Več

3.6: Razumevanje temperaturnega profila atmosfere - geoznanost

3.6: Razumevanje temperaturnega profila atmosfere - geoznanost


Zdaj lahko začnemo razumeti razloge za tipičen temperaturni profil troposfere. Različne zračne mase z različnimi zgodovinami in različnimi količinami vodne mešanice, rezultat pa je tipičen troposferski temperaturni profil, ki ima hitrost prehoda (5-8) K km-1.

Če bi temperaturne profile atmosfere določali le z atmosfersko vlago, bi imele suhe zračne mase stopnje zamikov, ki so bolj podobne hitrosti suhega adiabata, v tem primeru bi pričakovali, da bi imelo nebo manj, tanjših oblakov. Vlažne zračne mase bi imele hitrosti zamika, ki so bližje stopnji vlažnega adiabata, kar bi povzročilo nebo, napolnjeno z oblaki na mnogih nadmorskih višinah.

Toda mnogi procesi vplivajo na temperaturo zraka na različnih nadmorskih višinah, vključno z mešanjem zračnih parcel, včasih celo iz stratosfere, dežjem in izhlapevanjem dežja. Izmenjava infrardečega sevanja med zemeljsko površino, oblaki in plini, ki absorbirajo IR (tj. Vodno paro in ogljikov dioksid), prav tako igra pomembno vlogo pri določanju temperaturnega profila ozračja, kar bomo pokazali v lekciji o atmosferskem sevanju. Profili imajo lahko lokalne stopnje prekinitev, ki so lahko nižje od stopnje vlažnega adiabatskega zamika do večje od stopnje suhega adiabatskega zamika. Pazljivo poglejte spodnji temperaturni profil. Videli boste dokaze, da se mnogi od teh procesov združujejo, da naredijo temperaturni profil takšen, kot je.

Zasluge: NCAR

Če vse te profile povprečimo skupaj skozi celo leto, lahko dobimo tipičen troposferski temperaturni profil. Po podatkih Mednarodne organizacije za civilno letalstvo (Doc 7488-CD, 1993) ima standardno ozračje temperaturo 15oC na površini, hitrost prekinitve -6,5oC od 0 km do 11 km, je konstantna od 11 km do 20 km, nato pa ima pozitivno odstopanje 1oC od 20 km do 32 km v stratosferi. Čeprav je ta standardni profil dobra predstavitev globalno povprečenega profila, je malo verjetno, da bi bil tak temperaturni profil kdaj viden pri radiosondi.

Združevanje znanja o stabilnosti skupaj z znanjem vlažnih procesov nam omogoča razumevanje obnašanja oblakov v ozračju. Naslednja slika vodne pare, ki se sprošča iz hladilnega stolpa v jedrskem reaktorju na otoku Tri milje blizu Harrisburga, PA prikazuje vodno paro, ki se hitro kondenzira in tvori oblak. Oblak se dvigne, nato pa doseže raven, na kateri se njegova gostota ujema z gostoto zraka v okolici. Oblak se nato ustavi in ​​se začne širiti.

Zasluge: W. Brune


Dokumenti, ki jih držijo naraščajoči zračni tokovi nad radiatorjem, dokazujejo pomembno načelo, da se topel zrak dviga.

Zakaj se dviga topel zrak (Slika nad)? Molekule plina se lahko prosto gibljejo in če so brez vsebine, kot so v ozračju, lahko zavzamejo več ali manj prostora.

  • Ko so molekule plina hladne, so počasne in ne zavzamejo toliko prostora. Z enakim številom molekul v manj prostora sta gostota zraka in zračni tlak višji.
  • Ko so molekule plina tople, se močno premikajo in zavzamejo več prostora. Gostota zraka in zračni tlak sta nižja.

Toplejši in lažji zrak je bolj plavajoč kot hladnejši zrak nad njim, zato se dviga. Hladnejši zrak nato potone navzdol, ker je gostejši od zraka pod njim. To je konvekcija, ki je bila opisana v poglavju Tektonika plošč.

Lastnost, ki se z nadmorsko višino najbolj presenetljivo spreminja, je temperatura zraka. Za razliko od spremembe tlaka in gostote, ki se z nadmorsko višino zmanjšujeta, spremembe temperature zraka niso redne. Sprememba temperature z razdaljo se imenuje a temperaturni gradient.

Atmosfera je razdeljena na plasti glede na to, kako se temperatura v tem sloju spreminja z višino, temperaturni naklon plasti (Slika spodaj). Temperaturni gradient vsake plasti je drugačen. V nekaterih plasteh temperatura narašča z nadmorsko višino, v drugih pa se znižuje. Temperaturni gradient v vsaki plasti je določen z virom toplote plasti (Slika spodaj).

Štiri glavne plasti ozračja imajo različne temperaturne nagibe, kar ustvarja toplotno strukturo ozračja.

Plasti ozračja so na tej sliki z Mednarodne vesoljske postaje prikazane kot različne barve.

Večina pomembnih procesov atmosfere poteka v dveh najnižjih plasteh: troposferi in stratosferi.


Možnosti dostopa

Pridobite popoln dostop do dnevnika za eno leto

Vse cene so NETO cene.
DDV bo dodan pozneje na blagajni.
Izračun davka bo dokončan med odjavo.

Pridobite časovno omejen ali celovit dostop do člankov na ReadCube.

Vse cene so NETO cene.


Kako so se ljudje naučili razumeti vlogo ozračja

O antropogenem globalnem segrevanju se v zadnjem desetletju zelo razpravlja, zlasti po objavi četrtega poročila o oceni Medvladnega sveta za podnebne spremembe (IPCC) in v zvezi s prispevkom Delovne skupine I na znanstveni podlagi za podnebne spremembe (Solomon 2007 ). Antropogeni in naravni prispevki k podnebnim spremembam so bili v zadnjem desetletju tudi glavni poudarek objavljenih raziskav: nedavno jih je Cook količinsko opredelil et al. (2013), ki je preučil vsebino več kot 11 000 povzetkov dokumentov o podnebnih spremembah v obdobju 1991–2011, da bi pokazal visoko stopnjo soglasja o antropogenih vzrokih globalnega segrevanja. Pregled tega narave ali vzrokov podnebnih sprememb, ki so podrobno pregledani drugje (Stocker 2014), ne spada v obseg tega prispevka. Zdaj je jasno, da so posledice podnebnih sprememb, ki jih povzroči človek, že očitne in motivirajo družbo, da spremeni svoje vedenje. Vendar je globalni odziv pri zmanjševanju emisij še vedno precej počasen. Tu trdimo, da je cilj doseči splošno razširjeno družbeno sprejetje potrebe po prehodu na globalno nizkoogljično energijsko mešanico najbolje doseči z razlago pomena zaščite zemeljske atmosfere. To najlažje naredimo s pripovedovanjem zgodovine odkritja učinka toplogrednih plinov.

Francoski matematik Joseph Fourier je najprej ugotovil, da zemeljsko ozračje deluje kot izolator, ki ustvarja toplejšo zemeljsko površino, kot jo je mogoče razložiti samo s sončnim sevanjem (Fourier 1824 v angleščino prevedel Burgess 1837). Ti pojmi so bili pozneje razviti in formalizirani v tem, kar danes imenujemo Stefan-Boltzmannov zakon sevanja črnega telesa, pri čemer je energija, ki jo oddaja črno telo, sorazmerna s četrto močjo temperature tega telesa. Preureditev Stefanovo -Boltzmannovega zakona za določitev ravnotežne temperature, Tekv, za planet v našem osončju daje: (1) kje S je sončna konstanta, A je vez albedo in σ je Stefan -Boltzmannova konstanta. Ob predpostavki razumnih vrednosti S = 1366 W m −2 in A = 0,3 (Pollack 1979) daje ravnovesno temperaturo zemeljske površine 255 K (-18 ° C). Razlika med to vrednostjo in opazovano povprečno površinsko temperaturo Zemlje, pri okoli 288 K (15 ° C), daje atmosferski učinek segrevanja rastlinjaka 33 K. Primerjava tega izolacijskega učinka zemeljske atmosfere z veliko manjšim učinkom atmosferskega segrevanje na Marsu in veliko večji učinek na Venero (Pollack 1979) dokazuje temeljni pomen zemeljske atmosfere za življenje na Zemlji. Biološki sistemi na Zemlji so bili prilagojeni življenju na tem precej edinstvenem planetu, ozračje pa ima ključno vlogo pri določanju pogojev za to biosfero.

Pri razvoju teorije sevanja črnega telesa je Josef Stefan uporabil niz skrbnih laboratorijskih poskusov, ki jih je izvedel John Tyndall (1863), ki je prvi dokazal, da atmosferski plini absorbirajo "nevidne toplotne žarke" (infrardeče sevanje) v nelinearni način, povezan z vrsto in koncentracijo plina. Tyndall je pokazal, da ima vodna para največji učinek, vendar je opazil prispevek več drugih plinov z nizko koncentracijo. Vendar je bil to dokument Svante Arrhenius (1896), v katerem je bil prvič jasno ugotovljen „učinek tople grede“ zemeljske atmosfere. Arrhenius je domneval, da je selektivna absorpcija toplote v zemeljski atmosferi predvsem posledica vodne pare in ogljikove kisline (H2CO3) in da bi se ta absorpcija spreminjala glede na valovno dolžino. Z opazovanjem lune z infrardečim sevanjem (ki so ga zbrali Langley in sodelavci na observatoriju Allegheny v Pittsburghu, objavljeno leta 1890) je lahko izračunal absorpcijo infrardečega sevanja z atmosferskim CO2 in vodne pare. Sevanje iz polne lune je mogoče šteti za stalen vir, saj luna nima občutne atmosfere in vedno predstavlja isto stran planeta Zemlja. Z uporabo Stefanovega zakona (zdaj zakon Stefan -Boltzmann) je Arrhenius svoj zakon o rastlinjaku oblikoval na naslednji način: "Če se bo količina ogljikove kisline z geometrijsko progresijo povečala, se bo zvišanje temperature povečalo skoraj z aritmetično progresijo". zvišanje temperature je sorazmerno z dnevnikom CO2 koncentracija. Če to izrazimo matematično, dobimo osnovni Arrheniusov zakon absorpcije toplogrednih plinov: (2) kjer je ΔF. je sevalna sila (W m −2), C je CO2 koncentracija in Co je izhodiščna ali motena koncentracija CO2. Konstanta sorazmernosti, Arrheniusovo število, α, ima enote Ea/RT (razmerje med aktivacijsko in toplotno energijo). Ob predpostavki tipičnega razpona za α (5.3–6.3), učinek sevanja zaradi povečanja CO2 koncentracija od predindustrijske ravni 280 ppm do sedanje ravni 400 ppm je v razponu od 1,8 do 2,2 W m −2 (zanemarjanje različnih mehanizmov povratnih informacij, obravnavanih spodaj).

Arrheniusov vpogled je bil izjemen iz več razlogov. Uspelo mu je količinsko opredeliti učinek selektivne absorpcije toplote v atmosferi zaradi H2O in CO2 z iznajdljivo uporabo astronomskih podatkov - odstranjevanje učinkov sezonskih temperaturnih nihanj za odpravo učinka CO2. Njegova analiza je določila tudi učinke različnih atmosferskih plinov v kontekstu sončnega sistema kot celote. Naše razumevanje učinka toplogrednih plinov je od tega zgodnjega vpogleda močno napredovalo (Lashof & amp Ahuja 1990 Hansen et al. 1997 Stocker 2014) s spoštovanjem potrebe po razumevanju sevalnih in absorpcijskih učinkov na različnih ravneh v ozračju ter mehanizmov povratnih informacij, povezanih s kroženjem oceanov in naravnimi ponori in viri ogljika. Vemo tudi, da imajo drugi plini v sledovih (predvsem metan, dušikov oksid, klorofluoroogljikovodiki in ozon) močan učinek toplogrednih plinov, pri čemer ima na primer metan 3,7 -krat večji potencial segrevanja CO2 na mol plina (Lashof & amp Ahuja 1990). Kombiniranje sevalnih učinkov vseh emisij toplogrednih plinov iz človekovih dejavnosti daje približno 1,5 W m −2 dodatnega sevanja v obdobju 1750 - 2005 (Forster et al. 2007), z CO2 še vedno največji učinek na prispevek. Povezava tega sevalnega učinka s silo na dvig temperature je zapletena in nelinearna: vendar na splošno sevalna sila 0,5-1,3 W m −2 ustreza segrevanju 2-5 ° C (Lashof & amp Ahuja 1990). Pomemben dejavnik pri tej povezavi je čas zadrževanja različnih toplogrednih plinov v ozračju. Sonnemann & amp Grygalashvyly (2013) je nedavno ocenil čas bivanja za CO2, ki pojasnjuje številne dejavnike, ki vplivajo na poročana območja ocen, in zaključuje o povprečju 130 let (za model mešanja ravnotežja). Najnovejša ocena skupnega antropogenega učinka sevalnega sevanja za obdobje 1750 - 2011 je 2,29 W m −2 z intervalom negotovosti 1,13–3,33 W m −2 (IPCC 2013).

Pomembno je tudi ovrednotiti učinek toplogrednih plinov v kontekstu celotnega sončnega sistema, podobno kot je to storil Arrhenius leta 1896. Bistveni zunanji nadzor nad podnebjem Zemlje je intenzivnost sončnega sevanja, ki ga sama močno nadzoruje Zemlja. orbito. Ekscentričnost in poševnost Zemljine orbite ter precesija Zemljine rotacijske osi vodijo do cikličnih sprememb razdalje Zemlja -Sonce in posledično do nihanj pri sončnem ogrevanju, imenovanih Milankovičevi cikli po pionirskem delu geofizika in astronoma Milutina Milankovića (prvič objavljeno leta 1913). Pomen teh ciklov je bila pozneje dokazana z analizo izotopov kisika v geološkem zapisu, kjer je jasno vidno, da Milankovičevi cikli nadzorujejo podnebne zapise v zadnjih 500 kyr (Hays et al. 1976) in res v celotnem geološkem zapisu.

Potencialni pomen CO2 in njen vpliv na zemeljsko podnebje je bil v naslednjih desetletjih še vedno predmet razprav in analiz (Callendar 1938, 1958 Revelle & amp Suess 1957), nato pa se je ponovno osredotočil na pobudo Keelinga in drugih (Keeling 1978), ki začeli zbirati atmosferski CO2 podatki o koncentracijah na observatoriju Mauna Loa leta 1958 (slika 1b). Ta program zbiranja podatkov se nadaljuje v okviru oceanografske ustanove Scripps, ki jo podpira Ministrstvo za energijo Združenih držav Amerike, v zadnjem času pa Earth Networks pri razvoju globalnega omrežja za spremljanje toplogrednih plinov. CO2 atmosferske meritve od leta 1958 skupaj s prejšnjimi CO2 koncentracije, ki temeljijo na podatkih o ledenem jedru v zadnjih 800 kyr (https://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/), so bile široko obravnavane in analizirane (glej Tans 2009). Dokazujejo zelo pomembno spremembo atmosferskega CO2 koncentracija (slika 1b), ki ustreza antropogenim emisijam CO2 v času industrijske dobe (slika 1a).

Za usklajevanje prizadevanj za razumevanje učinkov podnebnih sprememb, ki jih povzroči človek, sta Svetovna meteorološka organizacija (WMO) in okoljski program Združenih narodov (UNEP) ustanovila Medvladni odbor za podnebne spremembe (IPCC) s ciljem: ' svetu zagotoviti jasen znanstveni pogled na podnebne spremembe in njihove potencialne vplive “. Poročila o oceni IPCC so bila objavljena v letih 1990, 1995, 2001, 2007 in 2013. V četrtem ocenjevalnem poročilu IPCC (2007) so avtorji navedli, da je: segrevanje podnebnega sistema nedvoumno, kar je zdaj razvidno iz opazovanj povečanja svetovnega povprečnega zraka in temperature oceanov, široko taljenje snega in ledu ter naraščajoča svetovna povprečna gladina morja. Poročilo IPCC (2007) je tudi navedlo, da se: Enajst od zadnjih dvanajstih let (1995 - 2006) uvršča med dvanajst najtoplejših let v instrumentalnem zapisu svetovne površinske temperature (od leta 1850) [in da] večina opaženega povečanja globalne povprečne temperature od sredine 20. stoletja so zelo verjetno posledica opaženega povečanja antropogenih koncentracij toplogrednih plinov. Odzivi IPCC na ta prizadevanja so bili zelo različni. IPCC je leta 2007 za svoje delo na področju podnebnih sprememb prejel Nobelovo nagrado za mir. Vendar pa je poročilo IPCC (2007) pritegnilo tudi precejšnjo kritiko zaradi domnevnega pretiravanja učinkov podnebnih sprememb, ki jih povzroča človek, in nekaterih napak, ugotovljenih v poročilu, zlasti v zvezi s trditvijo, da bi himalajski ledeniki lahko izginili do leta 2035. IPCC je pozneje priznal nekatere posebne napake, vendar je ponovno potrdil svoje glavne sklepe in se strinjal, da poostri svoje postopke pregleda (IPCC 2010). Peto ocenjevalno poročilo IPCC (AR5), ki je bilo dokončano leta 2013, se je osredotočilo na fizikalno znanost o podnebnih spremembah, pri čemer so številne delovne skupine obravnavale različne dele sistema ocean -ozračje. Poročilo delovne skupine 1 (Stocker et al. 2013) je vključeval delo o boljši količinski opredelitvi procesov in vzrokov podnebnih sprememb, s posebnim poudarkom na obravnavi negotovosti, medtem ko je povzetek za oblikovalce politik (IPCC 2013) še naprej poudarjal pomen vplivov, ki jih na človek povzroči človek, na podnebje, ki navaja, da: Zelo verjetno je, da je človeški vpliv prevladujoči vzrok segrevanja od sredine 20. stoletja “.

Slika 2 prikazuje enega od zbirnih podatkovnih nizov iz IPCC (2013), ki ponazarja trenutno razumevanje razmerja med globalno povprečno površinsko temperaturo in kumulativnim celotnim globalnim CO2 emisij. S primerjavo rezultatov modelov za zgodovinsko obdobje (1870–2010) z nizom izbranih modelov napredovanja cikla podnebja in ogljika do leta 2100 (imenovanih „reprezentativne koncentracijske poti“ (RCP)) graf prikazuje možne vplive na globalno temperaturo v ocenjena območja negotovosti (zasenčeno območje označeno z območjem RCP). Zgodovinsko povišanje temperature za približno 1 ° C segrevanja je v mejah negotovosti in brez razumnega dvoma potrjuje, da je dodatni učinek segrevanja rastlinjaka posledica antropogenih emisij. Pričakovano zvišanje temperature v letu 2100 je med 2 in 5 ° C (odvisno od scenarija modela RCP), kar predstavlja med 6 in 15% naravnega učinka tople grede na zemeljski sistem. Za nadaljnjo razpravo o narejenih predpostavkah in uporabljenih modelih glej napis na sliki 2 in IPCC (2013).

Povečanje globalne povprečne površinske temperature kot funkcija kumulativnega celotnega globalnega CO2 emisije iz različnih vrst dokazov. Ta slika, slika SPM.10 iz IPCC 2013, je reproducirana z dovoljenjem. Rezultati modela za preteklo obdobje (1860–2010) se primerjajo z rezultati hierarhije modelov napredovanja cikla podnebja in ogljika za vrsto scenarijev, imenovanih Reprezentativne poti koncentracije (RCP) do 2100. Vsak prikazani RCP (RCP 2,6, 4.5, 6.0 in 8.5) je rezultat večmodelnega modela klimatsko-ogljikovega cikla z dekadnimi sredstvi, ki so prikazane kot pike. Desetletna povprečja so povezana z ravnimi črtami. Rezultati modela v zgodovinskem obdobju (1860 - 2010) so označeni s črno. Barvni perje ponazarja več modelov, razpršenih po štirih scenarijih RCP, in zbledi z zmanjševanjem števila razpoložljivih modelov v RCP8.5. Tanka črna črta in sivo območje sta več modelov in obseg za modele, ki jih vsiljuje CO2 povečanje za 1% na leto (1% na leto CO2 simulacije). Za določeno količino kumulativnega CO2 emisij, 1% na leto CO2 simulacije kažejo nižje segrevanje kot tiste, ki jih poganjajo RCP, ki vključujejo dodatno ne-CO2 utrdbe. Temperaturne vrednosti so podane glede na izhodiščno obdobje 1861 - 1880, emisije pa glede na 1870.

Podrobneje razpravljati o ugotovitvah IPCC ni na tem pregledu, zlasti ker so bili cilji IPCC povzeti in pregledati objavljena dela o številnih zadevah. Namesto tega je naš cilj postaviti to delo v njegov zgodovinski kontekst. Zaključki skupine znanstvenikov IPCC so v veliki meri skladni s prejšnjimi deli, vključno z Arrheniusom (1896) in na primer Schneiderjem (1975), ki sta trdila, da je globalno segrevanje zaradi podvojitve CO2 emisije bi bile v območju 1,5 - 3 ° C (na podlagi modeliranja podnebja). V zadnjih letih lahko s široko paleto kopenskih in satelitskih meritev izmerimo učinek tople grede CO2 bolj neposredno, najbolj preprosto z opazovanjem spektra zemeljskih infrardečih sevanj iz vesolja. Slika 3 (iz Sportisse 2010) prikazuje izračunani spekter sevanja Zemlje za standardno atmosfero, ki bi ga meril senzor na nadmorski višini 70 km. Planckova porazdelitev emisij iz črnega telesa je podana za izbrane temperature (v kelvinih) z ustreznimi toplogrednimi plini, navedenimi v bližini vrhov absorpcije. Preprosto povedano, Zemlja s povprečno površinsko temperaturo 15 ° C (ali 288 K) bi morala oddajati sevanje blizu krivulje emisij črnega telesa 300 K: vendar nekateri toplogredni plini (CH4, O3, CO2, H2O) povzročijo znatno absorpcijo pri določenih valovnih dolžinah in tako povzročijo segrevanje toplogrednih plinov. Učinek tople grede je bil tudi količinsko opredeljen z meritvami na kopnem s primerjavo dveh območij v obdobju 10 let (Feldman et al. 2015).

Spekter prizemnega infrardečega sevanja (Sportisse 2010). Spekter je izračunan z numeričnim modelom MODTRAN za standardno atmosfero (ZDA 1976, jasno nebo). Planckove porazdelitve emisij črnega telesa so podane za 220, 240, 260, 280 in 300 K. Ustrezni toplogredni plini so navedeni v bližini absorpcijskih vrhov. Ta slika iz Sportisse (2010, slika 2.12) je reproducirana z dovoljenjem © Springer.

Glede na to zgodovino odkritja učinka tople grede kot pomembnega dejavnika pri nadzoru podnebja na Zemlji je kljub temu pomembno upoštevati, da podnebje na Zemlji nadzorujejo številni dejavniki, ki jih lahko na splošno povzamemo v tri skupine:

zunanji dejavniki, povezani z osončjem - Milankovičevi cikli in cikli sončnega ogrevanja

Dejavniki zemeljskega sistema-predvsem kroženje oceanov in vulkanski izbruhi

atmosferski dejavniki - predvsem učinki toplogrednih plinov.

Foster & amp Rahmstorf (2011) je objavil obsežno analizo globalne temperature v zadnjih 30 letih, ki ločuje zunanje (eksogene) učinke od predvidenih učinkov segrevanja rastlinjaka. Njihova analiza je pokazala, da ima El-Niño/južno nihanje (prevladujoč vzorec kroženja v Tihem oceanu) največji zunanji učinek na globalno temperaturo v tem obdobju. Dva vulkanska izbruha (El Chichon v Mehiki leta 1982 in gora Pinatubo na Filipinih leta 1991) sta povzročila znatno ohladitev približno pol leta po izbruhih, vendar se je v enem letu temperatura povrnila. Učinek približno 11 -letnega cikla sončnih peg je prav tako zelo jasen - povzroči spremembo okoli 0,2 ° C. Njihova analiza ponazarja, kako je mogoče identificirati in količinsko opredeliti različne dejavnike, ki vplivajo na temperaturo Zemlje, in kar je še pomembneje, ločiti od učinkov CO2 emisij v zadnjih 100 letih. Kar zadeva temperaturne spremembe v daljšem časovnem obdobju, Otterå et al. (2010) so objavili analizo podnebnih sprememb na severni polobli v zadnjih 600 letih, ki združuje instrumentalne podatke, posredne podatke o podnebju in podnebno modeliranje za obravnavo dolgoročnih sprememb in nadzora nad podnebjem. Ugotovili so, da podnebna nihanja v tem obdobju v veliki meri temeljijo na spremembah zunanjih dejavnikov, in sicer sončne in vulkanske klime. Vendar pa so s primerjavo modelov z učinki prisile toplogrednih plinov in brez njih ugotovili, da zunanje prisiljevanje ne more razložiti segrevanja poznega dvajsetega stoletja. Njihova analiza je še posebej dragocena, saj postavlja učinke segrevanja toplogrednih plinov, spremenjene v dvajsetem stoletju, v kontekst dolgoročnih trendov in zunanjih silnih učinkov.

Znanstveni razlog za nujno zaščito našega ozračja pred škodljivimi učinki antropogenih emisij toplogrednih plinov je zdaj velik. Medtem ko se bo razprava o možnih učinkih teh emisij, ki jih povzroči človek, na zemeljsko podnebje zagotovo nadaljevala, tukaj trdimo, da mora temeljna motivacija za spreminjanje človeškega vedenja temeljiti na spoštovanju načel fizike atmosfere (povzeto na sliki 4). Od prve identifikacije vloge ozračja (Fourier 1824) pri nadzoru temperature zemeljske površine smo postopoma razvili razumevanje kritičnega pomena atmosferskih plinov pri vzdrževanju pravičnega površinskega okolja, ki zadošča za vzdrževanje človeške populacije in biosfere od katerih je to prebivalstvo odvisno.

Povzetek sevalnih tokov v zemeljski atmosferi (tokovi na podlagi Pidwirny 2006).


Reference

Butler, A. H., et al. (2015), Opredelitev nenadnih segrevanj v stratosferi, Bik. Am. Meteorol. Soc., 96, 1,913–1,928, https://doi.org/10.1175/BAMS-D-13-00173.1.

Charlton, A. J. in L. M. Polvani (2007), Nov pogled na stratosferska nenadna segrevanja: I. del. Klimatologija in meritve meril, J. Clim., 20, 449–469, https://doi.org/10.1175/JCLI3996.1.

Chau, J. L., et al. (2012), Ekvatorialni in ionosferski učinki nizkih zemljepisnih širin med nenadnimi dogodki segrevanja v stratosferi, Space Sci. Rev., 168, 385–417, https://doi.org/10.1007/s11214-011-9797-5.

Goncharenko, L. P., et al. (2010), Vpliv nenadnega segrevanja v stratosferi na ekvatorialno ionizacijsko anomalijo, J. Geophys. Res., 115, A00G07, https://doi.org/10.1029/2010JA015400.

Karlsson, B., H. Körnich in J. Gumbel (2007), Dokazi o medsemisferni povezavi stratosfera-mezosfera, ki izhajajo iz lastnosti noctilucent oblakov, Geophys. Res. Lett., 34, L16806, https://doi.org/10.1029/2007GL030282.

Kidston, J., et al. (2015), Stratosferski vpliv na troposferske curke, nevihtne sledi in površinsko vreme, Nat. Geosci., 8, 433–440, https://doi.org/10.1038/ngeo2424.

Körnich, H. in E. Becker (2010), Enostaven model medsemisferičnega povezovanja kroženja srednje atmosfere, Adv. Space Res., 45, 661–668, https://doi.org/10.1016/j.asr.2009.11.001.

Labitzke, K. (1987), Sončne pege, QBO in stratosferska temperatura v severni polarni regiji, Geophys. Res. Lett., 14, 535–537, https://doi.org/10.1029/GL014i005p00535.

Matsuno, T. (1971), Dinamični model stratosferskega nenadnega segrevanja, J. Atmos. Znanost, 28, 1,479–1,494, https://doi.org/10.1175/1520-0469(1971)028<1479:ADMOTS>2.0.CO2.

Pedatella, N. M., et al. (2014), Spremenljivost ionosfere med SSW 2009: Vpliv lunine poldnevne plimovanja in mehanizmov, ki povzročajo variabilnost elektronske gostote, J. Geophys. Res. Space Phys., 119, 3,828–3,843, https://doi.org/10.1002/2014JA019849.

Reichler, T., et al. (2012), Stratosferska povezava z variabilnostjo podnebja v Atlantiku, Nat. Geosci., 5, 783–787, https://doi.org/10.1038/ngeo1586.

Scherhag, R. (1952), Die explosionsartige Stratosphärenerwarmung des Spätwinters 1951/52, Ber. Dtsch. Wetterdienstes, 6, 51–63.

Thompson, D. W. J. in J. M. Wallace (1998), Arktični podpis nihanja v zimskih geopotencialnih višinskih in temperaturnih poljih, Geophys. Res. Lett., 25, 1,297–1,300, https://doi.org/10.1029/98GL00950.

Tripathi, O. P., et al. (2015), Predvidljivost ekstratropske stratosfere na mesečnih časovnih lestvicah in njen vpliv na spretnost troposferskih napovedi, Q. J. R. Meteorol. Soc., 141, 987–1,003, https://doi.org/10.1002/qj.2432.

Yamazaki, Y., M. J. Kosch in J. T. Emmert (2015), Dokazi o stratosferskih učinkih nenadnega segrevanja na zgornjo termosfero, ki izhajajo iz podatkov o razpadu satelitov v orbiti v letih 1967–2013, Geophys. Res. Lett., 42, 6,180–6,188, https://doi.org/10.1002/2015GL065395.

Podatki o avtorju

NM Pedatella (e-poštni naslov: [email  protected]), observatorij na visoki nadmorski višini, Nacionalni center za raziskovanje atmosfere, Boulder, Colo. Tudi v programski pisarni COSMIC, Univerzitetna korporacija za raziskovanje atmosfere, Boulder, Colo. JL Chau, Inštitut za atmosfero Leibniz Fizika, Univerza v Rostocku, Kühlungsborn, Nemčija H. Schmidt, Inštitut za meteorologijo Max Planck, Hamburg, Nemčija LP Goncharenko, Observatorij Haystack, Tehnološki inštitut Massachusetts, Westford C. Stolle, Nemški raziskovalni center za geoznanost GFZ, Potsdam K. Hocke, Univerza v Bernu, Švica VL Harvey, Laboratorij za fiziko atmosfere in vesolja, Univerza v Koloradu Boulder B. Funke, Instituto de Astrofísica de Andalucía, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Granada, Španija in TA Siddiqui, Nemški raziskovalni center za geoznanost GFZ, Potsdam


Tehnike merjenja atmosfere

Atmospheric Measurement Techniques (AMT) je nepridobitna mednarodna znanstvena revija, namenjena objavi in ​​razpravi o napredku v daljinskem zaznavanju, pa tudi in situ in laboratorijskih merilnih tehnikah za sestavine in lastnosti zemeljske atmosfere.

Glavna področja vključujejo razvoj, medsebojno primerjavo in validacijo merilnih instrumentov in tehnik obdelave podatkov in pridobivanja informacij za pline, aerosole in oblake. Dokumenti, predloženi AMT, morajo vsebovati meritve atmosfere, laboratorijske meritve, pomembne za znanost o atmosferi, in/ali teoretične izračune simulacij meritev s podrobno analizo napak, vključno s simulacijami instrumentov. Za recenzirane publikacije veljajo vrste rokopisov, raziskovalni članki, pregledni članki in komentarji.

Meritve dnevnika so bile posodobljene in trenutne številke so na voljo v pregledu meritev dnevnika.

Meritve dnevnika so bile posodobljene, trenutne številke pa so na voljo v pregledu meritev dnevnika.

Sateliti lahko zaznajo emisije metana z merjenjem sončne svetlobe, ki se odbija od zemeljske površine in ozračja. Tukaj avtorji dokazujejo, da se lahko dvojni sateliti Evropske vesoljske agencije Sentinel-2 uporabljajo za spremljanje nenormalno velikih virov metanskih točk po vsem svetu z globalno pokritostjo vsakih 2 & ndash5 dni in 20 & thinspm prostorsko ločljivostjo.

Sateliti lahko zaznajo emisije metana z merjenjem sončne svetlobe, ki se odbija od zemeljske površine in ozračja. Tukaj avtorji dokazujejo, da se lahko dvojni sateliti Evropske vesoljske agencije Sentinel-2 uporabljajo za spremljanje nenormalno velikih virov metanskih točk po vsem svetu z globalno pokritostjo vsakih 2 & ndash5 dni in 20 & thinspm prostorsko ločljivostjo.

Od 1. novembra 2020 bo za ustrezne avtorje veljala neposredna poravnava stroškov obdelave člankov (APC) med publikacijama ETH Zürich in Copernicus.

Od 1. novembra 2020 bo za ustrezne avtorje veljala neposredna poravnava stroškov obdelave člankov (APC) med publikacijama ETH Zürich in Copernicus.

Napoved zimskega vremena na zapletenem terenu je zaradi zelo spremenljive narave vetra, vidljivosti in sneženja precej zahtevna. Kot raziskovalni demonstracijski projekt Svetovnega meteorološkega združenja (WMO) Svetovnega programa za raziskovanje vremena (WWRP) (RDP) in napovedni demonstracijski projekt (FDP) je ICE-POP 2018 (Mednarodni skupni poskusi za olimpijske in paraolimpijske zimske igre leta 2018) potekal v Regija PyeongChang od novembra 2017 do aprila 2018 s prispevki 29 agencij iz 12 držav. Regija je bila precej edinstvena za opazovanje zimskega vremena, na katerega vplivajo hladen zrak in topla oceanska interakcija, nenadno dvigovanje s strmimi tereni v bližini obale in modulacija s kompleksnimi tereni. Glavni znanstveni cilj je bil razumeti padavinske procese v tej edinstveni regiji v hladni sezoni in ovrednotiti/izboljšati napovedovanje iz numeričnih modelov na podlagi intenzivnih opazovanj. Dense observational networks of upper air observation (eight soundings, two wind profilers, shipborne sounding, and dropsonde), remote sensing (three X-Pol radars, one Ku/Ka-Pol radar and three S-Pol, one S-band, two C-band, and three Doppler lidars), microphysical observation (2DVD, MASC, PIP, Parsivel, MRR, POSS, Pluvio), and surface stations (64 stations) were implemented, in particular, to observe the evolution of precipitation along and across atmospheric flows. The field experiment and real-time forecast demonstration ended and the second phase of the experiment has started for better understanding of the microphysical processes, their better representation in the numerical modeling, and further improvement of winter weather prediction through various international collaborations.

The main purposes of the special issue are

1) to document the scientific findings on the winter weather during the forecast demonstration project

2) to share scientific knowledge on processes of winter weathers that have been investigated with unprecedented dense observational networks,

3) to share current status and improved knowledge of forecasting of winter weathers, and

4) to document new retrieval and quality control methods of the operational and advanced instruments.

The special issue will include all manuscripts related to observational data, products, NWP modeling, researches on observational instrumentation, process/mechanism study, reanalysis, integration of observation and numerical modeling, and prediction of the winter weathers.


Samuel G. Philander

Research Summary: Professor Philander's interest in the tropical oceans’ response to variability in winds then coalesced into George’s abiding interest in the El Niño phenomenon. By combining these insights on the oceanic response to wind variability with earlier efforts to understand how changing sea surface temperatures affected the atmosphere, a coherent picture emerged of a coupled atmosphere-ocean phenomenon: an unstable nonlinear oscillator, with atmospheric winds responding to ocean temperatures and ocean temperatures responding to atmospheric winds. George orchestrated the research of a closely knit group of colleagues that laid the foundation of the modern understanding of this phenomenon. It was the work of George and his close colleagues that made it clear that El Niño should not be thought of as a metastable state that the climate would occasionally fall into, but that it contained the seeds of its own destruction (in particular, through the equatorial Rossby waves generated during the emergence of the El Niño state) and was best thought of as a phase of a nonlinear oscillation. George (or his Spanish-speaking wife, Hilda) coined the term La Niña for the opposite phase, a term that has entered the popular lexicon. He also wrote the first modern monograph on the subject in 1990: El Niño, La Niña, and the Southern Oscillation. MORE INFO

The Precarious Present: Is Global Warming Inhibiting an Incipient Ice Age?

Povzetek: The amplifying climate fluctuations of the past 3Myr indicate that an Ice Age is imminent, except that the current rise in atmospheric CO2 levels is inducing global warming. Forecasts of future developments by means of climate models, a reductionist approach, have significant uncertainties. Empirical predictions are also inadequate because an explanation for Ice Ages is lacking, a consequence of the questionable assumptions that polar glaciers respond primarily to local sunlight, and that the ocean obligingly provides them with fresh water which the atmosphere passively transports from low to high latitudes. These objections draw attention to the global structure of Milankovitch forcing whose main components pose the following questions. (a) How does precession, which merely redistributes sunlight over the course of a year without changing the annual average induce a 20Kyr signal? (b) How do 40Kyr obliquity oscillations, which merely redistribute sunlight spatially without changing the global average, induce 40Kyr oscillations in globally averaged temperature? (c) Could the alternating warming and cooling trends of the sawtooth signal of the past .8Kyr, and the preceding cooling trend from 3 to 1Myr, be a natural (as opposed to forced) climate mode with feedbacks sustaining trends which thresholds reverse? (The signal would be irregular, except that Milankovitch forcing is the pacemaker of its thresholds.) This reassessment of studies of past and present climates leads to tentative explanations for Ice Ages, offers a strategy for improving climate models, and predicts that rising CO2 levels will restore the “permanent” El Niño of 3Myr ago.


3.6: Understanding the Atmosphere’s Temperature Profile - Geosciences

Vsi članki, ki jih objavlja MDPI, so takoj na voljo po vsem svetu pod licenco za odprt dostop. Za ponovno uporabo celotnega ali dela članka, ki ga je objavil MDPI, vključno s slikami in tabelami, ni potrebno posebno dovoljenje. Za članke, objavljene pod licenco Creative Common CC BY z odprtim dostopom, se lahko kateri koli del članka brez dovoljenja ponovno uporabi pod pogojem, da je izvirni članek jasno citiran.

Znanstveni prispevki predstavljajo najnaprednejše raziskave s pomembnim potencialom za velik vpliv na tem področju. Prispevki so predloženi na individualno povabilo ali priporočilo znanstvenih urednikov in so pred objavo podvrženi strokovnemu pregledu.

Prispevek je lahko izvirni raziskovalni članek, obsežna nova raziskovalna študija, ki pogosto vključuje več tehnik ali pristopov, ali obsežen pregledni članek z jedrnatimi in natančnimi posodobitvami najnovejšega napredka na tem področju, ki sistematično pregleduje najbolj vznemirljive napredke v znanosti književnost. Ta vrsta papirja ponuja pogled na prihodnje smeri raziskav ali možne aplikacije.

Članki po izboru urednika temeljijo na priporočilih znanstvenih urednikov revij MDPI z vsega sveta. Uredniki izberejo majhno število člankov, nedavno objavljenih v reviji, za katere menijo, da bodo avtorjem še posebej zanimivi ali pomembni na tem področju. Namen je posneti nekaj najbolj vznemirljivih del, objavljenih na različnih raziskovalnih področjih revije.


8.1 Interpolation distance

In general, the connection between the uncertainty curves of Figs. 3 and 4 and the cross-validation evidence are worth studying. Considering both the gap size and the distance from the observations at various altitudes gives rise to hard-to-manage curve plots and a multiplicity of results. For this reason, the subsequent analysis is based on the interpolation distance in seconds, which is denoted by d and given by the geometric mean of the temporal distances of all missing data from the closest observations y − and y + in the notation of Sect. 3.

Figure 10 depicts the cross-validation RMSEs of the linear interpolation as a function of interpolation distance by altitude, namely

where avg ( ⋅ | ALT , d ) is the average of all the cross-validation terms with altitude in the layer ALT and interpolation distance d . We note that, in order to have high sampling information for both low and high interpolation distances, the graph is obtained by merging the results obtained for μG=10 and 30 s . We also note that, thanks to the geometric distribution used in the block-bootstrap procedure in Sect. 5, we are able to consider distances larger than 30 s. In particular, Fig. 10 only depicts interpolation distances up to 70 s . Indeed, the block bootstrap with an average distance of μG=30 s provides little testing data at larger distances, especially at high altitudes. Of course, using the same approach, longer interpolation distances may be easily explored by generating testing sets with larger μG .

Figure 10Each line shows the cross-validation RMSE of linear interpolation as a function of the interpolation distance (s) for a specific atmospheric layer in the range of 2–37 km . The interpolation distance ( x axis) is given by the geometric mean of the distances of all missing data from the closest good data, y − and y + . The graph is obtained my merging the block-bootstrap simulations with average gap sizes μG=10 and 30 s .

In addition, Fig. 11 depicts the corresponding graph for the linear interpolation SE ( t ∗ ) = SE ( t ∗ | s , l , b ) , given by Eq. (8), and quadratically averaged over site s , launch l , and bootstrap replication b , namely

The corresponding graph for the GP–SE of Eq. (10) is not reported here because it gives very close results. Indeed, not only are the two interpolation methods exchangeable, as noticed above, but their SEs are also very close, with a mean absolute difference between the two of less than 0.005 K.

Figure 11Each line shows the linear interpolation SE as a function of the interpolation distance (s) for a specific atmospheric layer in the range of 2–37 km . The depicted SE is the quadratic average of Eq. (8) for each altitude and interpolation distance in the validation data set. The interpolation distance ( x axis) is given by the geometric mean of the distances of all missing data from the closest good data, y − and y + . The graph is obtained my merging the block-bootstrap simulations with average gap sizes μG=10 and 30 s .

Figures 10 and 11 have similar increasing behaviour, but the average linear interpolation SE is generally smaller than the corresponding RMSE and approximately equal at the very short distance d=1 s . From Eq. (7), we expect that they differ by a quantity depending on the measurement error uncertainty, σϵ . Recalling Fig. 9, the latter is very small, and it is not enough to explain such a discrepancy. Indeed, Eq. (7) would hold exactly if (i) the used GP were a perfect model for our data, (ii) its coefficients Ψ were known exactly, and (iii) the cross-validation estimation of the RMSE were exact. The latter two conditions hold approximately due to the large data set used. Hence, the SE underestimates the “true” interpolation uncertainty, primarily due to the GP model approximation.

For the above reasons, we propose a bootstrap-corrected interpolation uncertainty estimate by merging the information of the single profile (s,l) captured by the corresponding GP and the average offset of the uncertainty given by the RMSE:

In practice, the first summand, SE, must be computed for every single profile, while the term based on MSE may be implemented as a lookup table.


What Was Earth’s Temperature During Ice Age? Here’s Why Knowing It Matters Today

A team of researchers has determined how cold it really was during the ice age.

During the Last Glacial Maximum (LGM) 20,000 years ago, glaciers covered large parts of the planet including North and South America, Europe and Asia. It was a period that was studied extensively but scientists were not clear as to how cold it was then.

The researchers of a new study, published in the journal Nature, developed models that translate the data from ocean plankton fossils to sea-surface temperatures. Combining this data with climate models of the LGM, they were able to produce a "hindcast" of what the conditions were like at the time.

They found the average temperature during the LGM was 6 degrees Celsius (11 degrees Fahrenheit) cooler than that of today, with the places that experienced the most cooling being those in higher latitudes.

"In your own personal experience that might not sound like a big difference, but, in fact, it's a huge change," study co-author Jessica Tierney of the University of Arizona Department of Geosciences said in a news release.

It is important because it sheds light on how the planet reacts to carbon in the atmosphere. During the ice age, the carbon dioxide levels were at 180 parts per million (ppm) but today they are at 415 ppm, nearly double the carbon dioxode levels during the industrial revolution, which was at 280 ppm.

As the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) explains, the carbon dioxide levels today are higher than at any other point in the past 800,000 years and this is mostly because of the burning of fossil fuels.

According to the researchers, each time that atmospheric carbon doubles, there will be a 3.4 degree Celsius (6.1 degree Fahrenheit) increase in temperature.

"The Paris Agreement wanted to keep global warming to no larger than 2.7 F (1.5 C) over pre-industrial levels, but with carbon dioxide levels increasing the way they are, it would be extremely difficult to avoid more than 3.6 F (2 C) of warming," Tierney said. "We already have about 2 F (1.1 C) under our belt, but the less warm we get the better, because the Earth system really does respond to changes in carbon dioxide."

As a greenhouse gas, carbon dioxide absorbs and radiates heat. The greenhouse effect typically helps to keep the Earth warm so that annual global temperatures will not be below freezing. But the massive increase in atmospheric carbon dioxide significantly affects the Earth's temperature.

"Increases in atmospheric carbon dioxide are responsible for about two-thirds of the total energy imbalance that is causing Earth's temperature to rise," the NOAA explains.

Having a clearer picture of the Earth's past climates can help us further understand how the Earth reacts or will react to the changes that are already happening today.

During the Last Glacial Maximum or ice age, large parts f the world were covered in massive glaciers. Photo: Kerstin Riemer/Pixabay