Povratne zanke v meteorologiji - Vincenc Petruna Blog

Prevedel (in delno priredil) sem del intevjuja med matematičnim fizikom Johnom Baezom in klimatologom M. Urbanom:

V meteorologiji nekateri fizikalni mehanizmi omogočajo, da se pri temperaturi ozračja vzpostavi povratna zanka, ki je lahko pozitivna ali negativna. Pozitivna povratna zanka predstavlja labilno ravnotežje in vodi k nenehnemu večanju količine, negativna pa stabilno ravnovesje in količino uravnoveša. Povratne zanke označujemo z $\lambda$ , enota je enaka $W/m^2/K$ , podobno kot pri toplotni prevodnosti.

Pojavi, ki imajo učinek v pozitivni povratni zanki, so predvsem:

Izhlapevanje vode. Pri višji temperaturi se v ozračju ustvarja več pare. A para je toplogredni plin, torej se ozračje še bolj greje. Velikost te povratne zanke je največja, ocenjena na 1,48 – 2,14 W/m²/K.
Odboj svetlobe na ledu. Sneg in led odbijata več svetlobe kot kopno in oceani. S segrevanjem se led tali, Zemlja postaja temnejša, absorbira več svetlobe in zato postaja toplejša. Če pa se Zemlja ohladi, postane svetlejša, zato absorbira manj svetlobe. Ocenjena velikost je 0,07 – 0,34 W/m²/K.
Topnost ogljikovega dioksida v oceanih. Hladna voda lahko vsebuje več ogljikovega dioksida kot topla. (spomnite se burne reakcije, če odprete gazirano kislo vodo. Ogljikov dioksid, ki je razopljen v oceanih, se ob večanju temperature sprošča. Ker pa je to toplogredni plin, povzroča dodatno segrevanje. Ob manjšanju temperature se ta proces obrne.

Seveda obstajajo tudi pojavi z negativno povratno zanko, sicer bi klima že zdavnaj podivjala. Sem štejemo predvsem:

Sevanje Zemlje. Segreta telesa sevajo energijo v prostor po zakonnu, ki ga je odkril naš rojak Jožef Stefan in ki pravi
$P=a\sigma ST^4$

Pri tem je $P$ energijski tok, ki ga seva telo, merjen v watih, $T$ absolotna temperatura telesa, $\sigma$ Stefanova konstanta in $a$ odbojnost površine telesa. Toplejše telo seva več toplote, zato se ohladi. Ta velika negativna povratna zanka drži prejšnje pozitivne v ravnovesju, zato Zemlja ne postane neznosno vroča ne neznosno mrzla. Njena vrednost je λ₀ = -3.2 W/m²/K.
Oblačnost. Toplejša Zemlja ima več oblakov, ki odbijajo več sončne svetlobe, obenem pa tudi povečujejo efekt tople grede. Učinek te povratne zanke je težko oceniti. NIzki oblaki so debeli in topli, imajo veliko odbojnost in šibek efekt tople grede, povzročajo ohladitev. Visoki oblaki pa so tenki in hladni, imajo šibko odbojnost in močan efekt tople grede, povzročajo segrevanje. Tako je povratna zanka oblakov lahko pozitivna ali negativna. Velikost te zanke je ocenjena na 0.18 to 1.18 W/m²/K.
Gradientni učinek . Večji efekt tople grede spremeni vertikalni temperaturni profil, kar vpliva na sam efekt, a različno na polih kot na ekvatorju. Povratno zanko tega učinka ocenjujejo na -0.41 to -1.27 W/m²/K, a ker nastopa v skupaj z izhlapevanjem, običajno govorimo o skupnem učinku 0.81 to 1.20 W/m²/K.

Predvidevajo, da povzroči podvojitev $CO_2$ v zraku povečanje energijskega toka \ (j=4±0.3 W/m^{^}2. \). Povečanje temperature računajo po obrazcu

$\Delta T = -\frac{j}{\lambda_o+\lambda},$

pri čemer je λ₀ velikost Planckove povratne zanke, λ pa vsota velikosti vseh ostalih zank. Če vzamemo za hip $\lambda=0,$ dobimo za povečanje temperature zaradi podvojitve ogljikovegega dioksida vrednost

$\Delta T =-\frac{(4±0.3)W/m^2}{-3.2 W/m^2/K}=(1,25\pm 0,10)^oC.$

Tolikšno bi bilo torej povečanje zaradi podvojitve $CO_2$ , ne da bi upoštevali ostale faktorje.

Če vključimo izhlapevanje vode 1.48-2.14 W/m²/K, pa dobimo

$\Delta T =-\frac{(4,0\pm0,3)W/m^2}{(-1.39\pm 0,33) W/m^2/K}=\frac{4,0(1\pm7,5\%)K}{1.39(1\pm 23,7\%)}= 2,9(1\pm 31,2\%)K= (2,9\pm0,9)K.$

Povečanje temperature znaša torej med = $2,0^oC$ in $3,8^oC.$ To je v primeri s prejšnjim rezultatom veliko povečanje.

Če upoštevamo še kombinacijo vodna para-gradientni učinek, pridemo še vedno do povečanja 1.8 to 2.2 °C, kar je skoraj podvojitev samega ogrevanja zaradi CO₂ .