水蒸气的反馈

类似地球的行星的表面大量冷凝水的水库(海洋或冰川),如果不足够长的时间大气水汽进入大气中,直到到达了一个状态,水蒸气的压力等于饱和蒸气压点。在这种情况下,如果发生任何增加大气的温度,然后最终将水蒸气含量增加;自水蒸汽是一种温室气体,额外的水蒸气将导致额外的温室气体,全球变暖进一步超越了最初的变暖。这种被称为放大水蒸气的反馈,并努力扩大冷却的影响。在本节中,我们将研究一些真实气体的定量模型水蒸气的反馈。

事实证明,大气运动有干燥的效果,这让气氛达到饱和。这是一个非常活跃的研究现状,只想说目前地球大气层的综合模拟表明,所代表的情况可以很好保持相对湿度固定在某个subsaturated值随着气候变暖或冷却。raybet雷竞技最新这里我们将采用的方法,它还产生一个大气水汽含量的增加大致随温度呈指数级增长。目前,没有普遍有效的理论可以确定适当的值

相对湿度先天的,所以一个人必须求助于完全动态环流模型或观察。事实上,相对湿度是不均匀但垂直和水平都存在着很大的差别,因此没有单一值可以表示描述全球湿度场。类似的考虑将适用于任何可冷凝的物质,例如甲烷土卫六。

在这些all-troposphere模型,我们还应当假设温度剖面的潮湿的绝热线。观察地球的热带地区显示这是一个很好的描述大气对流层温度曲线即使是不饱和的,而不是发生对流。(见问题? ?)显然,正在活跃的地区潮湿的对流控制整个热带对流层温度梯度;也有理论理由相信这是事实,但他们需要流体动力参数,体积超出了目前的范围。midlatudes局势很不明朗,但我们将使用潮湿的绝热线,因为很难想出更好的模型中没有任何大气环流。结果提出了地球表面压力和重力,尽管我们将做一些评价结果如何规模与大或小的行星重力。

因为大多数的大问题,地球气候和气候适合居住的类地行星包括水汽反馈与一个或多个其他温raybet雷竞技最新室气体,这是第一次在本节中,我们将得到相当现实的答案关于微弱年轻的太阳问题,等等。

饱和的情况下纯水蒸汽气氛将在4.6节治疗作为治疗的一部分失控的温室真实的气体氛围。将与地球将开始我们的讨论与水蒸气混合空气,温度曲线在潮湿的空气混合物绝热线。这种情况下的OLR曲线是如图4.31所示。由于没有其他的温室气体,干燥的OLR(零相对湿度)只是清。如此少的地面温度低于240 k空气中水蒸气,水蒸气的确切数额OLR影响不大。在更大的温度下,不同相对湿度的曲线开始发散。即使是相对湿度低于10%,水蒸气温室效应是足以几乎取消向上弯曲的干燥情况;在320 k OLR减少超过130 w / m2与干燥情况。在更大的相对humidites、曲率逆转和OLR作为温度的函数显示高温压扁的迹象,时尚让人想起,我们看到在我们的讨论Kombayashi-Ingersoll限制灰色的硒化镓年代。这是我们第一次相识的基本含义水汽反馈:水蒸气的增加随温度降低OLR与温度曲线的斜率,使气候更敏感的辐射强迫的排序——无论是太阳常数的变化、地表反照率的变化,或二氧化碳的浓度的变化。raybet雷竞技最新但一个例子,增加吸收太阳辐射从346 w / m2 - 366 w / m2增加了地面温度从280 k到283 k在干燥的情况下。当相对湿度是50%时,它只需要290 w / m2的吸收太阳能保持相同的280 k地面温度,但现在增加太阳能吸收20 w / m2增加了表面温度288 k。气候敏感性水汽反馈大约翻了一番,这是一个典型的结果与地球相似条件。raybet雷竞技最新气候敏感性的增加由于水汽反馈在任raybet雷竞技最新何气候变化现象,可以考虑在一个地球上液态水的海洋。

水蒸气的影响最强在热带的温度下,但仍是重要的即使在温度接近冰点。它只变得微不足道的温度与极地冬季。

地面温度(K)

图4.31:OLR与水蒸气在空气中表面温度,相对湿度保持固定。表面空气压力16 ar,地球引力。温度曲线是水/空气潮湿的绝热线。计算进行了ccm辐射模型。

有时听到一个傲慢地说道,水蒸气是“最重要的”地球大气层中的温室气体。这样的声明的误导性质直接从图4.31可以推断。假设地球的气候在256 w / m2的平衡吸收太阳辐raybet雷竞技最新射、地球表面的平均。这对应于25%的反照率,我们需要稍微小于实际观察到的反照率账户大致的一部分的事实云的反照率云效果取消温室效应我们不考虑图中。如果水汽是唯一在地球大气层的温室气体,温度将会是一个寒冷的268 k,这是之前冰反照率反馈考虑在内,这很可能会导致地球陷入寒冷的雪球。我们之前看到,地球也将无法居住冷如果二氧化碳是唯一的温室气体在大气中。关于地球物种的生存,需要两个探戈。为了维护地球上居住的温度没有二氧化碳的好处,太阳会亮13%。需要超过十亿年前太阳将成为这明亮。

现在让我们添加一些二氧化碳到大气中。图4.32显示了OLR曲线变化,如果我们加入300 ppmv的二氧化碳——略高于地球的工业化前的值。一般的模式类似于水情况下,但下移量随温度。在相对湿度50%,二氧化碳的增加减少了在280 k OLR进一步36 w / m2低于单独使用水蒸气。由于额外的二氧化碳温室效应,同样256 w / m2的吸收太阳辐射之前我们认为现在可以支持温度281 k时,相对湿度为50%。注意,如果没有二氧化碳的作用,大气会太冷有多的水蒸气,所以就将失去很多水蒸气的温室效应。看来,实际的地球表面温度可以令人满意地占二氧化碳温室效应的基础上由水蒸气的反馈。

4.5.2运动四个水分条件在图4.32中,确定有多少吸收太阳辐射需要支持表面温度280 k。对于每个案例,利用图估算表面温度会增加如果吸收太阳辐射增加增加了20 w / m2的原始值。amplication如何交

地面温度(K)

图4.32:如图4.31所示,但300 ppmv包括二氧化碳。请注意,“干”的情况不包括只有水蒸气的辐射效应;潮湿的绝热线仍用于温度曲线。

水汽反馈与没有二氧化碳在大气中获得的结果?

接下来,让我们看看OLR曲线变化的函数二氧化碳,与相对湿度保持固定在50%。结果在图4.33所示。增加的二氧化碳到大气中会降低所有的曲线,和您添加更多的二氧化碳,曲线越低。二氧化碳是行星绝缘:添加二氧化碳行星减少的速度它失去能量,对于任何给定的表面温度,就像房子添加玻璃纤维绝缘降低的速率房子失去了能量固定的室内温度(从而减少燃料燃烧,必须为了维护所需的温度)。我们注意到的另一件事是,当二氧化碳浓度变得非常大,曲线失去负曲率和凹向上,像< rT4。这是因为二氧化碳温室效应开始主导水蒸气的温室效应,所以OLR曲线趋平由于水蒸气与温度的增加变得不那么有效的温度范围。即使对于非常高的二氧化碳,水蒸气最终将维护统治地位随着气温超过320 k,导致再次曲线变平Kombayashi-Ingersoll限制接近。

作为一个例子的使用信息在图4.33中,我们先从一个星球100 ppmv大气层中二氧化碳,和足够的水供应保持大气50%饱和过程中任何气候变化。raybet雷竞技最新从图中,我们看到,吸收太阳辐射的257 W / m2足以维持平均表面温度280 k。从图我们可以看到,如果吸收太阳辐射保持固定,增加二氧化碳10倍到1000 ppmv将增加温度285 k一旦重新建立平衡,并增加另一个10倍到10000 ppmv(约1%的大气)温度将会增加至293 k。进一步增加到100000 ppmv大气(10%)增加了温度309 k。这些代表巨大的气候变化,但不是那么极端,因为他们如果二氧raybet雷竞技最新化碳是一个灰色的气体。作为另一个示例图可以告诉我们,我们问多少二氧化碳增加需要保持相同的280 k与调光器的太阳表面温度。阅读的垂直交叉的线Tg = 280 k,我们发现这个温度可以保持195 w / m2的吸收太阳辐射,如果二氧化碳浓度是100000 ppmv。因此,二氧化碳的增加了1000倍可以弥补太阳

地面温度(K)

图4.33:OLR vs表面温度不同二氧化碳浓度,以固定相对湿度为50%。图4.31的其他条件是一样的。

25%调光器的基本情况。

最后,我们将看看OLR随二氧化碳固定表面温度(图4.34)。这个数字是一个更类似地球版本的结果在图4.29中,在水蒸气对辐射的影响和绝热线已经考虑。在干燥的情况下,存在着广泛的二氧化碳浓度- 5 ppmv 5000 ppmv OLR减少几乎像内二氧化碳浓度的对数。斜率只有弱依赖于相对湿度,特别是如果一个叶子完全干燥的情况。这表明,水蒸气和二氧化碳的影响大约OLR的添加剂在这个范围内。我们注意进一步OLR的对数斜率与二氧化碳在非常高的二氧化碳越陡峭,从一开始接触更多的偏远二氧化碳的吸收特征谱;再次,在高浓度二氧化碳变得越来越有效的温室气体。相反,在非常低的浓度对数的斜率降低,随着二氧化碳吸收是由一个相对较少的主导,狭窄的吸收特性。

对于任何给定的二氧化碳值,增加水分含量降低了OLR,预计将从水蒸汽是一种温室气体。一点点的水很长一段路。100 ppmv的二氧化碳在大气中,从干燥的情况下到10%相对湿度降低的OLR 36 W / m2。达到相同的通过增加的二氧化碳减少,人会增加二氧化碳浓度从100 ppmv 10000 ppmv。显然,水蒸气辐射预算是一个非常重要的球员,尽管我们已经看到,由于水蒸气的热力控制在与地球相似的条件下,二氧化碳却仍然十分重要。大气是由所,水蒸气的进一步影响不太明显。只增加了相对湿度从10%到50%的OLR下降了17 W / m2,并一路饱和大气只带来OLR进一步下降了12 W / m2。此外,在非常高的二氧化碳浓度OLR变得更迟钝湿度、二氧化碳开始控制温室效应。

提出了图形化的信息数据4.32,4.33和4.34微型气候模型,允许许多有趣的问题关于气候定量地得到解决,而不需要执行详细的辐射和热力学计算;raybet雷竞技最新它的气候模型,可以印在钱包大小卡和raybet雷竞技最新携带无处不在。

图4.34:OLR vs二氧化碳固定表面温度Tg = 280 k,为不同的相对湿度值。图4.31的其他条件是一样的。

二氧化碳	aQ	人工智能	a2	a3
10 ppmv	258.56	2.5876	-0.0059165	-0.00013402
100 ppmv	246.13	2.5056	-0.0034095	-0.00010672
1000 ppmv	232.51	2.3815	-0.0015855	-8.3397 e-05
10000 ppmv	215.74	2.1915	0.00056634	-5.0508 e-05
100000 ppmv	189.06	1.8554	0.0044094	1.0735 e-05

表4.2:系数多项式适合OLR计算进行rh = 5。

表4.2:系数多项式适合OLR计算进行rh = 5。

2 3

佐薇+ aix + a2xa +, x

计算使用此信息可以简化数据表现为多项式,消除了单调和测量误差量图。然后,我们得到的是一个微型气候模型,可以设定成一个袖珍计算器。raybet雷竞技最新多项式适合允许OLR作为温度的函数计算,二氧化碳和相对湿度是列在表4.2和4.3。的OLR值参数列表之间的中间一个可以很容易地通过插值获得。

使用这些多项式适合,我们可以把数字我们的一些老最喜欢的气候问题解决OLR (T,二氧化碳)= S T,鉴于对二氧化碳和各种假设吸收太阳辐射智慧——美国raybet雷竞技最新

•全球变暖:如果我们假设22.5%的反照率,吸收太阳辐射是265

干313.8 -6.275 -0.36107 -0.019467

1 277.28 -5.9416 -0.35596 -0.020237

5 259.52 -5.5332 -0.33915 -0.018932

饱和249.1 -5.183 -0.32187 -0.017367

表4.3:系数多项式适合OLR = ao + aix + a2xa + a3x3, x = ln (CO2/100) ppmv二氧化碳。计算进行了Tg = 280 k表示水分条件。

W / m2。相对湿度50%,工业化前280 ppmv的二氧化碳浓度,相应的平衡温度是285 k,这是接近的全球工业平均温度。反照率我们需要承担这个基本情况有点小于地球的反照率,因为云反照率的一部分是云温室效应所抵消。现在,如果我们两倍的二氧化碳560 ppmv,新的温度287 k -两个学位变暖。这本质上是相同的答案通过Manabe和Wetherald先锋1967计算,并得到本质上相同的计算工作。如果我们两倍的二氧化碳,1120 ppmv,温度上升到289 k,进一步变暖的2度。事实上,每个两倍的二氧化碳给一个固定的额外增加的二氧化碳暖化反映了OLR的对数的依赖;直到有一到了非常高的浓度,减少每增加一倍的OLR大约4 w / m2。

•更新世冰期-间冰期旋回:在冰河时代的深度,二氧化碳下降到180 ppmv。使用相同的基本情况与前面的示例中,温度降至284 k,关于一个学位冷却相对于基本情况。这绝不是冰河时代的全部金额占冷却,但它足以暗示二氧化碳是主要的球员。在南半球情理之中,远离的直接影响主要北半球冰盖的增长,二氧化碳引起冷却半总量的三分之一,表明要么冰盖的影响传播到南部半球通过大气或海洋,或者冷却我们进一步提高了反馈由于云计算或海冰。

•古新世-始新世极热变暖:你有多少二氧化碳将转储到海洋大气系统占古新世-始新世极热1.9.1章节中讨论气候变暖?一个答案首先决定大气二氧化碳浓度需要增加多少,然后利用分区的信息碳在大气和海洋之间。古新世-始新世极热变暖一直在保守估计4 c,和几乎相同的大小在热带地区如北极。古新世-始新世极热事件从一个已经开始温暖温室气候raybet雷竞技最新,所以为了论证假设的二氧化碳从工业化前的四倍值,产生一个起始温度为289 k。我们需要增加的二氧化碳从280 ppmv到1090 ppmv(不到两番)达到293 k的变暖。这相当于一个添加C到大气中的二氧化碳1744吨,这是舒适的范围内实施的13 C数据,但并不是所有的碳添加到大气停留在大气中。在一千年,大约80%的大气碳将被海洋吸收,长期和海洋可能会占用更多。因此,维持变暖超过一年,一个需要添加至少5倍的名义价值,或8720吨海洋大气系统。可以如此大的碳和碳同位素记录和好吗?这是古新世-始新世极热的基本难题,可能要求某种强烈的不稳定气候系统的反馈。raybet雷竞技最新

•冰川的消失的雪球地球:如果我们增加地球的反照率60%(符合冰的反射率)和太阳常数减少6%(符合新元古代价值)的吸收太阳辐射只有128 W / m2。与二氧化碳280 ppmv,平衡全球平均温度是一个寒冷的228 k,或多或少独立于我们对相对湿度的假设。确定冰消阈值,我们将假定慷慨赤道是20 k比全球变暖的意思,所以,我们需要温暖的全球平均254 k融化热带地区。假设50%相对湿度,增加二氧化碳到200000 ppmv大气(大约20%)仍然只带来了全球平均243 k, deglaciate是不够的。从这个我们认为没有帮助从其他反馈系统中,二氧化碳会增加到值超过20%的大气deglaciate。事实上,详细的气候模型的计算表明,它raybet雷竞技最新比这更难deglaciate雪球计算建议。

•post-Snowball温室的温度假设莫名其妙地雪球deglaciate当二氧化碳积聚到20%。冰川的消失后,反照率将恢复到22.5%,吸收太阳辐射到249 W / m2。在地球上重建平衡时,温度会上升到311 k。这是热,热带地区会比全球平均温度。然而,地球不输入一个失控的温室和这些生物在生存范围内的耐热温度,尤其是极地可能不会比今天的温暖的热带地区。

•微弱的年轻的太阳:让我们考虑的时候太阳比今天,微弱的25%减少吸收太阳辐射66 W / m2。多少二氧化碳会增加相对于工业化前的值,以保持全球平均温度在280 k和防止定额出局?我们将解决这个问题通过使用符合表4.3中。280 ppmv二氧化碳OLR的253 W / m2假设50%的相对湿度。我们需要把这个下降了66 W / m2来弥补微弱的阳光。使用合适的,可以通过增加二氧化碳240000 ppmv(大气的24%)如果我们保持相对湿度为50%。另一方面,如果我们假设由于某种原因气氛变得充满了水蒸气,然后只需要增加大气的二氧化碳的15%。

•地球十亿年:根据情商。1.1,太阳常数将会增加到1497 W / m2,增加单位面积吸收太阳辐射到290 W / m2。如果二氧化碳保持固定在工业化前的值,地球将温暖全球平均温度296 K,如果在50%相对湿度保持固定。为了让硅酸盐风化恢复温度为287 k,风化作用会使二氧化碳一直到10 ppmv,此时光合作用,因为我们知道它可能成为不可能的。

•格利泽581 c, 581 d:温度Gliese 581 c和581 d行星在绕一个昏暗的M-dwarf明星。的红光谱M-dwarf会有一些影响行星能量平衡通过比例的变化直接在大气中吸收太阳能量。忽视了这种效果,虽然我们可以估计这些行星的温度假设他们有一个类似地球大气组成的水蒸气,CO2和N2 / O2。格利泽581 c是在一个轨道上,它会吸收约583 W / m2,假设的典型反照率与海洋一颗岩石行星。格利泽581 d只能吸收50 W / m2。即使二氧化碳是大气的20%,OLR将82 W / m2,格利泽581 d可能是一个冰冷的雪球。另一方面即使只有1 ppmv大气中的二氧化碳的OLR 330 k 351 W / m2,远低于格利泽581 c的吸收太阳辐射。因此,如果格利泽581 c的海洋,它很可能是处于失控的状态,我们将确认当我们审视真实气体大气压的失控的温室。有一个额外的皱纹Gliese系统,然而,在这些行星比地球更大规模和更高的表面重力。越高重力稍微降低了水蒸气的温室效应,因为对于一个给定的蒸汽压大气中的相应数量的质量较低,根据流体静力学关系。这证明酷格利泽581 c,但仍不足以拯救失控。

锻炼4.5.3多少碳需要被添加到实现4 k古大气变暖如果最初的二氧化碳的事件只有两次工业化前的价值?如果最初的二氧化碳是工业化前的8倍价值?(注意,在第一种情况下我们是隐式地假定一些未知的过程使古新世晚期温暖即使有相对较少的额外的二氧化碳)的帮助

上面的计算包括水汽反馈的影响,也包括影响反照率的变化由于冰盖,明确提及的地方。然而,它们不包含任何反馈将云环境的改变。云的变化可以放大或潮湿的气候变化预测晴空物理学的基础上,根据是否云温室效应或云的变化raybet雷竞技最新反照率效应胜出。不幸的是,没有简单的热力学处方,对于云反馈什么假设固定相对湿度对水汽反馈。我们将学习更多的关于管理的因素云辐射强迫在第五章,但理想化概念模型预测云反馈仍然是难以捉摸的。

二氧化碳的问题是否过高会占温室气候如白垩纪和始新世比另一个更具有挑战性的问题我们上面所讨论的,因为它需要一个回答一个地区气raybet雷竞技最新候的问题:在什么条件下我们可以抑制极地冰的形成吗?我们已经看到在第3章的很小变化辐射平衡可以使行星之间的区别和一个小极地冰盖和全球无冰的一颗行星。我只想说在这一点上,二氧化碳的增加16倍工业化前值的上限是什么似乎符合代理数据——将产生10 k的全球平均变暖。这足以压制在北极海冰的形成,并保持北极温度10度意味着什么?相关的热带气温太热会兼容可用代理数据?我们必须回到这些问题在第七章中,我们讨论了地区和气候的季节性变化。raybet雷竞技最新

继续阅读:温室效应的二氧化碳和甲烷

这篇文章有用吗?

+ 1 1