Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Земля получает в среднем около 340 Вт на квадратный метр входящей солнечной радиации.

Радиационное воздействие - это разница между солнечным излучением (солнечным светом), поглощаемым Землей, и энергией, излучаемой обратно в космос. [1] Это научная основа для парникового эффекта на планетах, и играет важную роль в вычислительных моделях в энергетическом балансе Земли и климата . Изменения радиационного равновесия Земли , вызывающие повышение или понижение температуры в течение десятилетних периодов, называются климатическими воздействиями . [2]

Положительное радиационное воздействие означает, что Земля получает больше поступающей энергии от солнечного света, чем излучает в космос. Этот чистый прирост энергии вызовет потепление. И наоборот, отрицательное радиационное воздействие означает, что Земля теряет в космос больше энергии, чем получает от Солнца, что вызывает охлаждение. Планета, находящаяся в радиационном равновесии со своей родительской звездой и остальным пространством, может характеризоваться нулевым радиационным воздействием и планетарной равновесной температурой . [3]

Радиационное воздействие на Землю осмысленно оценивается в тропопаузе и в верхней части стратосферы . Он измеряется в ваттах на квадратный метр и часто суммируется как среднее значение по всей площади земного шара. Радиационное воздействие зависит от солнечной инсоляции , альбедо поверхности и концентрации в атмосфере радиационно активных газов, обычно известных как парниковые газы, и аэрозолей .

Радиационный баланс [ править ]

Атмосферные газы поглощают энергию только некоторых длин волн, но прозрачны для других. Картины поглощения водяного пара (синие пики) и углекислого газа (розовые пики) перекрываются в некоторых длинах волн. Углекислый газ не является таким сильным парниковым газом, как водяной пар, но он поглощает энергию с длиной волны (12-15 микрометров), которой не обладает водяной пар, частично закрывая «окно», через которое тепло, излучаемое поверхностью, обычно выходит в космос. (Иллюстрация НАСА, Роберт Роде) [4]

Почти вся энергия, влияющая на климат Земли, поступает от Солнца в виде лучистой энергии . Планета и ее атмосфера поглощают и отражают часть энергии, а длинноволновая энергия излучается обратно в космос. Баланс между поглощенной и излучаемой энергией определяет среднюю глобальную температуру. Поскольку атмосфера поглощает часть повторно излучаемой длинноволновой энергии, планета теплее, чем была бы в отсутствие атмосферы : см. Парниковый эффект .

Радиационный баланс изменяется такими факторами, как интенсивность солнечной энергии , отражательная способность облаков или газов, поглощение различными парниковыми газами или поверхностями и тепловыделение различными материалами. Любое такое изменение является радиационным воздействием и меняет баланс. Это происходит постоянно, когда солнечный свет попадает на поверхность, образуются облака и аэрозоли, меняется концентрация атмосферных газов, а время года меняет почвенный покров .

Использование МГЭИК [ править ]

Радиационные воздействия, IPCC 2013.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) AR4 доклад определяет радиационное воздействие как: [5]

"Радиационное воздействие является мерой влияния фактора на изменение баланса входящей и исходящей энергии в системе Земля-атмосфера и является показателем важности этого фактора как потенциального механизма изменения климата. В этом отчете значения радиационного воздействия предназначены для изменений относительно доиндустриальных условий, определенных как 1750, и выражены в ваттах на квадратный метр (Вт / м 2 ) ".

Проще говоря, радиационное воздействие - это «... скорость изменения энергии на единицу площади земного шара, измеренная в верхней части атмосферы». [6] В контексте изменения климата термин «принуждение» ограничивается изменениями в радиационном балансе системы поверхность-тропосфера, вызванными внешними факторами, без изменений в динамике стратосферы, без действующих поверхностных и тропосферных обратных связей ( т. Е. (отсутствие вторичных эффектов, вызванных изменениями в движении тропосферы или ее термодинамического состояния ), а также отсутствие динамически индуцированных изменений количества и распределения атмосферной воды (пара, жидкости и твердые формы).

Примеры расчетов [ править ]

Радиационное воздействие на удвоение CO
2
, как рассчитано с помощью кода переноса излучения Modtran. Красные линии - это кривые Планка .
Радиационное воздействие на увеличение CH в восемь раз
4
, как рассчитано с помощью кода переноса излучения Modtran.

Солнечное воздействие [ править ]

Радиационное воздействие (измеряемое в ваттах на квадратный метр) можно оценить по-разному для разных компонентов. Для солнечного излучения (т.е. «солнечного воздействия») радиационное воздействие - это просто изменение среднего количества солнечной энергии, поглощаемой на квадратный метр площади Земли. Если представить Землю в виде сферы , то площадь поперечного сечения Земли, подверженная воздействию Солнца ( ), равна 1/4 площади поверхности Земли ( ), поступление солнечной энергии на единицу площади составляет одну четверть изменения солнечной интенсивности. Поскольку часть излучения отражается, это необходимо умножить на долю падающего солнечного света, который поглощается , где R - коэффициент отражения ( альбедо ) Земли - примерно 0,3, поэтому Fпримерно равно 0,7. Таким образом, солнечное воздействие - это изменение солнечной интенсивности, деленное на 4 и умноженное на 0,7.

Точно так же изменение альбедо вызовет солнечное воздействие, равное изменению альбедо, деленному на 4, умноженному на солнечную постоянную .

Форсирование из-за атмосферного газа [ править ]

Для парникового газа, такого как углекислый газ , коды переноса излучения, которые исследуют каждую спектральную линию на предмет атмосферных условий, могут использоваться для расчета изменения ΔF как функции изменения концентрации. Эти вычисления можно упростить до алгебраической формулировки, специфичной для этого газа.

Например, предлагаемое упрощенное выражение первого приближения для диоксида углерода будет следующим:

где C - CO
2
концентрация в частях на миллион по объему, а C 0 - эталонная концентрация. [7] Соотношение между диоксидом углерода и радиационное воздействие является логарифмической , [8] в концентрации до примерно в восемь раз текущее значение, и , следовательно , увеличение концентрации имеют прогрессивно меньший согревающий эффект. Некоторые утверждают, что при более высоких концентрациях, однако, он становится супралогарифмическим, так что нет насыщения при поглощении инфракрасного излучения CO.
2
. [9]

Другая формула может применяться для других парниковых газов, таких как метан и N.2O (зависимость квадратного корня) или CFC (линейная), с коэффициентами, которые можно найти, например, вотчетах IPCC . [10] В то время как недавно проведенное исследование [11] предполагает существенный пересмотр формулы МГЭИК для метана.

Последние тенденции [ править ]

Радиационное воздействие может быть полезным способом оценки множественных возмущений климатической системы с течением времени. Таблица и рисунки ниже (полученные исследователями из NOAA на основе моделей переноса атмосферного излучения) показывают изменения с 1979 года в радиационном воздействии долгоживущих и хорошо перемешанных парниковых газов, которые быстро увеличивались в атмосфере Земли после промышленной революции. [12] В таблицу включены прямые вынуждающие вклады двуокиси углерода ( CO
2
), метан ( CH
4
), закись азота ( N
2
О
); хлорфторуглероды (CFC) 12 и 11 ; и пятнадцать других галогенизированных газов. [13] Эти данные не включают значительный вклад воздействия от короткоживущих и плохо перемешанных газов или аэрозолей; включая те косвенные воздействия от распада метана и некоторых галогенов. Они также не учитывают изменения земной активности или солнечной активности.

Вклад двуокиси углерода в радиационное воздействие с 1979 года. Изменение в процентах по сравнению с 1990 годом показано на правой оси. [15]
Рост промышленной эры концентрации газа в эквиваленте CO2 и AGGI с 1750 года. [16]

Эти данные показывают, что CO
2
доминирует в общем воздействии, при этом метан и хлорфторуглероды (ХФУ) со временем становятся относительно меньшими составляющими общего воздействия. [12] На пять основных парниковых газов приходится около 96% прямого радиационного воздействия за счет увеличения долгоживущих парниковых газов с 1750 года. Остальные 4% составляют 15 второстепенных галогенированных газов.

Можно заметить, что общее воздействие за 2016 год, равное 3,027 Вт м -2 , вместе с общепринятым значением параметра чувствительности климата λ, 0,8 К / (Вт м -2 ), приводит к повышению глобальной температуры на 2,4 К. , намного больше, чем наблюдаемое повышение, примерно на 1,2 К. [17] Часть этой разницы связана с запаздыванием глобальной температуры, достигающей установившегося состояния с помощью воздействия. Остальная разница обусловлена ​​отрицательным аэрозольным воздействием [18] [ круговая ссылка ] , чувствительностью климата ниже общепринятого значения или некоторой их комбинацией. [19]

В таблицу также включен «Годовой индекс парниковых газов» (AGGI), который определяется как отношение общего прямого радиационного воздействия за счет долгоживущих парниковых газов за любой год, для которого существуют адекватные глобальные измерения, к тому, что было в 1990 году. . [12] 1990 был выбран потому , что он является базовым годом для Киотского протокола . Этот индекс является мерой межгодовых изменений условий, которые влияют на выбросы и поглощение диоксида углерода, источники и поглотители метана и закиси азота, снижение содержания в атмосфере озоноразрушающих химикатов, связанных с Монреальским протоколом . и рост их заменителей (гидрогенизированные ХФУ (ГХФУ) и гидрофторуглероды (ГФУ). Большая часть этого увеличения связана сCO
2
. В 2013 году AGGI составил 1,34 (что представляет собой увеличение общего прямого радиационного воздействия на 34% с 1990 года). Увеличение CO
2
только принуждение с 1990 года составляло около 46%. Снижение содержания ХФУ значительно замедлило рост чистого радиационного воздействия.

Альтернативная таблица, подготовленная для использования во взаимных сравнениях климатических моделей, проводимых под эгидой МГЭИК и включающая все воздействия, а не только выбросы парниковых газов, доступна по адресу http://www.climatechange2013.org/images/report/WG1AR5_AIISM_Datafiles.xlsx [20 ]

Климатическая чувствительность [ править ]

Радиационное воздействие можно использовать для оценки последующего изменения установившейся (часто называемой «равновесной») температуры поверхности (Δ T s ), возникающего в результате этого воздействия, с помощью уравнения:

где λ обычно обозначает параметр чувствительности климата, обычно в единицах K / (Вт / м 2 ), а Δ F - радиационное воздействие в Вт / м 2 . [21] Типичное значение λ, 0,8 K / (Вт / м 2 ), дает увеличение глобальной температуры примерно на 1,6 K по сравнению с эталонной температурой 1750 г. из-за увеличения содержания CO.
2
за это время (от 278 до 405 частей на миллион, для воздействия 2,0 Вт / м 2 ) и прогнозирует дальнейшее потепление на 1,4 K выше нынешних температур, если CO
2
соотношение смеси в атмосфере должно было удвоиться по сравнению с доиндустриальным значением; оба этих расчета не предполагают никаких других воздействий. [22]

Исторически сложилось так, что радиационное воздействие демонстрирует наилучшую предсказательную способность для определенных типов воздействия, таких как парниковые газы. [23] Он менее эффективен для других антропогенных воздействий, таких как сажа . Новая структура, называемая « эффективное радиационное воздействие » или ERF, устраняет эффект быстрых изменений в атмосфере, которые не связаны с долгосрочными откликами температуры поверхности. [23] ERF означает, что различные факторы, приводящие к изменению климата, могут быть помещены в равные условия для сравнения их воздействия и более последовательного представления о том, как глобальная температура поверхности реагирует на различные типы воздействия человека. [23]

Связанные показатели [ править ]

Другие показатели могут быть построены для той же цели, что и радиационное воздействие. Например, Shine et al. [24] говорят: «... недавние эксперименты показывают, что для изменений в поглощающих аэрозолях и озоне предсказательная способность радиационного воздействия намного хуже ... мы предлагаем альтернативу,« скорректированное воздействие тропосферы и стратосферы ». Мы представляем расчеты GCM демонстрируя, что это значительно более надежный предсказатель изменения температуры поверхности этого GCM, чем радиационное воздействие. Это кандидат на добавление радиационного воздействия в качестве показателя для сравнения различных механизмов ... ». В этой цитате GCM означает « модель глобальной циркуляции.", а слово" прогнозирующий "не относится к способности МОЦ прогнозировать изменение климата. Вместо этого оно относится к способности альтернативного инструмента, предложенного авторами, помочь объяснить реакцию системы.

Таким образом, концепция радиационного воздействия развивалась от первоначального предложения, называемого в настоящее время мгновенным радиационным воздействием (IRF), до других предложений, которые направлены на то, чтобы лучше связать радиационный дисбаланс с глобальным потеплением (средняя глобальная температура поверхности). В этом смысле скорректированное радиационное воздействие в своих различных методологиях расчета оценивает дисбаланс после того, как температура стратосферы была изменена для достижения радиационного равновесия в стратосфере (в смысле нулевых скоростей радиационного нагрева). Эта новая методология не оценивает какие-либо корректировки или обратную связь, которые могут возникнуть в тропосфере (в дополнение к корректировкам температуры стратосферы), для этой цели другое определение, названноевведено эффективное радиационное воздействие . [25] В целом ERF является рекомендацией анализа радиационного воздействия CMIP6 [26], хотя методологии с поправкой на стратосферу все еще применяются в тех случаях, когда корректировки и обратная связь по тропосфере считаются не критическими, как в хорошо перемешанной теплице. газы и озон. [27] [28] Методология, названная подходом с радиационным ядром, позволяет оценить климатические обратные связи в автономных расчетах на основе линейного приближения [29]

См. Также [ править ]

  • Чувствительность климата
  • Антропогенная жара
  • Стандарт выбросов
  • Потенциал глобального потепления

Ссылки [ править ]

  1. ^ Шинделл, Дрю (2013). «Радиационное воздействие в AR5» (PDF) . Проверено 15 сентября 2016 года .
  2. Ребекка, Линдси (14 января 2009 г.). «Климат и энергетический бюджет Земли: тематические статьи» . earthobservatory.nasa.gov . Проверено 3 апреля 2018 .
  3. ^ Лиссауэр, Джек Джонатан. (2013-09-16). Фундаментальная планетология: физика, химия, обитаемость . Де Патер, Имке, 1952-. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США. п. 90. ISBN 9780521853309. OCLC  808009225 .
  4. ^ «НАСА: климатические воздействия и глобальное потепление» . 14 января 2009 г.
  5. ^ «Изменение климата 2007: Обобщающий отчет» (PDF) . ipcc.ch . Проверено 3 апреля 2018 .
  6. ^ Рокстрём, Йохан ; Штеффен, Уилл; Нет, Кевин; Перссон, Аса; Чапин, Ф. Стюарт; Ламбин, Эрик Ф .; Лентон, Тимоти Ф .; Scheffer, M; и другие. (23 сентября 2009 г.). «Безопасное рабочее пространство для человечества». Природа . 461 (7263): 472–475. Bibcode : 2009Natur.461..472R . DOI : 10.1038 / 461472a . PMID 19779433 . 
  7. ^ Myhre, G .; Highwood, EJ; Блеск, КП; Стордал, Ф. (1998). «Новые оценки радиационного воздействия из-за хорошо перемешанных парниковых газов» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 25 (14): 2715–8. Bibcode : 1998GeoRL..25.2715M . DOI : 10.1029 / 98GL01908 .
  8. ^ Хуанг, Йи; Бани Шахабади, Мазиар (28 ноября 2014 г.). "Почему логарифмический?" . J. Geophys. Res. Атмосфера . 119 (24): 13, 683–89. Bibcode : 2014JGRD..11913683H . DOI : 10.1002 / 2014JD022466 .
  9. ^ Чжун, Веньи; Хей, Джоанна Д. (27 марта 2013 г.). «Парниковый эффект и углекислый газ». Погода . 68 (4): 100–5. Bibcode : 2013Wthr ... 68..100Z . DOI : 10.1002 / wea.2072 . ISSN 1477-8696 . 
  10. ^ IPCC WG-1 Дата архивации 13 декабря 2007 в Вайбак Machine докладе
  11. ^ Etminan, M .; Myhre, G .; Highwood, EJ; Сияй, КП (27.12.2016). «Радиационное воздействие двуокиси углерода, метана и закиси азота: значительный пересмотр радиационного воздействия метана» . Письма о геофизических исследованиях . 43 (24): 12, 614–12, 623. Bibcode : 2016GeoRL..4312614E . DOI : 10.1002 / 2016gl071930 . ISSN 0094-8276 . 
  12. ^ a b c d  Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием  из  документа NOAAButler, JH and SA Montzka (1 августа 2013 г.). «ГОДОВОЙ ИНДЕКС ПАРНИКОВОГО ГАЗА NOAA (AGGI)» . Отдел глобального мониторинга NOAA / ESRL. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  13. ^ CFC-113 , тетрахлорметан ( CCl
    4
    ), 1,1,1-трихлорэтан ( CH
    3
    CCl
    3
    ); гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) 22 , 141b и 142b ; гидрофторуглероды (HFC) 134a , 152a , 23 , 143a и 125 ; гексафторид серы ( SF
    6
    ) и галоны 1211 , 1301 и 2402 )
  14. ^ «Годовой индекс парниковых газов NOAA - Рисунок 4» . NOAA. 2020.
  15. ^ «Годовой индекс парниковых газов NOAA - Рисунок 3» . NOAA. 2020.
  16. ^ «Годовой индекс парниковых газов NOAA - Рисунок 5» . NOAA. 2020.
  17. ^ Хансен, JE; и другие. "Анализ температуры поверхности GISS: графики и графики анализа" . Институт космических исследований имени Годдарда Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства.
  18. ^ Твердые частицы # Климатические эффекты
  19. ^ Шварц, Стивен Э .; Чарлсон, Роберт Дж .; Kahn, Ralph A .; Огрен, Джон А .; Родх, Хеннинг (2010). «Почему Земля не нагрелась так, как ожидалось?» (PDF) . Журнал климата (опубликовано 15 мая 2010 г.). 23 (10): 2453–64. Bibcode : 2010JCli ... 23.2453S . DOI : 10.1175 / 2009JCLI3461.1 .
  20. Перейти IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Stocker, TF, D. Qin, G.-K. Платтнер, М. Тиньор, С. К. Аллен, Дж. Бошунг, А. Науэльс, Ю. Ся, В. Бекс и П. М. Мидгли (ред.)]. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 1535 стр., 31 января 2014 г.,
  21. ^ "Третий оценочный доклад МГЭИК - Изменение климата 2001" . Архивировано из оригинала на 30 июня 2009 года.
  22. ^ «Изменения атмосферы» . Архивировано из оригинального 10 мая 2009 года.
  23. ^ a b c Nauels, A .; Rosen, D .; Mauritsen, T .; Maycock, A .; McKenna, C .; Rogelj, J .; Schleussner, C.-F .; Smith, E .; Смит, К. (02.12.2019). «НУЛЕВЫЙ УРОВЕНЬ оставшегося углеродного бюджета и темпов потепления за десятилетия. Годовой отчет проекта CONSTRAIN 2019» . constrain-eu.org . DOI : 10.5518 / 100/20 . Проверено 20 января 2020 .
  24. ^ Шайн, Кейт П .; Повар, Джолин; Хайвуд, Элеонора Дж .; Джоши, Манодж М. (23 октября 2003 г.). «Альтернатива радиационному воздействию для оценки относительной важности механизмов изменения климата» . Письма о геофизических исследованиях . 30 (20): 2047. Bibcode : 2003GeoRL..30.2047S . DOI : 10.1029 / 2003GL018141 .
  25. ^ Шервуд, Стивен С .; Бони, Сандрин; Буше, Оливье; Бретертон, Крис; Forster, Piers M .; Грегори, Джонатан М .; Стивенс, Бьорн (01.02.2015). «Корректировки в системе принудительной обратной связи для понимания изменения климата» (PDF) . Бюллетень Американского метеорологического общества . 96 (2): 217–228. Bibcode : 2015BAMS ... 96..217S . DOI : 10,1175 / BAMS-d-13-00167.1 . ISSN 0003-0007 .  
  26. ^ Форстер, Пирс М .; Ричардсон, Томас; Maycock, Amanda C .; Смит, Кристофер Дж .; Samset, Bjorn H .; Майре, Гуннар; Эндрюс, Тимоти; Пинкус, Роберт; Шульц, Майкл (2016-10-27). «Рекомендации по диагностике эффективного радиационного воздействия на основе климатических моделей для CMIP6» (PDF) . Журнал геофизических исследований: атмосферы . 121 (20): 12, 460–12, 475. Bibcode : 2016JGRD..12112460F . DOI : 10.1002 / 2016jd025320 . ISSN 2169-897X .  
  27. ^ Стивенсон, DS; Янг, ПиДжей; Naik, V .; Lamarque, J.-F .; Shindell, DT; Вулгаракис, А .; Скей, РБ; Далсорен, SB; Майре, Г. (15 марта 2013 г.). «Изменения тропосферного озона, радиационное воздействие и объяснение выбросов в рамках Проекта взаимного сравнения химии атмосферы и климатических моделей (ACCMIP)» (PDF) . Химия и физика атмосферы . 13 (6): 3063–3085. Bibcode : 2013ACP .... 13.3063S . DOI : 10,5194 / ACP-13-3063-2013 . ISSN 1680-7316 .  
  28. ^ Чека-Гарсия, Рамиро; Hegglin, Michaela I .; Киннисон, Дуглас; Пламмер, Дэвид А .; Шайн, Кейт П. (2018-04-06). "Историческое радиационное воздействие тропосферы и стратосферы озона с использованием базы данных CMIP6" (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 45 (7): 3264–3273. Bibcode : 2018GeoRL..45.3264C . DOI : 10.1002 / 2017gl076770 . ISSN 0094-8276 .  
  29. ^ Соден, Брайан Дж .; Held, Isaac M .; Колман, Роберт; Шелл, Карен М .; Kiehl, Джеффри Т .; Шилдс, Кристин А. (1 июля 2008 г.). «Количественная оценка климатических обратных связей с использованием радиационных ядер». Журнал климата . 21 (14): 3504–3520. Bibcode : 2008JCli ... 21.3504S . CiteSeerX 10.1.1.141.653 . DOI : 10.1175 / 2007jcli2110.1 . ISSN 0894-8755 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Глоссарий МГЭИК
  • CO2: Термостат , который Регулирование температуры Земли от НАСА «s Годдард Институт космических исследований , октябрь, 2010, Принуждение vs. Отзывы
  • Межправительственная группа экспертов по изменению климата «с Четвертого доклада об оценке (2007), Глава 2, „Изменения в атмосферных составляющих и радиационное воздействие,“ стр. 133-134 (PDF, 8,6 Мб, 106 стр.).
  • Агентство по охране окружающей среды США (2009 г.), Изменение климата - наука . Разъяснение тем, связанных с изменением климата, включая радиационное воздействие.
  • Национальный исследовательский совет США (2005 г.), Радиационное воздействие изменения климата: расширение концепции и устранение неопределенностей , Совет по атмосферным наукам и климату
  • Небольшие вулканы способствуют более прохладному климату; Переносимые по воздуху частицы помогают объяснить, почему в последнее десятилетие температура росла меньше 13 августа 2011 г .; Выпуск 180 # 4 (стр. 5) Новости науки
  • НАСА: Энергетический бюджет атмосферы
  • Энергетический баланс: простейшая модель климата
  • Изучите климатические прогнозы Манна от журнала Scientific American