*[Enwl-Inf] Новая статья Анастасии Макарьевой: Суперпарниковый эффект и ветры как регуляторы глобальной температуры
ecology
Полезная точка зрения для понимания роли природных экосистем в регулировании климата
Анастасия Макарьева
31 августа
О нашем виде говорит то, что, как только люди смогли выращивать больше пищи, чем требовалось каждому человеку, они начали поддерживать особей, роль которых заключалась не в охоте или сборе урожая, а в том, чтобы задавать вопросы и заниматься наукой. По-видимому, эта деятельность была воспринята (некоторой частью) общества как полезная. В случае фундаментальной науки ценность, помимо чисто интеллектуальной радости от открытий (а способность испытывать эту радость и делиться ею, должно быть, заложена в Homo sapiens генетически), заключается в том, чтобы предлагать новые взгляды на то, как функционирует мир. Прежде чем решить какую-либо проблему, ее необходимо правильно сформулировать. Действительно, имеет значение, видим ли мы Землю плоской или сферической, что является основополагающей точкой зрения, которую предлагает фундаментальная наука.
Точно так же, когда мы населяем живую планету, важно, правильно ли мы понимаем роль жизни в формировании условий, которые поддерживают наше существование. Сегодня я расскажу о некоторых редко упоминаемых аспектах понятия стабильности климата, которое важно в этом контексте. Это запланированный пост, я буду отключен до конца сентября.
Супер Парниковый эффект
Наша планета поглощает коротковолновое излучение Солнца и испускает длинноволновое излучение обратно в космос. Чтобы наглядно представить это, можно сказать, что входящие коротковолновые фотоны в среднем примерно в 20 раз более энергичны, чем исходящие длинноволновые — это соотношение обусловлено разницей температур между Солнцем (около 6000 К) и Землей (около 300 К). В устойчивом состоянии, когда входящая и исходящая энергия уравновешены, это означает, что каждый поглощенный солнечный фотон эффективно "распадается" примерно на 20 тепловых фотонов, которые излучает Земля. Это то, что поддерживает жизнь.
Атмосфера Земли в значительной степени прозрачна для входящего коротковолнового солнечного излучения, что позволяет ему достигать поверхности. Однако она поглощает большую часть выходящего длинноволнового теплового излучения и частично возвращает его обратно на поверхность. В результате длинноволновое излучение, выходящее в космос и уравновешивающее поглощенную солнечную радиацию, значительно меньше, чем излучение, излучаемое поверхностью планеты. Чем сильнее парниковый эффект, тем меньше становится эта доля выходящего излучения.
Мы можем количественно оценить парниковый эффект по этому соотношению, пусть это будет k, длинноволнового излучения, выходящего в космос, к длинноволновому излучению, испускаемому поверхностью. (Для нашего нынешнего климата k = 0,6.) Стабильность климата будет зависеть от того, как парниковый эффект отреагирует на изменения температуры на планете.
Что нам также нужно помнить, так это то, что поверхность планеты излучает больше радиации при нагревании и меньше при охлаждении. Это играет ключевую роль стабилизатора: в отсутствие парникового эффекта, если планета временно прогреется, например, из—за повышенной солнечной активности, она будет излучать больше радиации, пока исходящий поток не уравновесит возросшую поступающую солнечную радиацию. Затем температура стабилизируется на новом равновесном уровне.
Теперь давайте представим, что по мере того, как поверхность планеты нагревается, атмосфера становится еще более непроницаемой для длинноволнового излучения — настолько, что выходящее излучение в верхних слоях атмосферы уменьшается, даже при увеличении радиации на поверхности. Это явление известно как суперпарниковый эффект. Это представляет собой потенциальный источник климатической нестабильности.
Еще раз уточним: “обычный” парниковый эффект связан с тем, что излучение, исходящее в космос, ниже, чем излучение, излучаемое поверхностью планеты. По мере повышения температуры поверхности и радиации соотношение между исходящим и поверхностным излучением может увеличиваться (хотя и маловероятно), оставаться постоянным или уменьшаться. В частном случае, когда это соотношение уменьшается еще быстрее, чем увеличивается радиация на поверхности, исходящее излучение будет уменьшаться по мере нагревания поверхности. В этом случае мы имеем дело с суперпарниковым эффектом.
Избавление от тепла
На приведенном ниже графике показано соотношение радиации на поверхности к исходящему излучению, т.е. 1/к, в безоблачных и облачных условиях. Это показывает резкое увеличение этого соотношения при более высоких температурах. Это происходит потому, что исходящее излучение быстро уменьшается, что препятствует эффективному выделению тепла из атмосферы.
На рис. 9а работы Стивенса и Гринвальда (1991) показано отношение поверхностного излучения к исходящему излучению (т.е. 1/к) в зависимости от температуры поверхности. Согласно закону Стефана-Больцмана, излучение на поверхности увеличивается пропорционально четвертой степени температуры. Резкий скачок при более высоких температурах вызван снижением исходящего излучения. Аналогичное, но меньшее снижение было обнаружено в условиях ясного неба Равалом и Раманатаном (1989).
Следующие изображения иллюстрируют географию сверхпарникового эффекта в модельном эксперименте, который начался в условиях, аналогичных тем, что были в 1860 году, и, при ежегодном увеличении концентрации CO₂ на 1%, примерно к 1999 году концентрация CO₂ увеличилась в четыре раза.
Рис. 1 по материалам Stephens et al., 2016
На левой верхней панели показано, что поверхность планеты прогрелась повсеместно, что привело к повсеместному увеличению радиации на поверхности. Однако исходящая радиация снизилась на большей части тропического океана, особенно в Северном полушарии. Это показано на правой верхней панели для облачных условий и на левой нижней панели для безоблачных условий.
Если поверхность нагревается, но не может отдавать избыточное тепло, она будет продолжать нагреваться. Если этот процесс затронет всю планету, это может быстро привести к возникновению условий, несовместимых с фотосинтезом и современной жизнью. Единственный способ предотвратить такой сценарий - это экспортировать избыточное тепло из регионов, испытывающих сверхпарниковый эффект, и направлять его в космос в других местах.
Этот экспорт тепла происходит за счет атмосферной циркуляции, что подчеркивает важную роль ветров.
Ветры как регуляторы температуры: что мы знаем?
Из приведенных выше рисунков мы можем видеть, что, по крайней мере, согласно моделям, регионы в тропиках, которые не испытывают сверхпарникового эффекта, являются территориями суши. Эффективный атмосферный перенос избыточного тепла из океана на сушу может помочь предотвратить экстремальные условия.
В частности, атмосферный перенос влаги из Атлантического океана в тропические леса Амазонки может смягчить парниковые условия над океаном. Это подчеркивает потенциальную важность циркуляции биотического насоса для тропического и глобального климата.
Учитывая важность атмосферной циркуляции, понимание ее количественных параметров имеет первостепенное значение для понимания изменений климата. Хотя наиболее очевидной характеристикой является скорость приземного ветра, с которой мы все сталкиваемся, другим важным параметром является скорость, с которой генерируется кинетическая энергия ветра для поддержания циркуляции и предотвращения потерь на трение.
Хотя всем известно, что обычная скорость ветра составляет несколько метров в секунду, мало кто может точно определить скорость выработки кинетической энергии в атмосфере Земли. Тем не менее, это жизненно важный параметр. Без постоянной регенерации кинетической энергии за счет перепадов давления воздуха (которые перемещают воздух от высокого давления к низкому) атмосфера быстро застыла бы, что сделало бы невозможным вывоз тепла из местных горячих точек.
Насколько хорошо мы знаем этот показатель? Согласно недавнему учебнику (Борен и Альбрехт, 2023, 2-е издание "Термодинамики атмосферы"), не очень хорошо. Говоря о глобальном атмосферном тепловом двигателе, они отмечают:
В атмосфере глобальная скорость рассеивания кинетической энергии, которая уравновешивает скорость генерации, составляет около 2-5 Вт/м2.
Хорошая ли это точность? Не совсем. Например, в модельном исследовании Marvel et al., проведенном в 2013 году с целью оценки того, сколько дополнительной энергии ветра может быть извлечено из атмосферы, было обнаружено, что примерно удвоение мощности атмосферы привело к глобальному похолоданию на 11 Кб! Ячейка Хэдли распространилась до полюсов, подавляя выпадение осадков и образование облаков в более высоких широтах.
Это не означает, что существует (линейная) зависимость между температурой планеты и силой атмосферной циркуляции, но это показывает, что циркуляция воздуха оказывает огромное влияние на климат планеты. Сохранение неопределенности в отношении ее ключевых количественных характеристик бесполезно.
Здесь мы отмечаем, что атмосферная динамика, вызванная конденсацией (физический механизм, лежащий в основе биотического насоса), позволяет теоретически оценить скорость выработки кинетической энергии на основе известной скорости выпадения осадков (поскольку ветры, вызванные биотическим насосом, управляются градиентами давления, вызванными конденсацией). Иными словами, мы берем наблюдаемые осадки, умножаем их на теоретически рассчитанное потенциальное выделение энергии из 1 моля конденсированного водяного пара и получаем прогноз глобальной мощности атмосферы.
Затем мы можем сравнить этот прогноз с наблюдаемой атмосферной мощью, рассчитанной на основе независимо измеренных скоростей ветра и градиентов давления.
Когда было проведено это глобальное сравнение, несоответствие между теорией и наблюдениями составило около 30%, что является замечательным результатом, особенно в отсутствие каких-либо конкурирующих теорий о глобальной мощности атмосферы. Благодаря этому и другим удачным теоретическим предсказаниям, нашу работу было нелегко отвергнуть на раннем этапе, несмотря на многочисленные попытки. Вместо этого было признано, что она открывает принципиально новый взгляд на динамику атмосферы.
Успешная теория связывает независимо наблюдаемые переменные. Динамика, вызванная конденсацией, делает именно это - для осадков, скоростей ветра и градиентов давления. Это не исключает дифференциального нагрева как движущей силы ветров. Но, как отметил Герц в своей неопубликованной лекции по динамике атмосферы,
Если бы атмосфера была сухой, существующие в ней перепады температур сами по себе вызывали бы лишь незначительные колебания.
Насколько мы близки к неуправляемому парниковому эффекту?
Однако модели с трудом воспроизводят эти условия. В частности, они часто не соответствуют известному сочетанию очень высоких температур и более умеренно повышенных концентраций CO₂. Некоторые модели, пытаясь воспроизвести эти прошлые состояния, демонстрируют непредсказуемое поведение.
На графиках ниже показано, как различные модели пытаются воссоздать тепличные условия раннего эоцена.
Рис. 1а,б по материалам Zhu et al. (2024).
На панели (а) показано, как различные климатические модели (перечисленные под рисунком) пытаются согласовать глобальную среднюю температуру поверхности (GMST) и уровни CO₂ (относительно доиндустриального периода) в период “ровной” теплицы раннего эоцена, показанные в виде больших серых прямоугольников. Модель CESM1 попадает в сердцевину коробки, но начинает испаряться при более высоком уровне CO₂. CESM2 испаряется еще раньше, при более низких уровнях co₂.
На панели (b) показана меридиональная разница температур поверхности моря (δsstₘ), которая, по некоторым оценкам, была очень мала в эоцене.
В совокупности эти панели показывают, что ни одна из моделей не соответствует одновременно температуре эоцена и δsstₘ и не позволяет избежать резкого потепления.
Ученые отвергают неконтролируемое поведение климата в моделях как физически неправдоподобное, утверждая, во-первых, что в недавней истории Земли нет геологических свидетельств неконтролируемого парникового эффекта, а во-вторых, что некоторые модели не показывают такого поведения. Но это слабые аргументы. Просто потому, что чего-то не происходило раньше, не означает, что этого не может произойти.
Более того, если мы примем собственный подход климатического сообщества к оценке вероятностей, такой как у Палмера (2025), где вероятность потепления более чем на 4 К в результате удвоения CO₂ рассчитывается просто как доля моделей МГЭИК, которые это предсказывают, то тот факт, что две из трех моделей CESM (CESM1, CESM2, CESM3), проявляющие убегающее поведение, вряд ли обнадеживают.
Кто-то может возразить, что эти сценарии "выброса" проявляются только при чрезвычайно высоких концентрациях CO₂, но, возможно, это просто потому, что никто не финансировал разработку моделей, которые позволили бы "выброситься" при более низких, более реалистичных концентрациях.
Насколько мы можем быть уверены в том, что невозможно, если сообщество разработчиков моделей склоняется к аналогичным предположениям и сценариям, вместо того чтобы приветствовать и исследовать несоответствия, чтобы лучше определить границы возможного? Как мы можем быть уверены, что были заданы все правильные вопросы?
Что принципиально отличает нашу нынешнюю ситуацию от прошлых периодов с высоким уровнем климата, так это то, что тогда ни один биологический вид не объявлял войны биосфере. Сегодня мы систематически уничтожаем жизнь везде, где только можем, делая вид с научной и политической точек зрения, что это никак не влияет на климат. А потом мы удивляемся, когда наши модели не могут предсказать аномалии потепления или нарушения круговорота воды.
Давайте надеяться, что "бегство" еще не началось, и будем действовать быстро, чтобы защитить биосферу. Прекратите разрушать ее. Дайте ей возможность дышать. Мы можем быть удивлены тем, как быстро окружающая среда может начать восстанавливаться.
Упрощенные выводы
Когда становится достаточно жарко и влажно, атмосфера может перестать выделять дополнительное тепло в космос. Это называется суперпарниковым эффектом.
Если это произойдет по всей планете, это может привести к безудержному парниковому эффекту — быстрому потеплению, которое может продолжаться до тех пор, пока большая часть океана не испарится. Что-то подобное, возможно, произошло на Венере.
Некоторые современные климатические модели показывают, что это может происходить и на Земле.
Чтобы предотвратить это, тепло должно отводиться из жарких и влажных регионов и выбрасываться в космос где-то в другом месте. Эту работу выполняют ветры.
Перемещение атмосферной воды из океанов в тропические леса может быть особенно важным для поддержания стабильности климата.
Чтобы изучить это, нам нужно понять, как возникают ветры. Атмосферная динамика, вызванная конденсацией, лежащая в основе биотического насоса, помогает объяснить этот процесс.
От: Anastassia Makarieva <bioticre...@substack.com>
Date: вс, 31 авг. 2025 г. в 21:36
Subject: The Super Greenhouse Effect and Winds as Global Temperature Controllers
To: <bulat.y...@gmail.com>
The Super Greenhouse Effect and Winds as Global Temperature ControllersA useful perspective to understand the role of natural ecosystems in climate regulation
It says something about our species that, once humans could grow more food than each person needed, they began supporting individuals whose role was not to hunt or harvest, but to ask questions and do science. Apparently, this activity was perceived by (some part of) the society as useful. In the case of fundamental science, the value, in addition to sharing the pure intellectual joy of discovery (and the ability to experience and share this joy must be genetically encoded in Homo sapiens), lies in offering new perspectives on how the world functions. Before any problem can be solved, it must be properly framed. It does matter whether we see the Earth as flat or spherical, which is the kind of foundational perspective that basic science provides. Likewise, in inhabiting a living planet, it matters whether we correctly understand the role of life in shaping the conditions that support our existence. Today I will discuss some rarely mentioned aspects of the notion of climate stability, which is important in this context. It is a scheduled post; I will be offline till the end of September. The Super Greenhouse EffectOur planet absorbs shortwave radiation from the Sun and emits longwave radiation back to space. To visualize this: The incoming shortwave photons are, on average, about 20 times more energetic than the outgoing longwave ones—a ratio stemming from the temperature difference between the Sun (around 6,000 K) and Earth (about 300 K). In a steady state, where incoming and outgoing energy balances, this means each absorbed solar photon effectively "decays" into roughly 20 thermal photons that Earth radiates away. This is what supports life.
The Earth's atmosphere is largely transparent to incoming shortwave solar radiation, allowing it to reach the surface. However, it absorbs much of the outgoing longwave thermal radiation and re-emits part of it back toward the surface. As a result, the longwave radiation escaping to space, which balances the absorbed solar radiation, is considerably smaller than that emitted by the planetary surface. The stronger the greenhouse effect, the smaller this escaping fraction becomes. We can quantify the greenhouse effect by this ratio, let it be k, of the longwave radiation escaping to space to the longwave radiation emitted by the surface. (For our current climate, k = 0.6.) Climate stability will depend on how the greenhouse effect responds to changes in the planet’s temperature. What we also need to remember is that the planet's surface emits more radiation as it warms and less as it cools. This acts as a key stabilizer: in the absence of a greenhouse effect, if the planet warms temporarily—for instance, due to heightened solar activity—it will emit more radiation until the outgoing flux balances the increased incoming solar radiation. The temperature then stabilizes at a new equilibrium. Now let us imagine that as the planet’s surface warms, the atmosphere becomes even more opaque to longwave radiation—so much so that the outgoing radiation at the top of the atmosphere decreases even as surface radiation increases. This phenomenon is known as the Super Greenhouse Effect. It represents a potential source of climate instability. To clarify once again: the “usual” greenhouse effect refers to the fact that outgoing radiation to space is lower than the radiation emitted by the planet’s surface. As the surface temperature and radiation increase, the ratio between outgoing and surface radiation may increase (though unlikely), remain constant, or decrease. In a special case of this ratio decreasing even more rapidly than surface radiation increases, the outgoing radiation will decline as the surface warms. In this case, we are dealing with a Super Greenhouse Effect. Getting rid of heatThe graph below shows the ratio of surface radiation to outgoing radiation, i.e., 1/k, under cloudless and cloudy conditions. It reveals a sharp increase in this ratio at higher temperatures. This occurs because outgoing radiation diminishes rapidly, preventing the atmosphere from efficiently releasing its heat.
Fig. 9a from Stephens and Greenwald (1991) shows the ratio of surface radiation to outgoing radiation (i.e., 1/k) as a function of surface temperature. According to the Stefan-Boltzmann law, surface radiation increases proportionally to the fourth power of temperature. The spike at higher temperatures is caused by the decline in outgoing radiation. A similar but smaller decline was found under clear-sky conditions by Raval and Ramanathan (1989). The following images illustrate the geography of the super greenhouse effect in a model experiment, which started from conditions similar to those in 1860 and, with a 1% per year increase in CO₂, quadrupled CO₂ concentrations by about 1999.
Fig. 1 from Stephens et al. 2016 The top-left panel shows that the planetary surface has warmed everywhere, resulting in a ubiquitous increase in surface radiation. However, outgoing radiation has declined over much of the tropical ocean, particularly in the Northern Hemisphere. This is depicted in the top-right panel for cloudy conditions and the bottom-left panel for cloudless conditions. If a surface heats up but cannot radiate the excess heat away, it will continue warming. If this process affects the entire planet, it could rapidly lead to conditions incompatible with photosynthesis and modern life. The only way to avert such a runaway scenario is to export the excess heat from regions experiencing the super greenhouse effect and radiate it to space elsewhere. This heat export occurs via atmospheric circulation, highlighting the critical role of winds. Winds as Temperature Controllers: What Do We Know?From the figures above, we can see that, at least according to models, the regions in the tropics that do not experience the super greenhouse effect are land areas. Efficient atmospheric transport of excess heat from ocean to land could help avert runaway conditions. In particular, the atmospheric transport of moisture from the Atlantic Ocean to the Amazon rainforest can mitigate super greenhouse conditions over the ocean. This highlights the potential importance of the biotic pump circulation for tropical and global climate. Given the importance of atmospheric circulation, understanding its quantitative parameters is paramount for comprehending climate change. While the most obvious characteristic is the near-surface wind speed that we all experience, another crucial parameter is the rate at which the kinetic energy of winds is generated to sustain circulation against frictional losses. Although everyone knows that typical wind speeds are a few meters per second, few could specify the rate of kinetic energy generation in Earth's atmosphere. Yet, this is a vital parameter. Without continuous regeneration of kinetic energy by air pressure gradients (which drive air from high to low pressure), the atmosphere would quickly come to a standstill, rendering heat export from local hotspots impossible. How well do we know this rate? According to a recent textbook (Bohren and Albrecht, 2023, 2nd edition of Atmospheric Thermodynamics), not very well. Speaking of the global atmospheric heat engine, they note: In the atmosphere the global kinetic energy dissipation rate, which balances the generation rate, is about 2–5 W m⁻². Is this good precision? Not really. For example, in a modeling study of Marvel et al. 2013 aimed at estimating how much additional wind power could be retrieved from the atmosphere, it was found that approximately doubling atmospheric power resulted in 11 K of global cooling! The Hadley cell extended to the poles, suppressing rainfall and cloud formation at higher latitudes. This does not mean there is a (linear) relationship between planetary temperature and the power of atmospheric circulation, but it illustrates that air circulation has an enormous impact on the planet's climate. Remaining uncertain about its key quantitative characteristics is unhelpful. Here, we point out that condensation-induced atmospheric dynamics (the physical mechanism behind the biotic pump) makes it possible to theoretically estimate the rate of kinetic energy generation from the known rate of precipitation (because biotic pump winds are driven by condensation-induced pressure gradients). That is to say, we take observed precipitation, multiply it by the theoretically derived potential energy release from 1 mol of condensed water vapor, and obtain a prediction for global atmospheric power. We can then compare this prediction with observed atmospheric power, calculated from independently measured wind speeds and pressure gradients. When this global comparison was made, the mismatch between theory and observation was about 30%, which is a remarkable result, especially in the absence of any competing theories for global atmospheric power. Thanks to this and other successful theoretical predictions, our work could not be easily dismissed early on, despite numerous attempts. Instead, it was recognized as offering a fundamentally new perspective on atmospheric dynamics. A successful theory links independently observed variables. Condensation-induced dynamics does exactly that—for precipitation, wind speeds, and pressure gradients. This does not rule out differential heating as a driver of winds. But, as Hertz noted in his unpublished lecture on atmospheric dynamics, If the atmosphere were dry, the temperature differences existing in it would by themselves give rise merely to movements of minor significance. How close are we to a runaway greenhouse?In fact, we may be closer than we'd like, or at least not safely far away. Modern climate models are calibrated using data from the present-day climate, which is relatively stable and clearly not experiencing a runaway greenhouse (otherwise, we wouldn’t be writing or reading this). These same models are applied to reconstruct much warmer past climates, known as "hothouses." Some of these ancient climates are also described as "equable," meaning they had a very small temperature difference between the equator and the poles. This implies an efficient meridional heat transport. However, models have difficulty reproducing these conditions. In particular, they often fail to match the known combination of very high temperatures and more moderately elevated CO₂ concentrations. Some models, in the process of trying to replicate these past states, display runaway behavior. The graphs below show how different models attempt to recreate the hothouse conditions of the early Eocene.
Fig.
1a,b from Zhu et al. (2024).
Scientists dismiss runaway climate behavior in models as physically implausible, arguing first that there is no geological evidence for a runaway greenhouse in Earth’s recent history, and second, that some models do not show such behavior. But these are weak arguments. Just because something hasn’t happened before does not mean it cannot happen. Moreover, if we accept the climate community’s own approach to estimating probabilities, such as in Palmer (2025), where the likelihood of more than 4 K of warming from CO₂ doubling is calculated simply as the proportion of IPCC models that predict it, then the fact that two out of three CESM models (CESM1, CESM2, CESM3) exhibit runaway behavior is hardly reassuring. Some might argue these runaway scenarios only appear at extremely high CO₂ levels, but perhaps that is simply because no one has funded the development of models that would run away at lower, more realistic concentrations. How confident can we be about what is not possible if the modeling community gravitates toward similar assumptions and scenarios instead of welcoming and investigating discrepancies to better define the boundaries of possibility? How can we be sure all the right questions have been asked? What makes our current situation fundamentally different from past high CO₂ climates is that no species back then had declared war on the biosphere. Today, we are systematically exterminating life wherever we can, while pretending scientifically and politically that this has no impact on climate. And then we are surprised when our models fail to predict warming anomalies or disruptions to the water cycle. Let us hope the runaway has not started yet and let us act fast to protect the biosphere. Stop destroying it. Give it room to breathe. We may be surprised at how quickly the environment can begin to recover. Simplified takeaways
 You're currently a free subscriber to Biotic Regulation and Biotic Pump. For the full experience, upgrade your subscription.
©
2025 Anastassia Makarieva
|
Date: пн, 1 сент. 2025 г. в 08:35
Subject: Новая статья Анастасии Макарьевой
Ecological North West Line * St. Petersburg, Russia
Independent Environmental Net Service
Russian: ENWL (North West), ENWL-inf (FSU), ENWL-misc (any topics)
English: ENWL-eng (world information)
Send information to en...@enw.net.ru
Subscription,Moderator: en...@enw.net.ru
Archive: http://groups.google.com/group/enwl/
New digests see on https://ecodelo1.livejournal.com/
(C) Please refer to exclusive articles of ENWL
-------------------------------------