Ilmastoherkkyysparametri (λ) | Uusi Suomi Puheenvuoro

Tarjouksia:

Lämpötilan nousu

Suhteellisen yksinkertainen kasvihuonemalli kuvaa maapallon säteilytasapainoa yksikerroksisen ilmakehän mukaan. Tässä tapauksessa se on maapallon pinnalle, ilmakehän lähettämä alaspäin suuntautuva säteilyvuo:

F = (β/2) σT4…(1)

Tässä ilmakehän lämpötila on korvattu pintalämpötilalla. Sanotaan, että CO2 -pitoisuuden lisääminen tietyllä määrällä vastaa absorptiotehokkuuden lisäystä Δβ. Säteilevä pakottaminen on säteilyvaste pakottavalle aineelle, joka tapahtuu nopeasti ilman lämpötilan muutosta; silloin ilmastojärjestelmään kohdistuva energiaepätasapaino on:

ΔF = Δβ σT4 (β)/2 …(2)

Koska nyt enemmän energiaa säteilee alas maapallon pinnalle kuin takaisin avaruuteen, maapallo lämpenee. Lopulta vuosikymmenten kuluttua saavutetaan uusi tasapaino, jossa pintalämpötila ΔT on noussut, jolloin uudeksi lämpötilan arvoksi saadaan T(β + Δβ).

Riittävän pienelle häiriölle T(β + Δβ) Taylor-sarjan laajennus tuottaa eliminoinnin Δβ, jolloin saadaan lineaarinen suhde:

ΔT = λΔF … (3)

Missä λ on ilmastoherkkyystekijä:

λ = T(β) / (S(1 – α)) … (4)

Yksikerroksisen ilmakehän mallin havaittuja rajoituksia huomioimatta, lisäämme siihen Arrheniuksen säännön (ks. edellinen puheenvuoroni) yhtälöön (3), mikä viittaa siihen, että:

ΔΤ = γln (C/C0) [°K]; γ = λα … (5)

Maapallon katsotaan yleisesti lämpenevän ~1°C teollisen vallankumouksen alusta, noin vuodesta 1750 lähtien, jolloin maailman keskimääräinen CO2 :n määrä oli 275 ppm. Voimme käyttää lämpötilaa T = 15°C (288.15K) lähtötilanteena arvioitaessa CO2 :n kaksinkertaistumisen vaikutusta.

Lasketaan ensin yhtälöstä (4) ilmastoherkkyystekijä λ, joka on 0.302 K/Wm-2. Toiseksi γ = λα = 1.61 ja lisätään se yhtälöön (5), jolloin lämpötilan nousuksi saadaan ΔT = 1.61 ln(2) °K = 1.12°K.

Näin ollen yksinkertainen kasvihuonemalli ennustaa ~1.12 °C:n ilmaston lämpenemisen CO2:n kaksinkertaistumisena.

Tämä arvo on kuitenkin liian alhainen verrattuna edistyneempiin malleihin, jotka mahdollistavat positiivisen palautteen, erityisesti kohonneen lämpötilan aiheuttaman lisääntyneen vesihöyryn vuoksi. Yksinkertainen parannuskeino tämän takaisinkytkentäprosessin sisällyttämiseksi on asettaa Δβ:n lisänousu likimääräiseksi lämpötilan nousuun liittyvän vesihöyryn lisääntymisen vaikutuksen arvioimiseksi.

Vesihöyryn palaute (takaisinkytkentä)

Vesihöyryn takaisinkytkentä on vesihöyryn ja pintailman lämpötilan välinen kytkentä, jossa säteilypakotteen muutos häiritsee pintailman lämpötilaa, mikä johtaa vesihöyryn muutokseen, joka voi sitten vahvistaa tai heikentää alkulämpötilan muutosta.

Vesihöyry on hallitsevin kasvihuonekaasu ja yksi tärkeimmistä syistä, miksi lämpötila on niin herkkä säteilyvoiman muutoksille. Vesihöyryä tuodaan ilmakehään haihtumisen ja kasvien transpiraation kautta. Ilmakehän vedenpidätyskyky (vesihöyryn määrä, jonka ilmakehä voi pitää sisällään ennen kuin se tiivistyy ja putoaa sateena tai lumena) on lämpötilan funktio – Clausius-Clapeyron-relaatio, jonka mukaan 1°C :een nousu lämpötilassa lisää ilmakehän vedenpidätyskykyä ~7 %.

Lähde: https://www.mdpi.com/2073-4433/14/2/376

”Physical Explanation for Paradoxical Climate Change in Semi-Arid Inland Eurasia Based on a Remodeled Precipitation Recycling Ratio and Clausius–Clapeyron Equation”

Eli suomeksi: ”Fyysinen selitys paradoksaaliseen ilmastonmuutokseen puolikuivassa Euraasiassa perustuen uudistettuun sateen kierrätyssuhteeseen ja Clausius-Clapeyron-yhtälöön”

Suurin osa ilmakehästä on kuitenkin veden suhteen alikyllästynyttä, joten paikallinen vedenpidätyskyky ei ole rajoittava tekijä, joka määrää ilmakehän vesihöyryn. Ilmakehän todellinen vesimäärä saadaan kertomalla vedenpidätyskyky ilmakehän suhteellisella kosteudella (välillä 0 -100 %, missä 100 % tarkoittaa, että todellinen vesimäärä on yhtä suuri kuin vedenpidätyskyky). Siten vesihöyryn takaisinkytkennän voimakkuuden kertovat sekä vedenpidätyskyvyn muutokset, että ilmakehän suhteellinen kosteus.

Vesihöyry saa aikaan vahvan positiivisen palautteen ilmastojärjestelmässä. Huippuluokan ilmastomallit osoittavat, että pelkkä vesihöyryn palaute noin kaksinkertaistaa lämpenemisen verrattuna kiinteään vesihöyryyn.

Annetaan siis tuon termin Δβ kaksinkertaistua, jolloin malli ennustaa ΔT ≈ 2.24 °C CO2:n kaksinkertaistumisena, mikä on IPCC:n mukaan suunnilleen yhdenmukainen, jolloin ilmaston herkkyys on jossain 2 – 5 °C:n lämpenemisen välillä esiteollisen CO2 -tason kaksinkertaistuessa.

Kuten edellisessä puheenvuorossani, CO2:n säteilypakotteessa oleva kerroin α voidaan määritellä uudelleen (Nobelisti Svante Arrheniuksen geometrinen progressio), sillä se on määritelty CO2 -pitoisuuksien tietyllä välillä (275ppm – 378ppm) teollisen vallankumouksen alusta vuoteen 2005, silloin λ saattaa jossain määrin muuttua, ja näin ollen muuttuu myös lämpötila. Mutta kertoimen α (5.35) muutos on desimaaleissa, ei sen kokonaisluvussa ks. (an = a1 + (n−1)d.

Laskujeni mukaan, olemme siis tällä hetkellä (~2.24°C) ”Near-term” skenaariossa, kuten ao. IPCC AR6:n kuvaaja osoittaa. Tosin tuo laskelmani lämpötila meni hieman yläkanttiin. Mutta palstoilla ollaan, kun ottaa huomioon yksikerroksinen kasvihuonemalli.