RealClimate: проблема CO2 за шесть простых шагов (обновление 2022 г.)

10 июля 2022 г., Гэвин

Одна из наших самых читаемых старых публикаций — это пошаговое объяснение того, почему увеличение выбросов CO2 является серьезной проблемой (Проблема CO2 за 6 простых шагов). Однако это было написано в 2007 году – 15 лет назад! Хотя основные шаги и концепции не изменились, есть дополнительные данные за 15 лет, обновления некоторых деталей и концепций и (как оказалось) улучшенная графика, сопровождающая текст. Итак, вот слегка обновленная версия со ссылками, которая должна быть немного более полезной.

Шаг 1:Возникает естественный парниковый эффект.

Тот факт, что существует естественный парниковый эффект (атмосфера ограничивает прохождение инфракрасного (ИК) излучения от поверхности Земли в космос), легко выводится; i) средняя температура поверхности (около 15°C) и ii) знание того, что планета обычно близка к радиационному равновесию. Это означает, что вокруг существует восходящий приземный поток ИК-излучения (~398 Вт/м2), в то время как внешний поток в верхней части атмосферы (TOA) примерно эквивалентен чистому поглощенному солнечному излучению (~240 Вт/м2). Таким образом, атмосфера должна поглощать большое количество ИК-излучения (около 158 Вт/м2) – число, которое было бы равно нулю в отсутствие каких-либо парниковых веществ. Обратите внимание, что это ИК-излучение иногда называют длинноволновым (ДВ) излучением, чтобы отличить его от коротковолнового (КВ) излучения, исходящего от Солнца.

Шаг 2:Примеси газов способствуют естественному парниковому эффекту.

Тот факт, что различные поглотители вносят вклад в поглощение инфракрасного излучения в атмосфере, очевиден из спектров, наблюдаемых из космоса (справа), которые показывают характерные провалы, связанные с водяным паром, CO2, O3, облаками, метаном, хлорфторуглеродами и т. д. Единственный вопрос заключается в том, сколько полной энергии заблокировано каждым. Это невозможно рассчитать вручную (количество линий поглощения и эффекты расширения давления исключают это), но можно рассчитать с помощью кодов переноса излучения. Для некоторых частей спектра ИК-излучение может поглощаться либо CO2, либо водяным паром, либо облаками, но, принимая во внимание эти перекрытия, мы обнаруживаем, что 50% парникового эффекта создается водяным паром, 25% — облаками и около 20% приходится на CO2, а остальная часть поглощается озоном, аэрозолями и другими газовыми примесями (Schmidt et al, 2010). Обратите внимание, что основные компоненты атмосферы (N2, O2 и аргон) незначительно поглощают энергию в ИК-диапазоне длин волн и поэтому не способствуют парниковому эффекту.

Шаг 3:Следы парниковых газов заметно увеличились из-за выбросов человека

Концентрация CO2 выросла более чем на 50%, поскольку доиндустриальная концентрация метана (CH4) увеличилась более чем вдвое и продолжает ускоряться, N2O выросла на 15%, а тропосферный O3 также увеличился. Новых соединений парниковых газов, таких как галогенуглероды (ХФУ, ГФУ), не существовало в доиндустриальной атмосфере. Все эти увеличения способствуют усилению парникового эффекта.

Источниками этого увеличения преобладают сжигание ископаемого топлива, свалки, горнодобывающая промышленность, нефтегазовые операции, сельское хозяйство (особенно животноводство для получения метана) и промышленность.

Шаг 4:Радиационное воздействие является полезным диагностическим средством, и его можно легко рассчитать.

Уроки простых игрушечных моделей и опыт работы с более сложными GCM позволяют предположить, что любое возмущение радиационного баланса TOA от любого источника является довольно хорошим предиктором возможного изменения температуры поверхности. Таким образом, если бы Солнце стало сильнее примерно на 2%, радиационный баланс ТОА изменился бы на 0,02*1361*0,7/4 = 4,8 Вт/м2 (с учетом альбедо и геометрии) (пришло бы больше энергии, чем ушло) . Это будет определять радиационное воздействие (RF). Увеличение количества поглотителей парниковых газов или изменение альбедо оказывают аналогичное воздействие на баланс TOA (приходит больше энергии, чем уходит). Однако расчет радиационного воздействия снова является задачей кодов радиационного переноса, которые учитывают атмосферные профили температуры, водяного пара и аэрозолей. В отчете IPCC AR6 использовались самые последние оценки Этминана и др. (2016), которые аналогичны, но немного сложнее, чем упрощенная, часто используемая формула для CO2: RF = 5,35 ln(CO2/CO2_orig) (см. Таблица 6.2 в ТДО МГЭИК).