29 просмотров

Механизмы обратной связи в климате

"Иногда ты лобовое стекло,
Иногда ты ошибка. ".

М.К. Карпентер, "Жук"

Предлагаемые чтения:

  • Межправительственная группа экспертов Всемирной метеорологической организации по изменению климата, «Изменение климата: Научная оценка МГЭИК», Кембридж, 1990 г.
  • Аренс, К. Дональд, «Метеорология сегодня», 6-е изд., Brooks/Cole Publishing Co., 1999.

Мы хотим научиться:

1. Механизмы обратной связи

Любое изменение в окружающей среде, ведущее к дополнительным и усиленным изменениям в этой системе, является результатом механизма положительной обратной связи. В качестве альтернативы, если изменение в окружающей среде приводит к компенсирующему процессу, который смягчает изменение, это механизм отрицательной обратной связи. В дискуссиях об изменении климата основное внимание уделяется атмосферному радиационному полю как воздействию на климатическую систему (радиационное воздействие). В настоящее время обсуждение сосредоточено на радиационном воздействии, связанном с неуклонным увеличением концентрации различных газов в атмосфере — так называемых парниковых газов: CO.2, CH4, Н2O, фреоновые газы и т. д. Другие изменения в окружающей среде также могут привести к изменениям радиационного баланса, такие как вырубка лесов, изменения в землепользовании и загрязнение воздуха (озон, SO4-аэрозоли, КОНТРЕЙЛЫ, �).Большое значение в нарушении радиационного баланса имеют и неантропогенные изменения: колебания солнечной мощности и вулканическая активность.

К важным механизмам положительной обратной связи относятся:

  • механизм лед-альбедо
  • Содержание водяного пара в нижней тропосфере
  • потепление океана.
Статья в тему:  Искусственный интеллект, когда это произойдет

Механизмы отрицательной обратной связи включают

    • излучение черного тела
    • облачные механизмы

    Облака являются важным фактором климатической системы. Известно, что они отрицательно влияют на температуру поверхности в современной климатической системе. Однако изменение климата может сопровождаться изменениями в облаках, оказывающими как положительное, так и отрицательное влияние на радиационный баланс. В настоящее время неизвестно, будет ли общий эффект этих изменений отрицательной или положительной обратной связью.

    Рисунок 1. Положительная обратная связь повышенного содержания CO2 к более теплым температурам воздуха, к более теплым температурам океана, к уменьшенной способности к CO2 удаление из атмосферы, что еще больше увеличивает CO2 повышение концентрации.

    Положительный отзыв

    Потепление океана представляет собой хороший пример потенциального механизма положительной обратной связи. Океаны являются важным поглотителем CO.2 за счет поглощения газа поверхностью воды. Как CO2 увеличивается, увеличивается потенциал потепления атмосферы. Если температура воздуха теплая, она должна согреть океаны. Способность океана удалять CO2 из атмосферы уменьшается с повышением температуры. Следовательно, увеличение CO2 в атмосфере может иметь последствия, которые усугубляют увеличение CO2 в атмосфере.

    Аналогичные примеры можно привести для более высоких температур воздуха, увеличивающих скорость таяния ледников и морского льда. По мере таяния льда изменяются поверхностные характеристики поверхности, поскольку нижележащий океан или суша будут иметь более низкое альбедо, чем лед, и, следовательно, повышенную способность поглощать солнечное излучение.

    Точно так же повышение температуры позволило бы хранить больше водяного пара в атмосфере.Количество водяного пара, которое может удерживать атмосфера, экспоненциально увеличивается с температурой, поэтому повышение температуры может привести к увеличению содержания водяного пара в атмосфере. Увеличение количества водяного пара, как парникового газа, усиливает парниковый эффект и может привести к дальнейшему потеплению, если эта положительная обратная связь не будет изменена увеличением облачного покрова, что может привести к отрицательной обратной связи (пчелка ниже).

    Фигура 2. Отрицательная обратная связь повышенного CO2 к более высоким температурам воздуха, к большему содержанию водяного пара в атмосфере, к увеличению облачного покрова, который увеличивает альбедо и уменьшает приходящую солнечную радиацию, что приводит к самоограничивающемуся похолоданию.

    Негативный отзыв

    Хорошим примером механизма отрицательной обратной связи может быть, если повышение температуры увеличивает количество облачного покрова. Увеличенная толщина или протяженность облаков может уменьшить поступающую солнечную радиацию и ограничить потепление.

    С другой стороны, не очевидно, что если дополнительная облачность произойдет, на каких широтах и ​​в какое время она может появиться. Также не очевидно, какие типы облаков могут образоваться. Густые низкие облака будут иметь более сильную способность блокировать солнечный свет, чем обширные высокие (перистые) облака.

    Низкие облака, как правило, охлаждают, высокие облака, как правило, согревают. Высокие облака, как правило, имеют более низкое альбедо и отражают меньше солнечного света обратно в космос, чем низкие облака. Облака, как правило, хорошо поглощают инфракрасное излучение, но высокие облака имеют более холодные вершины, чем низкие облака, поэтому они излучают меньше инфракрасного излучения в космос. Еще больше усложняет ситуацию то, что свойства облаков могут меняться с изменением климата, а антропогенные аэрозоли могут искажать эффект воздействия парниковых газов на облака. С фиксированными облаками и морским льдом все модели будут сообщать о чувствительности климата между 2°C и 3°C для CO.2 удвоение. В зависимости от того, изменяется ли облачный покров и каким образом, обратная связь от облаков может уменьшить потепление почти вдвое или почти вдвое.

    [Нажмите, чтобы просмотреть последнее изображение аэрозоля]

    2. Воздействие аэрозолей

    Аэрозоли представляют собой крошечные (от 0,001 до 10 мкм) взвешенные в воздухе частицы.Примерно с 1850 года в тропосфере, нижних слоях нашей атмосферы, примерно на 10–15 км, значительно увеличилось количество антропогенных аэрозолей. Они представляют собой большой источник неопределенности при оценке антропогенного воздействия на климат. «Мелкие» аэрозольные частицы размером примерно от 0,1 до 1 мкм могут влиять на климат двумя способами. Под ясным небом они разбрасывать а также поглощать солнечная радиация; часть рассеянного солнечного света возвращается в космос (прямой эффект). Они также могут действовать как ядра конденсации облаков, они могут повышать отражательную способность и продолжительность жизни облаков (косвенный эффект).

    Двуокись серы при сжигании ископаемого топлива, дающая частицы сульфата после окисления, в настоящее время является крупнейшим источником тонкодисперсных антропогенных аэрозолей. Еще одним крупным источником является органический и элементарный углерод от сжигания тропических лесов и саванн. В глобальном масштабе мелкодисперсные искусственные тропосферные аэрозоли в настоящее время могут компенсировать около 50 % согревающего эффекта антропогенных парниковых газов. Пока, однако, диапазон неопределенности велик, примерно от 10 до 100%. Кроме того, глобальные средние показатели вводят в заблуждение. Даже если глобальные средние значения воздействия аэрозолей и парниковых газов сократятся, их различное распределение может вызвать климатические изменения. При продолжительности жизни более 100 лет антропогенные парниковые газы распределяются довольно равномерно. Большинство тропосферных аэрозолей вымываются примерно через неделю, распределяются неравномерно. Антропогенные сульфатные аэрозоли встречаются в основном с подветренной стороны от северных промышленных районов. Большая часть дыма биомассы поднимается из тропических районов суши в сухой сезон.

    Сокращение выбросов двуокиси серы или сжигание биомассы быстро снижает аэрозольную нагрузку, оставляя более долгоживущие парниковые газы. Между прочим, примерно одна треть тропосферной сульфатной нагрузки имеет естественные прекурсоры, в основном океанический диметилсульфид (ДМС) и вулканический диоксид серы.Сильные извержения вулканов, такие как Пинатубо 1991 г., вызывают образование стратосферных сульфатных аэрозолей, которые, будучи более долгоживущими, чем их тропосферные собратья, имеют тенденцию нагревать стратосферу и охлаждать тропосферу и поверхность на несколько лет.

    «Грубые» аэрозоли с размерами частиц от 1 до 10 микрометров включают минеральную пыль, поднимаемую ветром над сухими почвами. Влияние человека, такое как чрезмерное возделывание и эрозия почвы, могло удвоить поток минеральной пыли. Минеральная пыль наиболее распространена над Северной Африкой, Аравийским морем и Южной Азией. Он рассеивает солнечный свет и поглощает уходящий земной инфракрасный свет. Эти два эффекта, по-видимому, в значительной степени компенсируются в верхних слоях атмосферы, поэтому минеральная пыль, по-видимому, мало влияет на радиационный баланс Земли. Однако он может локально охлаждать поверхность и нагревать атмосферу, что, в свою очередь, может влиять на атмосферную циркуляцию. Более точно определить аэрозольные эффекты будет сложно. Аэрозоли трудно измерить. Размер, форма, состав и региональное распределение частиц различаются. Как и их влияние на климат. Аэрозоли могут вызывать не только локальные, но и отдаленные отклики, поскольку тепло или, скорее, в случае многих аэрозолей прохлада переносится атмосферой и океаном. Оценка воздействия аэрозолей на климат включает моделирование регионального климата и облачности, оба из которых еще не очень надежны.

    3. Биологическая реакция

    Некоторые факты

    За исключением атмосферного CO2, резервуары углерода и естественные потоки трудно измерить. Их оценки несколько различаются в литературе. Углерод входит и выходит из атмосферы в основном в виде CO.2. Другие потоки включают различные соединения углерода. Вышеприведенное непочтительно смешивает наземных животных с почвой и детритом, а также опускает многие другие детали. Например, оба вулканических CO2 и CO2 удаление за счет силикатного выветривания составляет порядка 0,1 ГтУ/год и играет роль только в геологических масштабах времени. Вот что оценивается:

    гигатонна = 10 9 метрических тонн, масса одного кубического километра воды

    соответствует ~ 3,67 Гт CO2

    2,12 Гт C (или ~ 7,8 Гт CO2)

    соответствует 1 ppmv CO2 в атмосфере.
    ppmv = части на миллион по объему

    Запасы углерода

    Углеродные резервуары (GtC)

    Растворенный органический углерод

    СО2 поглощение наземными растениями посредством фотосинтеза примерно уравновешивается дыханием растений и почвы. В зависимости от того, превышает ли фотосинтез дыхание или падает ниже него, конечным результатом является CO.2 просадка или CO2 выпускать. Сегодня фотосинтез, вероятно, немного впереди. В будущем климатические изменения или повышение уровня CO2 уровень может вызвать обратную связь, которая сдерживает или ускоряет рост содержания CO в атмосфере.2. Назвать несколько:

    • СО2 внесение удобрений должно способствовать фотосинтезу и поглощать некоторое количество CO.2, лишь бы дыхание не сбилось.
    • Потепление может стимулировать или замедлять либо фотосинтез, либо дыхание, в зависимости, среди прочего, от влажности почвы.
    • Состав видов в экосистемах, вероятно, изменится, что, в свою очередь, может повлиять на выбросы CO в атмосферу.2. Отмирание растительности может привести к выбросу CO2.

    Общий эффект этих и других отзывов трудно сказать. Модели экосистем предварительно предполагают, что накопление углерода в растительности и почве может в конечном итоге победить. Однако временно углерод может выделяться, особенно если большие и быстрые изменения приведут к отмиранию лесов.

    Что касается океана, то потепление поверхности моря на 1 °C может увеличить содержание CO в атмосфере.2 до 10 ppmv за счет дегазации. Что еще более важно, морская жизнь, несмотря на ее низкую биомассу, ежегодно поглощает и выделяет около 50 Гт углерода. Морское биологическое производство происходит в основном на освещенной солнцем поверхности и, как считается, ограничивается главным образом азотом. Поверхностные запасы питательных веществ пополняются в основном за счет транспорта из более глубоких слоев океана.(В открытом океане железо может быть ограничивающим; оно попадает в океан в основном с переносимой по воздуху пылью и через реки.) Экспорт органического углерода с поверхности в более глубокие слои океана, известный как биологический насос, не зависит или мало зависит от CO.2 доступность, но на нее могут повлиять изменения температуры, облачности, океанских течений, наличия питательных веществ или ультрафиолетового излучения. Эти и другие морские биологические процессы сложны. Исследователи пока не могут сказать, как они будут реагировать на возмущения. Было подсчитано, что без биологического насоса доиндустриальный атмосферный CO2 было бы 450 вместо 280 частей на миллион по объему, в то время как морская жизнь, захватившая все доступные поверхностные питательные вещества, могла бы снизить это значение до 160 частей на миллион по объему. С другой стороны, предварительные результаты показывают, что изменения в биологическом насосе могут влиять на содержание CO в атмосфере.2 только на 10 с, а не на 100 с ppmv.

    Вернувшись на сушу, распространение бореальных лесов в тундру может привести к более теплым зимам. Деревья выступают над заснеженной землей, они меньше отражают солнечный свет обратно в космос, чем заснеженная тундра. Во время и после дегляциации расширение бореальных лесов усилило потепление северных территорий. Обратный процесс, вытеснение бореальных лесов тундрой, вероятно, сыграл роль в наступлении последнего оледенения. Другой пример: рост CO2 имеет тенденцию повышать эффективность использования воды растительностью. Тогда растения могут выделять меньше водяного пара в окружающий воздух. На региональном уровне это может нагревать поверхность и влиять на осадки и влажность почвы.

    Живя в Соединенных Штатах, мы несем ответственность за более чем справедливую долю выбросов парниковых газов. Проверьте свой личный CO2 Расчет, чтобы получить представление о том, как ваши выбросы углерода сравниваются с другими. Реакция человека может быть наименее изученным механизмом обратной связи.С одной стороны, мы можем реагировать, требуя все больше энергии для охлаждения наших домов в теплые дни, плюс экспоненциальный рост населения приведет к еще большему спросу на энергию, даже если потребление стабилизируется. С другой стороны, улучшенное образование, технологии и политическое давление могут, по крайней мере, снизить темпы роста выбросов углерода.

    Широта механизмов обратной связи в климатической системе огромна. На рис. 4 делается попытка сформулировать некоторые механизмы обратной связи без количественной оценки их важности. Суть в том, что наши попытки предсказать климат будущего содержат значительную неопределенность. Тем не менее, следует понимать, что неопределенность может иметь место в любом случае, и наши оценки повышения температуры могут оказаться завышенными. или недооценен.

    Рисунок 4. Концептуальная карта потенциальных механизмов обратной связи в изменении климата. Нажмите на карту, чтобы увеличить ее.

    4. Резюме

    1. Существуют механизмы обратной связи, которые потенциально могут усугубить или смягчить повышение температуры.

    2. Есть ряд причин полагать, что повышение температуры усилит процессы, которые либо увеличивают выбросы CO2 концентрации или поглощения поступающей солнечной радиации.

    3. Многие механизмы обратной связи плохо изучены, поэтому в наших оценках будущего климата существует значительная неопределенность, тем не менее, возможно, мы недооцениваем будущие повышения температуры так же, как и переоцениваем их.

    голоса
    Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x