profpr: (Default)
Современнaя демонстрация экспериментов Джона Тиндалла по измерению поглощения тепловой радиации парниковыми газами, о которых я писал здесь.

profpr: (Default)
Продолжаем серию... По периодичности выпусков можно судить о частоте моих перелетов: я обычно пишу в самолете.

Работами Сванте Аррениуса заканчивается начальный период исследований динамики климата. Основным предметом дискуссии было, конечно,  объяснение периодических оледенений, а не потепление, и тем более не негативные эффекты потепления климата. Арренииус, например, полагал, что удвоение концентрации СО2 в атмосфере, которое, если современный тренд сохранится, произойдет к середине этого века, займет тысячи лет, и исключительно положительно повлияет на сельское хозяйство.

В первую половину 20-го века основные гипотезы о механизмах изменения климата, о которых я писал раньше, получили дальнейшее развитие. По словам Флеминга, Брукс насчитал в своем обзоре (Brooks, 1950) 69 таких гипотез, от континентального дрифта* до перемещения Солнечной системы в области с высокой концентрацией межзвездного газа, повышающего приток энергии Солнца. Более подробно про основные гипотезы рассказывается в Справочнике Климатологии 1903-го года издания. Среди этого многообразия работа Аррениуса большинством современников считалась ошибочной – отчасти потому, что она действительно содержала ошибки, отчасти из-за неправильно интерпретированных новых данных.

Основная критика гипотезы Аррениуса основывалась на исследованиях Кнута Ангстрема. Эксперементально было показано, что увеличение концентрации углекислого газа оказывает влияние на “парниковый эффект” только при очень малых начальных концентрациях, гораздо меньших, чем современные;  изменение концентрации СО2 в “разумных” пределах практически не сказывается на парниковом эффекте.  Например, сотрудник Ангстрема герр Кох исследовал прохождение тепловой радиации через трубку, содержащую углекислый газ в различных пропорциях и  нашел, что снижение концентрации углекислого газа до 1/3 от современного уровня изменило поглощение радиации в трубке всего на 0.4%. С другой стороны, спектроскопические исследования показали, что линии поглощения СО2 полностью перекрываются линиями водяного пара – а воды в атмосфере всегда хватает. С третьей, в нижних слоях атмосферы теплообмен преимущественно осуществляется конвекцией, поэтому сама модель радиационного теплообмена Аррениуса была порочна. Наконец, предполагалось, что даже если углекислый газ и был бы способен повлиять на климат, любое отклонение его концентрации от равновесной тут же компенсируется изменением стока стока СО2 в растительность* и, в особенности, океаном, в котором содержание растворенного СО2 во много раз превышает атмосферный пул.

В итоге, первые работы по влиянию состава атмосферы на изменения климата оказались более или менее забыты до 50-х годов, когда, с одной стороны, появилась возможность надежно измерять изменения концентрации СО2 в атмосфере, с другой, многослойная модель атмосферы позволила переместить “парниковый эффект” на "правильное место", к границе тропосферы, где практически отсутствуют водяные пары, с третьей, направленными модификациями климата заинтересовались военные. Отдельные ученые, однако, продолжали исследования влияния углекислого газа атмосферы на климат. Наибольшую известность среди них получили работы Гая Каллендара, который в конце 30-х годов обнаружил, что  с начала века количество углекислого газа в атмосфере выросло на 10% - значительно быстрее, чем предполагалось. Но про это в следующий раз.


* ”Гомеостатическая регуляция ” атмосферного СО2 растительностью, в двух словах, означает, что увеличение концентрации углекислого газа ведет к ускорению фотосинтеза , из атмосферы поглощается больше СО2 и, в итоге, концентрация СО2 снова снижается. Практическое значение этого эффекта до сих пор не вполне ясно. Интересные работы по эксперементальной “СО2-фертилизации” растений публикуются в рамках проектов FACE; похоже, что за первоначальным быстрым ускорением роста растений в обогащенной углекислым газом атмосфере следует стабилизация.

Материал для этой заметки во многом изложен в книге Флеминга “Historical perspective on climate change”.
profpr: (Default)

Главной проблемой, которую пытались решить исследования климата 19-го века, было объяснение причин оледенений. До сих пор я писал об "углеродном" объяснении. Астрономическое - базируется на исследовании изменений инсоляции. Первый приходящий на ум пример - циклы Миланковича, изменения параметров орбиты Земли, меняющие распределение солнечной энергии по времени и пространству. Но настоящее начало "астрономическая" теория берет с исследований Джеймса Кролла (James Croll).
Read more... )

profpr: (Default)
В конце 19-го века Аррениус опубликовал статью, объясняющую чередование холодных и теплых периодов в истории Земли вариабельностью концентрации углекислого газа в атмосфере – эта вариабельность через каскад положительных обратных связей вызывает изменения в энергетическом балансе планеты. Последний штрих, которого не хватало гипотезе Аррениуса – объяснение причин, по которым меняется концентрация углекислого газа в атмосфере. 
more... )
profpr: (Default)

Фурье сформулировал теорию теплового баланса Земли, одним из основных компонентов которой был "парниковый эффект", т.е. способность атмосферы быть прозрачной для коротковолновой солнечной радиации и, одновременно, непрозрачной для длинноволновой радиации Земли. Тиндал и другие исследователи второй половины 19-го века измерили долю поглощенной длинноволновой радиации для различных газов. Шведский химик Сванте Аррениус (Svante Arrhenius) предложил первую распределенную климатическую модель и рассчитал с ее помощью влияние изменения концентрации углекислого газа в атмосфере на температуру поверхности Земли.

Дальше )

profpr: (Default)

Атмосфера Земли прозрачна для коротковолновой радиации Солнца.  Атмосфера существенно менее прозрачна для длинноволновой тепловой радиации, испускаемой поверхностью Земли. Французский математик и физик Жозеф Фурье описал эффект поглощения длинноволновой радиации (которую он называл "темными лучами") атмосферой, используя данные "гелиотермометра", и использовал этот эффект в своей теории теплового баланса поверхности Земли. Английский физик Джон Тиндалл  (John Tyndall) впервые лабораторно измерил поглощение тепловой радиации парниковыми газами и количественно оценил зависимость эффекта от концентрации газов.

Read more... )
profpr: (Default)
Парниковым эффектом называют способность коротковолновой солнечной радиации проходить через прозрачную среду (например, стекло парника или атмосферу), в то время как длинноволновая радиация, излучаемая нагреваемой солнечными лучами поверхностью, стеклом парника (или атмосферой) поглощается. Сванте Аррениус, впервые количественно оценивший повышение температуры Земли при удвоении количества углекислого газа в атмосфере, говорит, что открыл парниковый эффект Фурье: “Фурье утверждал, что атмосфера устроена, как стекло в парнике – потому  что она пропускает легкие лучи Солнца (коротковолновую радиацию - profpr), но задерживает темные лучи, идущие от земли". А Википедия в статье “парниковый эффект” пишет: “Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет»”. Продолжение )
profpr: (Default)
Кривая Килинга – это график, показывающий непрерывный рост концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, начиная с 1958-го года. С начала измерений количество СО2 выросло уже на четверть, а с начала “индустриальной эпохи” в о второй половине 19-го века – на 40%. В те времена ученые воспринимали этот рост как интересный геофизический эксперимент.Продолжение... )
profpr: (Default)
Попробую запостить цикл популярных заметок про исследования изменений климата. По-хорошему, надо начинать с начала 19-го века, но от такой методичности мне тошно. Поэтому начну я с середины, а именно с результатов первых моделей общей циркуляции атмосферы. Условно пусть это будет заметка #15 - а со временем и божей помощью я доберусь и до #1, и до #100.
profpr: (Default)
Два часто повторяемых "климатическими скептиками" утверждения:
1. Раньше климатологи вешали нам лапшу на уши про всемирное похолодание, а теперь - про потепление;
2. Раньше климатологи нам говорили про потепление климата, и что же, прошло уже 50 лет - прогнозы явно не сбылись.
Как же оно было на самом деле тогда, раньше?

И когда было это раньше. Для появления модельной оценки влияния увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере требовалось два условия, интерес к последствиям выброса СО2, и собственно существование моделей. Интерес появился в начале 60-х, когда, с одной стороны, систематические измерения в обсерватории на Мауна Лоа (рядом с национальным парком на Большом острове Гаваев) показали существенное изменение состава атмосферы (кривая Килинга); с другой, некоторые исследования показали возможность существенно нелинейного отклика атмосферы. С динамическими моделями атмосферы было хуже.

Первая модель, точнее, несколько поколений моделей, развиваемых Суки Манабе (Manabe) под руководством разных боссов в General Circulation Research Lab в Вашингтоне, была и с самой богатой историей, идущей еще от идей ведения климатических войн 1940-х годов. Сейчас это - GFDL.

Еще одна модель в конце 60-х была сделана в Университете Калифорнии - Лос Анжелес Минцем и Акио Аракавой (Minтz and Arakawa). Версии этой модели распространялись по лабораториям и университетам разных стран мира, где развивались уже независимо. К примеру, модель ВЦ АН СССР - была веткой модели Минца - Аракавы.

Наконец, в Национальном Центре Атмосферных Исследований NCAR в конце 60-х Акира Касахара и Варрен Вашигтон (Akira Kasahara and Warren Washington) написали модель NCAR. Этими тремя группами и исчерпывалось все богатство действующего инструментария к началу 70-х. Интересно, что все три модели были написаны и запрограммированы эмигрировавшими в США японскими учеными, связанными с  группой динамической метеорологии университета Токио.

Если посмотреть на результаты современных GCM, они представляют из себя непрерывные линии, что-то типа вот таких. Но начиналось все с расчетов "равновесного" состояния атмосферы с удвоенной концентрацией СО2 - на большее не хватало мощности компьютеров. Когда такое состояние будет достигнуто, каким путем - оставалось за рамками модели. Все три модели показали примерно одинаковую чувствительность с изменением глобальной температуры на +2 - +4.5 С при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере. Сейчас, через 40 лет, результаты существенно более продвинутых моделей остались примерно теми же.

Более подробно здесь, здесь и здесь.

September 2017

S M T W T F S
     12
3456789
10111213141516
171819 20212223
24252627282930

Most Popular Tags

Expand Cut Tags

No cut tags