Blog > Komentarze do wpisu

Dlaczego Ziemia nie może zmienić się w Wenus?

W poprzedniej notce nie udzieliłem odpowiedzi na to pytanie.

Załóżmy, że mamy planetę z atmosferą złożoną wyłącznie z pary wodnej, bez chmur i z jednorodnym albedo powierzchni, na wokółsłonecznej orbicie odpowiadającej orbicie ziemskiej.

Załóżmy też, że temperatura powierzchni planety wynosi T (i nie interesuje nas na razie, w jaki sposób ta temperatura jest podtrzymywana). Żeby było ciekawiej, przyjmijmy że atmosfera planety jest (niemal) nasycona parą wodną na całej jej wysokości. Oznacza to, że zmiana temperatury wraz z wysokością podąża za gradientem wilgotnoadiabatycznym aż do tropopauzy. Innymi słowy, struktura termiczna atmosfery oraz jej skład zależy tylko od (założonej) temperatury powierzchni.

Profil temperatury (po lewej) oraz stężenia pary wodnej (środek) przy coraz wyższych temperaturach powierzchni. Gdy stężenie zbliża się do 1 (atmosfera złożona wyłącznie z pary wodnej), profile temperatury leżą na jednej krzywej -- gradientu wilgotnoadiabatycznego. Zwiększanie temperatury na powierzchni powoduje wzrost ciśnienia atmosfery na danej wysokości (np. powierzchni, oznaczonej krzyżykiem), ale nie ma wpływu na temperaturę przy danym ciśnieniu, np. 100 Pa. Źródło: Goldblatt i Watson 2012.

[edit: wykresy poniżej pokazują przypadek omawiany w tekście, z atmosferą złożoną wyłącznie z H2O]

Profil temperatury (lewy górny i lewy dolny) oraz strumień promieniowania uciekającego w kosmos OLR (prawy górny) przy coraz wyższych temperaturach powierzchni. Kolor zielony oznacza atmosferę która jeszcze nie osiągnęła katastrofy cieplarnianej (OLR wzrasta), kolor niebieski to katastrofa cieplarniana z podkrytyczną atmosferą, kolor czarny to atmosfera nadkrytyczna -- z temperaturą powierzchni uniemożliwiającą istnienie oceanów w stanie ciekłym. Na lewym dolnym wykresie linia przerywana oznacza ciśnienie atmosferyczne odpowiadające poziomowi powierzchni (248 barów dla atmosfer nadkrytycznych).

Możemy teraz podzielić taką atmosferę na małe warstwy i dla każdej z nich policzyć rozpraszanie Rayleigha, absorpcję i emisję promieniowania krótko- i długofalowego, po czym posumować je po całej wysokości. W efekcie otrzymamy dwa strumienie -- promieniowania docierającego do planety oraz uciekającego w kosmos. Jeśli powtórzymy te obliczenia dla różnych temperatur powierzchni (i w konsekwencji różnych profilów temperatury i wilgotności atmosfery), otrzymamy zależność wartości obu strumieni promieniowania od temperatury powierzchni. Coś takiego właśnie zrobili Golblatt et al w artykule opublikowanym niedawno w Nature Geoscience:

Absorpcja promieniowania krótkofalowego (góra) i emisja promieniowania długofalowego u szczytu atmosfery (dół) dla atmosfer złożonych z H2O. Na górze linia fioletowa i zielona oznaczają przypadki dla różnych albedo powierzchni; zbiegają się one ze sobą gdy atmosfera staje się nieprzezroczysta. Źródło: Goldblatt et al 2013.

Najpierw popatrzmy na zachowanie strumienia promieniowania krótkofalowego docierającego do planety (panel górny). Jego wzrost po lewej stronie wykresu wynika z tego, że poczatkowo przezroczysta dla światła słonecznego atmosfera może, dzięki coraz większej zawartości pary wodnej, coraz lepiej pochłaniać bliską podczerwień. Przy trochę większych temperaturach, i większej wilgotności, wzrost rozpraszania światła przez cząsteczki pary wodnej zaczyna przeważać, i absorpcja promieniowania słonecznego spada. Ostatecznie stabilizuje się ona na stałym, niezależnym od temperatury oraz albedo powierzchni poziomie: praktycznie całe światło słoneczne jest absorbowane i rozpraszane w górnych warstwach atmosfery, tym wyższych, im cieplejsza powierzchnia.

Promieniowanie długofalowe emitowane przez planetę (panel dolny) na początku rośnie wraz z temperaturą, zgodnie z tym, czego spodziewalibyśmy się po prawie Stefana-Boltzmanna. Ponieważ jednak coraz cieplejsza atmosfera zawiera coraz więcej pary wodnej, wzrost strumienia promieniowania spowalnia, aż w końcu zostaje zahamowany na pewnym krytycznym poziomie. Powyżej tej wartości, ochrzczonej granicą Simpsona-Nakajimy (od nazwiska Simpsona, o którym pisałem w poprzedniej notce, oraz nazwiska japońskiego naukowca, który zajmował się tymi zagadnieniami na początku lat 90tych) planeta nie może już wypromieniować więcej energii po prostu zwiększając temperaturę -- no chyba że rezerwuar dostarczający parę wodną do atmosfery przestanie istnieć, albo atmosfera zacznie świecić w krótszych długościach fali, co dzieje się po prawej stronie wykresu, przy temperaturach powierzchni powyżej 1600K. [Po namyśle muszę skorygować ten fragment -- wydaje mi się że nie ma możliwości opuszczenia już zainicjowanej katastrofy cieplarnianej inaczej niż poprzez wzrost temperatury. Wyczerpanie się rezerwuaru pary wodnej oznacza tylko tyle, że dół troposfery stanie się suchoadiabatyczny wcześniej niż przy osiągnięciu punktu krytycznego w temperaturze 647K, ale w dalszym ciągu góra będzie wilgotnoadiabatyczna z grubością optyczną wystarczającą do utrzymania uciekającego promieniowania długofalowego na poziomie ~300 W/m2.]

Zauważmy też, że dla całego zakresu temperatur odpowiadających katastrofie cieplarnianej (pomiędzy ~300 a 1600 K) ilość promieniowania słonecznego absorbowanego przez planetę, 294 W/m2 jest trochę większa niż granica Simpsona-Nakajimy wynosząca 282 W/m2, zatem gdybyśmy w naszym eksperymencie myślowym przestali sztucznie utrzymywać stałą temperaturę powierzchni na poziomie np. 800 K, nierównowaga radiacyjna wynosząca 12 W/m2 powodowałaby dalsze ocieplenie. Klimat planety musiałby więc "odlecieć" w prawo, aż do zbilansowania obu strumieni na poziomie 294 W/m2 przy temperaturze powyżej 1600 K.

Co by się jednak stało, gdyby zmniejszyć ilość promieniowania słonecznego docierającego do planety np. do 270 W/m2, tak by była poniżej granicy Simpsona-Nakajimy? W takim przypadku, nawet gdybyśmy wystartowali z planetą o temperaturze powierzchni wynoszącej 800 K, traciłaby ona więcej energii niż otrzymywała od Słońca. Przesuwalibyśmy się zatem w lewą stronę wykresu, aż do zbilansowania obu strumieni na poziomie 270 W/m2 i przy temperaturze poniżej 300 K.

Wynika z tego, że dopóki ilość promieniowania uciekającego z planety jest mniejsza od granicy Simpsona-Nakajimy, katastrofa cieplarniana nie jest możliwa. Wzrost zawartości CO2, choć powoduje ocieplenie na powierzchni, nie zwiększa ilości promieniowania uciekającego w kosmos. Żeby zwiększyć ilość energii uchodzącej z planety, trzeba zwiększyć ilość energii do niej docierającej w postaci promieniowania słonecznego; ponieważ przy obecnym albedo ~31% ilość ta wynosi około 240 W/m2 (z 340 W/m2), więc do osiągnięcia tej granicy brakuje nam co najmniej 40 W/m2. Bez zmniejszenia ziemskiego albeda o co najmniej połowę nie może być zatem mowy o katastrofie cieplarnianej.

Uważny czytelnik zapewne w tym momencie zgłosi zastrzeżenie, że omawiany wyżej przypadek dotyczył atmosfery złożonej wyłącznie z pary wodnej, a prawdziwa atmosfera zawiera przecież także inne składniki. Goldblatt z kolegami sprawdzili także i te przypadki odkrywając, że obecność gazów cieplarnianych zmniejsza wartość granicy Simpsona-Nakajimy w najlepszym razie tylko o kilka procent. Klimat Ziemi z dużą ilością CO2 i albedo podobnym do dzisiejszego byłby wciaż stabilny, choć bardzo ciepły.


Goldblatt C., Watson A.J. (2012): "The runaway greenhouse: implications for future climate change, geoengineering and planetary atmospheres", Phil. Trans. R. Soc. A vol. 370 no. 1974 4197-4216.

Goldblatt C., et al (2013): "Low simulated radiation limit for runaway greenhouse climates", Nature Geoscience 6, 661–667.

piątek, 16 sierpnia 2013, perfectgreybody

Polecane wpisy

TrackBack
TrackBack w tym blogu jest moderowany. TrackBack URL do wpisu:
Komentarze
Gość: fn, *.icpnet.pl
2013/08/17 15:52:52
Mam tu dwa poważne problemy:
1. Ziemskie albedo równe 0.17 przy 100-procentowym pokryciu planety chmurami? Wenus ma albedo 0.9 (wiem, chmury na Wenus są z SO2 a nie H2O, ale jednak na pierwszy rzut oka coś tu nie pasuje)
2. Gdy temperatura powierzchni przekroczy 374°C (647 K) cała woda będzie już w stanie lotnym i dalsze podnoszenie temperatury powierzchni nie będzie zwiększać już ilości pary wodnej w atmosferze, natomiast nadal - proporcjonalnie do 4 potęgi temperatury - będzie się zwiększać emisja energii z powierzchni. Dlatego mimo to emisja u szczytu atmosfery nie rośnie jeszcze przez następny 1000 stopni?
-
2013/08/17 19:31:12
1. Powyższe obliczenia (jak napisałem w pierwszym akapicie) dotyczą bezchmurnej atmosfery. Chmury zmniejszają oba strumienie, poprzez odbijanie światła słonecznego i efekt cieplarniany; w ziemskiej atmosferze pierwszy efekt dominuje ale jak to wyglądałoby w przypadku planety z atmosferą złożoną niemal wyłącznie z pary wodnej nie wie nikt. Goldblatt et al spekulują że w takim przypadku większy wpływ będą miały chmury wysokie i redukcja przez nie promieniowania długofalowego.
2. Przy temperaturze powyżej 647K na powierzchni superkrytyczne są tylko dolne partie atmosfery a reszta już zgodna z profilem wilgotnoadiabatycznym... więc dla szczytu atmosfery nie ma znaczenia czy na powierzchni są jeszcze oceany czy nie, liczy się to czy na górze jest wystarczająca ilość pary wodnej by uczynić atmosferę nieprzezroczystą dla promieniowania długofalowego.
-
2013/08/18 09:56:32
Dodałbym tu jeszcze jedna uwagę. Prawo zachowania energii obowiązuje i dlatego emisja długofalowa ze szczytu atmosfery nie może być na dłuższą metę większa niż to co planeta absorbuje w paśmie krótkofalowym (na krótszą może: tak się dzieje gdy z jakiegoś powodu planeta się ochładza).

Natomiast emisja z powierzchni może być dowolnie duża jeśli grubość optyczna atmosfery w paśmie długofalowym jest odpowiednio duża. Miałem o tym notkę:
anomaliaklimatyczna.com/2010/04/11/efekt-cieplarniany-pierwsze-przyblizenie-radiacyjne/

W ogóle wydaje mi się, że w atmosferze takiej jak na Wenus to bilans radiacyjny jest fundamentem a strumienie ciepła poprawką (a nie odwrotnie jak w notce powyżej). Tzn. nie da się zrozumieć wysokiej temperatury Wenus inaczej niż przez obliczenia radiacyjne. Ale to tylko moja intuicja.
-
2013/08/19 10:31:45
Przeczytałem artykuł Goldblatt i Zahnle 2013 i mam mieszane uczucia. Przede wszystkim fn ma rację, że kwestia chmur podważa dość poważnie rozważania o atmosferze podobnej do Wenus ale... bezchmurnej. Autorzy sami sobie zdają z tego sprawę bo mają w artykule dyskusję wpływu chmur. Jednak nie sądzę aby przekonali nawet sami siebie, że nie wiadomo jaki znak wymuszenia miałoby dodanie chmur (bo na znanej nam Ziemi niskie chmury chłodzą a wysokie zwiększają efekt cieplarniany). Przecież w atmosferze takiej jak na Wenus co najmniej 99% chmur to chmury niskie.

Teraz już bardziej do specjalistów: Nie do końca kupuję argumentu, że chmury poniżej jednej grubości optycznej dla promieniowania krótkofalowego nie są ani grzejące ani chłodzące. Tzn. nie kupuję tego bez przeliczenia tego. Gdyby tak było to atmosfera wypełniona chmurami aż po szczyt zasadniczo nie miałaby żadnego niezerowego wymuszenia? Naprawdę? Huh?

Co ciekawe artykuł napisali specjaliści od chmur. Dwa lata wcześniej mieli artykuł, w którym twierdzili, że ilość chmur nie miała wpływu na ogrzewanie młodej Ziemi czyli dużą ilością chmur nie wyjaśni się Paradoksu Młodego Słońca. Jakoś mnie to nie zaskakuje natomiast nie bardzo wierzę, ze zwiększenie albedo z 0.30 do 0.80 nie ochłodzi Ziemi. Tzn. zwiększenie bez zwiększenia koncentracji gazów cieplarnianych. Bo Wenus nie jest gorąca bo ma chmury ale ma chmury bo jest gorąca dzięki właśnie runaway greenhouse.

To ten artykuł:
www.clim-past.net/7/203/2011/cp-7-203-2011.html
A to mój wpis na temat Paradoksu Młodego Słońca:
anomaliaklimatyczna.com/2010/06/06/paradoks-slabego-slonca-dlaczego-mloda-ziemia-nie-byla-zamarznieta/

A co do samej granicy Simpsona-Nakajimy też mam komentarze ale najpierw chętnie przeczytałbym artykuł Nakajimy. Jeśli to kogoś interesuje to jest tu (ja go mogę ściągnąć ale nie wiem czy jest dostępny dla wszystkich, wiec jeśli będą problemy proszę o maila a wyślę - to samo dotyczy innych artykułów o których piszę): journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0469%281992%29049%3C2256%3AASOTGE%3E2.0.CO%3B2

Niezłe streszczenie jego idei jakie znalazłem w Goldblatt i Watson 2012, "The runaway greenhouse: implications for future climate change, geoengineeringand planetary atmospheres", Phil. Trans. R. Soc. A, 370, 41974216 dx.doi.org/10.1098/rsta.2012.0004
Tak, znów Goldblatt. Nie jest to chyba szeroko badana dziedzina ;)
-
2013/08/19 11:03:38
Poprawię sam siebie przeczytałem artykuł Goldblatt i inni 2013 (tam jest trzech współautorów, nie jeden).

Rozweselił mnie jeden szczegół z pewnego związanego z tym i moim blogiem powodu:

"The thermal radiation limit depends weakly on the mass of the planet (Supplementary Fig. S8). Everything else being equal, a Mars-size planet would be more susceptible to a runaway greenhouse and a so-called super-Earth less"

Rysunek S8 z suplementu tego artykułu pokazuje liniową (rosnącą) zależność temperatury limitu Simpsona-Nakajamy od masy planety. Jest to dokładnie odwrotne od tego czym spamował oba nasze blogi niejaki "zenek" :)
-
2013/08/19 13:12:37
"W ogóle wydaje mi się, że w atmosferze takiej jak na Wenus to bilans radiacyjny jest fundamentem a strumienie ciepła poprawką (a nie odwrotnie jak w notce powyżej). Tzn. nie da się zrozumieć wysokiej temperatury Wenus inaczej niż przez obliczenia radiacyjne. Ale to tylko moja intuicja."

Głęboka troposfera Wenus jest sucha więc faktycznie strumień ciepła utajonego nie ma znaczenia przy transporcie ciepła z powierzchni. Z drugiej strony gradient temperatury jest suchoadiabatyczny czyli mniejszy niż wynikałby z samego bilansu radiacyjnego, zatem gdyby nie konwekcja temperatura na powierzchni byłaby jeszcze wyższa.

"Przecież w atmosferze takiej jak na Wenus co najmniej 99% chmur to chmury niskie."

No nie wiem, te chmury powstają fotochemicznie (i chyba w większości ponad tropopauzą Wenus) więc nijak się to ma do hipotetycznej atmosfery z pary wodnej.

"Teraz już bardziej do specjalistów: Nie do końca kupuję argumentu, że chmury poniżej jednej grubości optycznej dla promieniowania krótkofalowego nie są ani grzejące ani chłodzące. Tzn. nie kupuję tego bez przeliczenia tego. Gdyby tak było to atmosfera wypełniona chmurami aż po szczyt zasadniczo nie miałaby żadnego niezerowego wymuszenia? Naprawdę? Huh?"

Argument jest taki że to co się dzieje głęboko w nieprzezroczystej atmosferze (albo na powierzchni) nie ma wpływu na profil termiczny atmosfery ani wielkość strumieni radiacyjnych, bo większość promieniowania słonecznego jest i tak absorbowana powyżej, a temperatura (a więc i emisja z danej warstwy atmosfery) jest ustawiana przez gradient wilgotnoadiabatyczny. A jak wyglądają chmury powyżej jednej grubości optycznej to już bardziej handwaving niż solidny argument.

BTW polemikę zespołu Kastinga z Goldblattem (i przy okazji z wcześniejszym artykułem tego samego zespołu Kastinga) można przeczytać tutaj (nierecenzowany preprint):
arxiv.org/abs/1306.5730
-
2013/08/19 17:42:05
Głęboka troposfera Wenus jest sucha więc faktycznie strumień ciepła utajonego nie ma znaczenia przy transporcie ciepła z powierzchni. Z drugiej strony gradient temperatury jest suchoadiabatyczny czyli mniejszy niż wynikałby z samego bilansu radiacyjnego, zatem gdyby nie konwekcja temperatura na powierzchni byłaby jeszcze wyższa.

Tak ale w którą stronę (wyższa czy niższa)? To pozornie idiotyczne pytanie ale niejaki Izakov proponował turbulentne strumienie ciepła w atmosferze Wenus przenoszące ciepło w dół.
link.springer.com/article/10.1023/A:1015841130633
Nie żebym w to wierzył. To moim zdaniem wprost łamie zasady termodynamiki. Jednak to, że mu to opublikowano pokazuje jak słabo rozumiemy atmosferę planety z runaway greenhouse.
-
2013/08/19 18:45:53
Natomiast polemiki zespołu Kastinga z Goldblattem (i przy okazji z wcześniejszym artykułem tego samego zespołu Kastinga) niestety nie można już przeczytać bo autorzy wycofali ja z Arxiv. Wygląda na to, że chcą ja opublikować w czasopiśmie recenzowanym.
-
2013/08/19 18:59:27
Sorry, ciągle dostępna jest poprzednia wersja artykułu (nic na Arxiv nie ginie):
arxiv.org/vc/arxiv/papers/1306/1306.5730v2.pdf

Podoba mi się to bo używa bardziej sensownej definicji runaway greenhouse, a mianowicie sytuacji gdy ocean w pełni wyparuje. Na Ziemi jest do tego potrzebne osiągnięcie temperatury 647 K (374 C) gdyż taka jest temperatura wrzenia wody przy ciśnieniu jakie będzie miała atmosfera zawierająca cały ocean (220 atmosfer). To w praktyce oznacza wysterylizowanie naszej planety.

Goldblatt woli jako definicję temperaturę przy której strumień długofalowej energii promienistej nie będzie w stanie wynieść z atmosfery całej energii absorbowanej w paśmie krótkofalowym. To moim zdaniem mniej intuicyjne chociaż wychodzi na to samo: nadwyżka energii doprowadzi do wyparowania oceanów, a strumienie się w końcu wyrównają ale dopiero przy temperaturze powierzchni około 1400 K.
-
2013/08/21 10:02:01
Obiecałem, że skomentuję samą ideę granicy Simpsona-Nakajimy gdy przeczytam artykuł tego ostatniego. Przeczytałem i jestem rozczarowany. To bardzo uproszczona analiza. Zbyt uproszczona. On porównuje grubości optyczne wyliczone z masy pary wodnej (przy czym pomija rozpraszanie) z grubością optyczną potrzebną do uzyskania danej temperatury powierzchni jaką wyliczyłem u siebie na blogu jako małe ćwiczonko (a potem dowiedziałem się, że pierwszy zrobił to Eddington). Czyli mogłem zrobić dokładnie to co on i wrzucić na blog, tylko spóźniłem się 20 lat. Z tym, że mi by nie przyszło do głowy robi z tego artykułu. Za dużo tu przybliżeń. Najbardziej razi zaniedbanie rozpraszania w obliczaniu grubości optycznej. Dla podczerwieni to OK ale dla zakresu widzialnego to bzdura. Po prostu w tak gęstej atmosferze do powierzchni planety dojdzie znacznie mniej światła niż zakładają Simpson, Nakijima czy Goldblatt, nawet jeśli nie założymy żadnej absorpcji (tak działają chmury na Ziemi jeśli nie ma w nich sadzy i tak działa atmosfera Wenus).

Drugim problemem jest oczywiście brak chmur w ich modelach. Po prostu zastanawiam się czy wobec malejącej dawki oświetlenia słonecznego przy rosnącej grubości atmosfery w ogóle dojdzie do tego problemu wypromieniowania promieniowania cieplnego, który wg. wymienionych powyżej osób definiuje runaway greenhouse. Moja intuicja mówi mi, że nie dojdzie. tzn. oceany w końcu wyparują jeśli pary wodnej będzie odpowiednio dużo w atmosferze ale nie będzie tej nieciągłości tak podniecającej tych autorów. Czyli rację ma Kasting, nie oni, definiując to zjawisko przez końcowy efekt (wyparowanie oceanów) a nie hipotetyczny mechanizm. Niestety jak widać nikt tego jak na razie nie umie policzyć z rozpraszaniem i chmurami.

I jeszcze uwaga dla perfectgreybody. Pisałem, że w takiej atmosferze strumienie ciepła są poprawką do strumieni radiacyjnych. Teraz się poprawię. Tak jest w każdej atmosferze oświetlonej słońcem, także w ziemskiej. Wynika to chociażby z wielkości jednych i drugich strumieni.

A Twój argument o lapse rate jest nietrafiony. Dlaczego gaz w atmosferze jest tym zimniejszy im ma mniejsze ciśnienie? Zenek by powiedział, że wynika to wyłącznie z termodynamiki. Nie miałby racji bo tak by było tylko gdyby gaz nie wypromieniowywał promieniowania termicznego (emisyjność zero). Wtedy mielibyśmy "suchy" gradient temperatury nawet bez istnienia słońca. Jednak prawdziwy gaz wypromieniowuje promieniowanie termiczne i "psuje" ten gradient. Otóż strumień ciepła wyczuwalnego usiłuje przywrócić suchy gradient (a utajonego zwiększyć go do mokrego). Gdyby nie było strumieni radiacyjnych nie byłoby też strumieni ciepła. Nie odwrotnie.

Zresztą nawet Nakijima i koledzy piszą o tym na str. 9 swego artykułu. Pokazują mianowicie, ze można temperaturę atmosfery wyrazić w funkcji grubości optycznej. To dowód wprost, tego że to radiacja (oczywiście przy pomocy praw termodynamiki) definiuje gradient temperatury, a strumienie ciepła są tylko korygującym dodatkiem.
-
2013/08/21 10:15:00
Trochę mnie poniosło. Oczywiście gradient radiacyjny temperatury jest większy niż suchy (adiabatyczny) i mokry ("nasycony"). Zatem strumienie te próbują zmniejszyć (a nie zwiększyć) gradient wywołany promieniowaniem radiacyjnym, tzn. ogrzać wyższe partie troposfery wychłodzone przez wypromieniowanie ciepła w kosmos.

-
2013/08/21 10:28:53
To znowu ja (sorry).

Wynika z tego też wniosek, że aby Izakov miał swoje strumienie ciepła skierowane w dół w swobodnej atmosferze Wenus i nie łamał praw termodynamiki musiałby tam być gradient pionowy temperatury mniejszy niż adiabatyczny. Widzę tylko jeden sposób uzyskania takiego (też radiacyjny). Promieniowanie długofalowe musiałoby mieć mniejszą grubość optyczną w chmurach Wenus niż krótkofalowe. Czy to jest w ogóle możliwe? Moim zdaniem nie ale to też trzeba by było policzyć...
-
2013/08/21 12:46:33
Tak zupełnie z innej beczki: coś dla wszystkich fanów tezy, że zmiany klimatu są niegroźne i ziemia sobie zawsze poradzi:

dienekes.blogspot.com/2013/08/climate-caused-late-bronze-age-collapse.html

-
2013/08/21 13:34:49
A propos niegroźnych zmian klimatu. American Geophycical Union (AGU) wydała oświadczenie o konieczności działań w sprawie zmian klimatu spowodowanych przez człowieka:
www.agu.org/sci_pol/pdf/position_statements/AGU_Climate_Statement_new.pdf

Jeden członek panelu wydał odrębne stanowisko. Był to znany skądinąd Roger Pielke Sr. Co ciekawe, jak pisze w EOS przewodnicząca AGU, Carol Finn:

"Despite his dissenting position, Roger Pielke Sr. remained on the panel and continued to participate in the process, including contributing language that helped strengthen the final statement."

Pielke pomagał wzmocnić oświadczenie od którego się odciął? Chyba nigdy nie zrozumiem o co chodzi "sceptykom".

Artykuł w EOS jest tu ale niestety nie dla wszystkich za darmo:
onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2013EO340006/pdf
Opublikowali też votum separatum Pielkego:
onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2013EO340007/pdf
-
2013/08/21 14:05:35
@arctic_haze
"Po prostu w tak gęstej atmosferze do powierzchni planety dojdzie znacznie mniej światła niż zakładają Simpson, Nakijima czy Goldblatt, nawet jeśli nie założymy żadnej absorpcji (tak działają chmury na Ziemi jeśli nie ma w nich sadzy i tak działa atmosfera Wenus)."

Co do Simpsona i Nakajimy to zgoda -- ich obliczenia dotyczyły szarej atmosfery. Ale Goldblatt et al już rozpraszanie uwzględnili i zresztą wyszło im to co mówisz (fig 1 albo możesz zajrzeć do plików hrt z SI). Tym niemniej, jak napisałem wcześniej, nie ma to znaczenia dla ich argumentacji, bo struktura termiczna atmosfera i temperatura powierzchni jest u nich ustawiana przez strumienie nieradiacyjne (tzn. gradient wilgotnoadiabatyczny poniżej punktu krytycznego wody i gradient suchoadiabatyczny powyżej tego punktu).

"Czyli rację ma Kasting, nie oni, definiując to zjawisko przez końcowy efekt (wyparowanie oceanów) a nie hipotetyczny mechanizm."

Definicja Kastinga jest mniej ogólna ale prowadzi do identycznych wniosków (patrz fig C4 ich artykułu gdzie porównują własne obliczenia z Goldblattem). (Nie)obecność oceanów nie ma tak naprawdę znaczenia -- jeśli zostanie osiągnięty punkt krytyczny wody, to znaczy że limit radiacyjny też został już dawno osiągnięty i temperatura musi rosnąć dalej.
-
2013/08/21 14:50:57
Ale właśnie sęk w tym, że gradient suchoadiabatyczny praktycznie nie wymaga żadnych strumieni. To byłaby immanentna cecha gazu doskonałego (pV = RT) gdyby tylko nie istniało promieniowanie termiczne ciał.
-
2013/08/21 14:57:18
Sorry, nie powinienem się tak śpieszyć. Mam na myśli wzór. Chodzi tu oczywiście przemianę adiabatyczną pl.wikipedia.org/wiki/Przemiana_adiabatyczną nie równanie Clapeyrona bo chodzi nam o sytuację bez dostarczania czy odprowadzania energii. Właśnie bez strumieni ciepła czy strumieni radiacyjnych.
-
2013/08/21 22:36:19
Znowu inna bajka. Od samego czytania robi się gorąco ;-)
iopscience.iop.org/1748-9326/8/3/034018/
-
2013/08/22 10:03:02
"Chodzi tu oczywiście przemianę adiabatyczną nie równanie Clapeyrona bo chodzi nam o sytuację bez dostarczania czy odprowadzania energii. Właśnie bez strumieni ciepła czy strumieni radiacyjnych."

No i dlatego wszyscy zakładają że gradient suchoadiabatyczny będzie w takiej troposferze zachowywany zawsze, niezależnie od tego ile dociera do powierzchni promieniowania słonecznego.

Ale powtórzę raz jeszcze - występowanie katastrofy cieplarnianej jest niezależne od tego co dzieje się na dole atmosfery. Przejście z non-runaway do runaway (zielony i niebieski poniżej) jest płynne i nic się tutaj magicznego nie dzieje poza tym że wzrost OLR się wysyca na granicy Simpsona-Nakajimy.

doskonaleszare.blox.pl/resource/purewater_greenhouse.png

Od tego momentu, jak długo ten kawałek atmosfery (w tym przypadku od 0.03 bara, czyli od pierwszej linii niebieskiej przerywanej w górę) będzie wilgotnoadiabatyczny, dalsze zwiększanie temperatury nic nie daje - bo do osiągnięcia wymaganej grubości optycznej wystarcza w zupełności 0.03 bara, a wzrost temperatury powoduje tylko rozwijanie się wilgotnejadiabaty w 'dół' (w jednostkach ciśnienia a nie kilometrach). Jednocześnie kawałek atmosfery odpowiedzialny za katastrofę cieplarnianą jest na tyle rzadki, że przepuszcza większość promieniowania słonecznego, więc jak długo jest ono absorbowane poniżej, nie ma znaczenia czy jest pochłaniane niżej w atmosferze czy już na samej powierzchni.

Osiągnięcie punktu krytycznego wody (linia czarna) powoduje zmianę struktury termicznej atmosfery bo nagle przybywa 220+ barów pary wodnej i dół troposfery staje się suchoadiabatyczny, ale to nie ma wpływu na wilgotny kawałek atmosfery powyżej i strumień OLR.

I dlatego też definicja 'radiacyjna' Goldblatta jest moim zdaniem lepsza od 'temperaturowej' Kastinga.
-
2013/08/22 10:47:30
Chyba nie przeczytałeś uważnie tego co pisałem. Moim zdaniem analiza Nakajimy jest błędna w miejscu gdzie zakłada, że w takiej atmosferze promieniowanie krótkofalowe będzie się rozchodziło bez przeszkód. To bzdura. Szczególnie, że pokrycie chmurami będzie przecież 100%. Nawet bez absorpcji samo rozpraszanie zmniejszy skutecznie strumień dochodzącego do powierzchni promieniowania. Tak jak na Wenus, gdzie dochodzi tam do powierzchni zdaje się 11% oświetlenia ze szczytu atmosfery.

I żadna z nowszych analiz tego nie poprawiła. Żadna z nich nie ma przecież chmur. A jeśli do powierzchni dojdzie zamiast 240 W/m2 na przykład 100 W/m2 to czy będzie problem z jego wypromieniowaniem w kosmos? Moim zdaniem nie, i jestem skłonny założyć się z Tobą o 1000 zł lub więcej, że tak się okaże gdy ktoś wreszcie zrobi modelowanie przy pomocy modelu transmisji promieniowania 3D z chmurami. Czyli cała ta granica Simpsona-Nakajimy to czysta teoria niemożliwa do osiągnięcia w rzeczywistej atmosferze bo przy zwiększaniu się ilości pary wodnej w atmosferze rośnie grubość optyczna nie tylko w długofalowym ale też w krótkofalowym paśmie radiacji.

Co nie zmienia faktu, że i przy 100 W/m2 (albo mniej) dochodzących do powierzchni zapewne też zagotujemy ocean jeśli będziemy mieli odpowiednią grubość optyczną atmosfery w podczerwieni. I to bez zbliżenia się do granicy Simpson-Nakajimy. Jednak nie będziemy wiedzieli tego na pewno bez dokonania obliczeń przy pomocy realistycznego modelu.
-
2013/08/22 11:45:26
"Chyba nie przeczytałeś uważnie tego co pisałem. Moim zdaniem analiza Nakajimy jest błędna w miejscu gdzie zakłada, że w takiej atmosferze promieniowanie krótkofalowe będzie się rozchodziło bez przeszkód. To bzdura."

Przeczytałem uważnie ale dalej uważam że nie masz racji. Możesz się czepiać analizy Nakajimy ale przecież Goldblatt policzył to samo SMARTem i uwzględnił pochłanianie SW i rozpraszanie. W rejonie wystarczającym do ograniczenia OLR, czyli górnych 0,03 bara, promieniowanie krótkofalowe rozchodzi się bez większych przeszkód (~70-75% dociera niżej).

Niżej jest inaczej, i do powierzchni faktycznie może docierać zero SW, ale nie ma to żadnego znaczenia tak długo jak na samej górze jest utrzymywana struktura termiczna gradientu wilgotnoadiabatycznego.

I o ile można sobie wyobrazić że niżej brak grzania atmosfery przez SW powoduje że tworzy się jakiś egzotyczny profil temperaturowy np. z inwersją a nie jak wszyscy sobie a priori zakładają sucha adiabata, ale to nie wystarcza by usunąć limit OLR tworzony przez najwyższe 0,03 bara atmosfery.
-
2013/08/22 15:53:43
Może i uwzględnili rozpraszanie ale bez chmur. Czyli praktycznie mogli sobie to uwzględnienie darować. Rozpraszanie zaczyna mieć naprawdę znaczenie w optycznie grubych ośrodkach, a takim w zakresie krótkofalowym atmosfera bez chmur nie jest.

Proste obliczenie (patrz wzór z cytowanego wyżej wpisu z mojego blogu) pokazuje, że dla grubości optycznej większej niż ok. tau=3, oświetlenie na powierzchni nie osiągnie granicy Simpsona-Nakajimy (S-N). A to nie jest duża głębokość optyczna dla świata dążącego do odparowania oceanu. Nie muszę dodawać, że planeta nie może wypromieniować więcej niż dostaje (teraz już chyba wiadomo czemu o tym wcześniej pisałem) więc limit S-N nigdy nie będzie osiągnięty. A czy ocean wyparuje?

Niewykluczone gdyż transmitancja przez chmury Wenus to tylko ok. 0,1, czyli daleko mniejsza wartość niż potrzebna do "uniknięcia" limitu S-N, a temperatury są wystarczające do topienia ołowiu.

Nawiasem mówiąc nawiązałem już dialog o tym z samym Goldblattem. Potwierdził, ze chmury to największy problem, a teraz czekam na jego odpowiedź na dokładnie na tą kwestię, o której powyżej pisałem.
-
2013/08/22 16:50:26
"Może i uwzględnili rozpraszanie ale bez chmur. Czyli praktycznie mogli sobie to uwzględnienie darować."

Ok, ale to wcale nie było oczywiste że nawet taka wyidealizowana bezchmurna atmosfera będzie pochłaniać tak dużo promieniowania słonecznego jak wyszło Goldblattowi. Stary wynik Kastinga (też dla bezchmurnego przypadku) to 222 W/m2 a więc sporo mniej.

Moim zdaniem jest to mimo wszystko godne uwagi (i publikowalne) że od katastrofy cieplarnianej dzieli Ziemię "tylko" wymuszenie chmur.

"Rozpraszanie zaczyna mieć naprawdę znaczenie w optycznie grubych ośrodkach, a takim w zakresie krótkofalowym atmosfera bez chmur nie jest."

Atmosfera z 2,5 km pary wodnej (a nie 24 mm jak obecna) też jest optycznie gruba.

"Proste obliczenie (patrz wzór z cytowanego wyżej wpisu z mojego blogu) pokazuje, że dla grubości optycznej większej niż ok. tau=3, oświetlenie na powierzchni nie osiągnie granicy Simpsona-Nakajimy (S-N)."

No ale ja się z tym zgadzam (jak zajrzysz do SI Goldblatta to zobaczysz że już przy 30 barach do powierzchni docierają miliwaty). tyle że w omawianym przypadku oświetlenie na powierzchni nie ma znaczenia, tak jak nie ma znaczenia, powiedzmy, wartość nasłonecznienia na "powierzchni" planet gazowych olbrzymów. Wystarczy, że atmosfera absorbuje (na całej wysokości) więcej promieniowania, niż jest w stanie wyemitować przez górne 0,03 bara, i wystarczy że potrafi podtrzymać gradient wilgotnoadiabatyczny u szczytu atmosfery.
-
2013/08/22 22:46:40
Macie rację (Ty i Goldblatt) jeśli ta energia jest zabsorbowana. Nie macie racji jeśli jest odbita po wielokrotnym rozproszeniu. Pamiętaj, że w chmurze bez absorpcji transmitancja zmniejsza się wraz z wzrastającą grubością optyczną nie kosztem wzrastającej absorbancji (ta wynosi zero) ale reflektancji (odbicia). Mówiąc krótko wzrostu albedo. I dlatego za szybko zbyłeś użytkownika fn bo jego pytanie miało całkiem dobry sens.

Moim zdaniem jest to mimo wszystko godne uwagi (i publikowalne) że od katastrofy cieplarnianej dzieli Ziemię "tylko" wymuszenie chmur.

Mniej więcej to samo mu napisałem na koniec dyskusji, gratulując mu artykułu. Bo chociaż tak jak Ty nie uwierzył, że dodanie chmur sprawi, że jego ulubiony limit S-N stanie się mało ważnym przypisem (co moim zdaniem jest dość oczywiste) to nie zmienia to faktu, ze ten artykuł posunął wiedzę na ten temat. Już chociażby przez wskazanie co należy zrobić aby te obliczenia uczynić bardziej realistycznymi.
-
2013/08/26 23:29:19
Dodam jeszcze, że sprawę chmur, tak niemożliwych do oszacowania przez Goldblatta i współpracowników, Kasting rozważał już w artykule z 1988 roku (czyli jeszcze przed Nakijimą):
www3.geosc.psu.edu/~jfk4/PersonalPage/Pdf/Icarus_88.pdf

Ogólnie, warstwa chmur nawet o grubości "tylko" kilku dziesiątych części bara, zmniejszy oświetlenie krótkofalowe ok. 3 razy, zwiększając albedo planetarne z 0,36 do 0,8 (str. 483 w artykule). Czyli tak jak to opisywałem wyżej.

A czy to rzeczywiście nie będzie miało znaczenia dla osiągnięcia "runaway greenhouse"? Otóż nawet Goldblatt w swoim artykule przeglądowym z Watsonem (2012, dx.doi.org/10.1098/rsta.2012.0004 ) przyznaje, że opóźniło by to dojście do tej katastrofy:

"Relaxing the assumption that the atmosphere is transparent to shortwave
radiation causes some qualitative changes as water vapour absorbs solar radiation.
As the water vapour inventory increases with temperature, there is initially an
increase in absorption (decrease in planetary albedo). However, as the atmosphere
becomes thicker, increased Rayleigh (molecular) scattering dominates and net
absorption decreases (planetary albedo increases). Consequently, the runaway
greenhouse would be initiated later, as solar absorption is typically decreasing as
thermal emission asymptotes [12].
"

Ten [12] to właśnie Kasting 1988 - tak go znalazłem. W dodatku Goldblatt i Watson moim zdaniem bredzą pisząc w tym kontekście jedynie o rozpraszaniu rayleighowskim (chyba cytują Kastinga bez zrozumienia, pomijając opisywaną przez niego kwestie chmur). Jakoś nie zmienia to mojego przekonania, że Kasting znacznie lepiej czuje to zjawisko niż Goldblatt. Artykuł Kastinga nie odnosi się wprost do idei granicy Simpsona-Nakajimy , bo jeszcze jej wtedy nie było ;-) Tzn. czy jest ona w ogóle do osiągnięcia. Może w przyszłości będą o niej pisali jako o teoretycznej ciekawostce jak Goldblatt pisze o innej teoretycznej granicy KomabayashiegoIngersolla:

"Historically, this is the limit discovered by the first workers to explicitly describe the runaway greenhouse [6,7], though as we will describe later, this limit is effectively impossible to achieve in practice on Earth."

A ponieważ, jak też już pisałem, bez policzenia tego modelem 3D z chmurami nie będziemy tego wiedzieć, ja bym nie definiował katastrofalnego efektu cieplarnianego przy pomocy granicy wypromieniowanego oświetlenia długofalowego, która być może nie musi być wcale osiągnięta dla uzyskania wygotowania oceanu.
-
2013/08/27 12:48:02
"W dodatku Goldblatt i Watson moim zdaniem bredzą pisząc w tym kontekście jedynie o rozpraszaniu rayleighowskim (chyba cytują Kastinga bez zrozumienia, pomijając opisywaną przez niego kwestie chmur)"

Moim zdaniem dobrze go rozumieją - powołują się na podstawową analizę Kastinga (tę z rys. 7) gdzie też jest przypadek bez chmur i gdzie zachodzi dokładnie to co opisują - początkowy wzrost Fs wywołany wzrostem absorpcji a potem spadek Fs wywołany rozpraszaniem. A główna różnica pomiędzy wynikami Kastinga a Goldblatta, jak już pisałem wyżej, polega na tym że u Kastinga dla 'present Earth' Fs leży pod Fir a u Goldblatta na odwrót.

"Artykuł Kastinga nie odnosi się wprost do idei granicy Simpsona-Nakajimy , bo jeszcze jej wtedy nie było ;-) Tzn. czy jest ona w ogóle do osiągnięcia. Może w przyszłości będą o niej pisali jako o teoretycznej ciekawostce jak Goldblatt pisze o innej teoretycznej granicy KomabayashiegoIngersolla"

No ale chyba nie ma wątpliwości że granica Simpsona-Nakajimy jest możliwa do osiągnięcia... wystarczy zmniejszyć odległość planety od gwiazdy (w tym przypadku o połowę). Zaobserwowanie takiego stanu może być trudne bo trwa on stosunkowo krótko w stosunku do życia planety (setki milionów lat), ale mogę przystać na Twoją propozycję i założyć się o 1000 zł, że niezależnie od tego co pokażą bardziej skomplikowane modele, planeta przechodząca przez runaway greenhouse zostanie odkryta przed rokiem 2035.
-
2013/08/27 18:49:57
Zaryzykowałbym nawet tezę że taka planeta jest gdzieś tutaj:
kepler.nasa.gov/files/mws/appendixTable_2012Feb26.txt
ale na razie nie ma jak tego zweryfikować.
-
2013/08/27 23:04:35
Pisałem o osiągnięciu granicy S-N na Ziemi tak jak w cytacie z Goldblatt i Watson 2012 o innej granicy (K-I), którą się kiedyś podniecali pracujący w tej dziedzinie naukowcy, nawet tak wybitni jak Pierrehumbert.

I nie miałem na myśli Ziemi za 1.5, 2 czy 5 mld lat bo przy coraz jaśniejszym Słońcu kiedyś nawet skały nam się zagotują. Ale nawet wtedy możemy akurat tej granicy nie osiągnąć, bo przy dość powolnym wzrastaniu koncentracji pary wodnej w stratosferze, możemy całą wodę stracić w wyniku dysocjacji H2O pod wpływem ultrafioletu, a następnie ucieczki wodoru. A jeśli tak, to ten limit akurat w przypadku Ziemi jest totalną abstrakcją bo bez wody nie ma granicy S-N.

To zresztą pogląd samego... Goldblatta i Watsona z wymienionego wyżej artykułu:

"For insolation-driven runaways (or a planet subject to relentless bolide impact), the ultimate escape from a runaway greenhouse would be loss of water to space by disassociation owing to photolysis and then escape of hydrogen to space. Given that the atmosphere would be dominated by water vapour, hydrogen escape would be energetically limited (hydrodynamic escape), and the time scale for loss of an Earth-size ocean of water would be a few hundred million years [36]."

zaś [36] to artykuł, w którym Watson jest pierwszym autorem: dx.doi.org/10.1016/0019-1035(81)90101-9

-
2013/08/28 10:37:38
"Ale nawet wtedy możemy akurat tej granicy nie osiągnąć, bo przy dość powolnym wzrastaniu koncentracji pary wodnej w stratosferze, możemy całą wodę stracić w wyniku dysocjacji H2O pod wpływem ultrafioletu, a następnie ucieczki wodoru. A jeśli tak, to ten limit akurat w przypadku Ziemi jest totalną abstrakcją bo bez wody nie ma granicy S-N."

Ok, może to być wystarczające w przypadku Ziemi, ale innych planet niekoniecznie, tzn. mogą zdążyć przejść z moist do runaway greenhouse przed utratą całej wody. W dalszym ciągu będę więc bronił tezy, że granica S-N nie jest tylko teoretyczną ciekawostką, nawet jeśli nie dotyczy Ziemi. ;)
-
2013/08/28 17:11:44
To możliwe. na milionach planet w naszej galaktyce musi się zdarzać prawie wszystko co nie jest zabronione prawami przyrody. Z tym, że łatwiej na mniejszej planecie. Znowu oddam głos Golgblattowi i Watsanowi:

"The radiation limits vary with the acceleration owing to gravity, g (bigger for heavier planets). We focus here on the moist troposphere asymptotic limit (SimpsonNakajima limit), as it is the lowest and most commonly encountered limit. To first-order approximation, the optical depth of a layer depends on the mass of absorbing gas in that layer. With this approximation, the required mass of absorber in the layer between the top of the atmosphere (tau=0) and the effective emission level (tau=1) is constant. If g is increased, the pressure at the bottom of this layer (at tau=1) will similarly increase (p=force/area=massg/area). With the vertical temperature structure following the saturation vapourpressure curve, higher pressure at the effective emission level corresponds to a higher emission temperature, hence a higher limiting flux.

A Mars-size planet would have a lower limiting flux and be more susceptible to a runawaygreenhouse, whereas a few Earth-masses planet would have a higher limiting flux and be less susceptible to a runawaygreenhouse.
"

Mówiąc moimi słowami, atmosfera promieniuje najbardziej z wysokości jednej grubości optycznej (dla promieniowania długofalowego), liczonej oczywiście od góry. Jednak ponieważ im większa masa planety tym więcej waży gaz w tej warstwie to na wysokości tau=1 mamy większe ciśnienie na cięższej planecie a mniejsze na lżejszej. A że gradientem temperatury rządzi w tym przypadku ciśnienie bardziej niż grubość optyczna [1] to na cięższej planecie będzie na tej wysokości cieplej czyli łatwiej jej będzie wypromieniować ciepło niż lżejszej.

[1] To w zasadzie tłumaczenie z artykułu G-W. Mam pewna wątpliwość czy rzeczywiście ciśnienie będzie definiowało temperaturę lepiej niż grubość optyczna (liczona od góry) gdy patrzę na rysunki 4a i 5a w artykule Nakajimy i innych z 1992 roku, ale odpuszczę to Goldblattowi (pewnie rzeczywiście wychodzi mu tak z obliczeń nawet jeśli wytłumaczenie tego "poglądowe" nie do końca mu wyszło).
-
2013/12/17 18:46:47
Goldblatt i inni skończyli swoj artykuł sprzed paru miesięcy stwierdzeniem, że powinno rozwinąć się ich badania stosując model 3D i najlepiej uwzględniający chmury. O dziwo już po roku taki powstał. Jest to artykuł Leconte i innych z zeszłotygodniowego numeru Nature, dx.doi.org/10.1038/nature12827

Co ciekawe chmury specjalnie nie pomagają uniknąć katastrofalnego globalnego ocieplenia. Lecinte i koledzy tłumaczą to tym, że im więcej pary wodnej w atmosferze tym wyżej są chmury a takie działają w gruncie rzeczy jak efekt cieplarniany. Intuicja (bo jeszcze wtedy nie obliczenia) Goldblatta i Watsona podpowiadała im dokładnie to samo. Nie wierzyłem im i nawet wymieniłem z Goldblattem korespondencję na ten temat. Chyba racji nie miałem ale przekonany w 100% nie jestem. No, może w 80% ;)

Natomiast model 3D dał ciekawe wyniki w porównaniu z jednowymiarowym. Okazuje się, że atmosfera nad subtropikami jest na tyle sucha nawet w atmosferze o wielokrotnie zwiększonej ilości pary wodnej, że wypuszcza więcej promieniowania długofalowego niż wynika z prostego modelu. Podnosi to granicę Simpsona-Nakajimy z 282 W/m2 jakie wyszło Goldblattowi i innym w 2013 do 375 W/m2. Jest to wynik bardziej wiarygodny (właśnie przez użycie modelu 3D i chmur) ale pewnie nie ostatnie słowo. Podejrzewam, że te chmury nadal są sparametryzowane w modelu dość prymitywnie (chmury to w ogóle duży problem, nawet dla modeli współczesnego klimatu).
Creative Commons License