Kelvinskalan – den fysikaliska temperaturen

Jag har skrivit om temperaturskalan tidigare, men jag tycker att det kan vara intressant att kommentera den igen.

Idag har vi (i Västvärlden) i princip tre olika temperaturskalor.

Celsius – som har noll vid vattnets fryspunkt och 100 vid vattnets kokpunkt
Fahrenheit – nollan vid ca -17.8C (fryspunkt för en saltblandning) och 100 vid kroppens temperatur (ca 38C)
Kelvin – nollan vid absoluta nollpunkten (-273.15C). Sen har den samma temperatursteg som Celsius skalan. Om temperaturen ökar en Celsius så ökar den också en Kelvin.

Så här är vi väl vana att få jordens temperatur presenterad.

global temperatur

Bilden hämtad från Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Instrumental_temperature_record

Vad är temperatur:

Begreppet temperatur är något som människan hittat på. Naturen vet inte riktigt vad temperatur är. Naturen styrs av energi, rörelsemängd och entropi. Det är de ”naturliga” styrparametrarna.
Människan använder temperaturbegreppet eftersom vi känner det med våra sinnen.

I fysik definieras Temperatur som 1 delat med derivatan av Entropin med avseende på Inre Energin – jag förväntar mig inte att det säger någon någonting. Det säger inte mig något i alla fall.
Man kan säga att temperatur är ett mått på hur oordningen i ett system ändras då energin i systemet ändras.

Vid låga temperaturen så stiger oordningen (egentligen antalet möjliga tillstånd) snabbt när inre energin stiger.

Jag nöjer mig med att konstatera att temperatur egentligen är ett ganska krångligt begrepp.

Utifrån den fysikaliska definitionen av temperatur kan man räkna ut temperaturen för ett system.
För en (ideal) gas visar det sig att den genomsnittliga rörelseenergin i gasen är direkt proportionell mot temperaturen i Kelvin (inte i Celsius). Om man dubblar temperaturen (Kelvin) så dubblar man gasens inre energi (rörelseenergi).

För ett fast ämne blir det krångligare eftersom atomerna har både rörelseenergi och lägesenergi. I grova drag så gäller att inre energin i en fast kropp ökar proportionellt mot temperaturen (över en viss kritisk temperatur – den s.k. Debyetemperaturen).

I korthet – temperaturen i Kelvin är ett mått på den inre energin som finns i en substans. För en gas gäller detta väldigt bra. För en fast kropp gäller det ungefär.

Kelvinskalan:

Men, för att kunna koppla ihop energi och temperatur så måste man använda Kelvin skalan. Kelvin skalan börjar ju vid absoluta nollpunkten, där inre energin är noll (förenklat).

Alla fysikaliska lagar använder Kelvin skalan. Det är först när man använder Kelvin skalan som temperatur får en tolkningsbar innebörd. Den blir ett mått på inre energin.

Den fysikaliskt rimliga temperaturskalan är Kelvin. Om vi t.ex. har en gas och ökar temperaturen med 10% så vet vi att den lagrade energin i gasen har ökat med ungefär 10%.

Jordens temperatur:

Jordens medeltemperatur är ca 15 Celsius. Det motsvarar ca 273 + 15 K = 288 Kelvin.

Diskussionen om jordens temperatur borde utgå från Kelvin. Det är ju Kelvin skalan som talar om hur mycket vi ändrar den lagrade energin relativt sett.

Om man ritar jordens temperatur i Kelvin så får man nedanstående graf. Skalan gör att det är ganska svårt att se ”klimatnödläget”. Men skalan är inte ett påhitt av de som inte tror på klimathotet, utan det är faktiskt den skala som man använder i fysik för att beskriva ett system. Det är den temperaturskala som används för alla fysikaliska ekvationer. Inget konstigt med det.

global temp kelvin

Bilden hämtad från : https://www.americanthinker.com/articles/2012/06/thermodynamics_of_global_warming.html

En grads ökning av jordens temperatur motsvarar 1/288 *100% = 0.34%, eller ca 3 promille.

Om det stämmer att temperaturen har ökat med 1 grad sen förindustriell tid (ca år 1750) så betyder det att jordens lagrade energi (i hav, mark, atmosfär) har ökat med ca 3 promille.

Om man beaktar komplexiteten i jordens värmebalans – moln, havsströmmar, varierande albedo p.g.a. is/snö, växtlighet, asfaltering m.m., effekt av aerosoler (vulkanutbrott), solens variationer – så känns inte 3 promille som någon direkt upphetsande siffra.

Hur kan man vara säker på att 3 promilles förändring av jordens lagrade energi beror på att atmosfärens innehåll av koldioxid ändrats från 0.3 promille till 0.4 promille ?

Min åsikt är att man inte kan vara säker. De variationer man tittar på är alldeles för små.

Uppenbarligen så finns det många som har en annan åsikt än jag. IPCC är ju 100% säkra på sambandet.

Jonas Rosén

 

 

Kommentarer

Kommentera längst ner på sidan.

  1. Lasse

    Tack Jonas Rosen.
    Celciusskalan är baserad på naturens vattenförekomst och bör väl vara betydelsefull för oss.
    Att Kelvin och Celcius enades om graderingen underlättar för omvandling vilket är tacksamt för lata dagar.
    +21 och vattnet är badbart!
    https://www.smhi.se/vader/observationer/observationer#ws=wpt-a,proxy=wpt-a,tab=vatten,param=seatemperature

  2. Tack! Bra sammanfattande artikel om temperaturens väsen. Det är dock långt kvar att förstå: ”Temperatur som 1 delat med derivatan av Entropin med avseende på Inre Energin”

    Som jag sagt i 30 år; Koldioxid passar överhuvudtaget inte in i någon ekvation. Var försök att blanda in denna stelbenta molekyl vid denna ytterst låga halt med vårt klimat misslyckas.
    Energin lagras lämpligen i vatten och det lider vi ingen brist på. Medeldjupet är 4000 meter över 70% av jordens yta.

    Det går alltså inte att omvandla Fahrenheit till Celsius på riktigt sätt? Fahrenheit verkar luddig med sin 0a och 100 gränsen.

  3. jensen

    Perspektiv !!
    Intressant betr. IPCC AR5 och RCP 8,5

    https://en.wikipedia.org/wiki/Paleoclimatology#/media/File:All_palaeotemps.svg

  4. Lars-Eric Bjerke

    Jonas R,

    ”Jordens medeltemperatur är ca 15 Celsius.”

    Jag antar att du menar nedre troposfären. T.ex. är havens medeltemperatur ca 3,5 C.

    ”Om man ritar jordens temperatur i Kelvin så får man nedanstående graf. Skalan gör att det är ganska svårt att se ”klimatnödläget”. ”

    Det är väl därför man ofta anpassar skalan efter behovet t.ex. i febertermometrar.

  5. jensen

  6. Liten anekdot från livet här i Bergslagen; Vi har ju kört ju kemishower i Nobels labb på Björkborn på vårarna för åk 5 och 8 i tio år och hoppas komma igång igen nästa vår. Bland andra hands-on experiment vi och eleverna gör så leker vi med kalla saker som kolsyresnö (tillverkad från gasflaska) och flytande kväve och då ställer vi frågan ”hur kallt kan det bli?”. En gång fick vi det absolut mest oväntade men helt korrekta svaret från en tjej i åk 5, hon sa ”0 Kelvin” varpå jag efter ha samlat mig efter den chocken frågade ”är nån av dina föräldrar fysiker?”, och så var det. Ibland blir man förvånad över kunskapsnivån och undrar lite över hur konversationen ser ut vid det frukostbordet. Tack Jonas för ditt inlägg

  7. Hej Jonas,
    en banal kommentar angående definitionen av temperatur. En viktig sannolikhetsfördewlning där temperaturen är inblandad är Boltzmann-fördelningen, som innehåller faktorn (och en normalisering)

    exp( – ngt/T)

    vilket antyder att det i vissa sammanhang är 1/T som är den naturliga faktorn och den är alltså en derivatan

  8. Jonas Rosén

    #7 Sten Kaijser

    Hej Sten

    Ja, egentligen brukar man skriva temperaturens definition som:

    1/T = derivatan av entropin med avseende på inre energin.

    Den återspeglar egentligen att ett system kommer att försöka ställa in sig på det mest sannolika tillståndet.

    #4 Lars-Eric Bjerke

    Hej Lars-Eric

    Ja, jag menar nedre tropsfären.

    jag håller absolut med om att det är rimligt att anpassa skalan efter behovet. T.ex. ta tempen i Celsius istället för Kelvin.

    Det som är min poäng med Kelvinskalan är att den ger ett samband mellan lagrad energi och temperatur.
    När man tar tempen så är man nog inte så intresserad av att få reda på den lagrade energin. Man vill veta om man har feber.

    När man pratar om jordens värmebalans, så är det i någon mening den lagrade energin man pratar om. Då är Kelvinskalan absolut relevant.

  9. Hej igen Jonas,

    fortfarande gäller att ”klimatsystemets medeltemperatur” snarare är 4 grader (d.v.s. 277K) än 288. Problemet i det sammanhanget är bara att blandar man in haven så är den naturliga tidsenheten förmodligen kA (d.v.s. milennier) och det är inte riktigt relevant för våra korta jordeliv.

  10. tty

    ”Det går alltså inte att omvandla Fahrenheit till Celsius på riktigt sätt?”

    Jomenvisst. Dra ifrån 32, multiplicera med fem och dividera sedan med nio. Eftersom jag varit rätt mycket i USA har jag faktiskt lärt mig att göra det i huvudet, men jag måste medge att det fortfarande tar mig en stund. Vid -40 stämmer förresten Fahrenheit och Celsius.

  11. Jonas Rosén

    Hej igen Sten

    Man kan absolut diskutera vad som egentligen är jordens temperatur.

    277 K är nog lika rätt som 288 K, men faktum kvarstår att 1 grads förändring är en mycket liten ändring av jordens energiinnehåll (ytlagrets innehåll).

    Egentligen så är det så att det vi observerar är mycket små variationer i ett komplext system. Jag tycker att det ofta försvinner i debatten.

    I min tankevärld så är inte frågan varför jordens temperatur varierar, utan det är snarare varför den inte skulle variera.

    IPCC anser ju att jordens temperatur inte ska variera om det inte vore för människans utsläpp.

    Varför då ? Vilken naturlag säger att jorden temperatur ska vara konstant på +/- 1 promille ?

  12. #10 tty
    Hmmm… varför inte dra ifrån 32 och sen dividera med 1,8? 2 steg i st. för 3?

  13. Ivar Andersson

    #12 Mats
    ttys tre steg är enklare vid huvudräkning åtminstone i mitt huvud.

  14. Enough

    Klimatalarmisterna springer till två slutsatser, som nästan kräver en religös övertygelse, och de hänger inte ihop jämfört med observationer en 100-150 år tillbaka.

    Den ena, är tron på att mer CO2 i luften driver temperaturen att skena, med argumentet att det finns s.k. förstärkningseffekter som ökar temperaturen flera gånger mot den s.k. växthuseffekten, vilken avtagande logaritmisk mot halten i luften ( varje fördubbling ger 1 grad). För det första vet ingen säkert om den s.k. växthuseffekten är relevant i atmosfären, för det andra finns inga mätbara tecken på s.k. värmeöar som skulle hålla värmen kvar.

    Den andra är värre, då alarmisterna förutsätter att nästan hela ökningen av CO2 i atmosfären kommer från mänsklig förbränning ( utan några som helst bevis), och att vi alltså kan styra temperaturen genom att tillföra mer eller mindre CO2. Vetskapen om att vår del i hela CO2 cykeln ligger kring 1% av det totala utbytet mellan hav/land och atmosfär, verkar inte bita ett dugg.

    Knäckfrågan, vad styr variationerna i tiden av jordens temperatur, är inte uppe på IPCC’s agenda, deras uppdrag är ju att påvisa att antropogent CO2 påverkar temperaturen, inte att försöka få bättre kunskap om hur de naturliga variationerna uppstår. Slutsatsen är att IPCC är ett politiskt instrument för att tvinga I-länder att förbruka mindre ( per capita) och låta U-länder gasa på för fullt, vilket också sker…..

  15. tty

    ”Varför då ? Vilken naturlag säger att jorden temperatur ska vara konstant på +/- 1 promille ?”

    Det är den inte, över en istidscykel varierar den typ 3 %, och ännu större svängningar har förekommit i det förflutna.

  16. Jonas Rosén

    #15 tty

    Jag håller med dig .Det är klimataktivister som fått för sig att jordens temperatur ska variera med +/- en tiondels promille, om inte människan påverkar.
    Tycker själv det är orimligt. Jordens temperatur varierar.

    Det som är orimligt är att avveckla all fossilkraft bara för att vi ser en lite ändring.

  17. johannes

    #10 Jag menar exakt översättning. Nollan och 100 var li
    te luddiga

  18. Nu har jag provat mina 8 glastermometrar. Två av dem mycket fina (har jobbat på labb och har ett litet labb). Som tidigare prövat med mängder av olika glastermometrar så har jag aldrig lyckats få 100 gr C, de stoppar vid 99,5. Samma vid 0, de når ned till 0,3 som minst i den smältande isen. Höjd över havet: 3 meter.

    Hur kalibrerar man en Fahrenheit glastermometer? Sprang meteorologerna runt förr och prövade upp i ett antal stjärtar?
    Hoppas det inte var för många kvinnor med ägglossning i den gruppen.

    Antal termometrar i södra hemisfären på 1800 talet torde kunna räkas på handens ena fingrar, Vissa i C, vissa i Reaomyr osv Se här för vilka 8 skalor man höll sig till:
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Grad_R%C3%A9aumur

    Så nu gör klimathetsarna anspråk på att kunna redovisa klimatets temperatur på 1800 talet i 1/10 delar och hävda att vi haft ökning. Lika fel är det att hävda att temperaturen varit konstant eller sjunkit för vi kan inte ha en susning.

  19. Jan-Åke

    Jonas Rosén eller tty.
    Jordens inre temp ökar med djup och når över 6000 C i dess inre kärna av järn nickel.
    Om man gör tankeexperimentet att ta bort solen.
    Hur mycket IR strålar då ut från jorden ?
    Kan man även tänka sig att den av solen oberoende värmestrålningen kan variera pga rörelser eller andra processer i jordens inre ?

  20. tty

    ”Antal termometrar i södra hemisfären på 1800 talet torde kunna räkas på handens ena fingrar”

    Stämmer i stort sett. År 1850, då temperaturkurvorna brukar börja, fanns det enligt H H Lamb (som i motsats till senare klimatforskare byggde på riktiga data) totalt tre väderstationer på södra halvklotet St Helena (äldst, 1841), Kapstaden och Hobart, Tasmanien. Ytterligare tre tillkom under 1850-talet, Rio de Janeiro, Mauritius och Auckland, Nya Zeeland.

    I Antarktis finns inga längre sammanhängande temparaturserier före 1944 (Port Lockroy, dock nedlagd 1962). Den äldsta fortfarande aktiva stationen är McMurdo (1956).

    Lustigt nog finns det dock äldre väderobservationer från södra halvklotet, men inte från stationära stationer. Det engelska Ostindiska kompaniets fartyg gjorde regelbundna väderobservationer redan i slutet på 1700-talet, så man har faktiskt en del spridda data från Sydatlanten och Indiska oceanen.

    Så, ja, ”världstemperaturer” från 1800-talet är mycket osäkra.

  21. tty

    #19

    Det rör sig om storleksordning 0,1 W/m^2, och den varierar troligen mycket långsamt med mänskliga mått mätt. På längre sikt finns det anledning att tro att den kan variera en del. Så varierar t ex plattektonikens intensitet mätt över tiotals och hundratals miljoner år, och även s k LIP (Large Igneous Provinces), extremt stora och relativt kortvariga utbrott av platåbasalter påverkar troligen märkbart.

    I dagens läge är den geotermiska energin nog bara klimatiskt signifikant i två specifika fall. Den leder till att temperaturen under tjocka inlandsisar ofta är över smältpunkten, vilket påverkar deras rörelser och profil och den påverkar sannolikt också den termohalina cirkulationen i djuphavet.

  22. Uno Hansson

    Det intressanta med just molekylen CO2 är varför den stannar kvar där så länge, sedan den väl släpps ut i atmosfären. Jag gissar att just den molekylen… där den då blandas med ~ 80 % kväve och ~ 20 % syre råkar komma självsvängning och hamnar i någon sorts koherent resonans… precis som en stämgaffel som geometriskt är utformad på bestämt sätt (eller en elektisk krets med spole och kondensator).

  23. Uno H #22

    Intressant fråga. CO2 är ju tyngre än H2O. En alternativ förklaring är att H2O inte kan vara kvar i gasfas upp till en viss höjd där den blir droppar/moln och regnar ned. CO2 klarar däremot kylan och ligger kvar längre i gasfas högt uppe i atmosfären.

  24. CO2 är visserligen lite tyngre än kväve och syremolekyler, vilket gör att i stillastående relativt kall luft (i ett slutet kärl) kan halten nog bli högre i den nedre delen av kärlet, men i rörlig luft följer den bara med. Därför blir den kvar tills den fångas i hav eller löv. Omsättningshastigheten är dock ganska hög. Det anses att uppemot en femtedel av alla koldioxidmolekyler i atmosfären utbyts varje år. I ”kolcykeln” kommer det mesta av koldioxiden i atmofśfären från hav eller ”mark” (varvid mark innehåller exempelvis djurens urandning).

  25. tty

    CO2 upptas och avges hela tiden av levande organismer, av havet och även av marken (genom kemisk vittring och genom att transporteras med vatten). Den omsätts därför snabbt och varierar rätt kraftigt geografiskt och över tiden. Det är en öppen hemlighet att Mauna Loa måste sålla sina mätvärden hårt för att få snygga och jämna kurvor.

    Koldioxid är som Sten påpekar litet tyngre än kväve och syre och det är därför det kan vara farligt att gå ner i t ex gödselbrunnar där koldioxiden kan ansamlas vid botten och tränga undan syret.

    Vattenångan omsätts dock ännu snabbare eftersom den kondenseras, på cirka en vecka.

    Det har gjorts mätningar av den globala variationen i CO2 från satelliter, men man ser sällan dessa, eftersom de stämmer dåligt med ”berättelsen”. Halten är inte högst över tättbefolkade/industrialiserade områden utan över tempererade/subtropiska stäpper och varma havsströmmar och lägst över inlandsisar, taiga och tropisk regnskog:

    https://cen.acs.org/content/dam/cen/88/32/8832cov_carbondioxide1.jpg