ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Оценка параметра стационарной климатической чувствительности для небесного тела с атмосферой, оптически плотной в инфракрасной области. - презентация

1 ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Оценка параметра стационарной климатической чувствительности для небесного тела с атмосферой, оптически плотной в инфракрасной области спектра Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В. Институт биофизики клетки РАН, г. Пущино Московской обл., ул. Институтская 3,

2 План доклада 1. Постановка задачи 2. Краткий обзор метода обобщенных неявных функций 3. Вывод формулы для дифференциального парникового эффекта и оценка параметра температурной климатической чувствительности 4. Разное

3 Небесное тело без атмосферы Суммарная поглощенная энергия: Суммарная излученная энергия: Энергетический баланс: и закон Стефана-Больцмана приводят к окончательному выражению для эффективной температуры небесного тела:

4 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай

5 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай

6 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай

7 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области

8 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области

9 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области

10 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от

11 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от

12 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от

13 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от

14 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от

15 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от

16 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана

17 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана

18 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана

19 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана

20 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана

21 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент

22 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент

23 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент

24 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент

25 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент

26 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент 8.Пока один парниковый газ

27 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент 8.Пока один парниковый газ

28 Метод обобщенных неявных функций ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В. Раздел 2

29 Метод неявных функций

30

31

32

33

34 Теорема 1:Если так, что:, то из следует, что:

35 Метод неявных функций Теорема 1:Если так, что:, то из следует, что: Доказательство:

36 Метод обобщенных неявных функций

37 Принцип несущественной сложности

38

39

40

41 Вывод формулы для дифференциального парникового эффекта и оценка параметра температурной климатической чувствительности ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В.

42 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент 8.Пока один парниковый газ

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60 Снятие некоторыхограничений ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В.

61 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент 8.Пока один парниковый газ

62

63

64

65 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент 8.Пока один парниковый газ

66

67 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5. Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент 8.Пока один парниковый газ

68 Учет окон прозрачности (2003) 0 Область действия радиационно- адиабатической модели (Земля) CO2 CO2+H2O

69 Учет окон прозрачности (2008) 0 Область действия радиационно- адиабатической модели (Земля) CO2 CO2+H2 O

70 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5.Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент 8.Пока один парниковый газ

71 Небольцмановское распределение СО2 по высоте (2008) Нелинейная зависимость оптической плотности от физической Адиабатический градиент – рассмотрен случай (зон циклонов и антициклонов2008)

72 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5.Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент 8.Пока один парниковый газ

73 Нестационарный случай

74 IPCC 1995

75

76 2008 Air Pollution & Climate Secretariat 2009, Sweden

77 Небесное тело с атмосферой 1.Сферически симметричный случай 2.Альбедо и солнечная постоянная не зависят от 3.Рассматривается стационарный случай 4.Оптически плотная атмосфера в инфракрасной области 5.Линейная зависимость оптической плотности от 6.Распределение Больцмана 7.Адиабатический градиент 8.Пока один парниковый газ

78 Солнечная постоянная

79 Альбедо Планета Геометри ческое альбедо Сферичес кое альбедо Меркурий0,1060,119 Венера0,650,76 Земля0,3670,39 Марс0,150,16 Юпитер0,520,343 Сатурн0,470,342 Уран0,510,3 Нептун0,410,29 Плутон0,60,5 Российская википедия «Альбедо» … Бондовское (сферическое) альбедо Земли около 0,39, Луны 0,067 [4]. [4] 1. Статья В. Г. Сурдина, ГАИШ Статья В. Г. Сурдина, ГАИШ Английская википедия «Альбедо».The average overall albedo of Earth, its planetary albedo, is 30 to 35% Пепельный свет Луны le_etal_Science_2004.pdf 28 MAY 2004 VOL 304 SCIENCE

80 Измерение альбедо (Пепельный свет Луны)

81 6 июня 2001

82 /09/090902_climate_solutions.shtml ategory=1&p= article.php?storyid=3833 Роджер Энджел (Roger Angel) с кафедры астрономии университета Аризоны (Department of Astronomy of the University of Arizona) предложил очередной экзотический способ борьбы с глобальным потеплением гигантский космический зонтик. Реализация плана Энджела заняла бы 25 лет и обошлась бы в $100 миллиардов за каждый год этой работы. Энджел предлагает затенить Землю при помощи 20 триллионов спутников весом 1 грамм и диаметром примерно в 0,6 метра (как серебристый воздушный шарик), выведенных на высоту порядка полутора миллионов километров в точку Лагранжа L1. Они должны сформировать облако цилиндрической формы, с осью, лежащей на линии СолнцеЗемля. Диаметр облака составит около 7 тысяч километров, а длина примерно 14 тысяч километров.

83 Биосферные механизмы связывания СО 2 недостаточны для компенсации антропогенного выброса ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В. Раздел 1

84 БСЭ

85 IPCC 2001

86 IPCC 1995

87 IPCC 2001

88 Наличие в неживой природе потенциально опасных источников СО 2 может придать климатическим изменениям необратимый характер ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В. Раздел 2

89

90 FOTO- SYNTHETIC LIFE CHEMO- SYNTHETIC LIFE ABIOTIC EARTH CIVILIZATION t t

91

92 NATURE|VOL400|8 JULY 1999

93 Асимптотические оценки в рамках радиационно- адиабатической модели двухкомпонентного (СО 2 +Н 2 О) парникового эффекта дают величины возможного повышения глобальной температуры более чем на 100 градусов ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В. Раздел 3

94

95 1. Основные положения 1.1. Адиабатическое приближение Зависимость температуры воздуха от высоты в радиационно активной части атмосферы (в тропосфере) принимается линейно убывающей (адиабатический градиент), где - температура поверхности планеты (Земли), - адиабатический градиент х -компонентый парниковый эффект в приближении плотной атмосферы. Считается, что наибольший вклад в тепловое излучение Земли вносит атмосфера (95%), причем основную роль играют 2 парниковых газа - углекислый газ СО 2 и пары воды Н 2 О. Излучение поверхности и малых парниковых компонент не рассматривается. Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта

96 1.3. Барометрическое приближение для СО 2 Считается, что плотность СО 2 не зависит от географической широты и меняется с высотой в соответствии с барометрической формулой: (изотермическая атмосфера), где – средняя молярная масса воздуха; – масса атома водорода; – постоянная Больцмана, – плотность СО 2 на уровне моря (поверхности планеты) Изотермическое приближение для паров воды (Н 2 О) Принято, что средняя концентрация паров воды в атмосфере определяется температурой окружающего воздуха, которая, наряду с зависимостью от географического положения, линейно зависит от высоты (адиабатическое приближение): Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта

97 1.5. Условие постоянства падающей энергии Условие радиационного баланса для состояния термодинамического равновесия требует равенства падающей и излучаемой планетой энергии В рамках базового варианта радиационно-адиабатической модели - солнечная постоянная и - альбедо планеты считаются константами. Соответственно, является константой величина излучаемой планетой энергии

98 Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта 2. Аналитическое выражение для энергии теплового излучения Сделанные предположения позволяют записать аналитическое выражение для энергии теплового излучения:

99 Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта 3. Вычисление величины климатической чувствительности (дифференциального парникового эффекта) 3.1. Общий вид выражения для дифференциального парникового эффекта Условие постоянства излучаемой планетой энергии позволяет непосредственно вычислить величину дифференциального парникового эффекта

100 Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта 3.2. Трансляционно-дилатационная группа преобразований Наличие специальной группы преобразований, оставляющей инвариантной величину суммарной излучаемой мощности : где - средний (для Земли) адиабатический градиент - высота, на которой плотность воздуха уменьшается в e раз позволяет практически сразу записать выражение для дифференциального парникового эффекта

101 Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта 3.3. Сравнение результатов радиационно-адиабатической и радиационно- конвективной модели парникового эффекта. Выражения для дифференциального парникового эффекта в рамках радиационо - адиабатической и радиационно-конвективной модели совпадают Параметр получил название параметра климатической чувствительности. Радиационно-адиабатическая Радиационно-конвективная (IPCC) Параметр имеет интерпретацию асимптотического изменения среднепланетарной температуры Земли при удвоении концентрации СО 2

102

103

104 Квадратичная регрессионная модель

105 Регрессионная модель 3 степени

106

107 Интегральная климатическая модель, учитывающая тепловую инерцию климатической системы позволяет описать всю совокупность данных наблюдения за климатом и приводит к ожидаемым срокам наступления терминальной стадии парниковой катастрофы лет (базовый сценарий) ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В. Раздел 4

108 Учет различных факторов, влияющих на тепловой баланс Земли (IPCC 2001)

109 Учет различных факторов, влияющих на тепловой баланс Земли (Дополнительные факторы) Тепловая инерция климатической системы Н2ОН2О Аэрозольное загрязнение стратосферы «Ядерная зима»

110 . Модель изменения климата Земли с учетом тепловой инерции климатической системы и аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы Базовое уравнение модели Уравнение, описывающие динамику изменения среднепланетарной температуры Земли, где- изменение во времени среднепланетарной температуры Земли; - время релаксации климатической системы, определяемое суммарной тепловой инерцией Мирового океана, ледников, атмосферы и суши; - начальные (доиндустриальные) значения среднепланетарной температуры и плотности СО 2 у поверхности Земли - изменение во времени концентрации СО 2 ; - изменение во времени температурного форсинга, связанного с аэрозольным загрязнением верхних слоев атмосферы (стратосфера).

111 . Модель изменения климата Земли с учетом тепловой инерции климатической системы и аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы Основные параметры парникового эффекта Парниковый эффект характеризуется параметром климатической чувствительности, соответствующим нижней границе интервала оценок для радиационно-адиабатической модели, где Изменение средней концентрации углекислого газа с начала индустриальной эпохи до наших дней аппроксимируется экспоненциальной зависимостью от времени: где,, - доиндустриальный уровень концентрации СО 2. Рассмотрены также варианты фиксации выбросов СО 2 на уровне 2000 и 2001 года.

112 . Модель изменения климата Земли с учетом тепловой инерции климатической системы и аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы Описание антропогенного аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы Для описания антропогенного аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы выбрана следующая зависимость от времени:, где - зависящая от времени величина температурного форсинга, обусловленная антропогенным загрязнением верхних слоев атмосферы - стратосферы. Модель предполагает простейшую форму временной зависимости - считается, что до 1939 года антропогенное аэрозольное загрязнение верхних слоев атмосферы отсутствовало, а после 1939 года, резко увеличившись, осталось неизменным до настоящего времени. При этом, величина подбирается из условия наилучшего описания данных наблюдений за годы.

113 Изменение температуры в году. Данные наблюдений (точки) и модель (красная линия)

114 Палеоклиматический тест интегральной модели изменения климата с учетом тепловой инерции климатической системы. Данные наблюдений (точки) и модель (красная линия)

115 Прогноз изменения температуры в году. Синяя линия - ограничение выброса СО 2 на уровне 2000 г. Красная линия - продолжение экспоненциального роста выбросов СО 2

116 Прогноз изменения температуры в году. Синии линии - ограничение выброса СО 2 Красная линия - продолжение экспоненциального роста выбросов СО г 2100 г

117 Изменение климата на больших интервалах времени для планет земной группы

118 Марсианский климат в прошлом был теплым и влажным?

119 Нелинейный характер реакции климатической системы на повышение среднепланетарной температуры может существенно повлиять на конкретные сценарии изменения климата Земли. (Ускорение терминальной стадии парниковой катастрофы до лет. Наступление кратковременного лет оледенения в Северном полушарии из-за «остановки» Гольфстрима) ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В. Раздел 5

120 Различные сценарии развития климатических изменений Остановка Гольфстрима Оледенение в Сев. полушарии Базовый сценарий Изменение альбедо Выброс океанического СО 2. Уменьшение тепловой инерции вследствие нарушения конвекции в океане

121

122 IPCC 1995

123 ...У нас не так много шансов дожить до 3 тысячелетия и виной тому парниковый эффект. Через несколько сотен лет, если процесс не замедлится, Земля может превратиться в подобие Венеры, совершенно непригодной для жизни....Единственный выход - колонизация других планет. Всех проблем она не решит, но без этого шансы человечества равны нулю… Стивен Хоукинг Лекция в Королевском обществе Эдинбурга 2000г. …Мы тоже получаем убегающие (runaway) решения, но пока не решаемся их опубликовать. Ленард Бенгсон Директор Метеорологического института им. Макса Планка (Грац, Австрия, 2002 г.).