Energi masuk, energi keluar
Suhu Bumi menetap di titik ketika energi yang diserapnya dari Matahari sama dengan energi yang dipancarkannya ke luar angkasa. Sinar matahari tiba sebesar S0 = 1.361 W/m² di puncak atmosfer. Bumi menangkapnya pada sebuah piringan, tetapi sebagai bola luasnya empat kali piringan itu, jadi rata-rata di seluruh permukaan adalah S0 ÷ 4 = 340 W/m². Sekitar 30% (albedo, α) langsung dipantulkan kembali oleh awan, es, dan permukaan terang, menyisakan 238 W/m² yang diserap.
Sebuah benda memancarkan σT4 per meter persegi (hukum Stefan–Boltzmann, σ = 5,67 × 10−8 W/(m²·K⁴)). Dengan σT4 = 238 diperoleh
Te = (S0(1 − α) ÷ 4σ)1/4 = 255 K = −18 °C
Itulah suhu Bumi seandainya tidak ada efek rumah kaca. Suhu rata-rata permukaan sebenarnya sekitar 15 °C: 33 derajat lebih hangat.
Efek rumah kaca
Sinar matahari sebagian besar berupa cahaya tampak, yang diloloskan udara. Tanah yang menghangat memancar dalam inframerah, sekitar 10 µm, dan uap air, karbon dioksida, metana, serta beberapa gas lain menyerap banyak inframerah itu dan memancarkannya lagi ke segala arah, termasuk ke bawah. Karena itu permukaan menerima energi dari Matahari dan dari atmosfer, dan menghangat sampai pancarannya cukup untuk mengimbangi keduanya. Dalam model satu lapis, dengan atmosfer menyerap fraksi ε dari inframerah permukaan,
Ts = Te × (2 ÷ (2 − ε))1/4
dan ε = 0,77 menghasilkan 288 K yang teramati. (Rumah kaca sungguhan tetap hangat terutama karena menghalangi udara hangat naik, bukan dengan cara ini, tetapi namanya sudah terlanjur dipakai.)
Gaya radiatif
Menambah gas rumah kaca membuat atmosfer menyerap lebih banyak inframerah yang keluar, sehingga planet kehilangan energi lebih sedikit daripada yang diterimanya sampai planet menghangat. Ketidakseimbangan sesaat setelah perubahan itu adalah gaya radiatif (radiative forcing), ΔF. Untuk CO₂, nilainya tumbuh mengikuti logaritma konsentrasi:
ΔF = 5,35 ln(C ÷ C0) W/m², dengan C0 = 280 ppm sebelum era industri
jadi setiap penggandaan menambah 5,35 × ln 2 = 3,7 W/m², berapa pun tingkat awalnya. Logaritma muncul karena pita serapan terkuat sudah hampir jenuh dan CO₂ tambahan sebagian besar bekerja di tepi pita. Metana menambah sekitar 0,036(√M − √M0) W/m² dengan M dalam ppb, dan perubahan albedo menambah −(S0 ÷ 4) Δα.
Sensitivitas iklim
Suhu naik sampai pancaran keluar tambahan menghapus gaya radiatif: ΔT = λ ΔF. Tanpa umpan balik, dari σT4 saja, λ ≈ 0,3 K per W/m², sekitar 1,2 °C per penggandaan CO₂. Tetapi udara yang lebih hangat menampung lebih banyak uap air (7% lebih banyak per derajat), yang juga gas rumah kaca; salju dan es yang menyusut membuat permukaan lebih gelap; awan berubah. Bersama-sama umpan balik ini menaikkan λ menjadi sekitar 0,8, dan pemanasan per penggandaan, yaitu sensitivitas iklim kesetimbangan, kemungkinan 2,5 sampai 4 °C dengan perkiraan terbaik 3 °C.
Contoh perhitungan
CO₂ naik dari 280 menjadi 420 ppm dan metana dari 722 menjadi 1.920 ppb.
- Gaya radiatif CO₂: 5,35 × ln(420 ÷ 280) = 5,35 × 0,405 = 2,17 W/m².
- Gaya radiatif metana: 0,036 × (√1920 − √722) = 0,036 × (43,8 − 26,9) = 0,61 W/m².
- Total: 2,78 W/m². Dengan λ = 0,81 K per W/m², pemanasan setelah semuanya stabil adalah 0,81 × 2,78 = 2,25 °C.
Pemanasan yang teramati sejauh ini sekitar 1,2 °C, lebih kecil dari itu, karena lautan belum menyusul dan karena polusi aerosol (diabaikan di sini) memantulkan sinar matahari dan mengimbangi kira-kira sepertiga gaya radiatif gas rumah kaca.
Seberapa cepat suhu merespons
Lapisan permukaan laut punya kapasitas panas besar, sekitar 8 W·tahun per m² per K untuk lapisan campuran setebal 60 m. Suhu lalu mengikuti C dT ÷ dt = ΔF − (T − T0) ÷ λ, mendekati kesetimbangan baru dengan konstanta waktu Cλ ≈ 6,5 tahun. Laut dalam, yang diabaikan model ini, butuh berabad-abad untuk menghangat dan membuat iklim sungguhan terus menyusul lama setelah gaya radiatif berhenti naik.
Memakai simulasi
Di Simulator Efek Rumah Kaca, foton sinar matahari kuning turun dan foton inframerah merah naik; molekul abu-abu yang menangkap satu foton berkedip dan melepasnya ke arah acak. Suhu dimulai dari 13,8 °C pra-industri dan bergerak menuju kesetimbangan untuk pengaturan yang kamu pilih. Coba hal berikut:
- Gandakan CO₂ dari 280 menjadi 560 ppm dengan setiap set umpan balik: pemanasan pada kesetimbangan adalah 1,2, 2, 3, atau 4,5 °C.
- Bagi dua dari 560 menjadi 280: gaya radiatif berubah 3,7 W/m² yang sama, itulah kerja logaritma.
- Naikkan albedo dari 0,30 menjadi 0,31: pendinginan 3,4 W/m² melebihi gaya radiatif CO₂ saat ini sebesar 2,2 W/m², itulah sebabnya awan dan es begitu penting.
- Ubah Matahari sebesar 1 W/m² (siklus matahari yang umum): gaya radiatifnya hanya 0,17 W/m², jauh lebih kecil daripada CO₂.
Asumsi model
- Planet nol dimensi: satu suhu rata-rata global, tanpa siang dan malam, musim, lintang, daratan, dan lautan.
- Satu lapisan laut tercampur dengan kapasitas panas tetap, tanpa laut dalam.
- Rumus gaya radiatif yang disederhanakan untuk CO₂ dan metana, tanpa tumpang-tindih pita metana dan dinitrogen oksida, dan tanpa gas lain, aerosol, ozon, atau penggunaan lahan.
- Sensitivitas iklim λ yang konstan, sama di setiap suhu, dipilih dari menu.
- Foton yang menunjukkan gagasannya, bukan angkanya. Peluang foton inframerah tertangkap naik bersama CO₂ untuk ilustrasi; suhu dihitung dari persamaan neraca energi, bukan dari menghitung foton.
Kasus tepi
- CO₂ 280 ppm, metana 722 ppb, albedo 0,30: tidak ada gaya radiatif, dan suhu tetap 13,8 °C.
- CO₂ yang sangat rendah memberi gaya radiatif negatif dan pendinginan; di bawah sekitar 150 ppm tumbuhan kesulitan berfotosintesis, batas bawah slider.
- Tanpa umpan balik berarti hanya respons Planck: pemanasan paling kecil dan pendekatan ke kesetimbangan paling cepat, karena konstanta waktu sebanding dengan λ.
- Perubahan albedo yang besar (zaman es, Bumi bola salju) mengalahkan segalanya: dari 0,30 ke 0,60 menghilangkan sekitar 100 W/m².
Kapan model tidak lagi tepat
- Umpan balik tidak konstan. Umpan balik es-albedo dan awan berubah bersama iklim itu sendiri; pada ambang tertentu (lapisan es, permafrost, sirkulasi laut) responsnya bisa mendadak dan lambat untuk berbalik.
- Iklim regional. Pemanasan tidak merata: Arktik menghangat tiga sampai empat kali lebih cepat daripada rata-rata, daratan lebih cepat daripada lautan. Model satu angka tidak bisa mengatakan apa pun tentang hujan, badai, atau suhu setempat.
- Pemanasan transien. Karena laut dalam tidak ada, model mencapai kesetimbangan dalam beberapa dekade; iklim sungguhan terus menghangat selama berabad-abad setelah konsentrasi stabil, dan permukaan laut naik jauh lebih lama lagi.
- Siklus karbon. CO₂ diatur dengan tangan di sini; kenyataannya lautan dan hutan menyerap sekitar setengah dari yang diemisikan, dan pemanasan bisa melemahkan penyerap itu.
- Kondisi ekstrem seperti Venus. Pada CO₂ yang sangat tinggi, rumus logaritma dan model satu lapis gagal; dibutuhkan perhitungan transfer radiasi yang terperinci.
Alat terkait
Simulator Radiasi Benda Hitam menunjukkan mengapa Matahari bersinar dalam cahaya tampak dan Bumi dalam inframerah, dan Simulator Musim dan Panjang Siang menunjukkan bagaimana sinar matahari tersebar menurut lintang dan sepanjang tahun. Konversi suhu dengan Konverter suhu.