기후 변화에 대한 온실 효과의 예시적 모델

Illustrative model of greenhouse effect on climate change

이산화탄소에 의한 온실효과기후변화의 주요 요인이라는 과학적 공감대가 강하다.다음은 효과의 주요 물리적 결정 요인을 보여주는 교육학적 목적을 위한 예시적 모델이다.

이러한 이해 하에, 지구 온난화는 단순한 에너지 예산에 의해 결정된다.장기적으로, 지구는 태양으로부터 받는 것과 같은 양의 방사선을 방출한다.하지만 방출되는 양은 지구의 온도와 알베도에 따라 달라집니다.지구가 특정 파장에서 더 반사될수록, 이 파장에서 더 적은 방사선과 더 많은 방사선을 방출할 것이다.따라서 알베도의 변화는 지구의 온도에 영향을 미칠 수 있으며, 그 영향은 새로운 정상 상태에 도달한다고 가정함으로써 계산될 수 있다.

대부분의 전자기 스펙트럼에서 대기 중 이산화탄소는 태양으로부터 오는 빛을 거의 완전히 차단하거나 거의 투명하기 때문에 대기 중 이산화탄소의 양을 증가시키는 것(예: 두 배 증가)은 무시해도 될 정도의 영향을 미칠 것이다.그러나 스펙트럼의 일부 좁은 부분에서는 그렇지 않다; 대기 중 이산화탄소의 양을 두 배로 늘리면 지구의 대기가 이러한 파장들에 비해 상대적으로 불투명해지고, 이로 인해 지구는 낮은 층이나 땅에서 이러한 파장에서 빛을 방출하게 될 것이다.상층부가 더 차가워지기 때문에 방출량이 줄어들어 배출량 감소가 기온 [1]상승으로 상쇄될 때까지 지구 온난화로 이어집니다.

게다가, 그러한 온난화는 예를 들어 얼음이 녹아서 지구의 알베도의 다른 변화로 인해 피드백 메커니즘을 야기할 수 있다.

대기의 구조

CO2 88%를 포함한 대부분의 공기는 대류권으로 알려진 대기의 하부에 위치한다.대류권은 적도에서는 더 두껍고 극지방에서는 더 얇지만 두께의 지구 평균은 약 11km이다.

대류권 내부의 온도는 지상의 지구 평균 288 켈빈(15℃)에서 220 K(-53℃)로 km당 약 6.5℃의 속도로 선형적으로 떨어집니다.최고 20km의 높은 고도에서 온도는 거의 일정합니다. 이 을 대류권계면이라고 합니다.

대류권과 대류권 계면은 모두 대기 CO의2 약 99%를 차지한다.대류권 내에서 CO2 고도와 함께 약 기하급수적으로 감소하며, 일반적인 길이는 6.3km이다. 즉, 높이 y의 밀도는 exp(-y/6.3km)에 거의 비례하며, 6.3km에서는 37%, 11km에서는 17%로 감소한다.대류권계면을 통해 높을수록 밀도는 기하급수적으로 계속 감소한다(일반적으로 4.2km).

이산화탄소가 지구 에너지 예산에 미치는 영향

지구는 태양빛으로부터 에너지를 지속적으로 흡수하고 적외선으로 방출한다.장기적으로 지구는 흡수할 때 초당 동일한 양의 에너지를 방출합니다. 왜냐하면 방출되는 열 방사량은 온도에 따라 다르기 때문입니다.만약 지구가 복사하는 것보다 더 많은 에너지를 흡수한다면, 지구는 열이 나고 열 복사는 균형이 회복될 때까지 증가할 것이다. 만약 지구가 복사하는 것보다 더 적은 에너지를 흡수한다면, 지구는 다시 차가워지고 열 복사는 다시 줄어들 것이다.

대기2 중 CO는 지면에서 방출되는 에너지의 일부를 흡수하지만, 스스로 열복사를 방출합니다.예를 들어, 일부 파장에서는 CO에 의한2 흡수 때문에 대기가 완전히 불투명합니다. 이러한 파장에서는, 지상의 [2]열복사가 아닌, 지상의 대기 CO와2 열복사를 볼 수 있습니다.만약 대기가 지면과 같은 온도였다면, 이것은 지구의 에너지 버젯을 바꾸지 않았을 것이다; 하지만 방사선은 지상보다 차가운 대기층에서 방출되기 때문에, 방사선이 덜 방출된다.

인간의 활동으로 인해 대기 중 CO 함량이 증가함에 따라2 이 과정이 심화되고, 지구에서 방출되는 총 방사선이 감소하기 때문에 균형이 회복될 때까지 지구는 뜨거워진다.

이산화탄소에 의한 방사선 흡수

CO2(녹색)와 수증기(보라색)에 대한 흡수 단면.기후변화와 가장 관련이 있는 파장은 녹색 플롯이 위쪽 수평선을 가로지르는 파장으로, 현재 농도보다 다소 큰 CO2 수준을 나타낸다.

CO는2 주로 13~17미크론의 파장에서 지상의 열복사를 흡수한다.이 파장 범위에서는 지상에서 나오는 방사선의 감쇠에 거의 전적으로 책임이 있다.각 파장의 대기를 통해 전달되는 지상 방사선의 양은 이 파장 OD에서 대기의 광학적 깊이와 관련이 있습니다.

광학적 깊이 자체는 Beer-Lambert 법칙에 의해 주어진다.

여기서 θ는 단일 CO2 분자의 흡수 단면이며, n(y)은 고도 y에서의 이러한 분자의 수 밀도이다.단면의 파장 의존도가 높기 때문에 OD는 13미크론에서는 약 0.1에서 14미크론에서는 약 10으로, 15미크론에서는 100 이상으로 변화한 후 16미크론에서는 약 10으로, 17미크론에서는 약 1로, 18미크론에서는 0.1 이하로 떨어집니다.OD는 대기 중 단위 면적당 총 분자 수에 따라 달라지며, 따라서 CO2 함량과 함께 선형적으로 상승합니다.

우주공간에서 특정 파장의 대기층을 보면 대기의 여러 층을 볼 수 있지만, 평균적으로 이 고도 이상에서 대기의 일부가 광학적으로 1까지 깊이를 가질 수 있는 고도까지 볼 수 있다.따라서 지구는 대략 그 고도의 온도에 따라 이 파장에서 방사됩니다.CO 대기 중 함량 증가2 효과는 광학 깊이가 증가하여 우주에서 볼 수 있는 고도가 [2]증가함을 의미한다. 트로이프 내에서 증가하는 한 방사선 온도는 떨어지고 방사선은 감소한다.대류권계면에 도달하면 온도가 더 이상 고도에 의존하지 않기 때문에 CO 수치의2 추가 증가는 눈에 띄는 영향을 미치지 않는다.

14~16미크론의 파장에서는 대기 전체의 CO량의2 0.12이하인 대류권계면에서도 OD>1이 된다.따라서 이러한 파장에서 지구는 주로 대류권계면 온도에서 방사되며, CO를2 추가해도 이 점은 변하지 않습니다.13미크론 이하 또는 18미크론 이상의 파장에서는 대기흡수가 무시할 수 있으며 CO를 가해도2 거의 변화하지 않는다.따라서 방사선에 대한 CO 증가 효과는2 파장 13~14와 16~18미크론과 관련이 있으며, CO에 대한2 추가는 주로 대류권의 불투명도에 기여하여 대류권 내의 외부 공간에서 효과적으로 보이는 고도를 변화시킨다.

방사선에 대한 영향 계산

단일 레이어 모델

이제 단일 레이어 모델을 사용하여 방사선에 대한 CO의 영향을2 계산한다. 즉, 전체 대류권을 [3]단일 레이어로 취급한다.

"+d"까지의 특정 파장을 보면 대기 전체가 광학 깊이 OD를 가지며, 대류권계면은 광학 깊이 0.12*를 가진다.OD. 대류권의 광학 깊이는 0.88*OD입니다. 대류권계면 아래에서 방출되는 방사선의-0. eOD})는 전달되지만, 여기에는 지상에서 방출되는 방사선의 - 0. eOD})가 된다.따라서 외부로 방출되는 방사선을 결정할 때 대류권의 무게는 다음과 같다.

CO농도의2 상대적인 증가는 대기의 총2 CO함유량 dN/N의 상대적인 증가를 의미한다.여기서 N은 CO분자의2 수이다.이러한 분자의 미량 dN을 추가하면 관련 파장의 방사선을 결정할 때 대류권의 무게가 약 dN/N만큼 하며, dN - 0. D- - O ) {style \ { 12 \ cdot { display } .

CO는 지구에 의한 태양광 흡수에 거의 영향을 주지 않기 때문에2 CO 함량 증가에2 따른 복사력은 이러한 증가로 인해 지구에 의해 방사되는 플럭스의 차이와 동일하다.이를 계산하려면 위에 온도차에 따른 방사선 차이를 곱해야 한다.플랑크의 법칙에 따르면, 이것은 다음과 같다.

지표면의 온도는0 T = 288 K이며, 대류권의 경우 분자 평균 높이인 6.3 km의 전형적인 온도를 취한다. 여기서1 온도는 T247 K이다.

따라서 dI, 지구 방출 방사선의 변화는 대략 다음과 같다.

dN/N = d(ln N)이므로 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

- - - e x 함수는 x = 2.41에 대해 최대값이며, 최대값은 0.66이며, x = 0.5 및 x = 9.2에서 이 값의 절반으로 떨어진다.따라서 OD가 0.5~9.2인 파장을 살펴봅니다.이것은 17미크론 주위에 약 1미크론, 13.5미크론 주위에 약 1미크론 미만의 파장 대역을 제공합니다.이 때문에, 다음과 같이 합니다.

λ = 13.5미크론 및 17미크론 (양쪽에서 기여도를 높임)
d125 = 13.5미크론 대역의 경우 0.5미크론, 17미크론 대역의 경우 1미크론.

13.5미크론 대역의 경우 -2.3W/m2, 17미크론 대역의 경우 -2.7W/m로2 총 5W/m입니다2.

CO2 함량이 2배 증가하면 파장 범위가 약간 변화하기 때문에 이러한 증가에 따라 이 유도체는 거의 일정하다.따라서2 CO 함량이 2배 증가하면 지구에서 방출되는 방사선이 약 다음과 같이 감소한다.

in (2)*5 W/m2 = 3.4 W/m2

일반적으로 계수 c/c의0 증가는 다음과 같습니다.

in(c/c0)*5 W/m2

이러한 결과는 보다 정교하지만 단순화된 모델 제공에 근접합니다.

ln(c/c0)*5.35 W/m2 [4]및 훨씬 더 복잡한 모델에서 CO에 의한2 복사력 배가 3.1 W/m2.

배출층 치환 모델

2020년 온실가스 수치와 CO가 두 배로 증가한 맑은2 하늘에서의 지구 방사선 방출.
다른 파장에서의 방출은 효과적으로 다른 대기 수준에서 발생하며, 다른 온도에서도 효과적으로 발생합니다.
모델화된 방출을 나타내는 파란색 플롯은 13~18미크론 사이의 희미한 두 부분으로 분할되며, 여기서 CO 배율로 인해 무시할2 수 없는 차이가 있습니다. 차이는 작아 보이지만 전체 효과는 1% 이상입니다.

우리는 많은 얇은 층으로 이루어진 복합적인 대기로 처리함으로써 더 정교한 계산을 할 수 있을 것이다.이러한 각 층에 대해 높이 y 및 두께 dy에서 이 층의 중량은 우주공간에서 볼 수 있는 복사온도를 결정할 때 대류권에 대해 이전에 도달한 발현을 일반화한다.그 이유는 다음과 같습니다.

여기서 OD(y)는 대기 중 y 이상의 부분의 광학적 깊이이다.

따라서 [3]파장 θ ~ θ+d'에서 방사선에 대한 CO의2 총 영향은 다음과 같다.

여기서 B는 위에서 제시한 플랑크의 법칙에 따른 방사선의 표현이다.

무한대는 실제로 대류권계면의 꼭대기로 간주될 수 있습니다.

따라서 CO 농도의 상대적2 변화인 dN/N = dn0/n0(여기서0 n은 지면 근처의 밀도 수치)의 효과는 다음과 같다(dN/N = d(ln N) = d(ln0 n)

부분적인 통합을 사용해 왔습니다.

B는 N에 의존하지 않으며e - ( ) ( \ e^ { - ( \ infty )} =1 이므로 다음과 같이 됩니다.

d dy style {} 대류권에서는 일정하고 대류권계면에서는 0입니다.둘 사이의 경계 높이를 U로 나타냅니다.

광학적 깊이는 압력과 마찬가지로 y에 대한 숫자 밀도의 적분에 비례합니다.따라서 OD(y)는 대류권(높이 0 ~ U) 내에서 붕괴 상수 1/H(CO의 경우2 H~5.6km)와pp 함께 기하급수적으로 떨어지는 압력 p(y)에 비례하므로 다음과 같다.

n ( 0 ) () { ln ( _ { 0 ) ( ) + 이므로 y와 N의 함수로 볼 때 다음과 같은 값이 있습니다.

따라서 Ln N에 대한 미분은 y에 대한 미분과 같습니다. 입니다.

목적:

dy

대류권 내에서는 온도가 최대 25%만 변화하기 때문에 관련 [3]파장에서 T와 함께 B의 (대략) 선형 근사치를 취하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

B의 선형 근사치 때문에 다음과 같이 . p T ( , , ) y [ ( p) - ] d B ( , , ) ( 、 d-d ))=,d\lambda,T)_T}-B(\lambda,T}-[T})]를1 가져갔습니다.

위에 제시된 단일 레이어 모델과 N에 대한 로그 의존성이 동일한 결과를 제공하지만, 이제 T가 6.3km(밀도 강하 높이 척도)가 아닌 5.6km(압력 강하 높이 척도)에서 측정된다는 것을1 알 수 있다.

지구에서 방출된 총 방사선과 비교

지구에 의해 방사되는 단위 시간당 총 평균 에너지는 평균 에너지 플럭스 j 곱하기 표면적 4µR과2 같습니다. 여기서 R은 지구의 반지름입니다.한편, 태양으로부터 흡수되는 평균 에너지 플럭스는 태양 상수0 S 곱하기 지구의 단면 δR2, 즉 지구가 흡수하는 비율에 1을 뺀 알베도 a입니다.

방사된 단위 시간당 평균 에너지는 햇빛에서 흡수된 단위 시간당 평균 에너지와 같습니다. 따라서 다음과 같습니다.

제공:

따라서 상기 단층 모델 섹션의 3.1 W/m^2 값을 바탕으로 평균 복사 플럭스에 대한 CO에 의한2 복사 강제력은 다음과 같다.

한 정확한 계산, 모든 파장은 넘었고 메탄이나 오존 온실 가스를 포함한 MODTRAN 모델을 이용하여,는 구성 상에서 공개되는데, 열대 지방에,){\displaystyle j=}){\displaystyle j=}295.286 이산화 탄소 두배로 증가한 후에/m2, i.e. 복사 forc는 외향적인 플럭스 j298.645/m2현재 이산화 탄소 수치와 j에 준다.ing지표온도 299.7Ko(26.6o℃)와 맑은 하늘 조건 하에서 1.1%이다.복사 강제력은 위도나 기상조건에 [5]따라 대체로 유사하다.

지구 온난화에 미치는 영향

평균적으로, 지구에 의해 방출되는 열복사의 총 파워는 햇빛으로부터 흡수되는 파워와 같다.CO 수준이 상승함에 따라2 방출된 방사선은 온도가 상승할 경우에만 이 평형을 유지할 수 있으며, 따라서 총 방출 방사선은 변하지 않는다(일일과 연간 주기의 평균이 되도록 몇 년 동안 평균).

스테판-볼츠만의 법칙에 따르면 단위 면적당 지구에 의해 방출되는 총 전력은 다음과 같습니다.

여기서 θ는B 스테판-볼츠만 상수이고 θ는 관련 파장에서의 방사율이다.T는 유효 방사선 온도를 나타내는 평균 온도입니다.

CO2 함량은 유효 T를 변화시키지만, 대신 T를 일반적인 지면 또는 대기 온도(T와0 같거나 가까운 온도)로 취급하여 CO 함량을 방사율 δ의 변화로 간주할2 수 있다.따라서 위의 식에서 CO 효과를 포함한2 유효 방사율로서 δ를 재검출하여 T=T를0 취한다.따라서 CO 함량의 변화는2 이 유효 방사율의 변화를 유발하므로 d {\ {\ { \ \ epsilon \ 지구가 방사하는 총 에너지 플럭스로 나눈 복사력이다.

방사율과 온도 변화로 인한 총 방사 에너지 플럭스의 상대적인 변화는 다음과 같습니다.

따라서, 총 방출 전력이 변하지 않는다면, 지구에 의해 방사된 총 에너지 플럭스에 상대적인 복사 힘은 온도의 1/4배 상대적인 변화를 일으킨다.

따라서 T T j K1% .K ( \ \} {\ {j}} = {

얼음-알베도 피드백

이후 지구의 온난화 평균적으로 땅에 얼음을 뜻하기 때문에, 따라서 더 지구의 온도는 증가하는 낮은 알베도와 더 흡수되 햇빛을 일으킬 것이다.

대략적인 추정으로, 우리는 지구의 평균 온도가 -20도에서 +30도 사이이며, 표면의 2%가 -1도에서 0도 사이이며, 따라서 얼음으로 덮인(또는 눈으로 덮인) 표면 영역이 바다 또는 숲으로 바뀔 것이라고 추측할 수 있다.

비교를 위해, 북반구에서 1979년과 2015년 사이에 북극 해빙은 최대에서 1.43x10m122, 최소에서 2.52x10m씩122 축소되었고, 이는 지구12 전체2 [6]표면 510x10m의122 0.4%에 해당하는 평균 2x10m이다.이때 지구 기온이 0.6도까지 올라갔다.내륙 빙하의 부분이 북극 바다 얼음 모두 그렇다면 북극 바다 얼음의 얼음의 변화를 거칠게 전체의 변화 지구 표면의 1.2%얼음에서 바다 혹은 척박한 땅에 0.6도, 또는 동등하게 당을 돌려 주는 3위를 차지하고 있다고 생각하겠지만 comparable,[7][8] 있(그antarctice 얼음판 포함하지 않), 남극 바다 얼음을 결합한 것이다.2%후춧가루r 1 C. 남극 만년설의 크기가 [7]진동하며,[9][10] 남극 순환 해류에 의한 상대적 단열 및 제약과 같은 요소들이 아마도 [11]한몫을 할 것이다.

얼음과 바다의 알베도 차이는 약 2/3이므로, 1℃ 상승으로 인해 알베도가 2%*2/3 = 4/3% 감소한다는 것을 의미한다.그러나 이는 주로 적도로부터 약 60도 떨어진 북반구와 남반구에서 발생할 것이며, 따라서 유효 면적은 실제로 2% * cos (60o) = 1%이고, 전지구 알베도 강하는 2/3%가 될 것이다.

1.3%의 방사선의 변화는 위에서 계산한 바와 같이 섭씨 1도의 직접적인 변화(피드백 없음)를 일으키며, 이로 인해 양성 피드백으로 인해 방사선의 2/3%의 변화가 발생하므로, 이는 이 피드백 메커니즘에 의해 야기되는 총 계수가 다음과 같이 된다는 것을 의미한다.

따라서 이 피드백은 방사선 변화의 영향을 두 배로 증가시켜 지구 온도에서 2K까지 변화를 일으킬 것이며, 이는 실제로 일반적으로 받아들여지는 단기 값이다.추가 피드백 메커니즘을 포함한 장기적인 가치의 경우 최대 3K의 가능성이 더 높은 것으로 간주됩니다.

레퍼런스

  1. ^ 2020-11-25년에 회수된 CO2와 기초 물리학 두 배 증가
  2. ^ a b 베네스타드, R. E. (2017)온실 효과의 정신적 그림.이론 및 응용 기후학, 128(3-4), 679-688.
  3. ^ a b c Huang, Y. 및 Bani Shahabadi, M. (2014).왜 로그일까요? 가스 농도에 대한 복사력의 의존성에 관한 주의사항.지구물리연구저널: 대기, 119(24), 13-683.
  4. ^ 마이어, G., 하이우드, E.J., 샤인, K.P., & Stordal, F.(1998).잘 혼합된 온실 가스로 인한 복사 강제력의 새로운 추정치.지구물리학 연구서, 25(14), 2715-2718.
  5. ^ CO2 410ppm vs. 820ppm, CH4 1.9ppm, Trop 매개 변수를 사용한 대기 중의 MODTRAN 적외선.오존 25ppb, 모든 척도 1, 온도 오프셋 0, 고도 70km, 아래를 내려다보고 있습니다.
  6. ^ 라우베로, A. & Iglev, H. (2017).북극해 얼음과 북반구의 평균 온도. arXiv 프리프린트 arXiv:1706.05835.
  7. ^ a b 기후에 대해서:남극 해빙 범위
  8. ^ 국립 빙설 데이터 센터: 글로벌 빙하 경기 침체
  9. ^ 파킨슨, C. L. (2019년)40년 기록은 남극 해빙의 점진적인 증가 추세에 이어 북극에서 볼 수 있는 속도를 훨씬 초과하는 속도로 감소하는 것을 보여준다.미국 국립과학원회보, 116(29), 14414-14423.
  10. ^ Zwally, H. J. L., J. W., Saba, J. L., Yi, D. 및 Brenner, A. C. (2015).남극 빙상의 대규모 상승은 손실을 웃돈다.빙하학 저널, 61(230), 1019-1036.
  11. ^ Nghiem, S. V., Strict, I. G., Clemente-Colon, P., Neumann, G. 및 Li, P. (2016).남극 해빙의 지구물리학적 제약입니다.환경의 원격 감지, 181, 281-292.