Miksi voimme ennustaa ilmastoa, mutta emme kovin pitkälle säätä?

Sää vs. ilmasto

Sataako huomenna? Meidän pitäisi pystyä ennustamaan käyttämällä havaintoja ilmakehän nykytilasta ja matemaattisia malleja osittaisdifferentiaaliyhtälöiden muodossa, jotka ennustavat kuinka tuuli liikuttaa ilmaa, mikä on lämpötila ja kuinka paljon vettä voi saostua.

Entä sateen ennustaminen ensi viikolle tai ensi vuodelle?

Tiedämme kokemuksesta, että voimme ennustaa sään vain lyhyellä aikavälillä, jopa viikon sään (ja silti vain tietyllä todennäköisyydellä). Edes yhden kuukauden ennustaminen ei näytä mahdottomalta.

Toisaalta voimme puhua ilmastosta ja sen käyttäytymisestä paljon pidemmällä aikaskaalalla. Lyhyen aikavälin säällä on merkittävä satunnainen (tai näennäisesti satunnainen) komponentti, mutta siitä tulee paljon ennustettavampi, kun tarkastelemme tilastollisia ominaisuuksia, kuten keskiarvoja ja keskihajontoja. Tätä kutsutaan ilmastoksi.

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt (ODE)

Osittaisdifferentiaaliyhtälöiden tavoitteena on mallintaa ilmaston ajallinen kehitys. Yksinkertaisimpia tällaisia malleja ovat osittaisdifferentiaaliyhtälöt, joissa yksi tai muutama jatkuva muuttuja kehittyy jatkuvasti ajassa, joka määrittää niiden hetkellisen muutosnopeuden sen hetkisten arvojen funktiona. ODE:n yleinen muoto (joka ei ole nimenomaisesti riippuvainen ajasta, eli se on itsenäinen ) on:

Yksinkertaisin numeerinen menetelmä tällaisen yhtälön ratkaisemiseksi on Euler menetelmä, jossa tämä yhtälö muunnetaan eksplisiittiseksi aika-askelrutiiniksi: otamme pienen pituuden aika-askeleen h ja aproksimoimme derivaattana:

Numeerinen menetelmä:

Missä xn on todellisen ratkaisun likiarvo x (tn) osoitteessa n aika-vaiheena tn.

Mutta huomattavasti yksinkertaisempi tapa on myös olemassa

HBE (Heat Balance Equation) = Stefan-Boltzmann säteilylaki

Emissiivisyys ε (kuinka paljon energiaa säteilee avaruuteen)

Koska efektiivisen emissiivisyyden ε käyttö selittää jo kasvihuoneilmiön, saamme Maan keskilämpötilaksi 288K (15°C), mikä on hyvin lähellä globaaleja lämpötilahavaintoja ja rekonstruktioita.

Edetään seuraavasti

Energiatasapaino

Missä:

ε = emissiivisyys, eli kuinka paljon energiaa säteilee avaruuteen

σ = Stefan – Boltzmann vakio 5.67 x 10-8 Wm-2 K-4

T = lämpötila 288K (15°C)

α = Bond albedo (kohteesta heijastuva kokonaissäteily verrattuna auringosta tulevaan kokonaissäteilyyn 0.29

S = auringosta ilmakehään tuleva energia 1361Wm-2 / 4 = 340.25Wm-2

Lasketaan emissiivisyys ε

Bond α = 0.29

S = 1361Wm-2 / 4 = 340.25Wm-2

σ = 5.67 x 10-8 Wm-2 K-4

Nyrkkisääntönä nähdään, että jos ε pienenee (avaruuteen poistuu vähemmän energiaa) silloin T kasvaa. Jos samaan aikaan S kasvaa, T kasvaa vielä enemmän olettaen, että bond albedo α pysyy keskimäärin muuttumattomana (niinkuin se keskimäärin pysyy). Ja päinvastoin. Tuossa laskuesimerkissä maapallon pinnan keskilämpötila oli 288K (15°C), jolloin emissiivisyydeksi ε joka säteilee avaruuteen = 0.619.

Kesäkuu 2022

Keskimääräinen maapallon pinnan (maan ja valtamerten) lämpötila oli kesäkuussa 0.87°C korkeampi kuin 1900- luvun keskilämpötila 15.5°C (288.5K), joten kesäkuu oli kuudenneksi lämpimin 143 vuoden ennätysten aikana.

Lähde: NOAA:n raportti kesäkuulta 2022

https://www.ncei.noaa.gov/access/monitoring/monthly-report/global/202206

Jos nyt lasketaan emissiivisyyden erotus Δε

Δε = ε1 – ε2 = 0.615 – 0.607 = 0.008

Kuten nähdään, emissiivisyyden Δε pieneneminen joka avaruuteen poistuu aikavälillä 1900 – 2022 ei ole suuri, mutta se vastaa pintalämpötilan nousua ΔT = 0.87°C.

+2
HannuSinivirta
Sitoutumaton Helsinki

(el. vanh. tut. / FMI)

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu