Kansantajuinen kuvaus ilmastomallista ja vain yksi kaava

Laskennallinen virtausdynamiikka

Yksi ilmastomallien peruskomponenteista on nestedynamiikka, joka auttaa ennustamaan nestevirtauksia ja ennustamaan säätä. Navier-Stokes-yhtälöt kuvaavat, kuinka liikkuvan nesteen lämpötila, nopeus, tiheys ja paine liittyvät toisiinsa. Siinä oletetaan, että neste on kokoonpuristumaton, newtonilainen (leikkausnopeus ei vaikuta viskositeettiin) ja isoterminen (ei lämpömuutosta). Mutta ei tästä sen enempää, sillä ao. kaava kuvaa sitä isoa kuvaa, jonka mukaan myös ilmastomalleja voidaan testata.

Ilmastomalli on siis pohjimmiltaan maapallon ilmaston tietokonesimulaatio, joka tutkii valtavia tietomääriä ja selittää eri muuttujien vaikutuksia ja tekee ennusteita. Vaikka nämä mallit ovat erittäin monimutkaisia ​​ja sisältävät miljoonia koodirivejä, ne voidaan ikäänkuin ”kompressoida” (pakata) perustuen fysiikan lakeihin. Matemaattisesti voidaan ottaa huomioon yksinkertaiset termodynamiikan lait ja niillä selittää, miten ilmasto toimii.

Tunnettu esimerkki on energiatasemalli (EBM). EBM on erittäin yksinkertaistettu ilmastomalli, jonka mukaan Maan Auringosta vastaanottama energia tasapainottuu Maan säteilemällä energialla takaisin avaruuteen. Tämä tasapaino on tärkeä, koska maapallon järjestelmän epätasapaino ei ehkä pysty selviytymään äärimmäisestä epätasapainosta.

Iso kuva

Oletetaan, että Maa on yksi kappale, jonka lämpötila on T. Maan absorboima lämpö voidaan  esittää muodossa (1 – α) S, missä α on albedo tai kuinka heijastava maapallo on (0.31) ja S on aurinkovakio tai Maan ilmakehään osuva keskimääräinen teho (~342 Wm-2).

Takaisin säteilevä lämpö voidaan osoittaa muodossa εσT4, missä ε on emissiokyky eli kuinka hyvin maapallo lähettää energia lämpösäteilynä (0.605) ja σ on Stefan-Boltzmannin vakio (5.67 × 10-8 Wm-2 K-4).

Τästä seuraa globaali lämpötasapaino: εσT4 = (1 – α) S. Ratkaisemalla lämpötila saadaan energiabudjettiyhtälö:

T = [(1 – α) S/εσ]0.25 ≈ 288K (15°C)

Tarkastellaan, kuinka kukin muuttuja vaikuttaa tuohon lämpötilaan. Aurinkovakio (S) muuttuu Maan kiertoradan mukaan jolloin voimme jättää tämän huomiotta, jotta voimme keskittyä ihmisen vaikutuksiin. Kun CO2 -tasot nousevat, emissiokyky pienenee (ε = kuinka paljon energiaa säteilee avaruuteen) mikä aiheuttaa lämpötilan nousun. Albedoon (α) vaikuttaa maaperä, kasvillisuus jne. Pohjoisen ja etelänapojen albedo on korkea lumen ja jään vuoksi, jotka heijastavat suurimman osan Auringon säteilystä, joka ylläpitää globaalia lämpötasapainoa. Lämpötilan nousu sulattaa jäätä ja vähentää maapallon albedoa mikä nostaa  lämpötilaa. Tämä on esimerkki positiivisesta palautesilmukasta.

Nämä muuttujien väliset epälineaariset suhteet aiheuttavat ”käännepisteitä” ilmastossa, missä pienikin muutos voi työntää maapallon järjestelmät äkilliseen tai jopa peruuttamattomaan muutokseen. Näennäisesti pieni maapallon lämpötilan nousu voi syöstä maapallon täysin erilaiseen ilmastotilaan, niin yhtäkkiä, että Maan järjestelmät eivät kestäisi muutosta. Jotta tämä käännekohta voitaisiin estää, on ensin täysin ymmärrettävä nämä matemaattiset suhteet ilmastomuuttujien välillä. 

Yhteenveto

Jottei tämä muodostuisi ikuiseksi toistoksi, toin tähän esiin vielä kertaalleen vain yhden kaavan, jonka mukaan on huomattavasti yksinkertaisempaa ymmärtää maapallon lämpötilan kehitystä kuin se, että lukijoille syötetään paljon spekulatiivista tietoa, joka perustuu hyvin usein vain subjektiivisiin tulkintoihin. 

 

HannuSinivirta
Sitoutumaton Helsinki

FMI

el. vanh. tut. (elektr. ins. fysiikka)
.

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu