Гипотеза фиксированной температуры наковальни
Гипотеза фиксированной температуры наковальни — это физическая гипотеза , описывающая реакцию радиационных свойств облаков на повышение температуры поверхности. Предполагается, что температура, при которой излучение излучается облаками-наковальнями, ограничивается радиационными процессами и, следовательно, не меняется в ответ на потепление поверхности. Поскольку количество радиации, испускаемой облаками, является функцией их температуры, это означает, что оно не увеличивается с потеплением поверхности и, следовательно, более теплая поверхность не увеличивает выбросы радиации (и, следовательно, охлаждение) верхних слоев облаков. Этот механизм был выявлен как в климатических моделях , так и в наблюдениях за поведением облаков. Он влияет на то, насколько нагревается мир из-за каждой дополнительной тонны парниковых газов в атмосфере . Однако некоторые данные свидетельствуют о том, что это может быть более правильно сформулировано как уменьшение нагрева наковальни, а не отсутствие нагрева наковальни.
Предыстория и гипотеза
[ редактировать ]В тропиках радиационное охлаждение тропосферы счет уравновешивается выделением скрытого тепла за счет конденсации водяного пара , поднимаемого на большие высоты за конвекции . Радиационное охлаждение в основном является следствием выбросов водяного пара и, таким образом, становится неэффективным при выше 200 гПа давлении . Соответственно, именно на этой высоте концентрируются густые облака и облака-наковальни – самые верхние конвективные облака. [1]
«Гипотеза фиксированной температуры наковальни» предполагает, что из-за энергетических и термодинамических ограничений, налагаемых соотношением Клаузиуса-Клапейрона , температура и, следовательно, радиационное охлаждение облаков наковальни не сильно меняется с температурой поверхности. [1] В частности, охлаждение снижается ниже -73 ° C (200 К), поскольку неэффективное радиационное охлаждение CO
2 становится доминирующим ниже этой температуры. [2] Вместо этого высота высоких облаков увеличивается с ростом температуры поверхности. [3]
Связанная с этим гипотеза состоит в том, что температура тропопаузы нечувствительна к приземному потеплению; однако, по-видимому, его механизмы отличаются от процесса с фиксированной температурой наковальни. [4] Они были связаны друг с другом в нескольких исследованиях, [5] которые иногда считают фиксированную температуру тропопаузы более разумной теорией, чем фиксированная температура наковальни. [6]
Доказательство
[ редактировать ]Гипотеза фиксированной температуры наковальни получила широкое признание и даже распространилась на нетропическую атмосферу. Ее сила частично основана на ее использовании простых физических аргументов. [7]
Модели
[ редактировать ]Гипотеза о фиксированной температуре наковальни была первоначально сформулирована Хартманном и Ларсоном в 2002 году в контексте климатической модели NCAR/PSU MM5. [8] но стабильность температуры верхних облаков уже наблюдалась в одномерной модели Хансеном и др. 1981. [9] Он также был восстановлен, с ограничениями, в климатических моделях. [10] и в многочисленных моделях общего обращения . [11] Однако некоторые восстановили зависимость от размера облаков. [12] и относительной влажности [13] или что фиксированная температура наковальни более правильно выражается как температура наковальни, изменяющаяся медленнее, чем температура поверхности. [14] Климатические модели также моделируют увеличение высоты верхней границы облаков. [15] а некоторые радиационно-конвективные модели применяют его к истечению циклонов тропических . [16]
Гипотеза о фиксированной температуре наковальни также была получена при моделировании климата экзопланеты . [17] При очень высоком CO
2 концентрации приближаются к безудержному парниковому эффекту , однако другие физические эффекты, связанные с непрозрачностью облаков, могут взять верх и доминировать над фиксированной температурой наковальни, поскольку температуры поверхности достигают экстремальных уровней. [18]
Наблюдения
[ редактировать ]Гипотеза о фиксированной температуре наковальни была подтверждена наблюдательными исследованиями. [19] для больших облаков. Однако облака меньшего размера не имеют стабильной температуры, и наблюдаются колебания температуры около 5 ° C (9 ° F). [20] что может быть связано с процессами, связанными с циркуляцией Брюера-Добсона . [13] Сюй и др. В 2007 году было обнаружено, что температура облаков более стабильна для облаков размером более 150 километров (93 миль). [21] Увеличение высоты верхней границы облаков при потеплении также подтверждается наблюдениями. [15]
Подразумеваемое
[ редактировать ]Облака являются второй по величине неопределенностью в будущем изменении климата после действий человека, поскольку их последствия сложны и не изучены должным образом. [22] Гипотеза фиксированной температуры наковальни влияет на глобальную чувствительность климата , поскольку облака наковальни являются наиболее важным источником исходящей радиации, связанной с тропической конвекцией. [23] а стабильность их температуры сделает исходящее излучение нечувствительным к изменениям температуры поверхности. [24] Это создает положительную составляющую обратной связи облака . [25] Гипотеза о фиксированной температуре наковальни также использовалась, чтобы доказать, что при моделировании климата для моделирования высоты высоких облаков следует использовать температуру, а не давление. [26]
Альтернативные взгляды
[ редактировать ]Гипотезой, которая окажет противоположное влияние на климат, является гипотеза радужной оболочки , согласно которой покрытие наковальни облаков уменьшается с потеплением, что позволяет большему количеству радиации уходить в космос и приводит к замедлению потепления. [27] Гипотеза пропорционального потепления наковальни Зелинкой и Хартманном (2010) была сформулирована на основе моделей общей циркуляции и предполагает небольшое повышение температуры наковальни при сильном потеплении. [28] Последняя гипотеза была задумана как модификация гипотезы о фиксированной температуре наковальни. [20] и включает в себя соображения стабильности атмосферы и, по-видимому, более точно отражает фактические климатические условия. [26] Наконец, существует мнение, что температура верхней границы облаков может фактически снизиться с потеплением поверхности. [29] по мере увеличения высоты конвекции. Это может представлять собой неравновесную реакцию. [30]
Исследовать
[ редактировать ]По состоянию на 2020 год [update] необходимы дальнейшие исследования, чтобы правильно понять физику некоторых обратных связей облаков. [31] поскольку они различаются между моделями, [32] а прогресс в правильном моделировании облаков в глобальном масштабе идет очень медленно. [22]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Хартманн и Ларсон 2002 , с. 1.
- ^ Хартманн и Ларсон 2002 , с. 3.
- ^ Альберн, Николь; Фойгт, Айко; Пинто, Хоаким Г. (2019). «Радиационное воздействие облаков на региональную реакцию струйных потоков и траекторий штормов в средних широтах на глобальное потепление» . Журнал достижений в моделировании систем Земли . 11 (7): 1949. Бибкод : 2019JAMES..11.1940A . дои : 10.1029/2018MS001592 . ISSN 1942-2466 . S2CID 182771431 .
- ^ Ху, Синэн; Валлис, Джеффри К. (2019). «Меридиональная структура и будущие изменения высоты и температуры тропопаузы» . Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества . 145 (723): 2709. arXiv : 1902.08230 . Бибкод : 2019QJRMS.145.2698H . дои : 10.1002/qj.3587 . ISSN 1477-870X . S2CID 118967908 .
- ^ Салливан, Сильвия К.; Широ, Кэтлин А.; Стубенраух, Клаудия; Гентин, Пьер (2019). «Ответ тропической организованной конвекции на потепление Эль-Ниньо» . Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 124 (15): 8490. Бибкод : 2019JGRD..124.8481S . дои : 10.1029/2019JD031026 . ISSN 2169-8996 .
- ^ Сили, Дживанджи и Ромпс, 2019 , стр. 1849.
- ^ Сили, Дживанджи и Ромпс, 2019 , стр. 1842.
- ^ Хартманн и Ларсон 2002 , с. 2.
- ^ Дель Генио 2016 , с. 107.
- ^ Игель, Драгер и ван ден Хевер 2014 , стр. 10516.
- ^ Махер, Пенелопа; Гербер, Эдвин П.; Медейрос, Брайан; Мерлис, Тимоти М.; Шервуд, Стивен; Шешадри, Адити; Собел, Адам Х.; Валлис, Джеффри К.; Фойгт, Айко; Зурита-Готор, Пабло (2019). «Иерархии моделей для понимания атмосферной циркуляции» . Обзоры геофизики . 57 (2): 267. Бибкод : 2019RvGeo..57..250M . дои : 10.1029/2018RG000607 . hdl : 10871/36644 . ISSN 1944-9208 . S2CID 146704580 .
- ^ Нода и др. 2016 , с. 2313.
- ^ Перейти обратно: а б Че, Чон Хё; Шервуд, Стивен К. (1 января 2010 г.). «Изучение высоты верхней границы облаков и динамики сезонного цикла высоты верхней границы облаков, наблюдаемого MISR в западно-тихоокеанском регионе» . Журнал атмосферных наук . 67 (1): 259. Бибкод : 2010JAtS...67..248C . дои : 10.1175/2009JAS3099.1 . ISSN 0022-4928 .
- ^ Сили, Дживанджи и Ромпс, 2019 , стр. 1848.
- ^ Перейти обратно: а б Ли, РЛ; Сторелвмо, Т.; Федоров А.В.; Цой, Ю.-С. (15 августа 2019 г.). «Положительная обратная связь с радужной оболочкой: результаты климатического моделирования с преобразованием облаков в дождь с учетом температуры» . Журнал климата . 32 (16): 5306. Бибкод : 2019JCli...32.5305L . дои : 10.1175/JCLI-D-18-0845.1 . hdl : 10852/83101 . ISSN 0894-8755 . S2CID 198420050 .
- ^ Ши, Сяомин; Бретертон, Кристофер С. (сентябрь 2014 г.). «Крупномасштабный характер атмосферы во вращающемся радиационно-конвективном равновесии» . Журнал достижений в моделировании систем Земли . 6 (3): 616. Бибкод : 2014JAMES...6..616S . дои : 10.1002/2014MS000342 .
- ^ Ян, Цзюнь; Леконт, Жереми; Вольф, Эрик Т.; Мерлис, Тимоти; Колл, Дэниел Д.Б.; Забудь, Франсуа; Эббот, Дориан С. (апрель 2019 г.). «Моделирование водяного пара и облаков на быстро вращающихся и приливно-зависимых планетах: взаимное сравнение 3D-моделей» . Астрофизический журнал . 875 (1): 11. arXiv : 1912.11329 . Бибкод : 2019ApJ...875...46Y . дои : 10.3847/1538-4357/ab09f1 . ISSN 0004-637X . S2CID 146053272 .
- ^ Рамирес, Рамзес М.; Коппарапу, Рави Кумар; Линднер, Валери; Кастинг, Джеймс Ф. (август 2014 г.). «Может ли повышение уровня CO2 в атмосфере вызвать появление парниковых газов?» . Астробиология . 14 (8): 723. Бибкод : 2014AsBio..14..714R . дои : 10.1089/ast.2014.1153 . ISSN 1531-1074 . ПМИД 25061956 .
- ^ Асрар, Гассем Р.; Харрелл, Джеймс В., ред. (2013). Климатология на службе общества . Дордрехт: Springer Нидерланды. п. 406. дои : 10.1007/978-94-007-6692-1 . ISBN 978-94-007-6691-4 . S2CID 131478611 .
- ^ Перейти обратно: а б Нода и др. 2016 , с. 2307.
- ^ Нода и др. 2016 , с. 2312.
- ^ Перейти обратно: а б Ирфан, Умайр (19 мая 2021 г.). «Ученые не уверены, что произойдет с облаками, когда планета потеплеет» . Вокс . Проверено 5 июля 2021 г.
- ^ Хартманн и Ларсон 2002 , стр. 1–2.
- ^ Хартманн и Ларсон 2002 , с. 4.
- ^ Дель Генио 2016 , с. 116.
- ^ Перейти обратно: а б Клюфт, Лукас; Дэйси, Салли; Бюлер, Стефан А.; Шмидт, Хауке; Стивенс, Бьорн (1 декабря 2019 г.). «Пересмотр первых климатических моделей: чувствительность климата современной модели радиационно-конвективного равновесия» . Журнал климата . 32 (23): 8121. Бибкод : 2019JCli...32.8111K . дои : 10.1175/JCLI-D-18-0774.1 . hdl : 21.11116/0000-0002-A35E-D . ISSN 0894-8755 . S2CID 135038760 .
- ^ Сили, Джейкоб Т.; Дживанджи, Надир; Ланганс, Вольфганг; Ромпс, Дэвид М. (2019). «Формирование тропических облаков-наковальни в результате медленного испарения» . Письма о геофизических исследованиях . 46 (1): 492. Бибкод : 2019GeoRL..46..492S . дои : 10.1029/2018GL080747 . ISSN 1944-8007 . S2CID 134486980 .
- ^ Зелинка, Марк Д.; Хартманн, Деннис Л. (16 декабря 2011 г.). «Наблюдаемая чувствительность высоких облаков к аномалиям средней приземной температуры в тропиках: температурная чувствительность высоких облаков». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 116 (D23): 1. doi : 10.1029/2011JD016459 .
- ^ Игель, Драгер и ван ден Хевер 2014 , стр. 10530.
- ^ Игель, Драгер и ван ден Хевер 2014 , стр. 10531.
- ^ «Охлаждающий эффект облаков «недооценивается» климатическими моделями, говорится в новом исследовании» . Всемирный экономический форум . 10 июня 2021 г. Проверено 5 июля 2021 г.
- ^ Ёсимори, Масакадзу; Ламберт, Ф. Хьюго; Уэбб, Марк Дж.; Эндрюс, Тимоти (01 апреля 2020 г.). «Фиксированная обратная связь по температуре наковальни: положительная, нулевая или отрицательная?» . Журнал климата . 33 (7): 2719–2739. Бибкод : 2020JCli...33.2719Y . дои : 10.1175/JCLI-D-19-0108.1 . hdl : 10871/121112 . ISSN 0894-8755 .
Источники
[ редактировать ]- Дель Дженио, Энтони Д. (22 августа 2016 г.). «Роль облаков в климате» . Наша нагревающаяся планета . 1 . Мировая наука: 103–130. дои : 10.1142/9789813148796_0005 . ISBN 978-981-314-877-2 . S2CID 187377009 .
- Хартманн, Деннис Л.; Ларсон, Кристин (2002). «Важное ограничение тропических облаков – обратная связь с климатом» . Письма о геофизических исследованиях . 29 (20): 12–1–12–4. Бибкод : 2002GeoRL..29.1951H . дои : 10.1029/2002GL015835 . ISSN 1944-8007 .
- Игел, Мэтью Р.; Драгер, Арье Дж.; ван ден Хевер, Сьюзан К. (16 сентября 2014 г.). «Техника разделения облачных объектов CloudSat, а также оценка и интеграция чувствительности глубокой конвективной наковальни к температуре поверхности моря: объекты CloudSat и чувствительность к SST» . Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 119 (17): 10515–10535. дои : 10.1002/2014JD021717 .
- Нода, АТ; Сейки, Т.; Сато, М.; Ямада, Ю. (16 марта 2016 г.). «Зависимость от размера облаков в применимости гипотезы фиксированной температуры наковальни с использованием глобального негидростатического моделирования: зависимость гипотезы FAT от размера облаков» . Письма о геофизических исследованиях . 43 (5): 2307–2314. дои : 10.1002/2016GL067742 .
- Сили, Джейкоб Т.; Дживанджи, Надир; Ромпс, Дэвид М. (2019). «FAT или FiTT: инвариантны ли наковальни или температура тропопаузы?» . Письма о геофизических исследованиях . 46 (3): 1842–1850. Бибкод : 2019GeoRL..46.1842S . дои : 10.1029/2018GL080096 . ISSN 1944-8007 . S2CID 135276405 .
