Albedostabiliteten förvånar

I detta inlägg refereras en del av innehållet i en nypublicerad översiktsartikel:

”The albedo of Earth” av G. L. Stephens et al.    Rev. Geophys., 53 (2015)  (doi:10.1002/2014RG000449 )

Det framgår av titeln att det handlar jordens albedo, dvs dess reflexion, R, av inkommande solstrålning. Notera att det är det kortvågiga soljuset det gäller – inte den långvågiga värmestrålningen som påverkas av växthuseffekten. Man brukar ange detta albedo till 30% av den inkommande solinstrålningen, men i denna artikel sägs 29% vara ett bättre värde. Den största delen av denna reflexion sker mot molnen i atmosfären, men bidrag från reflexer mot jordytan uppträder också. I figuren specificeras bidragen, och jordytebidraget består av multipelreflexer som summeras i en geometrisk serie.

Fig 2

För den som är van vid optiska multilager med koherenta egenskaper är denna summering förbryllande, men i detta fall är bidragen inte koherenta, utan de summeras som spridningar över alla våglängder med successivt avtagande intensitet. Det totala reflektansen, dvs systemets albedo, R, ges av

Ekvdär S är solinstrålningen, r atmosfärens reflektans, t dess transmission och α jordytans reflektans. Satellitmätdata på den uppåt- och nedåtgående strålningen vid toppen av atmosfären ger systemvärden för den resulterande reflexionen, R, och transmissionen, T. För att separera atmosfärstermerna r och t användes ekvationerna

Ekv 2,3Med hjälp av senare tids satellitmätningar har man kunnat bestämma r och t separat, och och också skilja på bidragen från norra (NH) och södra (SH) halvkloten. Halvkloten är ordentligt olika – SH har till övervägande del havsyta och NH mycket större fast yta, så man förväntar sig att de har olika albedovärden. Det är därför överraskande att halvklotens totala albedovärden är lika stora, på 0.2 % när. Ovanstående formalism och analys av mätvärdena har på senare tid givit en förklaring till detta. SH har ett större bidrag från molnen och NH nära nog precis lika mycket extra från den fasta marken och växtligheten. Olikheterna i r och α balanserar alltså varandra. I artikeln finns ett spektroskopiskt diagram som åskådliggör detta, även om det inte är helt lätt att se. Mätningarna är gjorda med ESAs Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography (SCIAMACHY).

Fig 13Dessa två spektra är hemisfäriska årsmedelvärden av den reflekterade strålningen från NH (svart) och SH (blå) under perioden 2003-2010. SH har något högre reflektans än NH för våglängder < 700 nm vilket stämmer med en högre molnförekomst. I gengäld har NH högre reflektans för våglängder > 800 nm vilket är konsistent med en större andel fast jordytan i detta fall. Det är förbluffande att dessa två oberoende mekanismer så precist kan balansera varandra. Det har den makroskopiska konsekvensen att det reducerar behovet av värmetransport över ekvatorn i hav och atmosfär. I princip ökar det möjligheten för jorden att uppnå termisk stabilitet (“stationary state”).

I en figur jämföres även medelvärden för den uppmätta inkommande kortvågiga solistrålningen med motsvarande för den utgående värmestrålningen.

Fig 9a)-figuren ger 13-års medelvärden för det erhållna värmeflödet. Röda kurvan inkommande solstrålning och svarta utgående värmestrålning. De streckpunktade vertikala linjerna ger de latituder, något större än vändkretsarnas 23o, där inkommande och utgående värmestrålningseffekter är lika stora. b)-figuren ger motsvarande integrerade värmeflöden och det är ett återigen förvånande hur väl in- och utgående effekttähet överensstämmer: 11.8 resp 11.3 PW.

Författarna uppmärksammar att IPCCs klimatmodeller inte ger den nära nog perfekta likheten i albedovärden för NH och SH. Det är framför allt den högre atmosfärsreflektansen för SH som ger ett högre albedovärde för detta halvklot.

Man finner också att TOA-mätningarna ger ett ganska stabilt albedovärde från år till år –  även detta i kontrast till CMIP-modellerna. Figuren visar varianserna för 13 sådan modeller i jämförelse med CERES-mätningarna under samma tidsperiod.

Fig 12

Vi ser att medelvärdet av varianserna för de 13 modellerna är ungefär 4 ggr så stort som CERES-mätningarna tyder på.Författarna diskuterar den förvånande höga halvklotssymmetrin och variansbegränsning som observeras i mätningar – men inte märks i modellberäkningarnas resultat. De ställer frågan om det finns någon fundamental reglermekanism som inte beaktas i beräkningarna, men har ingen detaljerad förklaring.

Dela detta inlägg

18 reaktion på “Albedostabiliteten förvånar

  1. 1
    Peter Stilbs

    Tack C-G för ett intressant inlägg – de som påstår att man förstår klimatsystemet har förhoppningsvis fått sig en ytterligare funderare – men tyvärr tror jag de för länge sedan bestämt hur det ligger till.

    Det är bara Naturen som trilskas.

  2. 2
    tty

    Det finns studier som pekar på en mekanism för utjämning av albedot mellan halvkloten, nämligen läget av ITCZ (den intertropiska konvergenszonen). Teoretiska överväganden pekar på att den bör förskjuta sig mot det ”mörkare” halvklotet och därmed jämnas albedot ut eftersom molnigheten är hög i ITCZ (den syns som ett liten ”grop” just norr om ekvatorn i figuren).
    Att halvklotens albedo måste vara mycket lika framgår ju också av att vädret (klimatet) på norra och södra halvkloten är ganska oberoende av varandra, och av att stoft från vulkanutbrott utanför tropikerna nästan helt stannar på ett halvklot. Detta beror på att utbytet av luft mellan halvkloten är ganska begränsat, något som vore termodynamiskt omöjligt om inte albedot vore mycket lika. Som det nu är verkar det faktiskt som om värmeutbyte mellan halvkloten mest sker i djuphaven.
    Det är också värt att notera att klimatmodellerna inte bara kraftigt överdriver albedovariationerna. Variationerna är också i motfas mot verkligheten. I klimatmodellernas värld är albedot högst sommar och vinter och lägst vår och höst. På planeten Jorden är förhållandet det motsatta.

    Läs gärna artikeln, den är fritt tillgänglig här: http://webster.eas.gatech.edu/Papers/albedo2015.pdf

  3. 3
    C-G Ribbing Inläggsförfattare

    tty #2
    Tack för goda synpunkter. Det står om ITCZ i artikeln, men jag tyckte det blev för mycket att ta upp.
    /C-G

  4. 4
    Björn

    Apropå dagens solförmörkelse, så berodde inte förmörkelsen den här gången på massiva moln som drog in, utan rent fysiskt, förhindrades en del av solens strålar att nå den av månen skuggade ytan. En stor molnmassa skulle ha samma solförmörkande effekt, vilket visar hur albedot partiellt förändras med molnmassan. Temperaturen sjönk ca en halv grad, vilket är naturligt eftersom solen analogt ”gick i moln”. Intressant upplevelse, vilket påminner om att ett massivt vulkanutbrott skulle kunna ge samma effekt, men då inte bara partiellt, utan med verkan över hela jordens yta. Allt som skymmer eller påverkar solstrålarnas nedträngning till jordytan, ökar alltså albedot. I övrigt är det intressant, som refererade artikel visar på, att albedot för norra och södra halvkloten är nästan identiska, trots skillnaden i hav och landmassa.

  5. 5
    pekke

    OT
    Kors i taket !
    Artikel i SvD i dag:
    Orkanerna har inte blivit fler.

    http://www.svd.se/nyheter/utrikes/orkanerna-har-inte-blivit-fler_4424219.svd

    Citat ur artikeln:
    ” Den enorma förödelsen i Vanuatu efter orkanen Pams framfart har av många skyllts på klimatförändringarna.

    Men påståendet är tveksamt. Det finns inga tydliga vetenskapliga belägg för att antalet orkaner i Stilla havet, eller i andra områden, har ökat, eller att de har blivit mer destruktiva.

    En blick på den tillgängliga statistiken över orkanfrekvensen i de varma haven på jorden mellan 1970 och 2010 talar ett tydligt språk. Ovädren kommer och går, men något specifikt mönster går inte urskilja.

    FN:s klimatpanel (IPCC) slog i sin senaste rapport från 2013 fast att det inte går att utläsa någon trend i antalet tropiska orkaner per år.

    – Den långsiktiga utvecklingen tros handla om att det totala antalet orkaner inte förändras. Det finns tecken på att det blir fler orkaner av den värsta sorten, men konfidensgraden är ganska låg, säger Markku Rummukainen, professor i klimatologi vid Lunds universitet.

    Han påpekar också att det inte är möjligt att koppla samman ett enskilt oväder med klimatförändringarna.

    – Det är vetenskapligt omöjligt att säga något sådant med bestämdhet.

    Men de flesta vetenskapliga studier antyder att orsaken är en helt annan än att ovädren skulle ha blivit fler och häftigare. I en granskning som publicerats i Journal of Climate blir slutsatsen att det hela i huvudsak är en effekt av samhälleliga förändringar.

    Befolkningen i de flesta länder har ökat kraftigt, och en stor förflyttning inom länderna har ägt rum som inneburit att många fler människor nu bor i kustnära områden där de är mer utsatta för orkaner.

    Förskjutningen av människor, välstånd och ekonomisk aktivitet har också lett till en omfattande bebyggelse, som ofta är undermålig, vid kusterna – vilket självfallet ökar de ekonomiska skadorna om en orkan drar in över landet. ”

  6. 6
    Ingemar Nordin

    tty #2,

    ”Att halvklotens albedo måste vara mycket lika framgår ju också av att vädret (klimatet) på norra och södra halvkloten är ganska oberoende av varandra, och av att stoft från vulkanutbrott utanför tropikerna nästan helt stannar på ett halvklot.”

    Jag undrar varför det är så att vädren och luftmassorna är oberoende av varandra på de båda halvkloten. Jag har ofta hört det sägas men begriper egentligen inte varför det är så. Om varm ytluft strömmar ut från ekvatorn (vilket det ofta lär göra) så måste det ju rimligen fyllas på med kall luft ovanifrån från polerna och detta i sin tur borde väl delvis vara styrt av huruvida det är vinter eller sommar. Med sådana säsongsvariationer borde det ju vara upplagt för utväxlingar av luftströmmar mellan norr och söder. Som du säger är förhållandena annorlunda med havsströmmarna, där vatten verkar pumpas fritt mellan halvkloten.

    Frågan är inte bara ställd till tty utan allmänt.

  7. 7
    Björn

    Ingemar Nordin [6]; Vi har ju två olika atmosfäriska temperaturgradienter mot respektive poler, vilket Hadleycellernas existens är de fysikaliska bevisen för. Det är som jag ser det detta faktum som skapar två skilda atmosfäriska halvor.

  8. 8
    C-G Ribbing Inläggsförfattare

    Ingemar Nordin 15:37
    Som jag uppfattade Stephens et al så innebär likheten mellan albedovärdena för de båda halvkloten att det är ett litet behov av värmeutjämning mellan dessa. Däremot finns fortfarande en stort transportbehov av värme från tropikerna till respektive högre latitud.
    /C-G

  9. 9
    Gunnar Strandell

    Ingemar Nordin #6
    Jag vill fylla på din frågelåda med en stilla undran över att CO2-halten anses jämna ut sig snabbt mellan norra och södra halvklotet.

  10. 10
    ceebee

    OT
    Apropå dagens solförmörkelse går tanken till Aztekernas kultur på 1200 – 1500 talet där översteprästerna kunde förutsäga nästa förmörkelse och använde denna kunskap till att skaffa sig makt över folket. Man skapade panik genom att under en tid förklara folkets syndiga livsstil som avskyvärd och att gudarnas skulle straffa människan genom att släcka solen och endast genom offergåvor till översteprästerna kunde katastrofen undvikas. Aztekernas överstepräster visste i alla fall vilka astronomiska fakta som låg bakom fenomenet, klimat prästerna tycks vänta förgäves på sin ”solförmörkelse”
    Vi har nu med spänning väntat i 40 år på att Klimat hotet skall förmörka livet för människan. Vet dom överhuvud taget vad dom talar om.

  11. 11
    tty

    Ingemar Nordin #6

    Det är just den intertropiska konvergenszonen (ITCZ) som skiljer ”klimathalvkloten” åt. Varm fuktig luft strömmar mot ekvatorn från båda håll, stiger och ”regnar av sig” i ITCZ och strömmar sedan bort från ekvatorn och sjunker så småningom. Då är den ganska torr och den relativa fuktigheten blir ännu lägre då luften sjunker. Därav kommer att nästan alla världens öknar ligger just i den subtropiska högtryckszonen på båda sidor av tropikerna. En viss blandning av luft från nord och syd sker naturligtvis i ITCZ, men den är ganska liten.
    Corioliseffekten spelar också in. Den är mycket svag nära ekvatorn vilket gör att stora vädersystem inte kan bildas där. Ingen orkan uppstår någonsin närmare ekvatorn än 5 grader. Dessutom gör corioliseffektens gradient att orkaner (och vädersystem över huvud taget) böjer av bort från ekvatorn. De flesta orkaner ”recurves” som den engelska termen lyder. I och nära ITCZ blir vädret därför ”vertikalt” med många små konvektiva väderceller (= tropiska åskväder). ITCZ har därför alltid varit en zon som man ogärna flyger i.
    ITCZ ”pendlar” i nord-sydlig riktning under året, och i princip ligger den på den breddgrad där solen står i zenit. Det här håller bra över Stilla Havet, Sydamerika och Afrika, men det blir litet mera komplicerat över Indiska Oceanen och Sydostasien, där existensen av ett permanent sommarlågtryck med stigande upphettad luft över Himalaja och Centralasiens högplatåer ”drar upp” ITCZ i en båge. Härav sommarmonsunen i Indien och Kina.
    Här är en bild som visar den vertikala komponenten i atmosfärens rörelse i juli månad:

    http://en.wikipedia.org/wiki/Intertropical_Convergence_Zone#/media/File:Omega-500-july-era40-1979.png

    Gunnar Strandell #9
    Faktum är att det tar ganska lång tid (typ ett antal månader) för att utjämna koldioxidhalterna. Här är en fascinerande bild som visar hur vegetationen på norra halvklotets kontinenter får koldioxidhalten att svänga rejält under året, men att södra halvklotet knappast berörs av detta:

    http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/globalview/co2/co2_intro.html

    Jämför med vattenomsättningen, från avdunstning över varma hav, förflyttning upp till flera tusen kilometer, kondensering och regn, vilket allt går på en till två veckor. Men då sker det också nästan helt på ett och samma halvklot.

  12. 12
    Gunnar Strandell

    tty #11
    Tack!
    Nu förstår jag att min refererar till Antarktis, Sin = -1, för globala CO2-nivån. Men jag tycker att man borde kunna se signalen från CO2-halt i temperatutren på norra halvklotet när den svänger med en vidd av 20 ppm. Hur ska man annars kunna prognosticera årliga förändringar på 1-2 ppm?

  13. 13
    Hasse

    tty;s kommentarer är alltid väldigt insiktsfulla och lärorika att läsa. Stort tack!

  14. 14
    pekke

    Så kortfattad sett från tty:s inlägg så kan man säga att det finns en ” vägg ” längs ekvatorn som skiljer luftströmmarna mellan norra och södra halvklotet vilket gör att det tar veckor/månader/åratal ? innan ett utsläpp på norra eller södra halvan av klotet spridit sig över hela klotet.

    Samt att det är haven och dess strömmar som utjämnar temperaturerna på klotet.

    Ser man på klotet så ser man att norra halvklotet har stora landytor nära polcirkeln där temperaturen kan ha stora variationer mellan vinter och sommar på upp till 60 – 80 grader Celsius medan södra halvklotet knappt har några större landytor nära södra polcirkeln vilket gör att de har mindre variationer mellan vinter och sommar på temperaturen, så det bör vara norra halvklotet som står för större delen av Jorden temperaturvariation sett på kort sikt.

  15. 15
    Ingemar Nordin

    tty #11,

    Tack tty. Intressant.

    Dus skriver: ”Corioliseffekten spelar också in. Den är mycket svag nära ekvatorn vilket gör att stora vädersystem inte kan bildas där. Ingen orkan uppstår någonsin närmare ekvatorn än 5 grader.”

    Ja, är det inte corioliseffekten som det hela kokar ned till helt enkelt? Och att den utgör, kanske inte någon ”vägg” direkt, men att den får luftströmmarna att ta en annan väg än över ekvatorn.

  16. 16
    tty

    Ingemar Nordin #15

    Nej, Corioliseffekten spelar in, den får en luftmassa som rör sig mot ekvatorn att böja av åt vänster, men den hindrar inte en luftmassa att korsa ekvatorn. Den avlänkas bara av åt höger i stället, vilket är skälet till att den indiska monsunen kommer från sydväst.
    Lägg märke till att ITCZ pendlar norr och söder om ekvatorn beroende på solens läge. Under sommaren sträcker sig södra halvklotet klimatiskt faktiskt ända upp till Himalajas sydsluttningar ca 25 grader nord.

  17. 17
    tty

    Här är förresten en snygg bild av ITCZ

    http://goes.gsfc.nasa.gov/pub/goes/101124.itcz.jpg

    Den är tagen över Stilla Havet där ITCZ inte störs av någon topografi. Över kontienterna är den oftast inte lika ”snygg”

    Här är nederbördskartor från TRMM-satelliten (Tropical Rainfall Monitoring Mission) där ITCZ syns mycket bra:

    http://trmm.gsfc.nasa.gov/trmm_rain/Events/trmm_climatology_3B43.html

    Spelar man upp animationen så ser man hur ITCZ pendlar under året:

    http://trmm.gsfc.nasa.gov/trmm_rain/Events/trmm_climatology_3B43.mpg

  18. 18
    Ingemar Nordin

    tty #17,

    OK, nu tror jag att jag fattar. Säsongsvariationen gör bara att ITCZ flyttar på sig lite men förhindrar fortfarande luftutbytet mellan halvkloten.

Kommentarer inaktiverade.