringonvalon määrän luonnolliset muutokset – pilvisyyden aiheuttamina – selittävät lämpenemisen. Tutkijoiden vähemmistön ja omasta mielestäni luonto on itseohjautuva. Ilmastonmuutos ei tarvitse ulkopuolista pakotetta kuten muutoksia Auringossa.

14. Mikä voisi aiheuttaa luonnolliset muutokset pilvisyyden muutoksissa?
Pienet, pitkäaikaiset muutokset ilmakehän ja merivirtojen liikkeissä voi aiheuttaa noin prosentin muutoksen siinä, kuinka paljon auringonvaloa pääsee maanpinnalle. Se riittää aiheuttamaan nyt havaitun kaltaisen muutoksen. Valitettavasti meillä ei ole havaintoaineistoa viimeisen 30 tai 50 ajalta kyetäksemme arvioimaan todellista syytä.

15.Kuinka vakava oli sähköpostiviestien vuoto julkisuuteen?
Viestit itsessään eivät muuta IPCC:n perusviestiä, että ilmasto lämpenee tai että ihminen on siitä päävastuussa. Viestit kuitenkin todistavat, että ihminen tekee virheitä ja on asenteellinen.

16. Miksi asenteellisuudella on merkitystä ilmastontutkimuksessa?
Kun tutkija havaitsee ongelman, heidän asenteensa vaikuttaa lopputulokseen. Ei niin, ettäkö IPCC:n väite ihmisen aiheuttamasta lämpenemisestä ei voisi olla oikein, mutta poliittiset ja taloudelliset kytkökset ovat saaneet IPCC:n täydellisesti sivuuttamaan vaihtoehtoiset selitykset lämpenemiselle.

17. Kuinka merkittävää on “tutkijoiden konsensus”?
Ilmastontutkimuksen osalta se on merkityksetöntä. Ilmasto on niin monimutkainen, että ylivoimainen enemmistö tutkijoista – jotka ovat yleensä asiantuntijoita jollain kapealla erikoisalalla – kuvittelee muiden tietävän enemmän, ja siksi he antavat tukensa samoille mielipiteille kuin tutkijakolleegansakin. Pieni parhaiten asiaan perehtyneiden tutkijoiden joukko on taipuvainen joukkoharhaan, laumasieluisuuteen, vertaispaineeseen, poliittiseen painostukseen, ajattelemaan energiantuotannosta poliittisesti korrektilla tavalla ja pelastamaan Maapallon – tarvitseepa sitä tai ei.

18. Kuinka merkittäviä ovat ilmastontutkimukseen käytettävät tietokoneohjelmat?
Mallit ovat keskeisessä asemassa arvioidessamme ilmastoa. Ilman selvää numeerista todistusaineistoa väitteiden perustana joutuisimme turvautumaan huutoäänestyksiin. Mallit eivät kuitenkaan ole mikään perusta ennustuksille tulevaisuudesta. Suurin huolenaiheeni on, että malleja on käytetty pääasiassa etsimään tukea väitteelle ihmisen aiheuttamasta lämpenemisestä eikä vaihtoehtoja luonnollisista tekijöistä ole haluttu tutkia.

19. Mitä ennustan tulevaisuudesta?
Pitkän ajan ennusteet sisältävät liikaa epävarmuustekijöitä. Jos on pakko veikata, sanon, että kylmeneminen on yhtä luultavaa kuin lämpeneminen. Kolmas vaihtoehto on tietysti nykyisenkaltainen vakaa ilmasto. Kukaan ei muista 50 vuoden kuluttua, että vuonna 2010 ennustettiin virheellisesti ihmiskunnan sukupuuttoa kuumuuteen vuonna 2060.