KlimatUpplysningen 1: Värmeöverföring via Strålning

På inbjudan av Ingemar Nordin, KlimatUpplysningen KU, följer härmed en kort populärvetenskaplig beskrivning för tillkännagivande på KU av den teori för strålningsbaserad värmeöverföring, som jag lanserat i boken Mathematical Physics of Blackbody Radiation samt på bloggen Computational Blackbody Radiation i mer lättsmält form.

Det handlar om interaktion mellan strålning, som elektromagnetisk vågrörelse beskriven av Maxwell's ekvationer, och materia i form av atomer/elektroner med massa. Grundmodellen består av 

1. En uppsättning resonatorer (mass-fjäder system) = materia
2. Dämpningsmekanism agerande på resonatorer = utgående strålning
3. Drivning av resonatorer = inkommande strålning.

Jämvikt råder då resonatorerna vibrerar i resonans med inkommande frekvenser med sådan amplitud  att utgående energi (dämpningsenergi)  = inkommande energi, och en resonators amplitud ger ett mått på resonatorns temperatur. 

Spektrum som utgående energi av viss frekvens ges i denna modell av (kallas också Planck's strålningslag):

•  spektrum = konstant x temperatur x frekvens x frekvens

upp till en högsta möjlig sk cut-off-frekvens som skalar med temperaturen.

Cut-off beror på att utstrålning kräver viss koordination hos resonatorer och koordinationen minskar med kallare resonator (fingar styvnar i kölden). Inkommande frekvenser över cut-off kan alltså inte strålas ut, och inkommande energi lagras då istället i resonatorer som värme. Effekten blir att uppvärmning kräver strålning från varmare kropp. Värmeöverföring med strålning sker från varm till kall, aldrig från kall till varm. En varmare kropp har högre cut-off än en kallare och kan alltså stråla ut frekvenser som inte kan balanseras som utstrålning av den kallare. Resultatet blir uppvärmning av den kallare genom ingående strålning = utgående strålning från den varmare.

Modellen ger följande Stefan-Boltzmann lag för värmeöverföringen Q mellan två kroppar av temperatur T1 och T2 med T1 större än T2 (jfr referens):

• Q = sigma x (T1^4 - T2^4)

där sigma är Stefan-Boltzmann's konstant. Notera att lagen inte skrivs

• Q = sigma x T1^4 - sigma x T2^4,

eftersom det skulle indikera tvåvägs värmeöverföring inklusive s k "back radiation" från lägre till högre temperatur. Back radiation är lika ofysikalisk som "baklänges värmeledning", se vidare nedan.

Denna modell beskriver interaktionen mellan strålning och materia som ett resonansfenomen med högfrekvens-cut-off, där strålning i form av (stående) elektromagnetiska vågor interagerar med materia i form av vibrerande elektroner (i grunden enligt Coulomb's lag där accelererande elektroner generar varierande elektrisk fält). Värmeöverföringen är här envägs från varm till kall pga högfrekvens-cut-off. Modellen beskriver kraftbalansen mellan out-of-balance av resonatorn, dämpningskraften (Abraham-Lorentz kraft) och det inkommande elektriska fältet.

Notera att standardmodellen för interaktion mellan strålning-materia är QED (Quantum ElectroDynamics), som är avsevärt mer obegripligt än Quantum Mechanics, som redan det är mycket svårbegripligt enligt allmän utsago av världens mest begåvade fysiker. Min modell är snarast en klassisk kontinuum-mekanisk modell, och som sådan begriplig för det stora flertalet av ingenjörer och naturvetenskapare.  

Hoppas detta kan vara till någon Upplysning. Frågor emottages tacksamt och besvaras skyndsamt.

Observera att det inte finns några infraröda fotoner som i två filer överför värmeenergi fram och tillbaka mellan en varm och en kall kropp, via s k "back radiation". Om man tror att detta är fysik så blandar man ihop det med svartkonst. Back radiation finns inte beskriven i fysikböcker utan är ett fritt påhitt av uppfinningsrika s k klimatologer.

PS Om Jordens klimatsystem som luftkonditionering (se Slaying the Sky Dragon samt bloggposter under thermodynamics of global climate).

Atmosfären kan ses som en form av luftkonditionering som upprätthåller en konstant temperatur av 15 C på jordytan under en instrålning från Solen av 170 W/m2 genom transport medelst en kombination av konvektion, fasomvandling vatten-vattenånga och strålning av 130 W/m2 till en effektiv utstrålningsnivå på en höjd av 5 km med temperatur -18 C, samt med resterande 40 W/m2 direkt utstrålade från jordytan.

Av de 130 transporteras merparten om 100 via termodynamik (konvektion-fasomvandling), under en lapse rate av 6.5 C/km och den mindre delen 30 via strålning över ett temperaturfall av 33 C. Det är dessa 30 W/m2 som kan påverkas av atmosfärens sammansättning med vattenånga som huvudkomponent och koldioxid med bieffekt av högst 3 W/m2, mindre än 3% av totat 170 W/m2.

Variation av mängden koldioxid kan då uppskattas ha högst en effekt av 3% av 33 C, dvs högst 1 C och förmodligen betydligt mindre, dvs knappast mätbar.

Det är helt möjligt att termodynamiken fungerar som stabiliserande regulator under variation av de 30 W/m2 transporterade via strålning, så att effekten av mer eller mindre koldioxid inte alls är mätbar.

Jordens klimatsystem skulle kunna jämföras med en kastrull med kokande vatten med tillförsel av värme från en spisplatta underifrån och med avgång av värme från övre vattenytan i form av vattenånga, där en konstant vattentemperatur upprätthålls under ökat pådrag från plattan genom mer intensiv kokning.