Paperi, jonka tulisi olla jokaisen ilmakehätutkijan plakkarissa: fyysikko G. N. Plass 12 October 1956, sekä Maapallon energiatasapainosta

Jo 65 vuotta sitten, eli vuonna 1956 ilmakehätiede saavutti jonkinlaisen päätepisteen. Fyysikko Gilbert Plass teki sen silloin mahdolliseksi, joten mielenkiintoisia ja antoisia lukuhetkiä.

Lähde: The Johns Hopkins University, Baltimore, U.S.A

(G. N. Plass)

https://geosci.uchicago.edu/~archer/warming_papers/plass.1956.radiation.pdf

Historia siis toistaa itseään myös tänä päivänä, mikä perustuu sille pitkälle jatkumolle, joka käynnistyi jo vuonna 1861 fyysikko John Tyndall:n tekemillä havainnoilla. Ja täytyy todeta, vaikka havaintomenetelmät ja tietokannat ovat kehittyneet, fyysikko Gilbert Plass:n analyysit pitää edelleen pintansa.

En puutu tähän paperiin sen enempää, sillä se kertoo kaiken oleellisen hiilidioksidin transmissiosta lämpötilan funktiona. Keskityn tällä kertaa vain Maapallon energiatasapainoon ja tasapainolämpötilaan.

Maan energiatasapaino ja tasapainolämpötila

Ein = (1 – α) Sπr2

Eout = 4πr2 εσT4

Ein = Eout

Κun saapuva energia on pienempi kuin lähtevä energia, planeetan energia laskee ja niin myös lämpötila. Jos nämä nopeudet ovat samat, lämpötila ei muutu ja sanomme, että planeetta on tasapainolämpötilassa.

On tärkeää huomata, että kun lämpötila nousee, myös lähtevä energia kasvaa, koska se sisältää T4: n. Tämä tarkoittaa sitä, että vaikka ylimääräinen tuloenergia nostaa lämpötilaa ja tuo järjestelmän lähemmäksi tasapainoa, tämä lämpötilaa nostava vaikutus rajoittaa itseään, koska lähtevä energia kasvaa samanaikaisesti. Kun lämpötila lähestyy tasapainoa, muutosnopeus laskee lopulta ajaen lämpötilan tasapainoon.

Samoin ylimääräinen lähtevä energia alentaa lämpötilaa ja siten laskee itse lähtevää energiaa, mikä viime kädessä ajaa järjestelmän tasapainoon.

Tasapainolämpötila Teq

Tasapainolämpötila Teq riippuu muuttujista α, S, r σ ja ϵ. Jos joitakin näistä parametreista muutettaisiin, voimme löytää uuden Teq -arvon ja siten määrittää muutoksen vaikutuksen tasapainolämpötilaan. 

Epäilemättä järkevämpää olisi laskea, kuinka paljon lämpötilamuutosta tapahtuisi esimerkiksi albedon α muuttuessa, jota pidetään Maapallon energiatasapainon mittana. Voimme ilmaista tämän suhteena, lämpötilamuutoksena albedon muutosta kohti:

(T2 – T1 / α2 – α1) = (ΔTeq / Δα)

Kun Δα 0, silloin dTeq / dα osoittaa, kuinka nopeasti  Teq muuttuu kun muutamme α:ta. Tämä osoittaa, kuinka herkkä globaali lämpötila on albedon α muuttuessa. Suuri arvo dTeq / dα:lle tarkoittaa, että Teq on herkkä muutoksille α, kun taas pieni arvo dTeq / dα:lle tarkoittaa, että Teq ei ole herkkä α:n muutoksille. Samoin dTeq / dα osoittaa, kuinka herkkä Teq on myös emissiivisyyden muutoksille.

Koska hiilidioksidimolekyylit helposti absorboivat säteilyä, ne myös vähentävät Maapallon albedoa ja emissiivisyyttä.

Lämpötilan differentiaaliyhtälö

Voimme kääntää edellä annetun lämpötilamuutoksen sanallisen kuvauksen differentiaaliyhtälöksi tunnistamalla ensin, että lämmitysnopeus määräytyy täsmälleen tulevan ja lähtevän energian välisen eron perusteella. Ja toiseksi, lämmitysnopeus on verrannollinen lämpötilan muutosnopeuteen jossa suhteellisuusvakio on Maan lämpökapasiteetti C.  Yhdistämällä ne, saamme:

C (dT / dt) = Ein – Eout = (1 – α ) Sπr2 – 4πr2 σεT4

Olettaen, että α, S, r, σ ja ε ovat kaikki vakioita, lämpötilasta T voidaan piirtää käyrä. Tämän yhtälön vakaa tila on täsmälleen edellä laskettu tasapainolämpötila.

+1
HannuSinivirta
Sitoutumaton Helsinki

(el. vanh. tut. / FMI)

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu