Inlägg
Det sägs och observeras at
t övre delar av atmosfären är under kylning. På 30 - 80 kilometers höjd (stratosfär/mesosfär, beroende på vem man pratar med) mäts trenden till ca 2 - 3 grader per decennium.
t övre delar av atmosfären är under kylning. På 30 - 80 kilometers höjd (stratosfär/mesosfär, beroende på vem man pratar med) mäts trenden till ca 2 - 3 grader per decennium.Varför händer detta? Helt säker kan man inte vara men här kommer två troliga förlopp:
Först ett par ordförklaringar: Med begreppen värmestrålning och infraröd strålning/ir-strålning menar jag samma sak. Stratosfären (ca 12 km - ca 60 km) är alltså den del som ligger över troposfären (havsytan - ca 12 km). Den består av i princip samma gaser som troposfären - kväve, syre, växthusgaser - men är glesare, kallare och med högre ozon-halt.
Mänsklig aktivitet kan påverka stratosfären på två sätt:
1. Utarmning av ozon
2. Ökning av växthusgaser i både troposfär och stratosfär.
Ozon-anledningen är lättast att få grepp om så vi börjar med den:
I troposfären sker värmeöverföring i huvudsak genom sk konvektion, och inte genom att solens strålar direkt värmer den. Konvektionens förlopp är att luften värms upp genom kontakt med den uppvärmda marken. Luften närmast markytan expanderar medan den värms, stiger uppåt i turbulent rörelse, och blandas med annan luft.
Ifall luften inte någonstans värmdes upp genom solstrålning, utan endast från jordytan och genom konvektion, skulle temperaturen successivt minska med höjden över marken, vilket stämmer de första 12 kilometrarna, men ungefär på den nivån (och vid ca -55 C temperatur) når man den sk tropopausen, där temperaturen börjar öka igen, pga ett visst solstråle-absorberande skikt lite högre upp: ozonlagret.
Konvektion finns bara där varm luft stiger, vilket den inte gör om temperaturen ovanför är högre än denna varma lufts, så tropopausen fungerar alltså som en sorts barriär mellan troposfären och stratosfären. Pga konvektion är troposfären turbulent och väl blandad. Stratosfären däremot, med sin temperaturökning med höjd, är stabil och uppdelad i lager.
Stratosfärens ozonskikt absorberar alltså solens ultravioletta strålar på deras väg nedåt i jordatmosfären. Genom absorption värms ozon-molekylerna, och därmed stratosfären. Vid ozonutarmning medelst t ex freoner, minskar lagrets förmåga att absorbera strålarna, och de åker istället rakt igenom stratosfären, utan att värma den lika mycket.
Vad gäller växthusgasernas påverkan på stratosfären så är förloppet mer komplicerat.
I troposfären, som är närmast jordytan, hindrar växthusgaserna, genom absorption, värmestrålningens väg uppåt från jordytan.
I den tunna, glesare stratosfären däremot, hjälper växthusgaserna istället till med utstrålningen av värme, mot rymden.
När troposfärens halt av CO2 och vattenånga ökar, blir denna nivå mer och mer mättad; mindre och mindre ir-strålning kan komma därifrån ut mot stratosfär och senare rymd. Det är från dessa övre lager som atmosfären avger värme till rymden och värme kan endast lämna atmosfären i form av radiation . Andra växthusgaser, som ozon, CFC, finns i mindre mängd, så de absorberar inte lika mycket värmestrålning.
I stratosfären sker värmeledning i huvudsak sker genom konduktion (molekyler som krockar med varandra) och radiation/strålning (utsändning och absorption av infraröd strålning). Mer sällsynt är konvektion, dvs uppvärmning genom att sjok av molekyler transporteras/stiger och diffunderar. Koldioxid- och vattenånge-molekyler kan omvandla den värme de tillskansat sig genom konduktion/krockande, till strålning.
Fast uppe på dessa tunna, glesare nivåer av atmosfären har de utsända värmefotonerna, de som färdas med infraröda våglängder, stor chans att åka ut i rymden direkt, utan ytterligare förhalning, eftersom det inte finns så mycket molekyler i närheten för att absorbera dem.
Ökad koldioxidnivå i atmosfären kyler alltså stratosfären på två sätt:
Dels genom att troposfären mättas mer och mer och ir-strålning inte slipper uppåt mot stratosfären så lätt, och dels för att ökningen av växthusgaser däruppe gör att mer ir-strålning lämnar atmosfären. Vid kylning minskar volymen, enligt allmänna gaslagen, och stratosfären, mesosfären och jonosfären (ca 300 km upp) dras samman; dessa lager "faller" nedåt mot oss.
Några frågor? (-:
/Cecilia
Till ovanstående artikel har jag fått viktiga bidrag i form av synpunkter och länkar, från skribenterna Mia och Anders M.
Källor & fördjupning:
Atmospheric Optics: Tropopause and Lower Stratosphere
Stratospheric Cooling - Dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz
Tango in the Atmosphere: Ozone and Climate Change: Jeannie Allen, NASA Earth Observatory
Why is Earth's Upper Atmosphere Cooling? - Moises Velasques-Manoff
New Scientist: Orbital tracking reveals thinning upper atmosphere
Debatewise: CO2 and global warming
Tanya Philips - Troposphere and stratosphere meet blogosphere
Photos:
1. NASA: Sunset Over Tropopause, Aug 10, 2003
2. Meteorology for everyone, Dask.org: Stratosphere
3. Arctic Stratospheric Cloud, NASA
4. Wikimedia Commons: Water Vapor in the Stratosphere
Twingly:
SvD: Carlgren svarar på läsarnas frågor, Varmaste decenniet hittills,
Recension: Global nedkylning
DN: Skadlig skandal
Det där med varför stratosfären kyls av mer koldioxid är en klassisk fråga som forskare råkar i luven på varandra med att försöka förklara. Att matematiska modeller visar att så är fallet är helt klart, men att beskriva mekanismen i ord på ett bra sätt är klurigare.
SvaraRaderaSjälv brukar jag hävda att stratosfären kyls enbart för att vi har temperaturinversion i stratosfären. Om vi inte hade något ozonlager och ingen stratosfär utan bara en gradvis allt kallare atmosfär ut mot rymden skulle den värmas hela vägen upp av mer CO2.
De mekanismer som Cecilia nämner kan som bäst vara en delförklaring. Visserligen gör mer CO2 i troposfären att värme inte slipper ut lika lätt, men det är ändå precis lika mycket värme som måste ut för att få energibalans så totala flödet från troposfären till stratosfären kan inte ändras, möjligen kan det omfördelas lite i vilka våglängder som sänds ut. Öka CO2 koncentrationen i stratosfären och den extra absorptionen av strålning från marken balanserar den extra utstrålningen mot rymden.
Det som rubbar bilden är att stratosfären absorberar extra uv-energi genom ozonlagret. Mer CO2 gör att den värmen strålar ut effektivare och i det fallet kompenseras det inte av ökad absorption eftersom CO2 inte absorberar uv.
Har du en referens eller källa eller liknande som man kan fördjupa sig i?
SvaraRaderaThomas P
SvaraRaderaok, Fast samma sak verkar ske uppe i mesosfären också, som inte har temperaturinverterande ozonskikt:
ökad koldioxidhalt och nedkylning.
mvh
/C
Ps. återkommer om jämvikten och värmeledningen, ifall ingen annan gör det
Thomas Palm
SvaraRaderaUrsäkta, jag var visst mer än lovligt otydlig nyss. Det var biten
"Själv brukar jag hävda att stratosfären kyls enbart för att vi har temperaturinversion i stratosfären. Om vi inte hade något ozonlager och ingen stratosfär utan bara en gradvis allt kallare atmosfär ut mot rymden skulle den värmas hela vägen upp av mer CO2." som jag gärna ville läsa mer om. Tips på bok går bra, behöver inte nödvändigtvis vara en källa på internet.
mvh
mia
Thomas, angående kompensationen (för långsammare utstrålningen) med att de tunnare övre atmosfärslagren fylls med med växthusgas och kan ta upp mer ir-strålning från marken:
SvaraRadera....koldioxid och andra växthusgaser kan omvandla värme de fått genom konduktion, krock med t ex syremolekyler, till strålning ut mot rymden. Det finns varken speciellt många syre-molekyler att krocka med och överföra energin, eller växthus-gasmolekyler som kan ta emot en irfoton från CO2-molekylen, så sannolikheten för radiation ut mot rymden, är stor, den har god tid på sig innan den träffar på ny molekyl.
/C
mia, jag är rädd för att min källa är de diskussioner jag hade på usenetgruppen sci.environment och några andra ställen under åren. Där fanns flera klimatforskare innan de skrämdes bort av en allt vulgärare ton. I den mån du har enkel tillgång till någon radiativ modell kan du prova att plocka bort antingen ozonet eller solens UV och se vad som händer.
SvaraRaderaHär ett något besläktat pussel:
http://rabett.blogspot.com/2009/12/radiative-transfer-brain-teaser-here.html (Svaret finns i ett senare inlägg på bloggen)
Finns det några enkla modeller som kan återge det här fenomenet hyfsat korrekt?
SvaraRaderaAlltså inte några kopplade modeller, eller som innehåller biologi, komplicerade molnbildningar och liknande, utan bara en strålningsmodell, gasdynamik och lämpliga randvillkor, eller vad som nu kan behövas minimum?
I så fall borde det inte vara så svårt att ändra en massa parametrar och göra en känslighetsanalys för att se om det finns några enkla samband. Men det kanske inte finns några sådana enkla samband, eller så enkla modeller som återger temperaturfenomenen kvalitativt korrekt?
Är det förresten ett helt stationärt tillstånd, eller har det dynamiska komponenter också?
Thomas Palm:
SvaraRadera"möjligen kan det omfördelas lite i vilka våglängder som sänds ut"
Kan inte det ha betydelse då, att man får en annan fördelning av våglängderna som når stratosfären?
AndersY
SvaraRaderaJag försöker googla efter modeller, tyckte jag fann två stycken igår, från bl a Nature, men hittar inte just nu.
Edit, hittade ännu en tror jag:
På Rabetts blogg
http://rabett.blogspot.com/2006/11/stratospheric-cooling-rears-its-ugly.html
finns en icke fungerande länk till universitetet i Chicago, med modell för CO2-ökning i både troposfär och stratosfär. Diskuteras bland kommentarerna.
mvh
/C
AndersY
SvaraRaderaHär är en gammal simulering (från 1998) som verkar stämma rätt bra med uppmätta förhållanden (enligt vad som står i abstract iaf)
http://www.springerlink.com/content/v3571t50341k1704/
Tackar, Z.
SvaraRaderaJag hittade Chicago-koden, MODTRAN4: http://www.kirtland.af.mil/library/factsheets/factsheet.asp?id=7915
Verkar kosta ~$300, inkl. support.
Den har tydligen varit med i en jämförande studie med många andra liknande koder:
http://rtweb.aer.com/icrccm/icrccm_frame.html
Jag kan inte mycket om klimatmodellering, men det verkar funka OK med 1D-koder för den här typen av begränsade studier och min undran var egentligen om någon hittat några klara samband med ändring av några få parameter, som kan stödja en tolkning av vad det är som ger den avkylande effekten. Om t.ex. ett ändrat styrkeförhållande i frekvensspektrat som når högre upp kan ge avkylningseffekter i stratosfären, eller något annat hyfsat enkelfattligt.
AER:s egen line-by-line radiative transfer-kod, LBLRTM, ser förresten ut att vara gratis nedladdningsbar:
http://rtweb.aer.com/lblrtm_frame.html
Kanske något för någon AGW-förnekare att ladda ned och visa hur mycket bluff den innehåller? :)
AndersY,
SvaraRaderaHar du tittat på Archers modeller? Vet inte om de är intressanta för din fundering.
Anders M
SvaraRaderaEn ödmjuk medbloggare tackar för att du postade denna fungerande länk till MODTRAN-absorptions- diagram-skaparen.
/C
Mera av kylningen i stratosfären:
SvaraRaderahttp://agwobserver.wordpress.com/2009/08/21/papers-on-temperature-trends-in-stratosphere/
Värdt att läsa:
http://www.theozonehole.com/climate.htm
Denna bild visar kanske orsaken till varför kylningen av stratosfären har slutat ca. 15 är sedan:
http://www.theozonehole.com/images/111ozone-20060830-graph-browse.jpg
Kaj,
SvaraRaderaTack för de intressanta länkarna.
Kaj Luuko
SvaraRaderaTackar!
blir bara fundersam, vad menar du med att startosfärens slutade kylas för 15 år sedan? i den nyaste artikeln står att den har kylts i alla fall t o m 2007.
(aha, det handlar kanske om att den blev varmare ett tag pga vulkanutbrott)
mvh
/Cecilia
I det här papperet
SvaraRaderaAn update of observed stratospheric temperature trends – Randel et al. (2009)
står det:
"Temperature anomalies throughout the stratosphere were relatively constant during the decade 1995–2005."
En logisk förlkaring kann vara detta:
http://www.theozonehole.com/images/111ozone-20060830-graph-browse.jpg
Ökningen av koldioksiden sänker temperaturen i starosfären. Så gör också utarmning av ozon. Efter 1995 har mängden av ozon börjat stiga på grund av nedsatta utslepp av CFC-gaser. Dessa två fenomen delvis kompenserar varandra och det var vi ser nu är, inte mer kylning i stratosfären, utan konstant temperatur de senasta ca. 15 åren.
Aha, ännu ett tecken på att forskarna hade helt rätt då de beskyllde CFC för att utarma ozonskiktet,
SvaraRaderajag ska förresten läsa igenom ett par: Papers on temperature trends in the stratosphere som du länkar till. Vilken guldgruva.
/C
"Vilken guldgruva."
SvaraRaderaPrecis! Ari gör ett fint job med att söka fram papper av olika slags observationer gällande klimatfrågan.
Best stället at hitta dem värkar vara GoogleScholar:
http://scholar.google.fi/
AGW Observer finns nu i vår klimatlänkslista.
SvaraRadera...en liten animerad kortfilm som visar hur koldioxiden kan påverka atmosfärens temperatur, på olika höjder:
SvaraRaderaLivescience: Cooling of the stratosphere
(nämligen: molekylens förmåga att omvandla olika sorters värmeledning:
radiation -> konduktion
resp.
konduktion -> radiation)
mvh
/C
"Dels genom att troposfären mättas mer och mer och ir-strålning inte slipper uppåt mot stratosfären så lätt, och dels för att ökningen av växthusgaser däruppe gör att mer ir-strålning lämnar atmosfären."
SvaraRaderaRimligen borde det vara så att det första skälet är det som gör skillnaden. CO2 i stratosfären är ju visseligen nettostrålande, men hälften av den strålningen går ju tillbaka till troposfären. Om det inte hade funnits någon CO2 eller vattenånga i stratosfären hade ju strålningen kunnat flrsvinna ut i rymden utan hinder
Perfekt skrev:
SvaraRaderaRimligen borde det vara så att det första skälet är det som gör skillnaden.
CO2 i stratosfären är ju visserligen nettostrålande, men hälften av den strålningen går ju tillbaka till troposfären. Om det inte hade funnits någon CO2 eller vattenånga i stratosfären hade ju strålningen kunnat flrsvinna ut i rymden utan hinder
Fast om man tänker sig en ir-foton som sänds ut nedåt i riktning mot troposfären, så finns där statistiskt sett molekyler på vägen som fångar upp denna foton, och kanske omvandlar denna radiation till konduktion innan fotonen nått ner till troposfären.
Denna chans till värmelednings-omvandling torde inte vara alls lika stor då ir-fotoner sänds ut istället uppåt mot ännu tunnare lager (med mindre chans till omvandling), och har alltså större sannolikhet för att gå ut i rymden.
Värme kan endast lämna atmosfären (mot rymden) på ett sätt: genom radiation.
mvh
/Cecilia
Bara ett förtydligande:
SvaraRaderaPerfekt skrev: Om det inte hade funnits någon CO2 eller vattenånga i stratosfären hade ju strålningen kunnat försvinna ut i rymden utan hinder
...jag talar alltså i denna post bl a om den dränering på värme som sker då vattenånga/CO2 ökar i ett tunt, tunt atmosfäriskt skikt (bestående av syre, kväve, etc.) genom att ta från skiktets konduktionsvärme och skicka ut i form av strålning.
Men även om den strålning som uppehålls i den täta troposfären pga högre koncentration av växthusgaser (som du nämnde som viktig faktor).
mvh
/C