Blog > Komentarze do wpisu

Fizyka deszczu

Z okazji udanego wystrzelenia amerykańsko-japońskiego satelity GPM w dzisiejszej notce będzie kilka słów o globalnym ociepleniu i deszczu.

Wszyscy wiedzą (albo powinni wiedzieć), że deszcz i inne opady atmosferyczne to skondensowana para wodna. Skąd się ta para wodna jednak bierze w atmosferze? Średni opad dobowy na naszej planecie to około 2,8 mm na dobę (oszacowany ze sporym błędem wynoszącym około 10%), a średnia zawartość pary wodnej w atmosferze to tylko 24 mm opadu, więc mówiąc kolokwialnie wody w powietrzu wystarcza tylko na 9 dni deszczu. Cząsteczki pary wodnej przebywają zatem w atmosferze relatywnie krótko (co jest głównym powodem tego, że jako gaz cieplarniany para wodna nie może samodzielnie wymuszać zmiany klimatu), a ich ubytek w postaci deszczu musi być ciągle uzupełniany.

1 milimetr opadu to 1 kilogram wody na metr kwadratowy. Ponieważ odparowanie takiej ilości wody wymaga, w typowych dla powierzchni Ziemi warunkach, około 2,5 miliona dżuli, jak łatwo policzyć 2,8 mm opadu na dobę równoważne jest strumieniowi ciepła utajonego wynoszącego trochę ponad 80 W/m2. Dla porównania, ilość promieniowania słonecznego absorbowanego przez powierzchnię planety jest tylko dwukrotnie większa, można zatem oczekiwać że cykl hydrologiczny ma niebagatelny wpływ na bilans przepływu energii w atmosferze. Można się też domyślać, że ilość odparowywanej wody (a zatem i opadów) jest w jakiś sposób powiązana z efektem cieplarnianym, i będzie się zmieniać w ocieplającym się świecie.

Paradoksalnie, sama większa zawartość dwutlenku węgla w atmosferze powoduje zmniejszenie ilości opadów. Najłatwiej zrozumieć to na przykładzie wyidealizowanych eksperymentów myślowych (albo numerycznych), w których zmieniamy z dnia na dzień ilość CO2 w atmosferze i "obserwujemy" (czyli: próbujemy wydedukować z first principles, albo przeprowadzamy symulację komputerową) co się dzieje dalej. Najbardziej znanym skutkiem jest, jak wiadomo, zmniejszenie ilości promieniowania długofalowego uciekającego z planety w kosmos, i powolna akumulacja energii cieplnej w systemie klimatycznym ("globalne ocieplenie") aż do momentu, gdy wskutek ogrzania atmosfery zostanie przywrócona równowaga radiacyjna.

Problem w tym, że prawo zachowania energii musi być zachowane również w odniesieniu do samej atmosfery. Jeśli wskutek zwiększonej zawartości gazów cieplarnianych zmniejszymy strumień promieniowania uchodzącego z atmosfery (o około 3,7 W/m2 -- wciąż chodzi tutaj o radiative forcing a nie adjusted forcing), musimy też zmniejszyć ilość promieniowania docierającego do atmosfery. W przeciwnym wypadku musiałaby się ona szybko (ze względu na niską pojemność cieplną atmosfery) ogrzać, a to jest niemożliwe, gdyż profil temperatury w troposferze jest zależny od temperatury powierzchni, która to temperatura, ze względu na dużą pojemność cieplną oceanów, tak szybko zmienić się nie może.

Z tych 3,7 W/m2 różnicy pomiędzy dołem a szczytem atmosfery odjąć należy około 1 W/m2 zwiększonej emisji promieniowania długofalowego w kierunku powierzchni (dlaczego tylko tyle? W dolnych, gęstych i wilgotnych warstwach troposfery efekt cieplarniany jest na tyle silny, że atmosfera staje się w dużej mierze nieprzezroczysta dla promieniowania długofalowego, i podwojenie zawartości dwutlenku węgla powoduje tylko niewielkie zwiększenie jej emisyjności.). Resztę muszą zbilansować strumienie nieradiacyjne, przede wszystkim zmniejszenie strumienia ciepła utajonego, czyli pary wodnej odparowywanej z powierzchni. A ponieważ strumienie wody w cyklu hydrologicznym też muszą się bilansować -- przypominam, że ilość pary wodnej w atmosferze odpowiada tylko 9-dniowym opadom -- więc mniej parującej wody to mniej kondensującej się pary wodnej. Czyli mniej deszczu.

Opisana powyżej sytuacja dotyczy stanu zaraz po podwojeniu zawartości CO2 w atmosferze, i nie może trwać wiecznie z tego prostego powodu, że Ziemia wciąż otrzymuje od Słońca więcej energii niż ucieka w kosmos. Prowadzi to do wzrostu temperatury, przez co cieplejsze dolne warstwy atmosfery emitują w kierunku powierzchni planety więcej promieniowania długofalowego. Oczywiście, cieplejsza powierzchnia Ziemi też emituje trochę więcej w podczerwieni... co prowadzi do pytania, dlaczego oba efekty nie niwelują się wzajemnie, a wzrost emisji z powierzchni nie kompensuje w całości emisji promieniowania z atmosfery "w dół". W obu przypadkach -- powierzchni planety i dolnych warstw atmosfery -- zmiana temperatury jest przecież bardzo podobna.

Wyjaśnienie padło już po części powyżej -- atmosfera emituje więcej promieniowania (albo, jak wolicie, wychładza się radiacyjnie) nie tylko dlatego, że jest cieplejsza, ale również dlatego, że wskutek zwiększonej zawartości gazów cieplarnianych jest lepszym promiennikiem. I tym razem nie chodzi już tylko o CO2, ale przede wszystkim parę wodną, której w cieplejszej troposferze będzie więcej.

Powierzchnia Ziemi dostanie zatem więcej energii, niż potrafi wyemitować. Aby bilans wyszedł na zero, zmianie -- w tym przypadku, zwiększeniu -- muszą ulec strumienie nieradiacyjne, czyli ponownie głównie strumień ciepła utajonego. Wzrost parowania oznacza więcej deszczu, a ponieważ jest on co do wartości znacznie większy niż zmniejszenie opadów wywołane przez wymuszenie radiacyjne CO2, ostatecznie otrzymujemy cieplejszą planetę, na której więcej pada. Czasami mówi się w tym kontekście o przyspieszeniu cyklu hydrologicznego, choć akurat jeśli chodzi o atmosferę nie jest to prawdą -- ponieważ zawartość pary wodnej rośnie szybciej niż opady, średni czas przebywania cząsteczki H2O w atmosferze się nieco wydłuża.

Opisane mechanizmy nie działają oczywiście tylko w sytuacji natychmiastowej zmiany stężenia dwutlenku węgla -- w przypadku powolnego wzrostu zawartości CO2 oraz towarzyszącego mu równoczesnego ocieplenia nie obserwowalibyśmy spadku ilości opadów, tylko ich relatywnie mniejszy przyrost. W rzeczywistym świecie dodatkowo sprawę komplikują inne wymuszenia radiacyjne, takie jak troposferyczne i stratosferyczne aerozole, które (podobnie jak gazy cieplarniane) bezpośrednio, tj. "radiacyjnie" zmniejszają ilość opadów, oraz dodatkowo (w odróżnieniu od gazów cieplarnianych) zmniejszają ilość opadów również pośrednio, poprzez powodowane przez nie ochłodzenie.

Ilustracją powyższego niech będzie kilka symulacji jednego ze współczesnych modeli klimatu -- dokładniej, wersji NorESM1-M uczestniczącej w eksperymentach protokołu CMIP5 -- w których to symulacjach model traktowany jest różnymi rodzajami wymuszeń. Kolor zielony oznacza "przedindustrialną symulację kontrolą", czyli alternatywną historię, w której świat przez kilkaset lat wygląda mniej więcej tak samo jak w połowie XIX wieku; kolor czerwony to eksperyment, w którym zawartość CO2 zwiększana jest w natychmiastowy sposób czterokrotnie; żółty to też symulacja w której ilość CO2 zwiększana jest o 1% rocznie; w symulacji fioletowej poziom dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych odpowiada ich rzeczywistym, historycznym zmianom; szary to pełna symulacja historyczna -- uwzględniająca również inne czynniki antropogeniczne (jak troposferyczne aerozole), oraz wymuszenia naturalne (wybuchy wulkanów oraz zmiany aktywności słonecznej); kolor niebieski w końcu to jedna z projekcji przyszłości, według scenariusza RCP45, w którym ludzkość zaczęła w niedalekiej przyszłości redukować emisję gazów cieplarnianych.

Opady atmosferyczne pokazuje panel drugi. Efekt o którym wspomniałem na początku -- spadek ilości deszczu przy wyższym poziomie CO2 -- jest wyraźnie widoczny w pierwszym roku symulacji czerwonej; następujący później gwałtowny wzrost temperatury (panel pierwszy) oraz związany z nim przyrost strumienia promieniowania długofalowego emitowanego w kierunku powierzchni (panel trzeci) wystarcza, by w latach kolejnych ilość opadów zaczęła szybko rosnąć. Wykres ostatni, pokazujący zmiany promieniowania słonecznego, pomaga zrozumieć dlaczego globalna ilość deszczu zmniejsza się po dużych erupcjach wulkanicznych, oraz wskutek obecności antropogenicznych aerozoli.

O ile jakościowe zachowanie cyklu hydrologicznego jest dość dobrze poznane i rozumiane, gorzej z opisem i przewidywaniami ilościowymi. Jak wspomniałem na samym początku, ilość padającego na Ziemi deszczu jest określona ze sporą niepewnością -- w literaturze spotyka się szacunki od 2,6 do 3,0 mm na dobę -- choć dzięki pomiarom satelity GPM uda się tę niepewność niebawem zmniejszyć. Czułość cyklu hydrologicznego na zmiany temperatury jest natomiast oszacowana jeszcze gorzej niż czułość klimatu na wymuszenie, bo nie dość, że modele klimatu są tutaj jedynym możliwym do zastosowania narzędziem (o wykorzystaniu danych proxy można zapomnieć -- bez wynalazku umożliwiającego podróże w czasie nigdy nie będziemy znać ilości opadów z przeszłości geologicznej Ziemi wystarczająco dobrze by wyliczyć dP/dT), to jeszcze problem jest sam w sobie znacznie trudniejszy, bo zależy przede wszystkim od procesów zachodzących na powierzchni planety i tego jak są w modelach reprezentowane. I choć we współczesnych modelach klimatu najważniejsze z tych procesów -- jak chociażby zmiany wilgotności gleby albo transpiracji roślin -- są już rutynowo uwzględniane, to związane z nimi niepewności nie pozwalają na precyzyjne, ilościowe oszacowania. Co widać na niniejszym obrazku:

Zmiany globalnych opadów w zależności od temperatury w symulacjach ostatniej generacji modeli klimatu. Źródło: piąty raport IPCC, rozdział 12.

Tyle o opadach atmosferycznych w skali globalnej -- zmiany regionalne to temat na inną blognotkę.

czwartek, 27 lutego 2014, perfectgreybody

Polecane wpisy

  • Dlaczego F ~ ln(CO2)?

    Krótka odpowiedź: bo w troposferze temperatura jest proporcjonalna do logarytmu grubości optycznej. Odpowiedź nieco dłuższą czytelnicy mogą znaleźć w artykule ,

  • A więc efekt cieplarniany istnieje!

    Wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze ma wiele konsekwencji, z których część można zaobserwować przy pomocy względnie prymitywnych przyrządów, takich

  • Koniec Wielkiego Maksimum

    Czyli jak heliofizycy dołączyli do spisku globalnego ocieplenia. Jeśli zajrzycie do starych podręczników albo artykułów przeglądowych dotyczących zmian klimatu,

TrackBack
TrackBack w tym blogu jest moderowany. TrackBack URL do wpisu:
Komentarze
Gość: Mikael, *.neoplus.adsl.tpnet.pl
2014/02/28 13:22:56
Współczesne pomiary 'zauważały' już globalne anomalie opadów na + w związku ze wzrostem koncentracji CO2, czy raczej jest to, póki co, w sferze komputerowych modeli?
-
2014/02/28 14:08:10
@Mikael

Aktualnie trendy zmian na podstawie informacji wygadają tak:

"For the longest common period of record (19012008) all datasets
exhibit increases in globally averaged precipitation, with three of the
four showing statistically significant changes (Table 2.9). However,
there is a factor of almost three spread in the magnitude of the change
which serves to create low confidence. Global trends for the shorter
period (19512008) show a mix of statistically non-significant positive
and negative trends amongst the four data sets with the infilled Smith
et al. (2012) analysis showing increases and the remainder decreases."

Więcej dalej w raporcie tu:
www.climatechange2013.org/report/full-report/
Rozdział 2, od strony 201.
-
2014/02/28 17:28:18
Gdy zacząłem to czytać, myślałem że to efekt przeczytania przez gospodarza niedawnego artykułu Sherwood & Fu 2014, "A Drier Future?", www.sciencemag.org/content/343/6172/737.full.html

Jednak z treści widzę, że nie. W tym artykule pada nieco inne wyjaśnienie dlaczego lądy stają się suchsze w wyniku globalnego ocieplenia:

"The key factor causing drying is that land surfaces (and the air just above them) warm, on average, about 50% more than ocean surfaces. There is a simple and plausible explanation for this long-remarked phenomenon, at least for low and mid-latitudes.

The atmosphere keeps convective instability (which gives rise to cumulus clouds) small over both land and ocean regions. This instability depends on the total latent and sensible heat in air near the surface. Because the latent heat (determined by atmospheric water vapor concentration) is smaller over land and changes less upon warming, sensible heat (determined by air temperature) must change more, explaining the enhanced land warming. Indeed, if this enhanced warming did not happen, air over land would become less able to sustain clouds and precipitation, thus drying and warming the land via increased sunshine. Enhanced warming of land surfaces relative to oceans thus occurs simply because continental air masses are drier than maritime ones, which in turn is a consequence of the limited availability of surface water.
"

Rzadko mnie coś zaskakuje w tej branży ale to proste wytłumaczenie fizyczne mnie naprawdę zaintrygowało. Jednak im dłużej myślę, to tym bardziej mam wrażenie, że jest ono "cyrkularne" (zapętla się). Tłumaczy bowiem zmianę suchości lądów zmianami strumieni ciepła spowodowanymi koniecznością utrzymania pionowego gradientu temperatury (lapse rate) tak aby mogły istnieć zjawiska konwekcyjne i deszcze. Wymaga to istnienia odpowiedniej wartości łącznej strumieni ciepła utajonego (pary wodnej) i wyczuwalnego (zależnego od różnicy temperatur między powierzchnia a atmosferą). Ponieważ na lądach strumień ciepła utajonego rośnie z temperaturą wolniej niż na oceanie to strumień ciepła wyczuwalnego musi być większy a to wymusza większy przyrost temperatury niż na ladzie.

Dobrze ale dlaczego robi się na lądzie bardziej sucho? Bo strumień ciepła utajonego rośnie na ladzie wolniej niż na oceanie. No tak ale dlaczego? A na to odpowiedzi nie widzę. Wiem, że to fakt empiryczny ale samo wysychanie kontynentów również, więc jaka jest zaleta tego rozumowania? o naprawdę jest trochę bardziej skomplikowane i wymaga dodatkowych danych empirycznych i modelowania jak widać np. z cytowanej w powyższym artykule pracy Byrne & OGorman 2013, dx.doi.org/10.1175/JCLI-D-12-00262.1

Ktoś może zapytać jak pogodzić coraz suchsze kontynenty ze zwiększającymi się globalnie opadami. Ale to jest akurat proste. Przy rosnącej temperaturze rośnie zarówno parowanie jak i opady. Z tym, że nad lądami, ponieważ są cieplejsze, nawet zwiększone opady nie wystarczają do zapewnienia tej samej wilgotności co poprzednio mimo zwiększonego parowania.
-
2014/02/28 20:05:38
@arctic_haze
"Gdy zacząłem to czytać, myślałem że to efekt przeczytania przez gospodarza niedawnego artykułu Sherwood & Fu 2014, "A Drier Future?""

Ha, tak naprawdę ta notka powstała w większości w lipcu ubiegłego roku (kiedy pisałem o parze wodnej), przy okazji powodzi w Europie Środkowej, ale nie udało mi się jej wtedy skończyć... zmobilizowała mnie do tego dopiero rekordowo wilgotna zima w Anglii, start misji GPM oraz wasza dyskusja na temat perpetuum mobile.

@Mikael
Dobrze że zadałeś to pytanie, bo nie udało mi się dobrnąć do kwestii atrybucji. Jak widać na drugim wykresie, w tym konkretnym modelu (jak i innych) nawet na początku XXI wieku nie widać jeszcze wyraźnego sygnału związanego z gazami cieplarnianymi, bo jest on wciąż maskowany przez aerozole. Do podobnych wniosków doszli Wu, Christidis i Stott w tym artykule o atrybucji zmian cyklu hydrologicznego. Zatem nawet gdybyśmy dysponowali bezbłędnymi pomiarami opadów w skali globalnej, wykrycie wpływu człowieka nie byłoby takie łatwe, przynajmniej na przełomie XX i XXI wieku. W przyszłości będzie to łatwiejsze, bo spodziewamy się że gazów cieplarnianych będzie więcej, a aerozoli coraz mniej...
-
2014/03/11 22:57:09
PS. Polecam też wspomniany we wpisie artykuł o modelowaniu klimatu Śródziemia:
www.bristol.ac.uk/university/media/press/10013-english.pdf

Nie dość, że zabawny to napisany bardzo przystępnie. Jest to w istocie popularny tekst o modelach klimatycznych.
-
2014/03/15 21:56:37
@autor

Notka ciekawa, ale nie podoba mi się rozumowanie.
Piszesz:
Najbardziej znanym skutkiem jest, jak wiadomo, zmniejszenie ilości promieniowania długofalowego uciekającego z planety w kosmos, i powolna akumulacja energii cieplnej w systemie klimatycznym ("globalne ocieplenie") aż do momentu, gdy wskutek ogrzania atmosfery zostanie przywrócona równowaga radiacyjna.

I stąd wyprowadzasz wniosek, że opady muszą się zmniejszyć.

To jest oczywiście prawda, zakładając, że znamy efekt - zmniejszenie promieniowania długofalowego. Ale to zmniejszenie promieniowania długofalowego może przecież być bardzo krótkie - trwać tyle ile potrzeba na zwiększenie temperatury atmosfery. W takim wypadku parowanie wcale nie musi spaść - atmosfera błyskawicznie się ogrzewa, spada wilgotność względna i w związku z tym parowanie od razu rośnie.

Patrząc na to bardzo elementarnie - woda na powierzchni Ziemii nic nie wie o promieniowaniu radiacyjnym na szczycie atmosfery. Skoro temperatura powietrza rośnie, to parowanie wzrasta. Gdzie tu jest miejsce na spadek?
Creative Commons License