Telített gázos érv - Amit Ångström nem tudott

Az interneten található egyszerű fizikai magyarázatok az üvegházhatásról gyakran tévesek. Ezek a jó szándékú tévedések zavart kelthetnek azzal kapcsolatban, hogy valóban az emberiség okozza-e a globális felmelegedést azáltal, hogy szén-dioxidot juttat a légkörbe. Egyesek azzal érvelnek, hogy az egyszerű fizika szerint már most is olyan sok CO2 van a levegőben, hogy az infravörös sugárzásra gyakorolt hatása "telített" - ami azt jelenti, hogy több gáz hozzáadása alig változtat azon, hogy mennyi sugárzás jut át a légkörön, mivel az összes sugárzás már el van zárva. És különben is, a vízgőz nem blokkolja már most is az összes infravörös sugárzást, amit a CO2 valaha is blokkolni fog?

Az érvek jól hangzanak, olyannyira jól, hogy valójában fél évszázadon keresztül segítettek elnyomni az üvegházhatással kapcsolatos kutatásokat. 1900-ban, nem sokkal azután, hogy Svante Arrhenius közzétette úttörő érvelését, miszerint a fosszilis tüzelőanyagok használata előbb-utóbb felmelegíti a bolygót, egy másik tudós, Knut Ångström megkérte asszisztensét, Herr J. Kochot, hogy végezzen el egy egyszerű kísérletet. Infravörös sugárzást küldött egy szén-dioxiddal töltött csövön keresztül, amely összesen valamivel kevesebb gázt tartalmazott, mint amennyi a légkör tetejéig érő légoszlopban található. Ez nem sok, hiszen a levegőben a koncentráció csak néhány száz ppm. Koch úr egy 30 cm hosszú csőben végezte kísérleteit, bár a 250 cm-es cső hossza közelebb állt volna a légkörben lévő CO2 mennyiségének ábrázolásához. Herr Koch arról számolt be, hogy amikor a csőben lévő gáz mennyiségét egyharmadával csökkentette, az átjutó sugárzás mennyisége alig változott. Az amerikai meteorológiai közösséget Ångström eredményére a Monthly Weather Review 1901. júniusi számában megjelent kommentárban hívták fel a figyelmet, amely az eredményt arra használta fel, hogy óva intse a "geológusokat" attól, hogy Arrhenius vad elképzeléseihez ragaszkodjanak.

Az akkori tudósok számára még meggyőzőbb volt az a tény, hogy a vízgőz, amely sokkal nagyobb mennyiségben van jelen a levegőben, mint a szén-dioxid, szintén felfogja az infravörös sugárzást. Az infravörös spektrumban a fő sávok, ahol az egyes gázok blokkolták a sugárzást, átfedték egymást. Hogyan befolyásolhatná a CO2 hozzáadása a sugárzást a spektrum azon sávjaiban, amelyeket a H2O (nem is beszélve magáról a CO2-ról) már átlátszatlanná tett? Ahogy ezek az elképzelések elterjedtek, még azok a tudósok is, akik korábban lelkesedtek Arrhenius munkájáért, úgy döntöttek, hogy az hibás. A kérdéssel kapcsolatos munka stagnált. Ha valaha is volt "intézményesült" nézet az üvegházhatással kapcsolatban, akkor az a bizalom volt, hogy az ember által kibocsátott CO2 nem befolyásolhat semmi olyan nagyszerűt, mint a Föld éghajlata.

Senkit sem érdekelt, hogy elég mélyen elgondolkodjon a kérdésen ahhoz, hogy észrevegye az érvelés hibáját. A tudósok a felmelegedést úgymond a talaj szintjéről vizsgálták, a Föld felszínére érkező és onnan távozó sugárzásra kérdeztek rá. Ångströmhöz hasonlóan ők is hajlamosak voltak a légkört egységként kezelni, mintha egyetlen üveglap lenne. (Ezért az "üvegház" analógia.) De a globális felmelegedés valójában nem így működik. Mi történik a Föld felszíne által kibocsátott infravörös sugárzással? Ahogy rétegről rétegre halad felfelé a légkörben, egy része minden rétegben megáll. Konkrétan: egy szén-dioxid, vízgőz vagy más üvegházhatású gáz molekulája elnyel egy kis energiát a sugárzásból. A molekula az energiát ismét visszasugározhatja egy tetszőleges irányba. Vagy más levegőmolekulákkal való ütközések során sebességbe adja át az energiát, így az a légréteg, ahol ül, melegebb lesz. A légréteg az elnyelt energia egy részét visszasugározza a talaj felé, egy részét pedig felfelé, a magasabb rétegek felé. Ahogy feljebb megyünk, a légkör egyre vékonyabb és hidegebb lesz. Végül az energia eléri azt a vékony réteget, amely már olyan vékony, hogy a sugárzás az űrbe távozhat.

Mi történik, ha több szén-dioxidot adunk hozzá? Azokban a rétegekben, amelyek olyan magasan vannak és olyan vékonyak, hogy a lejjebb érkező hősugárzás nagy része átcsúszik rajtuk, több üvegházhatású gázmolekula hozzáadása azt jelenti, hogy a réteg több sugarat fog elnyelni. Így az a hely, ahonnan a hőenergia legnagyobb része végül elhagyja a Földet, a magasabb rétegekbe kerül. Ezek hidegebb rétegek, így nem sugároznak olyan jól hőt. A bolygó egésze most több energiát vesz fel, mint amennyit kisugároz (ami tulajdonképpen a jelenlegi helyzetünk). Ahogy a magasabb rétegek a felesleg egy részét lefelé sugározzák, az összes alsóbb réteg a felszínig felmelegszik. Az egyensúlytalanságnak addig kell folytatódnia, amíg a magas szintek nem melegszenek fel annyira, hogy annyi energiát sugározzanak vissza, amennyit a bolygó kap. Az alacsonyabb szintek telítődése nem változtatna ezen, mivel a bolygó hőegyensúlyát azok a rétegek határozzák meg, amelyekből a sugárzás elszökik. Az alapvető logikát John Tyndall már 1862-ben szépen elmagyarázta: "Ahogyan egy folyóra épített gát a folyam helyi mélyülését okozza, úgy a földi [infravörös] sugarak elé gátként vetett légkörünk a Föld felszínén a hőmérséklet helyi emelkedését idézi elő".

Még egy egyszerű magyarázatot is nehéz lehet minden következményében felfogni, és a tudósok ezeket csak darabonként dolgozták ki. Először is meg kellett érteniük, hogy egyáltalán érdemes a szén-dioxidról gondolkodni. Az a tény, hogy a vízgőz alaposan blokkolja az infravörös sugárzást, nem azt jelentette, hogy a CO2 bármilyen változása értelmetlen? Az akkori tudósok ismét abba a csapdába estek, hogy a légkörre egyetlen lemezként gondoltak. Bár tudták, hogy minél magasabbra megyünk, annál szárazabb lesz a levegő, csak az oszlopban lévő összes vízgőzt vették figyelembe. Az áttörés, amely végül visszaterelte a területet a helyes útra, az 1940-es évek kutatásaiból származott. A katonatisztek bőkezűen finanszírozták a magas légrétegek kutatását, ahol a bombázóik működtek, olyan rétegekét, amelyeken az infravörös sugárzás áthaladt, és amelyeket az ellenség felderítésére használhattak. Az abszorpció elméleti elemzése ugrásszerűen haladt előre, és az eredményeket laboratóriumi vizsgálatokkal igazolták, amelyekben nagyságrendekkel jobb technikákat alkalmaztak, mint amilyeneket Ångström be tudott vetni. Az így elért eredmények új és világosabb gondolkodásra ösztönözték a légköri sugárzásról való gondolkodást.

Az új vizsgálatok többek között kimutatták, hogy a fagyos és ritka felső légkörben, ahol a döntő infravörös elnyelés zajlik, az elnyelés jellege eltér attól, amit a tudósok a régi tengerszintmérések alapján feltételeztek. Vegyünk egyetlen CO2- vagy H2O-molekulát. Ez csak bizonyos hullámhosszakon nyeli el a fényt, amelyek vékony sötét vonalként jelennek meg a spektrumban. A tengerszint feletti hőmérsékleten és nyomáson lévő gázban a különböző sebességgel egymásnak ütköző számtalan molekula mindegyike kissé eltérő hullámhosszon nyeli el a fényt, így a vonalak kiszélesednek és jelentős mértékben átfedik egymást. Az abszorpció még tengerszint feletti nyomáson is diszkrét csúcsokba koncentrálódik, de a csúcsok közötti rések meglehetősen keskenyek, és a csúcsok közötti "völgyek" nem túl mélyek. (lásd a II. részt) Mindez száz évvel ezelőtt még nem volt ismert. A 20. század elején rendelkezésre álló kezdetleges infravörös műszerekkel a tudósok az abszorpciót széles sávokban elkenődve látták. És nem volt olyan elméletük, ami mást sugallt volna.

Az amerikai légierő számára végzett mérések felhívták a tudósok figyelmét az abszorpció részleteire, különösen a nagy magasságokban. Alacsony nyomáson a tüskék sokkal élesebbé válnak, mint egy kerítés. A H2O-vonalak között rések vannak, amelyeken a sugárzás átjuthat, hacsak a CO2-vonalak nem zárják el. Ráadásul a kutatóknak élesen tudatosult, hogy a levegő milyen nagyon száraz lesz a felsőbb magasságokban - a sztratoszférában valójában alig van vízgőz. Ezzel szemben a CO2 jól el van keverve az egész légkörben, így ahogy feljebb nézünk, úgy válik viszonylag jelentősebbé. A főbb pontokat már az 1930-as években meg lehetett volna érteni, ha a tudósok alaposan megvizsgálják az üvegházhatást (valójában egy fizikus, E. O. Hulbert elég jó számításokat végzett, de a dolog annyira nem volt érdekes, hogy senki sem vette észre).

Amint láttuk, a magasabb rétegekben, ahol a sugárzás könnyen átcsúszik, némi üvegházhatású gáz hozzáadásának melegítenie kell a Földet, függetlenül attól, hogy az abszorpció hogyan működik. A H2O és a CO2 abszorpciós vonalainak változása a nyomás és a hőmérséklet függvényében csak azokat a rétegeket tolja el, ahol a fő hatás zajlik. A felmelegedés pontos kiszámításához azonban mindezt figyelembe kell venni. Az 1950-es években, miután jó infravörös adatok és digitális számítógépek váltak elérhetővé, Gilbert Plass fizikus időt szakított a fontosabbnak tűnő kutatásokra, hogy hosszas számításokat végezzen a sugárzási egyensúlyról, rétegenként a légkörben és pontról pontra a spektrumban. Bejelentette, hogy a CO2 hozzáadása valóban egy fokos globális felmelegedést okozhat. Plass számításai túl kezdetlegesek voltak ahhoz, hogy sok fontos hatást figyelembe vegyenek. (A hőenergia nem csak sugárzással, hanem konvekcióval is felfelé mozog, a sugárzás egy részét nem a gáz, hanem a felhők blokkolják stb.) De az a néhány tudós, aki odafigyelt, most már világos volt, hogy a kérdést érdemes tanulmányozni. Még évtizedek teltek el, mire a tudósok elkezdték a nyilvánosságnak világosan elmagyarázni, hogy mi is történik valójában ezekben a számításokban, felhívva a figyelmet a légkör magas, hideg rétegeire. Sok népszerűsítő még ma is úgy próbálja megmagyarázni az üvegházhatást, mintha a légkör egyetlen üveglap lenne.

Összefoglalva, a sugárzás elnyelésének módja csak akkor számít, ha a felmelegedés pontos mértékét akarjuk kiszámítani - a szén-dioxid hozzáadása az üvegházhatást erősíti, függetlenül az alsó légkör telítettségétől. Valójában azonban a Föld légköre közel sincs telítettségi állapotban. Ångström az akkori kezdetleges technikákkal rossz eredményt kapott, amint azt a II. részben kifejtjük. Valójában nem egyértelmű, hogy akkor is értékelte volna eredményének jelentőségét, ha helyes választ kapott volna arra, hogy az abszorpció hogyan változik a CO2 mennyiségével. Az írásai alapján elég jól sejthető, hogy a CO2-kétszeresére emelkedő CO2-mennyiség megduplázása esetén az abszorpció körülbelül egy százalékos változását jelentéktelennek tartaná. A valóságban ez az egyszerű százalékos növekedés, ha megfelelően kombináljuk a "ritkulás és lehűlés" érvével, négyzetméterenként 4 wattal növeli a bolygó sugárzási mérlegét a megduplázott CO2 esetén. Ez a Föld által elnyelt napenergiának csak körülbelül egy százaléka, de számunkra rendkívül fontos százalék! Végül is a Föld 280 kelvines felszíni hőmérsékletének mindössze egy százalékos változása 2,8 kelvin (ami szintén 2,8 Celsius-fok). És ez még csak nem is veszi figyelembe az összes felerősítő visszacsatolásból származó sugárzási kényszereket, például a vízgőz és a jégalbedó miatt.

Mindenesetre a modern mérések azt mutatják, hogy a légkörben közel sincs annyi szén-dioxid, hogy az infravörös sugárzás nagy részét blokkolja a spektrum azon sávjaiban, ahol a gáz elnyeli. Ez még a vízgőz esetében is így van azokon a helyeken, ahol a levegő nagyon száraz. (Amikor egy sivatagban leszáll az éjszaka, a hőmérséklet gyorsan leeshet a melegről a fagypontra. A felszínről érkező sugárzás közvetlenül az űrbe távozik, hacsak nincsenek felhők, amelyek elzárják azt). Ha tehát egy szkeptikus barátod a globális felmelegedés elleni "telítettségi érvvel" támad, csak ennyit kell mondanod: (a) Az üvegházhatást okozó felmelegedés akkor is növekedne, ha a légkör telített lenne, mert a vékony felső légkörben (amely nem telített) történő elnyelés számít (b) még az sem igaz, hogy a légkör valójában telített a CO2 általi elnyelés tekintetében, (c) a vízgőz nem nyomja el a CO2 hatását, mert kevés vízgőz van a magasban, hideg régiókban, ahonnan az infravörös sugárzás elszökik, és az ottani alacsony nyomáson a vízgőz elnyelése olyan, mint egy lyukas szita, amely sokkal több sugárzást engedne át, ha nem lenne CO2, és d) ezeket a kérdéseket a fizikusok már 50 évvel ezelőtt kielégítően megvizsgálták, és a szükséges fizika minden klímamodellben benne van.

II. rész

Az I. részben történeti szempontból elmeséltük azt a hosszú küzdelmet, amely a téves telítettségi érvelés meghaladásáért folyt. A II. részben részletesebb elemzést nyújtok a technikai részletek iránt érdeklődő olvasónak arról, hogy az infravörös elnyelése valójában hogyan függ a CO2-koncentrációtól. A végén Herr Koch kísérletét a modern megfigyelések fényében fogom tárgyalni. Az itt leírtak a HITRAN spektroszkópiai archívumában található CO2-elnyelési adatokon alapulnak. Ez a légköri sugárzást modellezők által használt fő infravörös adatbázis. Ez az adatbázis az I. részben ismertetett infravörössel kapcsolatos katonai munka öröksége, és a Hanscom Fieldben, MA-ban található Air Force Geophysics Laboratory által összeállított spektroszkópiai archívumból származik (a sugárzásátviteli tankönyvek egyes korai kiadásaiban "AFGL Tape" néven említik).

Tegyük fel, hogy a tengerszinten ülünk, és egy 1 watt teljesítményű infravörös zseblámpával világítunk az ég felé. Ha a fénysugár összes fényét összegyűjtené egy földkörüli pályán keringő űrhajós egy kellően nagy lencsével, akkor ez hány Watt töredéke lenne? A telítettség kérdése a következő kérdéssel ér fel: Hogyan változna ez a töredék, ha növelnénk a CO2 mennyiségét a légkörben? A telítődés arra az állapotra utal, amikor a CO2 mennyiségének növelése nem növeli az abszorpciót, mert a CO2 már eddig is lényegében mindent elnyelt, amit el lehetett nyelni azokon a hullámhosszakon, ahol egyáltalán elnyeli. Gondoljunk egy futószalagra, amelyen piros, kék és zöld M&M cukorkák mennek el. Van egy nyűgös gyerek, aki a szalagnál ül, és csak piros M&M-et eszik, és elég gyorsan megeszi őket ahhoz, hogy a mellette elhaladó M&M-ek felét megehesse. Így ő a felére csökkenti az M&M fluxust. Ha mellé teszünk egy másik, ugyanolyan nyűgös gyereket, aki ugyanolyan gyorsan tud enni, akkor ő megeszi az összes megmaradt piros M&M-et. Aztán, ha egy harmadik gyereket is beállítasz a sorba, az már nem eredményezi az M&M-áramlás további csökkenését, mert az összes M&M, amit szeretnek enni, már elfogyott. Ahhoz, hogy a fluxus tovább csökkenjen, szükséged lenne egy zöld vagy kék M&M-et evő emberre.

Ångström és követői úgy vélték, hogy a CO2 és az infravörös sugárzás helyzete olyan, mint a piros M&M's-é. Ahhoz, hogy megértsük, mennyire tévedtek, meg kell néznünk az infravörös fény CO2 általi elnyelésének mértékére vonatkozó modern méréseket. Az abszorpció mértéke a fény hullámhosszának nagyon bonyolultan változó függvénye. Bármely adott hullámhosszon a túlélő fény mennyisége a fénysugár által érintett CO2-molekulák számának exponenciálisaként csökken. Az exponenciális csökkenés mértéke az abszorpciós tényező. Amikor az abszorpciós tényező és a CO2 mennyiségének szorzata egyenlő eggyel, akkor a fény mennyisége 1/e-vel csökken, azaz 1/2,71282... . Ilyen, vagy nagyobb mennyiségű CO2 esetén a légkör optikailag vastag a megfelelő hullámhosszon. Ha megduplázzuk a CO2 mennyiségét, akkor a túlélő fény aránya további 1/e szorzóval csökken, ami a túlélő fény arányát körülbelül egytizedére csökkenti; ha ehelyett megfelezzük a CO2 mennyiségét, akkor a túlélő fény aránya az e négyzetgyökének reciproka, azaz körülbelül 60% , és a légkör optikailag vékony. Az, hogy pontosan hol húzzuk meg a határt a "vastag" és a "vékony" között, kissé önkényes, tekintve, hogy az abszorpció kis értékektől a nagy értékekig simán árnyalódik, ahogy az abszorpciós tényező és a CO2 mennyiségének szorzata növekszik.

Az abszorpciós tényező mértékegységei attól függnek, hogy milyen mértékegységeket használunk a CO2 mennyiségének mérésére a légkör azon oszlopában, amellyel a fénysugár találkozik. Mérjük a mértékegységeket egy négyzetméteres légköri oszlopban lévő CO2-mennyiséghez viszonyítva, amely akkor van jelen, amikor a CO2 koncentrációja 300 ppm (körülbelül az iparosodás előtti érték). Ilyen mértékegységekben a jelenlegi CO2-mennyiséggel rendelkező légkör optikailag vastag, ahol az abszorpciós együttható egy vagy nagyobb, és optikailag vékony, ahol az abszorpciós együttható kisebb, mint egy. Ha megduplázzuk a légkörben lévő CO2 mennyiségét, akkor az abszorpciós együtthatónak csak 1/2-nek vagy nagyobbnak kell lennie ahhoz, hogy a légkör optikailag vastag legyen.

Az így meghatározott abszorpciós tényezőt a következő ábra mutatja, a HITRAN spektroszkópiai archívumában található több ezer mérés alapján. A grafikonon látható "homály" azért van, mert az abszorpció valójában több ezer szorosan egymás mellett elhelyezkedő, egymást részben átfedő tüske formájában jelenik meg. Ha a hullámhossztengely egy nagyon kis részére ráközelítenénk, akkor láthatnánk, hogy az elmosódás különálló tüskékre bomlik, mint a kerítésen a cövekek. A grafikon durva felbontásánál csak egy sötét sávot látunk, amely a tüske által kihúzott maximális és minimális értékeket jelöli. Ezeket az abszorpciós eredményeket tipikus laboratóriumi körülmények között, tengerszint feletti nyomáson és 20 Celsius-fokos hőmérsékleten számították ki. Alacsonyabb nyomáson a tüskék csúcsai magasabbak, a köztük lévő völgyek pedig mélyebbek, ami szélesebb "homályos sávot" eredményez az alábbiakban látható abszorpciós görbéken.

Láthatjuk, hogy az iparosodás előtti CO2-koncentráció esetében csak a 13,5 és 17 mikron (a méter milliomod része) közötti hullámhossztartomány tekinthető telítettnek. Ezen a tartományon belül valóban igaz, hogy több CO2 hozzáadása nem növelné jelentősen az abszorpció mértékét. Az összes piros M&M-et már megettük. De ezen a hullámhossz-tartományon kívül még több finomság vár ránk. Valójában, megjegyezve, hogy a grafikon logaritmikus tengelyen van, a légkör még akkor sem lenne telített, ha a CO2-t a jelenlegi szint tízezerszeresére növelnénk. Mi történik az abszorpcióval, ha megnégyszerezzük a CO2 mennyiségét? Ezt a történetet a következő grafikon mutatja be:

A vízszintes kék vonalak azt a CO2-küszöbértéket mutatják, amely ahhoz szükséges, hogy a légkör optikailag vastag legyen az iparosodás előtti CO2-szint 1x-szeresénél és 4x-szeresénél. A CO2 megnégyszereződése a spektrum sárga sávokban lévő részeit optikailag vastaggá teszi, lényegében új abszorpciót adva hozzá, és csökkentve az infravörös sugárzás áteresztését a rétegen keresztül. Az optikailag vastag régió szélességének növekedését a következőképpen lehet összefüggésbe hozni az űrbe irányuló infravörös veszteséget meghatározó "elvékonyodás és lehűlés" érvvel. Durván szólva, a spektrumnak abban a részében, ahol a légkör optikailag vastag, a világűrbe történő sugárzás a légkör magas, hideg részeinek hőmérsékletén történik. Ez gyakorlatilag nulla a felszíni hőmérséklethez hasonló hőmérsékletű sugárzási fluxushoz képest; a spektrumnak abban a részében, amely optikailag vékony, a bolygó a felszíni hőmérséklethez közeli hőmérsékleten sugároz. A CO2 növelésével tehát megnő annak a spektrális tartománynak a szélessége, ahol a légkör optikailag vastag, ami a nagy intenzitású felszíni sugárzás nagyobb részét helyettesíti alacsony intenzitású felső légköri sugárzással, és így csökken a világűrbe irányuló sugárzási veszteség mértéke.

Most a fent leírt abszorpciós tulajdonságok segítségével határozzuk meg, hogy mit látnánk egy tipikus laboratóriumi kísérletben. Képzeljük el, hogy kísérletezőnk egy csövet tiszta CO2-vel tölt meg egy atmoszféra nyomáson és 20C hőmérsékleten. Ezután a cső egyik végébe infravörös fénysugarat bocsát. Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy a fénysugár az abszorpciós grafikonon látható összes hullámhosszon egyenletes intenzitású. Ezután megméri a cső másik végén kilépő fény mennyiségét, és elosztja azt a belenézett fény mennyiségével. Ez az arány a transzmisszió. 

Hogyan változik a transzmisszió, ha hosszabbra tesszük a csövet? Hogy az eredményeket perspektívába helyezzük, hasznos szem előtt tartani, hogy 300 ppm CO2-koncentráció mellett a Föld légkörének egy olyan oszlopában lévő CO2 mennyisége, amelynek keresztmetszeti területe megegyezik a cső keresztmetszetével, megegyezik egy 2,5 méter hosszú, tiszta CO2-t tartalmazó csőben lévő CO2 mennyiségével, ha a cső tengerszint feletti nyomáson és 20C hőmérsékleten van. Így egy két és fél méteres, tiszta CO2-t tartalmazó cső laboratóriumi körülmények között, lazán szólva, olyan, mint "egy légkör" üvegházhatása. A következő grafikon azt mutatja, hogy a csövön átjutó fény aránya csökken, ahogy a cső hosszabbá válik.

Az áteresztőképesség rövid csöveknél (kb. egy centiméter alatt) rendkívül gyorsan csökken, mert amikor a fény először találkozik a CO2-vel, az abszorpciós spektrum csúcsának közelében lévő könnyű préda az, ami először felemésztődik. Nagyobb csőhossznál az abszorpció és a hullámhossz közötti görbe alakja miatt a transzmisszió meglehetősen lassan csökken a CO2 mennyiségével. És ez jó dolog, hogy így van. Meg lehet mutatni, hogy ha az átvitel exponenciálisan csökkenne, ahogyan az abszorpciós tényező hullámhossztól független lenne, akkor a CO2 megduplázása a Földet 2-4 fok helyett kb. 50 C-fokkal melegítené (ami elég rossz, ha figyelembe vesszük, hogy a felmelegedés nagyobb a szárazföldön, mint az óceánon és a magas északi szélességeken).

Van néhány finomabb dolog, amit figyelembe kell vennünk ahhoz, hogy ezt a kísérletet a CO2 tényleges légkörben történő elnyelésével kapcsolatba tudjuk hozni. Az első a nyomás kiszélesedésének hatása. Mivel az abszorpciós vonalak a nyomás csökkenésével keskenyebbé válnak, és mivel a spektrum nagyobb része a vonalak között, nem pedig a vonalközpontokban van, az abszorpciós együttható összességében a nyomással lineárisan csökken. Ezért a tengerszint feletti nyomáson történő abszorpció kiszámításával (vagy mérésével) túlbecsüljük a légkör magasabb, alacsonyabb nyomású részein ténylegesen jelen lévő CO2 abszorpcióját. Kiderül, hogy ha ezt megfelelően figyelembe vesszük, akkor a tengerszint feletti nyomáson kétszeresére kell csökkenteni az oszlop hosszát ahhoz, hogy a valós légkörben ugyanannyi CO2 elnyelő hatását kapjuk. Így a laboratóriumban egy 1,25 méteres oszlopban kell mérni az abszorpciót, hogy a valós légkörre reprezentatívabb eredményt kapjunk. A második hatás abból a tényből ered, hogy a tiszta CO2-t tartalmazó csőben önmagával ütköző CO2 körülbelül 30%-kal jobban kiszélesíti a vonalakat, mint a levegőben lévő N2-vel vagy O2-vel ütköző CO2, ami az abszorpció további enyhe túlbecslését eredményezi a laboratóriumi kísérletben. E hatások egyike sem befolyásolná azonban jelentősen a laboratóriumi kísérletben kapott telítettség benyomását. A CO2 nem sokkal kevésbé telített egy 1 méteres oszlop esetében, mint egy 2,5 méteres oszlop esetében.

Mi romlott el szegény Koch úr kísérletében? Két változtatásra van szükség ahhoz, hogy a számításainkat összhangba hozzuk Herr Koch kísérleti elrendezésével. Először is, ő egy 100C-os feketetestet (lényegében egy fazék forró vizet) használt infravörös sugárzásának forrásaként, és a forrás teljes feketetest-kibocsátásához viszonyított transzmissziót mérte. A bejövő sugárzás megfelelő súlyozásával a csövön keresztül történő áteresztést a Koch-féle definícióval összeegyeztethető módon egyszerűen újra lehet számítani. A második különbség az, hogy Koch úr valójában nem a cső hosszának változtatásával végezte el a kísérletét. A kontroll esetet 1 atmoszféra nyomáson végezte egy 30 cm hosszú csőben. Az ő csökkentett CO2-es esetét nem egy rövidebb csővel végezte, hanem úgy, hogy megtartotta ugyanazt a csövet, és a nyomást 2/3 atmoszférára (666mb, vagy 520 mm higany az ő mértékegységében) csökkentette. Ahelyett, hogy az abszorpciót a nyomás függvényében jelenítenénk meg, a nyomás skálázásával kapcsolatos modern eredményeket használtuk fel, hogy Herr Koch mérését úgy fogalmazzuk át, hogy mit látott volna, ha a kísérletet egy rövidített csővel végezte volna el. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy a kísérletét a transzmisszió és a csőhossz függvényében a fentiekhez hasonló grafikonon ábrázoljuk. Az eredmény itt látható:

A kísérletben vizsgált CO2-mennyiségek tartományában nem várható nagy eltérés az abszorpcióban - csak körülbelül egy százalék. Koch úr mérései nagyon közel vannak a 30 cm-es kontrollesetre vonatkozó helyes abszorpcióhoz, de azt mondta a főnökének, hogy az alacsonyabb nyomáson átjutó sugárzás legfeljebb 0,4%-kal nőtt. Nos, nem ő lenne az egyetlen laboráns, aki túlzottan optimista volt a pontosságáról szóló jelentésében. Még ha a kísérletet pontosan is végezték volna el, nem világos, hogy a kutatók "jelentősnek" tekintették volna-e az egy százalékos áteresztésbeli változást, hiszen már a mért fél százalékos változást is "jelentéktelennek" tartották. 

Úgy tűnik, hogy Ångström túlságosan is lelkes volt, hogy a változás "jelentéktelensége" alapján arra a következtetésre jusson, hogy a CO2-abszorpció telített, holott a valódi probléma az volt, hogy a CO2-mennyiségek túlságosan kis tartományában vizsgálták a változásokat. Ha Koch és Ångström egy 10 cm-es és egy méteres cső közötti tartományban vizsgálta volna a változásokat, akkor valószínűleg meg tudták volna határozni az abszorpció mennyiséggel való növekedésének helyes törvényét, az akkor rendelkezésre álló kezdetleges műszerek ellenére.

Érdemes megjegyezni, hogy Ångström téves következtetése a telítettséggel kapcsolatban nem abból adódott, hogy nem értette, hogyan befolyásolja a nyomás az abszorpciós vonalakat. Ez legalábbis megbocsátható lett volna, mivel a nyomás kiszélesedésének jelenségét még sokáig nem fedezték fel. A valóságban azonban Ångström akkor is ugyanerre a téves következtetésre jutott volna, ha a kísérletet ugyanolyan mennyiségű CO2-vel végezték volna el alacsony nyomáson, nem pedig a tengerhez közeli nyomáson. A fentiekhez hasonló számítások azt mutatják, hogy a magas és az alacsony CO2-mennyiségek esetében ugyanazokat a CO2-mennyiségeket használva, mint az eredeti kísérletben, az abszorpciós változás nagysága, amelyet a kutatók mérni akartak, majdnem pontosan ugyanaz - körülbelül 1 százalék -, függetlenül attól, hogy a kísérletet közel 1000mb (tengerszint feletti nyomás) vagy közel 100mb (a légkörben körülbelül 16 km magasan lévő nyomás) mellett végezték el.

https://www.realclimate.org/index.php/archives/2007/06/a-saturated-gassy...

https://www.realclimate.org/index.php/archives/2007/06/a-saturated-gassy...