Sera etkisi nasıl işler

Giren enerji, çıkan enerji

Dünya’nın sıcaklığı, Güneş’ten soğurduğu enerjinin uzaya ışıdığı enerjiye eşit olduğu yere oturur. Güneş ışığı atmosferin tepesine S₀ = 1.361 W/m² olarak gelir. Dünya onu bir disk üzerinde yakalar ama küre olarak bunun dört katı alana sahiptir; yani yüzeyin tamamındaki ortalama S₀ ÷ 4 = 340 W/m²’dir. Yaklaşık %30’u (albedo, α) bulutlar, buz ve parlak zemin tarafından doğrudan geri yansıtılır ve soğurulan 238 W/m² kalır.

Bir cisim metrekare başına σT⁴ ışır (Stefan–Boltzmann yasası, σ = 5,67 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴)). σT⁴ = 238 koymak şunu verir:

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

Bu, sera etkisi olmasa Dünya’nın sıcaklığı olurdu. Gerçek ortalama yüzey sıcaklığı yaklaşık 15 °C’dir: 33 derece daha sıcak.

Sera etkisi

Güneş ışığı çoğunlukla görünür ışıktır ve hava onu geçirir. Isınan zemin yaklaşık 10 µm civarında kızılötesinde ışır; su buharı, karbondioksit, metan ve birkaç başka gaz bu kızılötesinin çoğunu soğurur ve aşağı doğru da olmak üzere her yöne yeniden ışır. Bu yüzden yüzey hem Güneş’ten hem atmosferden enerji alır ve ikisini birlikte dengeleyecek kadar ışıyana dek ısınır. Atmosferin yüzeyin kızılötesinin ε kesrini soğurduğu tek katmanlı bir modelde

T_y = T_e × (2 ÷ (2 − ε))^1/4

ve ε = 0,77 gözlenen 288 K’yi verir. (Bir sera başlıca sıcak havanın yükselmesini engelleyerek ısınır, bu yolla değil, ama ad yerleşmiştir.)

Işınımsal zorlama

Bir sera gazı eklemek atmosferin dışa giden kızılötesinin daha fazlasını soğurmasına yol açar; yani gezegen ısınana kadar kazandığından daha az enerji kaybeder. Değişiklikten hemen sonraki dengesizlik ışınımsal zorlamadır, ΔF. CO₂ için derişimin logaritmasıyla büyür:

ΔF = 5,35 ln(C ÷ C₀) W/m²; sanayi öncesi için C₀ = 280 ppm

yani başlangıç düzeyi ne olursa olsun her iki katına çıkma 5,35 × ln 2 = 3,7 W/m² ekler. Logaritma, en güçlü soğurma bantları zaten neredeyse doyduğu ve fazladan CO₂ çoğunlukla onların kenarlarında iş gördüğü için ortaya çıkar. Metan, M ppb cinsinden olmak üzere yaklaşık 0,036(√M − √M₀) W/m² ekler; albedodaki bir değişiklik de −(S₀ ÷ 4) Δα ekler.

İklim duyarlılığı

Sıcaklık, fazladan dışa giden ışıma zorlamayı sıfırlayana kadar yükselir: ΔT = λ ΔF. Geri beslemeler olmadan, yalnızca σT⁴’ten, λ ≈ W/m² başına 0,3 K’dir; yani CO₂’nin iki katına çıkması başına yaklaşık 1,2 °C. Ama daha sıcak hava daha fazla su buharı tutar (derece başına %7 fazla) ve su buharı kendisi bir sera gazıdır; küçülen kar ve buz yüzeyi koyulaştırır; bulutlar değişir. Bu geri beslemeler birlikte λ’yı yaklaşık 0,8’e yükseltir ve iki katına çıkma başına ısınma, yani denge iklim duyarlılığı, en iyi tahminle 3 °C olmak üzere büyük olasılıkla 2,5 ila 4 °C’dir.

Çözümlü bir örnek

CO₂ 280’den 420 ppm’ye, metan 722’den 1.920 ppb’ye yükseliyor.

1. CO₂ zorlaması: 5,35 × ln(420 ÷ 280) = 5,35 × 0,405 = 2,17 W/m².
2. Metan zorlaması: 0,036 × (√1920 − √722) = 0,036 × (43,8 − 26,9) = 0,61 W/m².
3. Toplam: 2,78 W/m². λ = W/m² başına 0,81 K ile her şey oturduğunda ısınma 0,81 × 2,78 = 2,25 °C’dir.

Şimdiye kadar gözlenen ısınma yaklaşık 1,2 °C’dir; bundan azdır, çünkü okyanuslar henüz yetişmemiştir ve burada dışarıda bırakılan aerosol kirliliği güneş ışığını yansıtıp sera zorlamasının kabaca üçte birini dengelemektedir.

Sıcaklık ne kadar hızlı yanıt verir

Okyanusun yüzey katmanının ısı kapasitesi büyüktür; 60 m’lik karışmış bir katman için K başına metrekarede yaklaşık 8 W·yıl. Sıcaklık o zaman C dT ÷ dt = ΔF − (T − T₀) ÷ λ’yı izler ve Cλ ≈ 6,5 yıllık bir zaman sabitiyle yeni dengeye yaklaşır. Bu modelin dışarıda bıraktığı derin okyanusun ısınması yüzyıllar sürer ve zorlama artmayı bıraktıktan sonra bile gerçek iklimin uzun süre yetişmeye devam etmesine neden olur.

Simülasyonu kullanmak

Sera etkisi simülatöründe sarı güneş ışığı fotonları aşağı iner, kırmızı kızılötesi fotonlar yukarı çıkar; birini yakalayan gri bir molekül parlar ve onu rastgele bir yöne gönderir. Sıcaklık sanayi öncesi 13,8 °C’de başlar ve seçtiğin ayarların dengesine doğru gider. Denenecek şeyler:

• CO₂’yi her geri besleme takımıyla 280’den 560 ppm’ye iki katına çıkar: dengedeki ısınma 1,2; 2; 3 ya da 4,5 °C olur.
• 560’tan 280’e yarıya indir: zorlama aynı 3,7 W/m² kadar değişir; logaritma iş başındadır.
• Albedoyu 0,30’dan 0,31’e yükselt: 3,4 W/m²’lik soğuma, bugünün 2,2 W/m²’lik CO₂ zorlamasını aşar; bulutların ve buzun bu kadar önemli olmasının nedeni budur.
• Güneş’i 1 W/m² değiştir (tipik bir güneş döngüsü): zorlama yalnızca 0,17 W/m²’dir, CO₂’ninkinden çok daha küçük.

Modelin varsayımları

• Sıfır boyutlu bir gezegen: tek bir küresel ortalama sıcaklık; gece ve gündüz, mevsimler, enlemler, kara ve okyanus yok.
• Sabit ısı kapasitesiyle tek bir karışmış okyanus katmanı ve derin okyanus yok.
• Metan ile nitröz oksit bantlarının örtüşmesi olmadan CO₂ ve metan için basitleştirilmiş zorlama formülleri; başka gaz, aerosol, ozon ya da arazi kullanımı yok.
• Menüden seçilen, her sıcaklıkta aynı olan sabit bir iklim duyarlılığı λ.
• Sayıları değil fikri gösteren fotonlar. Bir kızılötesi fotonun yakalanma olasılığı gösterim amacıyla CO₂ ile artar; sıcaklık foton saymaktan değil, enerji dengesi denklemlerinden gelir.

Sınır durumları

• 280 ppm CO₂, 722 ppb metan, 0,30 albedo: zorlama yok ve sıcaklık 13,8 °C’de kalır.
• Çok düşük CO₂ negatif zorlama ve soğuma verir; yaklaşık 150 ppm’nin altında bitkiler fotosentez yapmakta zorlanır ki bu da kaydırıcının alt sınırıdır.
• Geri besleme olmaması yalnızca Planck yanıtı demektir: ısınma en küçüktür ve dengeye yaklaşma en hızlıdır, çünkü zaman sabiti λ ile orantılıdır.
• Büyük albedo değişiklikleri (buzul çağları, kartopu Dünya) diğer her şeyi bastırır: 0,30’dan 0,60’a geçmek yaklaşık 100 W/m² eksiltir.

Modelin doğru olmaktan çıktığı yerler

• Geri beslemeler sabit değildir. Buz-albedo ve bulut geri beslemeleri iklimin kendisiyle değişir; bazı eşiklerde (buz tabakaları, donmuş toprak, okyanus dolaşımı) yanıt ani ve geri döndürülmesi yavaş olabilir.
• Bölgesel iklim. Isınma eşit değildir: Arktik ortalamadan üç ila dört kat hızlı, kara okyanustan hızlı ısınır. Tek sayılı bir model yağış, fırtınalar ya da yerel sıcaklıklar hakkında hiçbir şey söyleyemez.
• Geçici ısınma. Derin okyanus eksik olduğu için model dengeye on yıllar içinde ulaşır; gerçek iklim derişimler durulduktan sonra yüzyıllarca ısınmaya devam eder ve deniz seviyesi çok daha uzun süre yükselir.
• Karbon döngüsü. CO₂ burada elle ayarlanır; gerçekte okyanuslar ve ormanlar salınanın yaklaşık yarısını soğurur ve ısınma bu yutakları zayıflatabilir.
• Venüs benzeri aşırı durumlar. Çok yüksek CO₂’de logaritmik formül ve basit katman modeli başarısız olur; ayrıntılı ışınım aktarımı gerekir.

İlgili araçlar

Kara cisim ışıması simülatörü Güneş’in neden görünür ışıkta, Dünya’nın neden kızılötesinde ışıdığını gösterir; Mevsimler ve gün uzunluğu simülatörü güneş ışığının enlemlere ve yıla nasıl dağıldığını gösterir. Sıcaklıkları Sıcaklık dönüştürücü ile çevir.