天气和气候工程raybet雷竞技最新

威廉·r·棉花

科罗拉多州立大学、大气科学、柯林斯堡有限公司美国

文摘

在这一章我将介绍的概念和现状的概述天气和气候的科学工程。raybet雷竞技最新我首先讨论播云的概念通过glaciogenic和吸湿播种。我回顾这些概念的研究现状增加降水,减少雹灾,减少飓风强度。之后我现在气候工程概念的概述来对抗温室效应。raybet雷竞技最新这些包括播种在平流层sulfate-producing气体和气溶胶、和碳质气溶胶。我也考虑海洋的吸湿播种层积云边界层云来增强他们的反照率,导致冷却效果。还考虑播种中层层云以增强他们的白天反照率和增加即将离任的长波辐射在晚上的时间。卷云目前气候变化的主要障碍由于其广泛的全球覆盖和修改他们倾向raybet雷竞技最新于温暖的表面,从而加剧温室效应。推测播种的碳质气溶胶通过半直接效应给出了清晰的卷云。多数提议的概念需要大量的研究来量化他们的影响和潜在的不良后果。

我包括一长串的理由为什么我们不应该应用气候工程。raybet雷竞技最新尽管有这些,我预测,如果我们发现自己在一个真正的气候危机,政客们将会呼吁气候工程措施,以改变不良气候趋势。raybet雷竞技最新如果应该这样,让我们确保我们这样做最先进水平的气候系统的知识和我们行为的后果。raybet雷竞技最新

介绍

我一直负责的工作提供一个意见书在人工影响天气和地球工程。我本文题为“天气和气候工程”,在这一过程中,丢弃了通常使用术语“人工影响天气raybet雷竞技最新”,让它更好的气候工程有关。此外,我

选择了“气候工程”这个词我将重点放在假设工程raybet雷竞技最新的变化地球的反照率或长波辐射而不是讨论政策减少碳排放,碳封存,等等。起初我想状态,这写的是一个科学家,他自然是怀疑的许多主张人类如何影响天气和气候。raybet雷竞技最新这种哲学我将称之为“健康的怀疑论”源于我的研究生训练在人工影响天气的研究中,在那里有许多在修改天气的巨大成功。经过五十多年的研究,仍然没有强大的物理和统计证据,这些早期的声明是意识到。

我带着怀疑的区域气候变化,似乎有一种共识科学界(2007年联合国政府间气候变化专门委员会),人类raybet雷竞技最新生产的二氧化碳是导致全球变暖的趋势。我不否认证据是很强的,我们是在一段时间的全球气候变暖,大气的二氧化碳增加将有助于气候变暖。raybet雷竞技最新然而,我仍然怀疑当前全球变暖趋势都只是归因于人类的原因和其他原因自然气候变化raybet雷竞技最新不是主要因素。这个角度看天气调整和气候变化讨论了棉花和皮尔克(2007)。raybet雷竞技最新

因此,这种哲学观点,我涉足的领域天气和气候工程。raybet雷竞技最新我这样做,尽管我相信我们不应该进一步“清理”我们的环境但也认识到我们可能在将来的某个时候必须诉诸修改为了提供天气和气候raybet雷竞技最新充足的水资源和气候能维持人类在这个星球上raybet雷竞技最新的人口。

天气工程

在过去的五十年,天气工程或人工影响天气主要集中在云种散播。有一些假设高级修改天气或区域气候,不涉及云种散播:尖刺外壳(1984)推测,树木和农作物可以种植在中尺度补丁提供最佳区域天气发行量和强迫对流降水raybet雷竞技最新;黑色和Tarmy(1963)建议使用浪费沥青条low-albedo表面加强中尺度发行量和降雨量。总的来说,然而,大多数活动天气工程与云种散播有关。

在这段时间里,故意云种散播一直追求,目标是增加降水通过注入特定类型的粒子在云。努力理解过程导致一个重要的知识关于云层和播种气溶胶的影响。许多项目关注的统计评价播种效果是否可以区分存在相当大的“自然的变化”。

在这一章,我简述云种散播的基本概念。这不是我的意图提供一个完整的评估云的催化研究的现状。为此,我直接读者更全面的人工影响天气评估NRC(2003),棉花和皮尔克(2007),西尔弗曼(2001、2003),Garstang et al。(2005),莱文和棉花(2008)。

深思熟虑的播云试验可分为两大类:glaciogenic和吸湿播种。Glaciogenic播种时ice-producing材料(例如,干冰或固体二氧化碳,碘化银,液态丙烷)注入是通过冰粒子刺激过冷云降水机制。glaciogenic播种的基础假设是,普遍缺乏的自然冰核,因此冰粒子云产生的降水不足一样有效地将没有播种。

吸湿播种,相比之下,通常被使用在过去加强雨温暖的云(吸湿播种早期研究的回顾,看到棉花1982)。最近,然而,它已被应用于混合相位的云。吸湿播种的目标是增加收集器的浓度下降,能有效生长成雨滴通过收集小液滴和提高冻结的雨滴和霰粒子的形成。这是通过注入到一个云(通常在云基地)大型或巨型吸湿颗粒(如盐粉末),可以通过水汽凝结快速增长产生收集器滴。

Glaciogenic云种散播

Glaciogenic播云可以分为静态云计算和动态云种散播。静态云种散播指的是使用glaciogenic材料修改过冷的微观结构云和降水。许多数百个这样的实验已经进行了过去五十年。一些已经运营云的催化实验(其中许多仍在世界各地进行),很少提供足够的信息来形成一个决定是否修改云或沉淀。其他人已经精心设计的科学实验,取得了广泛的测量和建模的研究,允许评估云结构和人工播种是否修改,如果播种随机、播种对降水的影响。尽管仍有一些争论什么是公司“证据””(见2003年NRC;Garstang et al . 2005年)播种影响降水、一般要求两个强大的实物证据的适当修改云结构和非常重要的统计证据。

Glaciogenic积云的播种

静态播种概念已经应用于过冷积云在不同的地区和测试。两个具有里程碑意义的实验(以色列我和以色列II),在以色列,进行同行评议的文献中均有描述。这些实验是由耶路撒冷希伯来大学的研究人员,以后实验者。这两个实验的基础一般认为在合适的条件下,播云降水增加(例如,NRC 1973;Sax et al . 1975;图基et al . 1978 a, b;辛普森1979;丹尼斯1980;梅森1980,1982;克尔1982; Silverman 1986; Braham 1986; Cotton 1986a, b; Cotton and Pielke 1992; 2007; Young 1993).

尽管如此,这些实验的再分析Rangno霍布斯(1993)表明,seeding-caused增加降雨的出现在以色列我的实验是由于“幸运了”我统计错误或类型。此外,他们认为,在以色列第二自然地区暴雨包括朝鲜目标区域的外观给播种导致降雨量增加北目标区域。同时,较低的自然降雨在该地区包括韩国目标区域的外观给播种目标区域的降雨量减少。这个猜测,然而,无法解释北目标区域评估时的积极影响对朝鲜的控制区域。这个争议的细节,可以发现在1997年3月出版的《应用气象学(罗森菲尔德1997;Rangno和霍布斯1997年;丹尼斯和奥维尔1997;Rangno和霍布斯1997 b;伍德利1997;Rangno和霍布斯1997 c; Ben-Zvi 1997; Rangno and Hobbs 1997d). Some of these responses clarifi ed issues; others left many questions unanswered.

另一个值得注意的实验进行了美国(的高地平原高地平原实验或HIPLEX-1;史密斯et al . 1984年)。HIPLEX-1分析揭示了重要的结果,5分钟后,没有统计上的显著差异之间的降水播种和non-seeded云(Mielke et al . 1984年)。库珀和劳森(1984)发现,虽然高冰晶浓度被播种在云,云滴地区,形成的晶体,蒸发过快的初期人工冰晶的生长产生明显的大小。相反,他们形成低密度,unrimed聚集的水相当于只有细雨滴,这太小了到达地面之前蒸发。Schemenauer和Tsonis(1985)肯定了库珀的发现和劳森HIPLEX数据的再分析,强调自己的发现(艾萨克et al . 1982年),初云寿命太短HIPLEX域中的播种是有效的针对云播种(即。,那些温暖的超过-12°C)。尽管实验没能证明统计所有假设步骤,问题可以追溯到物理短寿命的云(库珀和劳森1984;Schemenauer和Tsonis 1985)。

Glaciogenic播种冬季地形云

云种散播的静态模式也被应用于地形云。人工增雨地形云的云种散播在积云有几个优点。云是持久的特性,产生沉淀即使没有大规模气象干扰。降水的空间局限于高山区,因此更容易建立密集地面播种和观测网络。此外,地形云的“自然的变化”小于积云,从而使其更容易确定一个“因果关系”。

具有里程碑意义的随机云种散播实验在高潮,弗里蒙特附近通过,科罗拉多(称为高潮我和高潮II),格兰特和Mielke报道,建议增加50%的降水和更有利的时候(例如,格兰特和Mielke 1967;Mielke et al . 1970, 1971)。这些结果被广泛视为展示云种散播的效果(例如,NRC 1973;Sax et al . 1975;图基et al . 1978 a, b),即使是那些最怀疑云种散播声称(例如,梅森1980,1982)。

尽管如此,霍布斯和Rangno (1979;Rangno和霍布斯1987年,1993年)质疑的随机化技术和质量数据收集在这实验,得出结论,高潮II实验未能确认可以增加降水云种散播在科罗拉多落基山脉。即便如此,在他们的再分析,Rangno和霍布斯(1993)表明,降水量增加了约10%,高潮I和II实验。

另外两个随机地形云的播种试验,湖水Almanor实验(穆尼和Lunn 1969)和布里杰范围实验(BRE)据超级和Heimbach(1983)和超(1986),建议积极的结果。这些特定的实验,然而,使用高海拔AgI发电机,它增加了机会,播洒羽流进入云过冷。此外,两个实验提供了物理测量,支持统计结果(超级Heimbach 1983, 1988)。

最后,瑞恩和王(1997)回顾了超过14播云试验覆盖东南,西部,澳大利亚中部以及塔斯马尼亚岛。他们得出的结论是,静态播种在澳大利亚的平原并不是有效的。他们认为地形层状云,有强大的统计证据表明,播云降雨增加,或许高达30%在塔斯马尼亚州,当云顶温度-10°和-12°C之间的西南气流。云种散播的证据也有类似的影响在地形云大陆东南部澳大利亚弱得多。注意,塔斯马尼亚实验都强大的统计和物理测量组件,从而满足或至少接近会议NRC(2003)标准科学的“证据”。Benefit/cost analysis of the Tasmanian experiments suggests that seeding has a gain of about 13/1. This is viewed as a real gain to hydrologic energy production.

总之,云种散播的“静态”模式已被证明导致预期的改变云的微观结构,包括增加浓度的冰晶,过冷液体水分的减少,更快速的生产在积云降水元素(艾萨克et al . 1982;库珀和劳森1984)和地形云(雷诺兹1988;超级和央行1988;超级et al . 1988;超级和Heimbach 1988;雷诺兹和丹尼斯·1986)。增加地面降水的文档由于堆积的静态播种,然而,一直与以色列更难以捉摸的实验(Gagin和诺依曼1981年),提供最有力的证据,静态cold-based播种,大陆堆积会导致地面降水的显著增加。证据表明地形云可能会导致显著的积雪更引人注目,尤其是在更多的大陆和cold-based地形云(Mielke et al . 1981;超级和Heimbach 1988)。

最具挑战性的障碍评估人工降雨实验提高降水可能是固有的降水在时间和空间上的“自然的变化”,以及无法增加降水比~ 10%。后者把伟大的要求测量精度和实验的持续时间。更强的事实证据表明glaciogenic播种在地形云比积云降水增加可能是由于其较低的“自然的变化”。This is also consistent with the findings of Levin and Cotton (2008), who show that the strongest evidence that aerosol pollution reduces precipitation is from orographic clouds. Again, the fact that orographic clouds exhibit a lower level of "natural variability" may be a major contributing factor.

动态Glaciogenic播种

到目前为止我们只考虑静态播种,主要的推力是修改云一般的微观结构提高降水的目的。然而,另一个glaciogenic播种的假说云级别的动态的云是增强通过刺激浮力和空气向上运动。这被称为动态云种散播。原则上,这可以通过使冰冻对流云团这样大量的潜热释放冻结的丰富的液态水的振兴在云中上升气流。这可以特别有效,如果在播种之前,顶部的云是由浅层稳定层产生的限制逆温层。在这种情况下,突然释放大量的潜热可能提供足够的浮力推动云的顶部通过稳定层,进入一个地区的空气自然是不稳定的。云可能会上升到更高的高度比它自然会做。在某种程度上的区别静态播种和动态播种,而人工。已被证明在最近的建模研究stratocumuli气溶胶污染的影响,小堆积,cumulonimbi,任何修改这些云降水的贡献在云和云系统非线性动力响应(Levin和棉花2008)。

在一系列的随机实验进行了在佛罗里达州在1968年和1970 - 1973之间(称为佛罗里达地区积云实验或脸),结果发现,从孤立的积云降水(由雷达测量)~ 5公里直径,人工播种引起爆炸性增长,大约是两倍的种子控制云(例如,辛普森和伍德利1975;Woodley et al . 1982年)。播种云下雨比控制云因为他们更大、持续时间,而不是因为他们的降雨率明显提高。

面对二世,试图证实并复制的结果我通过指定的附加步骤云会播种的方式基于理解是什么反应。尽管有几个建议播种影响一些云和天(例如,Woodley et al . 1983年),整个实验正式未能证实我的结果(Flueck et al . 1981;Nickerson 1979, 1981)。本质上,实验屈服于这些风暴的高“自然的变化”。

近年来的动态播种策略被应用在泰国和西德克萨斯。探索性动态的播种试验的结果在西德克萨斯已报告的罗森菲尔德和伍德利(1989、1993)。播种of183对流细胞的分析表明,播云的最大高度增加了7%,细胞43%、36%的持续时间,和雨卷细胞的130%。结果是鼓舞人心的,但这么小的增加垂直发展的云是几乎一致的探索性早些时候播种实验。

由于他们的经验在德克萨斯州,罗森菲尔德和伍德利(1993)提出了一个概念模型的动态改变播种播种爆炸性的垂直发展的云并不强调。西尔弗曼(2001)指出,然而,应用修正假说在泰国(Woodley et al . 2003 a, b)表示降水增强,但是结果没有达到统计学意义。此外,增强气流可能由它似乎没有被推迟(Woodley et al . 1999 b)。

总之,动态播种是一个物理概念的合理的假设提供了机会,增加降雨量比简单地提高更多降水效率的云。这是一个更复杂的假设,然而,要求更大的定量理解积云的行为和他们的相互交互,边界层,大规模的天气系统。

吸湿云种散播

吸湿播种是主要用于过去在温暖的云,没有冰的地方。最近,这种类型的播种方法在混合相位的云。在播种温暖云目的是提高下降增长聚结,从而提高降雨形成的效率。然而,播种混合相位云似乎影响下降增长和冰的形成,可能通过有效霰粒子的形成。的建模研究棉花(1972),穆雷和Koenig(1972),和斯科特和霍布斯(1977)表明,云组成的较大的过冷滴很可能使冰冻速度远远超过一个主要由小水滴组成。适当的大小盐颗粒,水滴喷洒水或生理盐水(鲍文1952;Biswas和丹尼斯1971;棉花1982;Murty et al . 2000;西尔弗曼和Sukarnjanasat 2000)和吸湿耀斑(马瑟et al . 1997;2000年世界气象组织)已用于播种。最近对这个概念是出于马瑟(1991)的研究中,这证明了造纸厂废水对降水的影响。统计结果、观察和建模的结果提供了一些证据表明,降水可能增强在一定条件下,最优种子大小下降光谱(法利和陈1975;Rokicki和年轻的1978;年轻的1996; Reisin et al. 1996; Yin et al. 2000a, b). Seeding experiments using hygroscopic flare particles provided statistical support for rainfall increases due to seeding based on single cloud analyses (Mather et al. 1997; Bigg 1997; WMO 2000; Silverman 2003). Model simulations suggest that the increase in rainfall amounts stems from the increase in graupel numbers and masses, which are generated by the increased concentrations of large drops (Yin et al. 2000a, b). Such increases could generate more rain, but it is not clear how these procedures can affect the clouds for such a length of time, as some of the measurements suggest (e.g., Silverman 2003).

在南非(马瑟et al . 1997年)和墨西哥(2000年世界气象组织),吸湿耀斑已经应用于混合相位对流云系统在有限的物理和统计实验。飞机微观物理学的测量进行验证的过程。Radar-measured 30 dBZ卷,对流产生的复合物,被自动跟踪软件,和各种风暴和跟踪属性计算。这两组实验的结果非常相似的差异radar-estimated播种和non-seeded团体之间的降雨。南非的数据已经被节目评估独立(1997年)和西尔弗曼(2000);都得出结论,有统计上显著的证据增加radar-estimated降雨从播种convec-tive云系统。

马瑟et al。(1997),“名人老大哥(1997),和西尔弗曼(2000)提到明显动态云层的影响,体现在播种云系统中,寿命更长。这是推测(a)降水量之间的关系(负浮力由于浓缩水的重量)和蒸发,(b)的特点产生的气流,暴风雨和(c)气流和组织,进化,生命周期决定了动态播种对降雨的影响。没有提到另一个因素是改变的可能后果雨滴尺寸分布。如果播种的雨滴粒径分布变化较小的雨滴,随之而来的便是大sub-cloud蒸发,从而改变冷池动态效果。如果播种雨滴谱变化较大的下降,相反的反应就会预期(阴et al . 2001年)。

看来,大陆对流风暴云凝结核的变化非常敏感(CCN)摄入云基地。例如,南非和墨西哥的吸湿耀斑实验显示很强的信号而言,增加播种风暴,风暴一生增加反射率在空中,并在风暴密度增加。因此,这些吸湿耀斑播种实验表明它是可能的,在适当的条件下,生产大型云被注入吸湿颗粒性质的差异云基地。

人工影响天气的评估研究,NRC(2003)得出的结论是,南非和墨西哥实验证明对治疗反应云依的理解链导致降水的物理反应。然而,由于radar-defined漂浮目标的统计分析结果,他们仍然不证明降雨可增加吸湿播种在地面上特定的水域。此外,由于播种可能改变雨滴的大小范围,改变了雷达回波,不确定性存在于实际下雨的评估金额播种和non-seeded漂浮目标。最后,由于播种的主要反应在南非,墨西哥,和泰国的实验在时间延迟1到6小时,停止后播种,我们缺乏一个清晰的理解的实际过程,可能会导致这样的生理反应。

因此而吸湿的播种试验的结果非常有前途,他们仍然不构成“证据”“吸湿播种可以提高在一个范围内的降雨在地上。影响的地区云种散播尚未为特征。在事后分析,几个雨增强项目报告的证据生理效应之外的区域或时机最初指定的目标,或超出了时间间隔时播种效果的预期。例如,在最近的大颗粒吸湿和glaciogenic播种试验涉及warm-base对流云团在泰国和德克萨斯州,增加在雨中被报道3到12小时后进行播种(Woodley et al . 1999),超出了预计的时间,直接影响播种并可能在目标区域之外。

其他播云应用程序

云种散播策略也被应用到冰雹抑制和减少飓风强度。在多年的研究之后,科学领域确认冰雹抑制的概念已经很大程度上成功(阿特拉斯1977;费德勒et al . 1986年)。只有长期统计分析的非随机化、操作程序提供了令人信服的证据,表明播种可以显著降低冰雹频率(情况和1992年的情况;史密斯et al . 1997;雷欧et al . 1999;鲁道夫et al . 1994;在全世界1998)。优势的评估操作程序通常可以使用长周期记录(例如,四十年在南斯拉夫),而随机研究项目通常不能获得资金超过五年左右。缺点是不能完全消除担忧“自然的变化”的气候(见2003年NRC评论)。raybet雷竞技最新

同样,尝试修改飓风(辛普森et al . 1963;辛普森和Malkus 1964;贵族1974;表1981)未能确认提出的假设。从某种意义上说,从事屈从于飓风的非常大的“自然的变化”,包括飓风频率非常低的时期从1960年代中期到1980年代中期(1981表)。因此,利益和政府资助飓风修改直线下降。尽管有最近simplifi ed建模研究表明播种与pollution-sized气溶胶飓风可能会削弱风暴强度(罗森菲尔德et al . 2007;棉花et al . 2007年),这些概念需要开发更多的定量。

云的催化研究气候工程的影响raybet雷竞技最新

科学界已经建立了一套标准来确定“证据”,播种时增强降水(NRC 2003;Garstang et al . 2005年):强烈的适当修改云结构和实物证据非常重要的统计证据是必需的。同样,公司“证据”,气候工程是影响气候,甚至二氧化碳修改气候,都raybet雷竞技最新强烈的适当修改气候和实物证据明显的统计证据应该是必需的。

教训评估人工降雨实验是“自然的变化”的云层和降水的可能很大,因此可以抑制甚至结论性的评价的统计实验的偶发事件。也是如此评价的影响气候工程或人类活动温室气体是否改变气候。raybet雷竞技最新如果信号不强,然后评估人类活动是否产生了一些观察到的效应(因果)需要更长的时间比记录可对大多数人来说,即使不是全部,数据集。为此,我们不得不采取“代理”的数据集,在校准结果的不确定性,旧数据之间的不一致性估计和最近的测量,大型噪声数据和抽样覆盖率不足的选择控制变量。因此,目前,我们没有足够的测量气候的自然变化”,这使得冒险进入气候工程确实有害。raybet雷竞技最新

raybet雷竞技最新气候工程

气候系统raybet雷竞技最新复杂得多比许多科学家让我们相信。有相当多的证据表明,地球正在变暖。此外,二氧化碳的浓度也以惊人的速度增加。问题是:这些因果或因其他原因是地球变暖?所谓的“曲棍球棒”的曼et al。(1998)提供了最有力的证据,目前全球变暖的时期是史无前例的在过去的1000年左右。他们的分析是基于代理数据,包括冰核、树木年轮、海洋沉积物和历史来源来自欧洲和亚洲。这些数据因此北半球气候变暖的证据;代理和历史数据对南半球非常稀疏。然而,遭到了很多的批评科学家(如Mclntyre和McKitrick 2003;冯·斯托奇et al . 2006年)为数据的统计处理面临的主要问题。 The National Research Council (2006) reported on an independent evaluation of Mann et al.'s conclusion and on the use of proxy data, and concluded that the last few decades of the 20th century were warmer than any period in the last 400 years. They stated that the conclusion reached by Mann et al.—that it was warmer than any period in the last 1000 years—is plausible but that there is less confidence that the warming was unprecedented for periods prior to 1600, owing to fewer proxies at fewer locations available prior to 1600. They noted that none of the reconstructions indicated that it was warmer during the Medievalraybet雷竞技最新气候适宜比在20世纪末。有地区的北半球暖在中世纪气候最佳可以看到重建的马尾藻海表面温度(罗宾逊et al . 2007年)。raybet雷竞技最新这些数据表明,全球变暖时期,我们正在经历已经持续了超过300年(即。,since the end of the Little Ice Age) and that the Medieval Climate Optimum period 1000 years ago was much warmer. There is also circumstantial evidence that the climate in Greenland, for example, was much warmer during the Medieval Climate Optimum period as the glaciers were much reduced in coverage and the seas were more open to navigation. Considering the scarcity of data, I find it difficult to conclude that we know enough about the "natural variability" of climate over the last 1000 years to state that this recent period of warming is unprecedented.

二氧化碳显然是一个主要的长波辐射的吸收,因此导致了所谓的温室气体。然而,我们需要记住,二氧化碳不是主要的温室气体;水蒸气有区别。因此,温室效应的模型大部分是由于涉及更高浓度的反馈大气中水蒸气,然后导致的温室效应。云是非常重要的吸收长波辐射以及地球的反照率。低云层倾向于提高地球的反照率(冷却影响),而对长波辐射有小影响预算,因为他们的温度接近地球表面的。另一方面,高云更容易吸收长波辐射而(除了光学厚的热带anvil-cirrus云)反映出少量的短波辐射;因此他们作为温室长手套。因为模型的依赖,而原油parameteriza-tions云,它仍然是不确定云如何应对全球变暖以及增强了大气水汽含量。有更多的云高和低云层在地球变暖?云的变化如何改变与纬度?增加云层高纬度地区有助于在北极变暖趋势以来每年平均表面能量预算高纬度地区以长波辐射为主。

虽然温室气体,尤其是水蒸气,地球可居住性的主要因素,是这些气体的变化对气候变化的主导因素?raybet雷竞技最新

有什么其他的竞争程序,改变我们的气候系统的强迫?raybet雷竞技最新这些综述了棉花和皮尔克(2007),包括以下:

•改变太阳光度和轨道参数,

•表面性质的变化,

•自然和人为气溶胶的变化和尘埃,

•微分时间响应外部强迫的大气和海洋。

地球轨道参数的变化,所谓的米兰柯维奇周期(Imbrie和Imbrie 1979;伯杰1982),被认为是负责冰河时代的开始。然而,它不能解释当前的变暖趋势,预测我们将进入下一个冰河时期的5000年。尽管有证据表明一个小型太阳辐照度的变化,变化的数量太小,占最近的气候变化,更不用说任何在过去的1000年里。raybet雷竞技最新虽然许多研究表明之间的统计相关性不同太阳能参数和地球的气候(即。raybet雷竞技最新,Svensmark and Friis-Christensen 1997), the physical causes of those correlations are for the most part not well founded (Sun and Bradley 2002). Nonetheless, this does not mean that some unknown amplification process related to solar parameters could be contributing to the current warming trend. It remains as part of the uncertainty in climate prediction.

陆地表面性质影响行星反照率的变化和改变表面能预算,波文比可以改变。人类活动导致表面性质的变化农业用地使用和城市化。此外,土地利用和植被的变化应对气候变化以一种非线性的方式,从而改变行星反照率和表面能的预算。raybet雷竞技最新虽然陆地表面性质的变化是一个重要的因素行星的能量预算,他们不可能等级高达温室效应(2007年联合国政府间气候变化专门委员会)。尽管如此,政府间气候变化专门委员会的估计只有基于反照率的变化和不包括变化明智的和潜热通量应在全球气候变化的土地利用变化大于由IPCC估计。raybet雷竞技最新

棉花和皮尔克(2007)整个章致力于人为气溶胶的变化。本章考虑气溶胶的直接和半直接效应和灰尘以及间接影响,改变地球的反照率和水文预算通过改变云的属性。中存在大量不确定性估计气溶胶对气候的影响主要是因为相关的一个主要因素是云过程,不代表在全球大气环流模型。raybet雷竞技最新然而,人们普遍认为,人为气溶胶的变化导致气候系统净冷却,温室效应抵消了大约三分之一的温室气体变暖(2007年联合国政府间气候变化专门委员会),或有时被称为“raybet雷竞技最新全球变暗”。一些GCM模拟温室效应和直接和间接气溶胶效应(Liepert et al . 2004年)表明,气溶胶的间接和直接冷却效果降低表面潜在和显热转让和,因此,干燥的大气中,从而大大削弱温室气体变暖。因为温室效应导致润湿的氛围,和气溶胶直接和间接冷却抵消,潜在的气溶胶对全球气候的影响可能远比先前认为的更重要。raybet雷竞技最新

气候系统的主要“外卡”是自然产生气溶胶特别是低平流层气raybet雷竞技最新溶胶引起的火山活动。直到最近,我认为火山活动是完全随机的。的一系列论文里德布赖森古德曼和他的同事们(布赖森和1980 a, b;布赖森1982,1989;古德曼1984)表明,否则。这些文件表明,火山活动是由Sun-Moon-Earth调制的潮汐变化。在这种情况下,全球变暖的时期,比如我们现在经历的,可以归因于非常低的时期火山活动如1920年和1940年之间(罗伯克1979)和中世纪气候最佳时期。raybet雷竞技最新广泛的冷却时期,像小冰河时期,是最大的时期Sun-Moon-Earth潮汐迫使对齐,这导致非常活跃的火山活动和全球变冷。的结果是,预测全球温室气体变暖的气候变化的摆布是由于火山活动。raybet雷竞技最新时间大于正常的火山活动可能完全覆盖或面具温室气体的强迫。有可能,目前气候变暖是由于一段时期火山活动低于正常吗?

最后,大气和海洋有不同时间尺度的响应外部强迫:大气时间表是月,海洋混合层的十年,深海是100年。

因此,当前正在受到气候变化的外部强迫raybet雷竞技最新只要发生在100年前。海洋和大气之间的不匹配响应外部强迫是一个主要贡献者气候系统的“自然的变化”。raybet雷竞技最新

在此基础上云种散播的概述,我现在将解决气候工程。raybet雷竞技最新我只会关注气候工程属于工程更改raybet雷竞技最新全球反照率和top-of-atmosphere长波辐射排放的气溶胶和云修改。我不会进入地球工程的大背景下,包括诸如二氧化碳的捕获和处理烟气流,增加净二氧化碳吸收在陆地生物圈的净海洋吸收二氧化碳,增加碳封存,替代能源,甚至改变海洋和陆地表面的反射率。

模拟火山

火山是一个主要的气候系统的“外卡”。raybet雷竞技最新大型火山喷发分发大量的尘埃和碎片上对流层和低平流层。更重要的是,它引入了大量的二氧化硫进入平流层,受到gas-to-particle生产缓慢,特别是硫酸滴的形成。这些高度可溶滴散射太阳辐射,从而减少到达地面的太阳光量。一个主要喷发可以产生减少太阳辐射,可以持续两年,可能导致ocean-mixed层中的残余热损失长达十年。

介绍硫酸气溶胶喷射到平流层的想法可以追溯到Budyko(1974)和戴森和Marland(1979),和最近的已收到突出诺贝尔奖得主,Paul Crutzen (2006)。这个想法是为了燃烧S2或硫化氢进入平流层气球,火炮、火箭产生二氧化硫。Crutzen表明加强停留时间,从而减少所需的质量,应该引入气体向上热带地区平流层循环分支中缓慢gas-to-particle转换。他估计1.9 Tg年代需要抵消1.4 W m - 2变暖的二氧化碳,而这可以通过持续部署约1 - 2 Tg年代每年的总成本每年25 - 50美元。为了弥补一倍的二氧化碳(估计4 W m - 2变暖),克鲁岑估计每年5.4 Tg年代需要的成本相应增加。与火山一样,我们可以期待天空增白,那个红色的落日和日出会获胜。二氧化硫播种平流层的一个不良后果是平流层臭氧将会降低。克鲁岑指出,厄尔Chichon介绍3 - 5 Tg年代在平流层臭氧减少了16%在20公里的高度,而皮勒介绍了10 Tg年代,导致列臭氧减少2.5%的损失。我想象这可能转化为利率的发生率的增加皮肤癌较高的紫外线辐射。

克鲁岑指出的另一个选择将是释放低平流层的煤烟颗粒燃烧ios版雷竞技官网入口 。像核冬天的假设(见回顾2007年棉花和皮尔克),由此产生的煤烟颗粒会吸收太阳辐射,这将耗尽太阳表面的辐射还温暖的平流层。这种变暖可能产生不良后果的平流层发行量和臭氧损耗的变化。它将低成本交付只有1.7%的硫的质量需要产生相同的冷却效果。

而不是制造散射或吸收气溶胶原位,它也表明,镜子中可以引入空间。美国国家科学院提出部署55000镜子表面面积100平方公里到地球的轨道(NAS 1992)。这些镜子会消耗大约2%的太阳辐射,但每个镜子也会创建一个形状的影子一个eclipse。更多的小镜子也被提出,但是这些将创建一个闪烁的阳光。除了安装成本,消除了镜子,如果不良反应的发展,将是困难和昂贵的。

早期(1989)也提出了引入太阳能盾来观察太阳-地球拉格朗日点(1.5 x距离地球106公里)。这可能反映了太阳辐射到地球上的2%,但将花费上万亿美元安装范围。在发生不良反应,去除会更容易和更少的昂贵的比大量的镜子。

当我们考虑这种选择,我们必须记住,改变太阳辐射是完全不同于改变长波辐射。二氧化碳陷阱长波辐射两昼夜,而减少阳光辐射只影响白天,年平均,夏天最强烈地在赤道地区和季节高纬度地区(Govindasamy和Cadeira 2000)。Govindasamy和Cadeira GCM模拟,模拟执行上述提议改变太阳辐射通过降低1.8%的太阳常数,这将抵消二氧化碳场景的一倍。正如预期,climate-engineeraybet雷竞技最新red模拟产生最冷却在热带地区,但在陆地上昼夜循环的振幅降低了只有0.1 k。Govindasamy Cadeira发现季节性周期的振幅更大的climate-engineered模拟比双二氧化碳模拟高纬度地区因为有更多的海冰climate-engineereraybet雷竞技最新d模拟。海冰往往从上方的空气使背后的温暖水域,在寒冷的冬天和放大的季节性周期。小变化模型的水文循环是指出他们的双二氧化碳模拟或climate-engineered模拟。raybet雷竞技最新

回到云种散播

有目的的播云一直主要旨在提高降水或修改风暴。能播云策略,然而,被设计来增加云的反照率还是的长波辐射逃往空间?审查的莱文和棉花(2008),有大量的证据表明,气溶胶污染云无意中修改辐射特性和降水。在实现的一个问题是,任何对流层气溶胶引入,特别是低对流层,必须完成几乎不间断的居留时间这么短,一般最多的几天或几周。这种限制使得这些选项更昂贵的比提出了平流层或空间,除非这样做是一如往常的基础上;也就是说,这些变化将与普通工业操作,船操作,或飞机操作。论文Crutzen(2006)的动机之一是,当我们成为成功清理气溶胶污染的工业,目前估计会导致显著的降温效果,抵消温室变暖,全球变暖的幅度将更大。此外,大部分的估计气溶胶污染可能冷却与云相关的间接影响的结果。因此,我们应该考虑如何污染云没有产生灾难性的不良后果。诚然,这可能是不可能的;然而,让我们推测如何应用于云种散播气候工程。raybet雷竞技最新

更多的船舶跟踪!

最有力的证据,我们有污染气溶胶增加云反照率来自船舶跟踪(图17.1)。事实上,玄关et al。(1990)把他们称为罗塞塔石碑连接海洋上空的气溶胶和云的反照率的变化对气候的影响。raybet雷竞技最新

测量表明,船舶跟踪包含液滴浓度更高,更小的液滴大小和液态水含量高于周围的云(Radke et al . 1989年)。跟踪往往只要300公里以上,宽约9公里(Durkee et al . 2000年)。他们通常在较浅边界层深300 - 750米之间。他们不形成边界层深度超过800米(Durkee et al . 2000年)。

图17.1船轨道(即。,clouds formed from the exhaust of ships' smokestacks) can be seen north and west of the smoke plume. Image courtesy of the SeaWiFS Project, NASA GSFC, and ORBIMAGE.

因此推测,我们应该生产更多的船的踪迹

地区最容易受到这些变化是海洋副热带高压区域。可以重新设计船舶航线(与经济激励)对高含硫煤船航行在迎风地区亚热带高位。这些可以补充额外的“反照率增强剂”船只航行的迎风面来回海洋层积云层云在脆弱的地区。研究估计需要补充船只的数量和经济激励成本达到一个理想的平均反照率的增加。我期望的成本将被禁止。有建模的证据表明,并不是所有的云气溶胶污染的响应增加一个反照率的增加(江et al . 2002;阿克曼et al . 2004;陆和宋飞2005)。因此云对气溶胶的反应必须是先进的科学之前,这个假设可以实现为一个战略。当然,还有云故意污染的不良后果,我们必须考虑,包括酸细雨,但至少会影响的地区近海,远离大多数人类活动。

吸湿播种的海洋层积云背后的想法并不新鲜,像莱瑟姆(1990、2002)提议生成海水下降约1 ^ m在海洋表面附近的大小来提高液滴浓度。喷雾的海水下降会产生大量气泡或吹气通过多孔管道产生气泡上升到海面和破裂,就像一个自然的波浪作用产生泡沫。前技术的优点是可以更确定盐粒子从而会产生与自然竞争CCN的最佳规模,从而增加液滴浓度一旦粒子漂浮在云的海洋湍流边界层。这种技术的优点是,原材料将是自由和无污染的。然而,大量的生产和运动生成漂浮或吊杆将是非常昂贵的。莱瑟姆声称他们的权力要求操作可以由太阳能提供,波浪作用,甚至风力发电。他实际上提出了帆船的发展基于马格努斯效应,在旋转塔不仅会发展气动升力推进船只也开车扑打发电机(莱瑟姆et al . 2008年)。图17.2展示了艺术家的概念的马格努斯部队帆船设计扑打的一代。粗略估计的气候影响部署大合奏这样的船舶大面积生产扑打在GCM的了。然而,GCM不考虑可能的-动态反应,比如增强乘火车表示“状态”或者那些会改变细雨,cloud-resolving模拟显示(江et al . 2002;阿克曼et al . 2004;陆和宋飞2005)。因此,GCM估计可能宁可产生冷却效果比可以在现实中实现。

图17.2艺术家的马格努斯效应帆船扑打代的概念。从莱瑟姆et al . 2008;使用许可的艺术家,约翰MacNeill。

总的来说,气候工程学方法更充分使用吸湿播种概念是值raybet雷竞技最新得研究与模型和有限的田间试验。我必须承认自己是怀疑一个近乎连续的基础上可以实现这种策略在足够大的区域来对抗温室效应显著。

中层层播种

中层层云,也叫做高层云,在中纬度地区的大型区域是无处不在的。这些云的典型高度是海拔约3公里,在寒冷的季节这些云是过冷。通常,中层层被认为扮演中立角色在地球的辐射预算,因为它们反映了尽可能多的太阳辐射吸收长波辐射。然而,这附近辐射平衡可能被全球沮丧选择性云种散播。例如,考虑不冻层云:一个人可以想象一个系统化的播种这些云白天污染气溶胶(小吸湿颗粒)增加反照率和夜间种子巨头CCN或传统的吸湿播种材料导致雨水冲洗,从而使他们更透明的长波辐射。这将改变他们的贡献全球辐射平衡净冷却效果。类似的策略将出现过冷层云。在这种情况下,一个可能再次种子污染气溶胶在白天增加反照率,但在晚上与glaciogenic播种种子材料,如榴弹炮。已多次表明,播种过冷层将减少那些云的总冷凝路径,从而使

图17.3这个赛马场模式,大约20英里长,是由从一架飞机掉碎干冰。安全pin-like循环的近端模式导致干冰分配器时无意中留下作为飞机运行开始攀升达到高度的拍摄结果。从天堂et al。(1978)。照片,拍摄于1948年,使用许可文森特Schaefer博士。

他们更透明的长波辐射。图17.3显示了一个典型的例子来清理过冷层与glaciogenic播种材料。

这怎么可能做全球符合成本效益的方式吗?一些行业有着高大的堆栈可能他们富裕的掺杂适当的气溶胶。通勤飞机和喷气燃料的使用掺杂气溶胶发生器是另一种可能性。同时,无人机的使用或飞艇气溶胶传播可以考虑。潜在的不良后果,然而,有可能,包括对降水的影响,当地极端寒冷的温度(这也会影响化石燃料的需求),以及水文循环。

总的来说,这种方法应对温室气体变暖更昂贵比海洋stratocumuli吸湿播种和更少的可行性。

播卷云或制造更多的尾迹

平均每年,云层覆盖地球的60 - 65% (Rossow和女仆2004)和大部分的云层由中产和高云。人们认为卷云贡献全球大气变暖由于他们的贡献向下长波辐射转移。换句话说,他们作为温室代理。人类活动已经修改通过生产飞机航迹云卷云。库恩(1970)发现尾迹减少太阳辐射和增加向下长波辐射,但白天短波的影响占主导地位,导致净表面冷却。库恩(1970)计算,如果飞机持续超过24小时,他们的净效应将会冷却。其他人认为他们导致表面变暖(Liou et al . 1991;舒曼1994),(1997)指出,但Sassen认为气候的符号尾迹取决于颗粒大小的影响。全球估计数的尾迹的影响导致净变暖(该组织et al . 2004年)。

甚至有人提出播种在晴空对流层上层产生人工卷,将温暖足以降低种冷表面加热(Detwiler和曹1982)的要求。因此播种卷云的前景导致全球表面冷却似乎并没有很好。

唯一可能可行的方法是进行广域播种与烟尘粒子,将吸收的太阳辐射和热卷层足以也许卷云消散。提出这一战略将是类似于美国瓦茨(1997)和克鲁岑在平流层(2006)实施。Crutzen(2006)指出,只有1.7%的硫的质量需要产生一个类似规模的表面冷却。应用在对流层上部卷水平会吸收太阳辐射的双重效益,从而导致表面冷却和卷云消失会增加即将离任的长波辐射。当然,烟尘,就附在冰晶会减少卷云的反照率,从而打击长波温室效应在某种程度上。此外,有证据表明,煤烟颗粒可以作为冰核,从而导致更大的冰晶浓度通过异相成核,但可能降低晶体生产均匀成核(更et al . 1994;因为Karcher et al . 2007年)。因此最好是工程师碳质气溶胶是无效的冰核。

可能的不良后果的过程只能推测此时但最有可能影响水文循环。复杂的化学、cloud-resolving和全球模型需要评估这种方法的可行性和评估可能的不良后果。这种方法的实现策略的可行性可能是与播种硫酸盐在平流层底部。成本将类似Crutzen平流层播种的估计。

总结和建议

在这一章中,我提供了一个概述的天气工程(云种散播)和气候工程。raybet雷竞技最新我已经表明,有许多教训云种散播评估,这两个强大的实物证据等适当的修改气候系统和非常重要的统计证据是必需的。raybet雷竞技最新这将是非常具有挑战性的,我很难想象,随机统计实验可以设计并实现了足够长的时间来隔离修改信号从背景中气候系统的“自然的变化”。raybet雷竞技最新

正如我上面所提到的,如果我们作为一个科学界需要同样标准的“证据”对人工影响天气社区评估云种散播假设为评估人类活动温室气体是否气候变化(我认为我们应该),我们还有很长的路从能够说二氧化碳是改变气候。raybet雷竞技最新同样,公司“证据”,气候工程是影响气候,所需的水平的物理模型评估raybet雷竞技最新和统计评估将极具挑战性。什么是必要的,首先,是证明了气候模型raybet雷竞技最新预测能力这是足够大的能够使气候修改信号从“自然的变化”或“噪声”的气候系统。raybet雷竞技最新一旦达到这种预测技能,然后有机会应用先进的统计方法,使用模型输出数据和观察到的响应变量,可以证实的假设。此外,这种气候预测模型应该能够raybet雷竞技最新识别和量化气候工程的意想不到的不良后果。

Alan Robock(2008)最近写了一篇名为“20 Geogenineering的原因可能是一个坏主意。”He notes that one possible response to climate engineering to mitigate greenhouse gas warming is that precipitation is likely to be modified both globally and regionally. Some countries may find themselves in a干旱在应对气候工程。raybet雷竞技最新云相关的气候工程学的许多假设可能影响水循环,特别是假raybet雷竞技最新设与中期调整和有关高级云。其他原因列出,罗伯克(2008):

•持续海洋酸化。

•臭氧损耗。

•对生物圈的影响。

•增强酸性降水。

•对卷云的影响(参考年代播种在平流层)。

•美白天空的年代播种在同温层(引用)。

•减少太阳辐射太阳能发电,特别是对于那些需要直接的太阳辐射。

•快速变暖时停止。

•如何迅速影响会停止吗?

•环境的影响气溶胶注入。

•意想不到的后果。

•方案认为工作将减少激励来减少温室气体排放。

•使用技术用于军事目的。

•商业的控制技术。

•违反当前的条约。

•将是非常昂贵的。

•即使它,谁的手将恒温器?这个世界怎么可以达成最优气候?raybet雷竞技最新

•有道德权利留意修改全球气候?raybet雷竞技最新

的意想不到的后果,我已经说,我不认为我们理解所有影响气候变化的因素也没有我们演示了一个气候预测技能绩效实现减缓气候变暖的策略。raybet雷竞技最新如果我是对的,火山活动是一个主要的气候系统的“外卡”?raybet雷竞技最新现在,假设我们实现上述气候工程学概念冷却地球反对温室效应。raybet雷竞技最新如果成功,这种冷却会导致海洋反应数十年或者一个世纪的时间尺度。同时,假设我们发现自己处在一个增强的火山活动。火山活动后的降温趋势结合“工程”的降温趋势会使我们进一个小冰河时代或者更糟。我希望这将是更糟的后果比全球变暖。

尽管存在这些担忧,气候工程学是一个不容忽视的问题raybet雷竞技最新。这种情况的严重性强调的事实的气溶胶或云相关的气候工程方案必须持续了几个世纪,因为大气中温室气体的大气的居住时间长。raybet雷竞技最新我建议重大国际项目是计划在世界各地,使用最先进的模型在特定气候工程项目的设计。raybet雷竞技最新然而,气候工程raybet雷竞技最新学才能实现,基础研究必须首先推进我们定量对气候系统的理解,气候变化,气候工程学的科学命题的可能性,技术要求、社会影响和必要的政治结构。raybet雷竞技最新气候工程应被视为一个“奄奄一息”措施,防止气候变化的灾难性后果。

云种散播的另一个教训,我没有前面所提到的,是云种散播经常呼吁政治家们证明他们做一些时期干旱和专业水资源短缺或在重大灾难。这已经发生,尽管缺乏强有力的科学证据,云种散播实际工作。我称之为政治安慰剂的使用。如果我们发现自己在一个真正的气候危机,我预计,政客们将会呼吁气raybet雷竞技最新候工程措施改变不良气候趋势。如果应该这样,我们要确保我们的行为基于知识的最先进水平的气候系统以及完整的我们行为的后果。raybet雷竞技最新

确认

我想承认布伦达·汤普森对她的帮助。这种材料是基于工作支持下由美国国家科学基金会资助。atm - 0526600。任何意见、发现和结论或建议用这种材料是作者和不一定反映美国国家科学基金会的观点。

引用

阿克曼,a S。,M. P. Kirkpatrick, D. E. Stevens, and O. B. Toon. 2004. The impact of humidity above stratiform cloud

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