3 sep. 2012

Inte bara en klimatkänslighet

En av de mest omdiskuterade måtten på jordens klimatsystem är klimatkänsligheten, med vilket vanligen menas hur stor en förändring i den globala medeltemperaturen vi kan förvänta oss efter tillräckligt lång tid som resultat av en viss förändring av strålningsbalansen1. (En mer utförlig förklaring hittar ni här). Ofta används den förändring av strålningsbalansen som uppnås av en fördubblad koncentration av koldioxid i atmosfären (~3.7 W/m2) som ett referensvärde.

Att sammanfatta alla aspekter av ett komplext system, så som jordens klimat, i ett enda tal är av uppenbara skäl omöjligt, men detta hindrar inte att vissa mått kan vara användbara för att beskriva systemet. Det är viktigt att poängtera att klimatkänsligheten i regel antas vara oberoende av orsaken till förändringen i strålningsbalansen. Det betyder att exempelvis 1 W/m2 extra i instrålning från solen ger samma temperaturändring som 1 W/m2 från ökade koncentrationer av växthusgaser. Detta är en sanning med viss modifikation2, men tillräckligt tillförlitligt för de flesta resonemang som förs.

Men hur lång tid är tillräckligt lång tid? Svaret beror på vilka återkopplingar vi vill och har möjlighet att ta med i beräkningen. Om vi enbart låter temperaturprofilen i atmosfären ändras, utan att faktorer som mängden vattenånga i atmosfären förändras, får vi den strålningsfysiska klimatkänsligheten. Den är förhållandevis rättfram (fast givetvis inte enkel) att beräkna, just eftersom att atmosfärens sammansättning, albedo med mera antas vara konstanta. Den strålningsfysiska klimatkänsligheten är ungefär 1 oC. 3

In kommer återkopplingar, vilka agerar på olika tidsskalor. På tidsskalor om timmar till månader sker förändringar av mängden vattenånga i atmosfären, temperaturavtagandet med höjden samt molnighet. På år till decennieskala sker bland annat förändringar av snötäcke, vegetation och havsisutbredning. På än längre sikt tillkommer tex. förändringar av de stora inlandsisarna.
En ytterligare form av återkopplingar är de som påverkar kolcykeln. Varmare hav tenderar att lösa mindre koldioxid vilket påverkar mängden i atmosfären. Växthusgasutsläpp från tinande permafrost och förändring av koldioxidupptaget i skog och mark är ytterligare exempel på kolcykelåterkopplingar.




Klimatkänsligheten beror alltså på vilka skeenden som inkluderas och vilken tidsskala som avses. Tre olika klimatkänsligheter  brukas ofta i klimatforskningen.

Transienta klimatkänsligheten
Denna är temperaturökningen vid den tidpunkt då koldioxidnivån fördubblats under förutsättning att koldioxidnivån ökat med 1% per år. Transienta klimatkänsligheten används ofta i modellerings-sammanhang då det tar mycket lång tid att uppnå temperaturjämvikt efter koldioxidökningen på grund av havens stora värmekapacitet. Den transienta klimatkänsligheten är lägre än jämviktskänsligheten samt påverkas av hur snabbt värmeupptaget i haven antas ske. (IPCC AR4 8.6.2, IPCC AR4 9.6.2)

Transienta klimatkänsligheten enligt Stott et al., 2006, IPCC AR4

Jämviktskänsligheten
Det är den mest använda klimatkänsligheten. Den temperaturökning som förväntas då temperaturjämvikt uppnåtts efter en fördubbling av koldioxidhalten. I praktiken inkluderas framför allt förhållandevis snabba återkopplingar. Jämviktskänsligheten kan bestämmas på många olika sätt så som vi skrivit om i ett tidigare inlägg. Troligen är jämviktskänsligheten 2,0 - 4,5°C.

För klimatmodeller är den klassiska varianten kallad Charney-känsligheten, efter Charney-rapporten från 1979, som inkluderar de återkopplingar som syns i figur A ovan. Dock inkluderar moderna klimatmodeller även andra återkopplingar i mer eller mindre omfattning vilket gör att de kan beskrivas som jordsystem-modeller.

Jordens systemkänslighet
När man inkluderar även långsamma återkopplingar och effekter på tex. kolcykeln för att så bra som möjligt återspegla jordens hela klimatsystem inklusive på lång sikt. Då kan man tala om jordens systemkänslighet för att tydliggöra detta. Denna är inte så väl utforskad som de två övriga  men det mesta talar för att den är högre än den vanligen angivna jämviktskänsligheten. Till exempel fann en studie av Lunt et al 2010 att den är 30-50% högre.

1Jorden mottar energi i form av strålning från solen och strålar i sin tur ut energin i världsrymden. Mottar mer energi, eller skickar ut mindre, kommer temperaturen öka. Därigenom ökar utstrålningen vilket etablerar ett nytt fortvarighetstillstånd, dvs. att den utsända energin är lika stor som den mottagna. En förändring i strålningsbalansen kallas 'radiative forcing' på engelska. 

2För förändringar i strålningsbalansen som orsakas av faktorer med ovanlig fördelning vertikalt eller horisontellt är svårare att tillämpa klimatkänsligheten som mått (läs mer på RealClimate och i senaste IPCC-rapporten). 

3För temperaturskillnader är temperaturenheterna oC och K desamma.

48 kommentarer:

  1. Jämviktskänsligheten hamnar rätt nära vad Arrhenius gissade på för lite drygt 100 år sedan (5 grader). Beror det på att beräkningarna är rätt enkla (jämvikter är ju alltid lättare) eller hade han tur?

    SvaraRadera
    Svar
    1. Han tog med den viktigaste återkopplingen, vattenånga. Sedan var det väl lite tur med vilka värden han antog då kunskapen om atmosfären och växthusgaser var begränsad jämfört med idag.

      Radera
  2. Hur kommer du fram till "Troligen är jämviktskänsligheten 2,5 - 4,5°C."?

    CO2 har ökat med 50% sedan slutet av 1800-talet. Detta har lett till en temperaturökning på ca 0,7 grader C. Vi vet att effekten av CO2 är logaritmiskt avtagande. Temperaturen är dessutom oförändrad sedan snart 15 år.

    Hur skulle de resterande 50% av CO2-ökningen kunna medföra 5 ggr så stor temperaturökning? Finns det några observationer som stödjer detta?

    SvaraRadera
    Svar
    1. Dina siffror om CO2-ökning och temperaturökning sedan slutet av 1800-talet antyder att du tagit intryck av den vilseledande uträkning som kallas Walins kalkyl, som gång på gång tillbakavisats; första gången den diskuterades på UI är här. I övrigt är din kommentar närmast ett potpurri över de ständigt återkommande frågor jag besvarar här.

      Radera
    2. Olle, vilken av mina siffror är felaktig, menar du?

      Och nej, ingen av era länkar visar hur den sista hälften av CO2-fördubblingen kommer att innebära 5 ggr större temperaturökning än den första.

      Om jag har fel går det bra att citera var ni menar att ni svarat på den frågan.

      Radera
    3. Dennis, 50% är lite att ta i. Snarare 40%. Och så var det biten "då temperaturjämvikt uppnåtts". Vi är inte där ännu.

      Radera
    4. Så 50% istället för 40% och då har jag alltså "tagit intryck av en vilseledande uträkning". Om detta var den stora invändningen tolkar jag det som att resten av min uträkning stämmer.

      Jag antar att det skall ta en stund innan temperaturjämvikt uppnås, och detta är ett argument för att det inte blir varmare nu, utan senare. Även om det är en process som tar tid, borde processen gå i en och samma riktning (varmare) för att 4,5 grader skall uppnås. Det blir ju inte varmare för tillfället. Jag begriper inte hur ni får ihop det... Om ni inte baserar er uppfattning på tro.

      Hur beräknar ni att temperaturen skall stiga de närmaste 80 åren för att 4,5-gradersmålet skall uppnås? Och när kommer uppvärmningen att synas i mätningarna?

      Radera
    5. Och så var det det att det finns andra faktorer som också påverkar temperaturen, som aerosoler... (se bland annat anonyma kommentaren nedan 13:55).

      Radera
    6. Man kan ta Dennis inlägg som en liten övning i mellanstadiematte.

      Om 50% koldioxidhalt ökning ger 0.7 graders temperaturökning och allt är linjärt borde 100% ökning ge 1.4 grader. Snittet av den teoretiska ökningen är(2.5+4.5)/2=3.5 det vill säga 2.5 gånger så mycket.

      Om man instället använder mer vedertagna siffror på 0.8 grader och 40% så blir det plötsligt 1.75 gånger så mycket. Lägger man sedan till att det tar ett bra tag att uppnå jämvikt så stämmer allt plötsligt ganska bra.

      Radera
    7. Vilket är precis min poäng. Det finns x antal forcings. Vi känner till en del och kan kvantifiera ett fåtal. Vi har ont om detaljerade siffror för de flesta av de vi kan kvantifiera längre tillbaka än 20-30 år.

      Ändå "vet" man att klimatkänsligheten för CO2 är 3 - 4.5 grader. Trots att inga observationer stödjer de kraftiga förstärkningseffekter som krävs för att få ihop ekvationen. Jag begriper inte hur välutbildade människor kan få ihop detta utan att vara kraftigt färgade av tro och ideologi.

      Men jag vill gärna försöka förstå.

      Radera
    8. Groda, du glömde den logaritmiskt avtagande effekten.

      "The relationship between carbon dioxide and radiative forcing is logarithmic, and thus increased concentrations have a progressively smaller warming effect."

      (Från http://en.wikipedia.org/wiki/Radiative_forcing)

      Men du är ändå nöjd med att bara ha 75% fel. Min mellanstadiemattelärare hade underkänt mig om jag varit nöjd med att räkna så fel. ;)

      Vidare får du gärna specificera "ett bra tag".

      Radera
    9. 2 - 4,5 grader enligt IPCC AR4. Notera att det rymmer en hel del osäkerhet
      Om du vill veta hur man kan komma fram till det utan att vara kraftigt färgade av tro och ideologi, så bör du följa länken som jag gav dig.

      Radera
    10. Dennis

      Jag skall försöka förklara enkelt för dig.

      Den största förklaringen varför temperaturen inte ökat mer trots 40% ökning av CO2-halten är jordens värmelagringsförmåga. Det tar lång tid att värma upp marken och haven. Om CO2-halten stabiliserar sig på den nivå vi har idag så kommer temperaturen att fortsätta öka i flera hundra år innan jämviktsläge uppnås.

      Temperaturen har för övrigt ökat med 0,8-0,9 grader sedan 1880-talet.
      40% CO2-ökning ger koefficient på 1,4 vilket är nära roten ur 2. Skulle man inte ta hänsyn till fördröjningseffekter så ger verklighetens mätningar att en fördubbling av CO2-halten höjer temperaturen med c:a 1,7 grader. Går man på den linjen har man helt bortsett från jordens värmelagringsförmåga. Även en amatör som jag räkna fram att en fördubbling av CO2-halten, med mycket stor sannolikhet, ger mer än 2 graders temperaturökning. Hur mycket mer är svårare att beräkna, det kan vara flera grader mer.

      /Jan

      Radera
    11. Precis Jan. ln(1,4) är ungefär ln(2)/2, dvs vid 40% ökning har vi halva effekten av en 100% ökning (fördubbling). Alltså, om vi inte tar hänsyn till tröghet och till andra faktorer, så hamnar vi på c:a +1,7 grader vid en fördubbling. Om vi samtidigt har t ex en effekt från aerosoler på -0,3 grader (vilket då ger +1,15 grader effekt för CO2) så är vi uppe i +2,3 grader för en fördubbling. Utan att ta hänsyn tröghet.

      Radera
    12. Vilket alltså fortfarande inte ens ryms i det omnämnda intervallet. Trots att man har "generösa felmarginaler".

      Det är smått surrealistiskt att se hur ni fortfarande låtsas om som om temperaturen utvecklats i enlighet med IPCCs (eller Hansens för all del) modeller.

      Temperaturutvecklingen är långt under den av modellerna förutspådda. Ändå sprutar ni ur er argument som skall visa att IPCC har haft helt rätt hela tiden. Vi har ju facit! Vi kan jämföra prognoser med utfall och det stämmer inget vidare. Hittills, skall sägas.

      Jag har aldrig hört IPCC, eller någon av deras förespråkare, säga att den CO2-skapade värmen kommer om flera hundra år. Jag har hört att det skulle gå rakt uppför från sekelskiftet och framåt. 4-6 grader till 2100. De första 12 åren visar i stort sett 0 uppvärmning.

      Det är inte svårt att begripa att värmen måste komma snart och kraftigt för att modellerna ska stämma. Eller hur?

      Radera
    13. Dennis, jag skrev "Utan att ta hänsyn till tröghet." Flera personer har redan försökt förklara det för dig. Hur många gånger ska vi behöva upprepa det?

      Och har du brytt dig om att kolla upp inlägget om genomgången av klimatkänsligheten som finns länkat både i inlägget här ovan, och i flera kommentarer? Där kan du läsa om att det finns flera olika sorters evidens för en klimatkänslighet i storleksordningen 2-4,5 grader. Det bygger inte bara på CO2 och de senaste decennierna.

      Slutligen, vad du har hört intresserar oss inte. Det viktiga är vad IPCC och forskningen har sagt.

      Radera
    14. Du blir nog tvungen att förklara det igen. Denna "tröghet", vad innebär den? Jag förstår det som att det tar lång tid att värma upp hav och land, och att vi således redan "tecknat in" en viss mängd uppvärmning. Oavsett om vi slutar släppa ut CO2 så kommer detändå att bli varmare framöver.

      Är jag med så långt?

      Det jag inte begriper är var värmen (som skall värma hav och land) är under tiden? Den måste ju finnas för att kunna värma. Den finns inte i luften, och hav och land ligger ju bara och väntar på att bli varmare längre fram, så där finns den ju inte heller.

      Var finns all värme?

      Radera
    15. Dennis,

      Låt mig försöka förklara med en analogi.

      Antag att du sätter din ugn på 100 grader. Sedan sätter du in en stek i ugnen. Blir steken 100 grader varm på en gång? Nej, det kommer att ta lång tid för steken att uppnå hundra grader*. Varför? Var finns värmen? Jo, ny värme tillförs hela tiden av ugnens värme-element. Enbart värmen i luften inne i ugnen skulle inte ha räckt till.

      På samma sätt finns ett slags värme-element som hela tiden tillför värme till jorden. Det kallas för solen.

      Nu är det så här att både steken i ugnen och jorden hela tiden släpper ifrån sig värme. Ju varmare de är ju mer värme släpper de ifrån sig. Därför kommer t ex steken aldrig att värmas upp till 200 grader. Uppvärmningen stannar vid runt 100 grader.

      Vad som händer när vi ökar halten växthusgaser i atmosfären är att jorden ger ifrån sig lite mindre värme. Därför kommer den att värmas upp lite till. Och det tar tid innan den extra värmen har trängt ner t ex i oceanerna, precis som det tar tid innan värmen i ugnen har trängt in i steken. Men själva värmen kommer alltså från solen. Eller från ugnens värme-element, i ugns-exemplet.

      *Det kommer nog att ta många timmar. Därför brukar man steka i högre temperatur - då går det fortare.

      Radera
    16. Värmen som skall värma hav och land? Den finns i solen, Dennis.

      Så här fungerar det: När halten växthusgaser i atmosfären ökar, så ökar också (på grund av växthuseffekten) den infallande strålningen mot jordytan. Därmed uppstår en strålningsobalans: det strålar in mer än det strålar ut. Därför ackumuleras värmeenergi (framför allt i haven), vilket gör att temperaturen sakta stiger. När temperaturen stiger så ökar också utstrålningen, approximativt i enlighet med Stefan-Boltzmanns lag. Temperaturen kommer att fortsätta stiga ända tills den utgående strålningen kommit upp i nivå med den infallande. Det tar lång tid.

      Radera
    17. Lars, blir inte luften i ugnen varm medan den värmer steken?

      Du beskrev ovan en "tröghet" som skulle göra att land och hav inte värms upp lika snabbt. Jag konstaterar att luften inte värmts upp på 15 år. Detta kan väl knappast förklaras med "tröghet".

      Det vore, för att fortsätta din matlagningsanalogi, som att påstå att luften i ugnen inte blir varm för att steken tar tid att värma upp.

      Jag vet inte hur din ugn fungerar, men i min ugn blir luften varm långt före steken.

      Radera
    18. Atmosfären har värmts fortare än haven. Men det borde vara uppenbart att om atmosfären blir varmare än haven, så kommer haven att suga värme ur atmosfären, och därmed kyla den. Därför har inte atmosfären uppnått jämvikt ännu.

      Och haven uppvärmning pågår för fullt.

      Ugnen har en termostat som ser till att den håller rätt temperatur, och den har kapacitet för mycket mer än 100 grader. Så där fallerar analogin.

      Radera
    19. Förlåt, men jag förstår inte.

      1) Solen och ökande halt CO2 värmer atmosfären.
      2) Atmosfären värms fort, hav och land långsammare.

      Ok, jag är med så långt...

      3) Hav och land "suger" värme ur atmosfären som då kyls av?

      Här går jag bort mig. Hur menar du? Hav och land, som värms långsamt, suger helt plötsligt i sig så mycket värme att det sker snabbare än atmosfärens uppvärmning? Skulle det vara en förklaring till att temperaturen i atmosfären inte stiger, menar du?

      Att ugnsanalogin var dålig håller jag med om.

      Radera
    20. Ugnsanalogin var bra för att förklara tröghet, men inte för att förklara skillnaden mellan luft och hav.

      När luften är varmare än hav och land, så har vi en temperaturdifferens. Och närhelst vi har en temperaturdifferens så kommer vi att ha ett nettoflöde av värme från den varmare kroppen (t ex luften vid mark/havsnivå) till den kallare (t ex mark, hav).

      Därför gör den långsamma uppvärmningen av land och hav att också uppvärmningen av luften går långsammare.

      Radera
  3. Hur är det med forcingen jämfört med förindustriell tid? Dennis resonemang håller ju endast om alla andra forcings varit konstanta, eftersom temperaturförändringen (som nu snarare är 0.8 grader) ju är ett resultat av nettoförändringen av samtliga forcings. Men de andra har väl inte varit konstanta? Tänker främst på svavelutsläpp.

    SvaraRadera
    Svar
    1. Ja?! Precis. Hur är det med övriga forcings jämfört med förindustriell tid?

      Precisera gärna kända forcings och deras inverkan på global medeltemperatur (en decimal räcker). Sedan kan vi fortsätta med forcings vi saknar data för (moln t ex) och deras inverkan på global medeltemperatur.

      När vi klarat av detta kan vi avsluta med möjliga forcings som vi inte känner till.

      Därefter återgår vi till hur vi "vet" att 0,7 grader "måste" bero på mänskliga CO2-utsläpp för att vi inte har någon bättre förklaring...

      Jag önskar er lycka till. :)

      Radera
    2. Dennis: "Därefter återgår vi till hur vi "vet" att 0,7 grader "måste" bero på mänskliga CO2-utsläpp för att vi inte har någon bättre förklaring..."

      När du skriver så avslöjar du verkligen en djup okunnighet.

      Radera
    3. Jasså, detta är ju ert eget argument?! Djup okunnighet? Ja, kanske... ;)

      Radera
    4. Nej, det är inte vårt argument. Det är bara ett steg i resonemanget. Det handlar också om vad vi faktiskt vet om CO2 (inkl förändring i atmosfären och påverkan på strålningsbalansen) och andra faktorer. IPCC AR4 har ett helt kapitel om det här (attribution).

      Radera
  4. Många frågor om ni vill ha en bra start så läs IPCC:s rapport den har många bra svar med källhänvisningar till de publicerade vetenskapliga artiklarna. Kanske med start här: http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/syr/en/mains2.html
    bra komplement här: http://www.iac.ethz.ch/people/knuttir/papers/knutti08natgeo.pdf

    och vår tidigare post här: http://uppsalainitiativet.blogspot.se/2010/09/en-detaljerad-genomgang-av.html

    klarnar de något?

    SvaraRadera
  5. Dennis: Det är ju precis det klimatforskningen gjort (och fortfarande gör). De tar hänsyn till de kända forcings som forskarna tror är relevanta, och så uppskattas CO2:s forcing utifrån molekylens fysikaliska egenskaper. Lägger man ihop denna kunskap så vipps så får vi ihop 0.7 graders uppvärmning med en klimatkänslighet som ligger i det intervall klimatforskarna allmänt tror att det ligger i. Det vill säga teorin stämmer med verkligheten. Som du ser i IPCC:s rapport så beror inte 0.7 graders höjning endast på mänskliga utsläpp. Och ja, man kan säga att "vi inte har någon bättre förklaring", det är helt korrekt. Den bästa förklaringen gäller, tills vidare.

    Och detta är ju vad de tror eftersom det är vad den bästa kunskapen säger idag. Inget är förstås hugget i sten. Vi snackar ändå om naturvetenskap, där ingenting kan bevisas. Men att agera utifrån något annat än dagens bästa kunskap, t ex utifrån fromma förhoppningar, vore lite dumt, kan jag tycka.

    SvaraRadera
    Svar
    1. 0,7 grader var fram till slutet av 90-talet. Sedan förutspådde klimatforskningen en accelererande uppvärmning om du minns.

      Den har uteblivit.

      Om den bästa förklaringen visar sig vara fel, kanske man borde vara lite mera ödmjuk...

      Radera
    2. Det går inte att säga att det kommer att ske en accelererande uppvärmning under så korta tidsrymder eftersom det finns en massa andra forcings som varierar inom så korta tidsrymder.

      Detta känner klimatforskarna till, och det är dessa andra forcings (samt osäkerhet i klimatkänsligheten) som ger upphov till osäkerhetsintervallen som klimatforskarna anger i sin förutsägelser om framtida temperaturutveckling.

      Utvecklingen från 90-talet ligger inom dessa osäkerhetsintervall, även sett från ditt körsbärsplockade år (1998, gissar jag).

      Du får gärna hänvisa till något dokument från 90-talet, som representerar det som då var mainstream bland klimatforskare, som säger att vi definitivt kommer ha "accelererande uppvärmning" fram till 2012.

      Tills du hittat ett sådant dokument så kanske du borde vara lite mer ödmjuk...

      Radera
  6. Dessutom, en globalt förhöjd medeltemperaturen med 0.7-0.9 grader innebär regionalt betydligt högre (och lägre) förändringar med konsekvenser vi inte kan överblicka. Arktis och jetströmmarna är ett bra exempel.

    SvaraRadera
    Svar
    1. Var har det blivit betydligt kallare?

      Radera
    2. Inte kallare Dennis, det finns områden där medeltemperaturen stigit mindre än 0.7-0.9 grader. Får man förmoda eftersom den stigit betydligt mer över Nordkalotten...........

      Radera
    3. Det har blivit rejält kallare på klimathotsfronten.

      Radera
    4. Hur mycket varmare har det blivit på nordkalotten? Enligt DMI (som mäter över 80N) ser det väldigt stabilt ut.

      http://ocean.dmi.dk/arctic/meant80n.uk.php

      Jag vet att GISS säger att det blivit 6-7 grader varmare över Arktis, men det är svårt att tro när man ser siffrorna från DMI.

      Radera
    5. Dennis, jag vet inte hur noga du tittade, men det ser ut att ha varit bra mycket varmare de fösta 100 dagarna under 2012 än genomsnittet.

      Radera
    6. Jaha. 2003 och 2004 var jättekalla. Jag tittade inte på enstaka år.

      Det brukar ge ganska tokiga resultat har jag hört... ;)

      Radera
    7. 2003 och 2004 verkar ligga nära genomsnittet. Vissa perioder över, andra under.

      Radera
  7. Angående DMI och GISS i Arktis rekommenderas detta inlägg.
    Vet inte varifrån 6-7 grader kommer ifrån 1958-2010 var ökningen norr om 80N 0,36 C/decennium enligt GISS och 0,38 enligt DMI.
    Knappast någon skillnad att bli uppjagad över.

    SvaraRadera
    Svar
    1. Jag tänker på de världskartor som GISS brukar publicera där Arktis är mörkrött. På deras färgskalor brukar det vara mellan 5 och 8 grader varmare än normalt.

      Jag är inte uppjagad, men jag vet andra som är det... ;)

      Radera
    2. Men visa en sådan karta då!

      Radera
    3. Du verkade uppjagad men det kanske är din normala stil.

      Men nu vet du att du misstolkat kartorna. Det är väl bra.


      Radera
  8. Dennis här och på fortskridande sidor där kan du läsa mer om detta: http://www4.uwsp.edu/geo/faculty/ritter/geog101/textbook/energy/radiation_balance.html

    SvaraRadera

Tips: Använd gärna signatur när du kommenterar. Det underlättar samtalet