İdealleştirilmiş sera modeli - Idealized greenhouse model

Güneş'in yüzeyi yaklaşık 5.500 °C'de ışık ve ısı yayar . Dünya çok daha soğuktur ve bu nedenle, çoğunlukla kızılötesi aralığında , çok daha uzun dalga boylarında ısıyı kendisinden geri yayar . İdealize sera modeli dahil olmak üzere dünya atmosferinde belirli gazlar, gerçeğine dayanır karbon dioksit ve su buharı , yüksek frekanslı, yüksek enerjili güneş radyasyonuna saydamdır, fakat çok daha opak düşük frekanslı kızılötesi radyasyona bırakarak ve yeryüzünün yüzeyi. Böylece ısı kolayca izin edilmektedir içinde , ancak çalışır olarak kısmen bu gazların tarafından yakalanan bırakın . Kirchhoff'un termal radyasyon yasası, giderek daha fazla ısınmak yerine , atmosferdeki gazların da absorbe ettikleri kızılötesi enerjiyi yeniden yaymaları gerektiğini söyler ve bunu da uzun kızılötesi dalga boylarında, hem yukarıya hem de uzaya doğru yaparlar. aşağıya doğru Dünya yüzeyine doğru. Uzun vadede, gezegene gelen tüm ısı enerjisi aynı oranda tekrar ayrıldığında termal dengeye ulaşılır. Bu idealize edilmiş modelde, sera gazları, gerekli miktarda ısı enerjisinin nihayet atmosferin tepesinden uzaya yayılması için gezegenin yüzeyinin onlarsız olacağından daha sıcak olmasına neden olur.

Sera etkisi idealize gezegen ile gösterilebilir. Bu yaygın bir "ders kitabı modelidir": gezegenin sabit bir yüzey sıcaklığı T _s ve sabit bir sıcaklık T _a olan bir atmosferi olacaktır . Şematik netlik için, atmosfer ve yüzey arasında bir boşluk gösterilebilir. Alternatif olarak, T _s yüzeyinin sıcaklığında bir temsilcisi ve düşük atmosfer olarak yorumlanabilir ve T _bir olarak da adlandırılan üst atmosferin sıcaklığı olarak yorumlanabilecek deri ısısı . T o haklı çıkarmak için _bir T _s gezegen boyunca sabit kalır, güçlü okyanus ve atmosferik akımları bol yanal karışımını sağlamak için hayal edilebilir. Ayrıca, sıcaklıktaki herhangi bir günlük veya mevsimsel döngünün önemsiz olduğu varsayılır.

model

Model , atmosferin tepesinden kaçan giden ışıma gücünün, güneş ışığının soğurulan ışıma gücüne eşit olmasını sağlayacak T _s ve T _a değerlerini bulacaktır . Dünya gibi bir gezegene uygulandığında, çıkan radyasyon uzun dalga ve güneş ışığı kısa dalga olacaktır. Bu iki radyasyon akımı, farklı emisyon ve absorpsiyon özelliklerine sahip olacaktır. İdealleştirilmiş modelde, atmosferin güneş ışığına tamamen şeffaf olduğunu varsayıyoruz. Gezegensel albedo α _P , uzaya geri yansıyan gelen güneş akısının fraksiyonudur (atmosferin güneş radyasyonuna tamamen şeffaf olduğu varsayıldığından, bu albedo'nun gezegenin yüzeyindeki yansımadan kaynaklanıp kaynaklanmadığı önemli değildir. gezegen veya atmosferin tepesinde veya bir karışımda). Gelen güneş radyasyonunun akı yoğunluğu, güneş sabiti S _{0 ile belirlenir} . Dünya gezegenine uygulama için uygun değerler S ₀ =1366 W m ^-2 ve α _P =0.30'dur. Bir kürenin yüzey alanının, kesiştiği alanın (gölgesinin) 4 katı olduğu gerçeğini hesaba katarak, ortalama gelen radyasyon S ₀ /4'tür.

Uzun dalga radyasyonu için, Dünya yüzeyinin 1 emisyon değerine sahip olduğu varsayılır (yani, dünya kızılötesinde siyah bir cisimdir, bu gerçekçidir). Yüzey, Stefan-Boltzmann yasasına göre bir ışınımsal akı yoğunluğu F yayar :

${\displaystyle F=\sigma T^{4}}$

burada σ, Stefan–Boltzmann sabitidir . Sera etkisini anlamanın anahtarı, Kirchhoff'un termal radyasyon yasasıdır . Herhangi bir dalga boyunda, atmosferin soğurma gücü, salım gücüne eşit olacaktır. Yüzeyden gelen radyasyon, kızılötesi spektrumun atmosfer tarafından yayılan radyasyondan biraz farklı bir bölümünde olabilir. Model, atmosferle etkileşime girdiklerinden, bu kızılötesi radyasyon akışlarından herhangi biri için ortalama emisyonun (soğurma) aynı olduğunu varsayar. Bu nedenle, uzun dalga radyasyonu için bir ε sembolü, herhangi bir kızılötesi radyasyon akışı için atmosferin hem emisyonunu hem de absorpsiyonunu gösterir.

İzotermal atmosfere sahip idealize edilmiş sera modeli. Mavi oklar kısa dalga (güneş) ışınım akı yoğunluğunu ve kırmızı ok uzun dalga (karasal) ışınım akı yoğunluğunu belirtir. Radyasyon akışları, netlik için yanal yer değiştirme ile gösterilmiştir; modelde yan yana dizilirler. Yalnızca uzun dalga radyasyonu ile etkileşime giren atmosfer, kesikli çizgiler içindeki katman tarafından belirtilir. ε=0.78 ve α _p =0.3 için Dünya Gezegenini temsil eden özel bir çözüm gösterilmiştir . Parantez içindeki sayılar akı yoğunluklarını S ₀ /4'ün yüzdesi olarak göstermektedir .

ε=0.82 olan denge çözümü. Δε=0.04'lük artış, karbondioksitin iki katına çıkarılmasına ve su buharı ile ilgili olumlu geri bildirime karşılık gelir.

Sera etkisi olmayan denge çözümü: ε=0

Atmosferin tepesinden çıkan kızılötesi akı yoğunluğu:

${\displaystyle F\uparrow =\epsilon \sigma T_{a}^{4}+(1-\epsilon )\sigma T_{s}^{4}}$

Son olarak, ε, absorbe edilen yüzeyden yukarı doğru uzun dalga radyasyonunun fraksiyonunu, atmosferin absorptivitesini temsil eder. Sağdaki ilk terimde, ε atmosferin salım gücüdür, Stefan-Boltzmann yasasının atmosferin optik olarak kalın olmadığı gerçeğini hesaba katacak şekilde ayarlanmasıdır. Böylece ε, dışa doğru akı yoğunluğunun hesaplanmasında iki radyasyon akışını düzgün bir şekilde harmanlama veya ortalama alma rolünü oynar.

Atmosferin tepesinden çıkan sıfır net radyasyon şunları gerektirir:

${\displaystyle -{\frac {1}{4}}S_{0}(1-\alpha _{p})+\epsilon \sigma T_{a}^{4}+(1-\epsilon )\sigma T_{s}^{4}=0}$

Yüzeye giren sıfır net radyasyon şunları gerektirir:

${\displaystyle {\frac {1}{4}}S_{0}(1-\alpha _{p})+\epsilon \sigma T_{a}^{4}-\sigma T_{s}^{4 }=0}$

Atmosferin enerji dengesi, yukarıdaki iki denge koşulundan türetilebilir veya bağımsız olarak çıkarılabilir:

${\displaystyle 2\epsilon \sigma T_{a}^{4}-\epsilon \sigma T_{s}^{4}=0}$

Atmosferin hem yukarı hem de aşağı doğru ışıma yapmasından kaynaklanan önemli 2 faktörüne dikkat edin. Bu nedenle, T oranı, _bir T _s £ değerinin bağımsızdır:

${\displaystyle T_{a}={T_{s} \2^'den fazla{1/4}}={T_{s} \1.189'dan fazla}}$

Böylece T _a , T _s cinsinden ifade edilebilir ve model girdi parametreleri cinsinden T _s için bir çözüm elde edilir :

${\displaystyle {\frac {1}{4}}S_{0}(1-\alpha _{p})=\left(1-{\frac {\epsilon }{2}}\sağ)\sigma T_ {s}^{4}}$

veya

${\displaystyle T_{s}=\left[{\frac {S_{0}(1-\alpha _{p})}{4\sigma }}{\frac {1}{1-{\epsilon \over 2}}}\sağ]^{1/4}}$

Çözelti ayrıca cinsinden ifade edilebilir etkin emisyon sıcaklığı T _e radyatör F = σT itaat mükemmel bir radyatör sanki, yansıyan kızılötesi akı yoğunluğu F karakterize sıcaklığı, _e ⁴ . Bunu model bağlamında kavramsallaştırmak kolaydır. T _e aynı zamanda T _s , ε=0 olması veya atmosfer olmaması durumunda da çözümdür :

${\displaystyle T_{e}\equiv \left[{\frac {S_{0}(1-\alpha _{p})}{4\sigma }}\sağ]^{1/4}}$

T _e tanımı ile :

${\displaystyle T_{s}=T_{e}\sol[{\frac {1}{1-{\epsilon \over 2}}}\sağ]^{1/4}}$

Yüzeyden radyasyon kaçmayan mükemmel bir sera için veya ε=1:

${\displaystyle T_{s}=T_{e}2^{1/4}=1.189T_{e}\qquad T_{a}=T_{e}}$

Yukarıda tanımlanan parametreleri Dünya'ya uygun olacak şekilde kullanarak,

${\displaystyle T_{e}=255~\mathrm {K} =-18~\mathrm {C} }$

ε=1 için:

${\displaystyle T_{s}=303~\mathrm {K} =30~\mathrm {C} }$

ε=0.78 için,

${\displaystyle T_{s}=288.3~\mathrm {K} \qquad T_{a}=242.5~\mathrm {K} }$.

T Bu değer, _s ölçümlere göre ortalama küresel "Yüzey sıcaklığı" geçme 287.2 K yakın olması umulur. ε=0.78, yüzey radyasyonunun %22'sinin doğrudan uzaya kaçtığı anlamına gelir; bu, sera etkisinde %15 ila %30'luk bir kaçış ifadesi ile tutarlıdır .

Işınımsal karbondioksit ikiye katlanması için 3.71 W m ^-2 basit bir parametre olarak,. Bu aynı zamanda IPCC tarafından onaylanan değerdir . denkleminden , ${\displaystyle F\uparrow }$

${\displaystyle \Delta F\uparrow =\Delta \epsilon \sol(\sigma T_{a}^{4}-\sigma T_{s}^{4}\sağ)}$

ε=0.78 için T _s ve T _a değerlerinin kullanılması, Δε=.019 ile = -3.71 W m ^−2'ye izin verir . Böylece ε'nin 0.78'den 0.80'e değişmesi, karbondioksitin iki katına çıkmasından kaynaklanan ışınımsal zorlama ile tutarlıdır. ε=0.80 için, ${\displaystyle\Delta F\uparrow }$

${\displaystyle T_{s}=289.5~\mathrm {K} }$

Dolayısıyla bu model , karbondioksitin iki katına çıkması için ΔT _s = 1,2 K'lik bir küresel ısınmayı öngörür . Bir gelen tipik bir kestirim GCM GCM özellikle yüksek su buharı, pozitif geri besleme sağlar, çünkü temel 3 K yüzey ısınma. Bu geri besleme sürecini dahil etmek için basit bir vekil, sıcaklıktaki bir artışla ilişkilendirilecek su buharındaki artışın etkisini yaklaşık olarak tahmin etmek için toplam Δε=.04 için ek bir Δε=.02 artışı varsaymaktır. Bu idealize edilmiş model, daha sonra , IPCC ile kabaca tutarlı bir şekilde, karbondioksitin iki katına çıkması için ΔT _s = 2.4 K'lik bir küresel ısınmayı tahmin ediyor .

K, C ve F birimleriyle tablo özeti

Uzantılar

Basit tek seviyeli atmosferik model, kolaylıkla çok katmanlı bir atmosfere genişletilebilir. Bu durumda, sıcaklıklar için denklemler bir dizi bağlı denklem haline gelir. Bu basit model her zaman yüzeyden uzaklaştıkça azalan bir sıcaklık öngörür ve "sera gazları eklendikçe" tüm seviyelerin sıcaklığı artar . Ne bu etkilerin tam gerçekçi: Gerçek ortamda sıcaklıklar tropopause üzerine çıkması ve bu katmanda sıcaklıklar tahmin (ve gözlemlenen) vardır azaltmak sera gazı katma gibidir. Bu, gerçek atmosferin gri olmamasıyla doğrudan ilgilidir.

Ayrıca bakınız

• Sera etkisi
• Sera önleyici etki
• İklim değişikliği (modern zaman)
• İklim değişikliği (genel konsept)
• iklim zorlaması
• Dünyanın enerji bütçesi
• Dünyanın radyasyon dengesi
• Küresel karartma
• Küresel ısınma
• Kaçak sera etkisi

Dipnotlar

Referanslar

• Bohren, Craig F.; Clothiaux, Eugene E. (2006). "1.6 Emisivite ve Küresel Isınma". Atmosferik Radyasyonun Temelleri . Chichester: John Wiley ve Oğulları . s. 31–41. ISBN'si 978-3-527-40503-9.
• Küçük, Grant W. (2006). "6.4.3 Atmosferin Basit Işınım Modelleri". Atmosferik Radyasyonda İlk Kurs (2. baskı). Madison, Wisconsin: Sundog Pub. s. 139-143. ISBN'si 978-0-9729033-1-8.

Dış bağlantılar

• Wikipedia'nın idealize edilmiş sera modelini hesaplamak