ग्रीनहाउस प्रभाव कैसे काम करता है: ऊर्जा संतुलन, विकिरणी बल और जलवायु संवेदनशीलता

आने वाली ऊर्जा, जाने वाली ऊर्जा

पृथ्वी का तापमान वहाँ टिकता है जहाँ सूर्य से सोखी गई ऊर्जा अंतरिक्ष में विकिरित ऊर्जा के बराबर हो। वायुमंडल के शीर्ष पर सूर्य का प्रकाश S₀ = 1,361 W/m² की दर से आता है। पृथ्वी इसे एक चकती पर रोकती है पर गोले के रूप में उसका क्षेत्रफल चार गुना है, इसलिए पूरी सतह पर औसत S₀ ÷ 4 = 340 W/m² है। लगभग 30% (एल्बिडो, α) बादल, बर्फ़ और चमकीली ज़मीन सीधे लौटा देते हैं, और 238 W/m² सोखे जाते हैं।

कोई पिंड प्रति वर्ग मीटर σT⁴ विकिरित करता है (स्टीफ़न–बोल्ट्ज़मान नियम, σ = 5.67 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴))। σT⁴ = 238 रखने पर

T_e = (S₀(1 − α) ÷ 4σ)^1/4 = 255 K = −18 °C

ग्रीनहाउस प्रभाव के बिना पृथ्वी का यही तापमान होता। असली औसत सतही तापमान लगभग 15 °C है: 33 डिग्री ज़्यादा।

ग्रीनहाउस प्रभाव

सूर्य का प्रकाश ज़्यादातर दृश्य प्रकाश है, जिसे हवा गुज़रने देती है। गरम ज़मीन अवरक्त में, लगभग 10 µm पर, विकिरण करती है, और जलवाष्प, कार्बन डाइऑक्साइड, मीथेन और कुछ और गैसें उस अवरक्त का बड़ा हिस्सा सोखकर हर दिशा में, नीचे की ओर भी, दोबारा छोड़ती हैं। इसलिए सतह को सूर्य से भी ऊर्जा मिलती है और वायुमंडल से भी, और वह तब तक गरम होती है जब तक इतना विकिरण न करने लगे कि दोनों का संतुलन हो जाए। एक-परत मॉडल में, जहाँ वायुमंडल सतह के अवरक्त का ε भाग सोखता है,

T_s = T_e × (2 ÷ (2 − ε))^1/4

और ε = 0.77 देखे गए 288 K देता है। (असली ग्रीनहाउस ज़्यादातर गरम हवा को ऊपर उठने से रोककर गरम रहता है, इस तरह नहीं, पर नाम चल पड़ा।)

विकिरणी बल

ग्रीनहाउस गैस बढ़ाने से वायुमंडल बाहर जाने वाले अवरक्त का ज़्यादा हिस्सा सोखता है, इसलिए गरम होने तक ग्रह जितनी ऊर्जा पाता है उससे कम खोता है। बदलाव के ठीक बाद का यह असंतुलन विकिरणी बल (रेडिएटिव फ़ोर्सिंग), ΔF, है। CO₂ के लिए यह सांद्रता के लघुगणक के साथ बढ़ता है:

ΔF = 5.35 ln(C ÷ C₀) W/m², जहाँ उद्योग से पहले C₀ = 280 ppm

इसलिए हर दोगुनी होने पर 5.35 × ln 2 = 3.7 W/m² जुड़ता है, शुरुआती स्तर चाहे जो हो। लघुगणक इसलिए आता है कि सबसे तेज़ अवशोषण पट्टियाँ पहले ही लगभग संतृप्त हैं और अतिरिक्त CO₂ ज़्यादातर उनके किनारों पर काम करती है। मीथेन लगभग 0.036(√M − √M₀) W/m² जोड़ती है, M ppb में, और एल्बिडो का बदलाव −(S₀ ÷ 4) Δα जोड़ता है।

जलवायु संवेदनशीलता

तापमान तब तक बढ़ता है जब तक अतिरिक्त बाहरी विकिरण बल को रद्द न कर दे: ΔT = λ ΔF। बिना फ़ीडबैक के, सिर्फ़ σT⁴ से, λ ≈ 0.3 K प्रति W/m², यानी CO₂ दोगुनी होने पर लगभग 1.2 °C। पर गरम हवा ज़्यादा जलवाष्प रखती है (हर डिग्री पर 7% ज़्यादा), जो ख़ुद ग्रीनहाउस गैस है; सिकुड़ती बर्फ़ सतह को गहरा करती है; बादल बदलते हैं। ये फ़ीडबैक मिलकर λ को लगभग 0.8 तक ले जाते हैं, और हर दोगुनी पर तापवृद्धि, यानी साम्य जलवायु संवेदनशीलता, संभवतः 2.5 से 4 °C है, सबसे अच्छा अनुमान 3 °C।

एक हल किया उदाहरण

CO₂ 280 से 420 ppm और मीथेन 722 से 1,920 ppb हो जाती है।

CO₂ का बल: 5.35 × ln(420 ÷ 280) = 5.35 × 0.405 = 2.17 W/m²।
मीथेन का बल: 0.036 × (√1920 − √722) = 0.036 × (43.8 − 26.9) = 0.61 W/m²।
कुल: 2.78 W/m²। λ = 0.81 K प्रति W/m² के साथ, सब कुछ स्थिर होने पर तापवृद्धि 0.81 × 2.78 = 2.25 °C है।

अब तक देखी गई तापवृद्धि लगभग 1.2 °C है, इससे कम, क्योंकि महासागर अभी पीछे हैं और क्योंकि एरोसोल प्रदूषण (यहाँ छोड़ा गया) सूर्य का प्रकाश लौटाकर ग्रीनहाउस बल का लगभग एक तिहाई हिस्सा काट देता है।

तापमान कितनी तेज़ी से जवाब देता है

महासागर की ऊपरी परत की ऊष्मा धारिता बड़ी है, 60 m मिश्रित परत के लिए लगभग 8 W·वर्ष प्रति m² प्रति K। तब तापमान C dT ÷ dt = ΔF − (T − T₀) ÷ λ का पालन करता है और लगभग Cλ ≈ 6.5 वर्ष के समय स्थिरांक से नए संतुलन की ओर बढ़ता है। गहरा महासागर, जिसे यह मॉडल छोड़ देता है, गरम होने में सदियाँ लेता है और असली जलवायु को बल बढ़ना रुकने के बहुत बाद तक पीछे से पकड़ते रहने देता है।

सिम्युलेशन का उपयोग

ग्रीनहाउस प्रभाव सिम्युलेटर में पीले सूर्य-फ़ोटॉन नीचे आते हैं और लाल अवरक्त फ़ोटॉन ऊपर जाते हैं; कोई धूसर अणु जो एक को पकड़ता है, चमककर उसे किसी बेतरतीब दिशा में भेज देता है। तापमान औद्योगिक-पूर्व 13.8 °C से शुरू होकर आपकी सेटिंग्स के संतुलन की ओर बढ़ता है। ये आज़माएँ:

हर फ़ीडबैक सेट के साथ CO₂ को 280 से 560 ppm तक दोगुना करें: संतुलन पर तापवृद्धि 1.2, 2, 3 या 4.5 °C है।
इसे 560 से 280 तक आधा करें: बल उतना ही 3.7 W/m² बदलता है, यह लघुगणक का असर है।
एल्बिडो 0.30 से 0.31 करें: 3.4 W/m² की ठंडक आज के 2.2 W/m² CO₂ बल से ज़्यादा है, इसीलिए बादल और बर्फ़ इतने मायने रखते हैं।
सूर्य को 1 W/m² बदलें (एक आम सौर चक्र): बल सिर्फ़ 0.17 W/m² है, CO₂ से बहुत कम।

मॉडल क्या मानकर चलता है

शून्य-आयामी ग्रह: एक वैश्विक औसत तापमान, बिना दिन-रात, ऋतुओं, अक्षांशों, ज़मीन और समुद्र के।
एक मिश्रित महासागर परत, स्थिर ऊष्मा धारिता वाली, बिना गहरे महासागर के।
CO₂ और मीथेन के लिए सरल बल-सूत्र, मीथेन और नाइट्रस ऑक्साइड की पट्टियों के ओवरलैप के बिना, और बिना दूसरी गैसों, एरोसोल, ओज़ोन या भूमि उपयोग के।
स्थिर जलवायु संवेदनशीलता λ, हर तापमान पर एक जैसी, मेन्यू से चुनी गई।
फ़ोटॉन विचार दिखाते हैं, संख्याएँ नहीं। अवरक्त फ़ोटॉन के पकड़े जाने की संभावना समझाने के लिए CO₂ के साथ बढ़ती है; तापमान ऊर्जा-संतुलन समीकरणों से आता है, फ़ोटॉन गिनने से नहीं।

सीमांत स्थितियाँ

CO₂ 280 ppm, मीथेन 722 ppb, एल्बिडो 0.30: कोई बल नहीं, और तापमान 13.8 °C पर रहता है।
बहुत कम CO₂ ऋणात्मक बल और ठंडक देती है; लगभग 150 ppm से नीचे पौधों को प्रकाश संश्लेषण में दिक्कत होती है, यही स्लाइडर की निचली सीमा है।
बिना फ़ीडबैक का मतलब सिर्फ़ प्लैंक प्रतिक्रिया: तापवृद्धि सबसे कम और संतुलन तक पहुँच सबसे तेज़, क्योंकि समय स्थिरांक λ के समानुपाती है।
एल्बिडो के बड़े बदलाव (हिमयुग, स्नोबॉल अर्थ) बाकी सब पर भारी पड़ते हैं: 0.30 से 0.60 जाने पर लगभग 100 W/m² घट जाता है।

मॉडल कहाँ सही नहीं रहता

फ़ीडबैक स्थिर नहीं होते। बर्फ़-एल्बिडो और बादल फ़ीडबैक ख़ुद जलवायु के साथ बदलते हैं; कुछ दहलीज़ों पर (हिम चादरें, पर्माफ़्रॉस्ट, महासागरीय परिसंचरण) प्रतिक्रिया अचानक और देर से पलटने वाली हो सकती है।
क्षेत्रीय जलवायु। तापवृद्धि असमान है: आर्कटिक औसत से तीन से चार गुना तेज़ गरम होता है, ज़मीन समुद्र से तेज़। एक संख्या वाला मॉडल बारिश, तूफ़ान या स्थानीय तापमान के बारे में कुछ नहीं कह सकता।
क्षणिक तापवृद्धि। गहरा महासागर न होने से मॉडल कुछ दशकों में संतुलन पा लेता है; असली जलवायु सांद्रता स्थिर होने के बाद भी सदियों तक गरम होती रहती है, और समुद्र तल उससे भी ज़्यादा समय तक बढ़ता है।
कार्बन चक्र। यहाँ CO₂ हाथ से सेट होती है; असल में महासागर और जंगल उत्सर्जन का लगभग आधा सोख लेते हैं, और तापवृद्धि इन सोखने वालों को कमज़ोर कर सकती है।
शुक्र जैसी चरम स्थितियाँ। बहुत ज़्यादा CO₂ पर लघुगणकीय सूत्र और सरल परत मॉडल नाकाम हो जाते हैं; विस्तृत विकिरण स्थानांतरण गणना चाहिए।

ग्रीनहाउस प्रभाव कैसे काम करता है