od green » 09. 11. 2008 18:31
Mal som to šťastie, že sa mi dostal do rúk program MODTRAN, presnejšie povedané jeho obmedzená verzia pre infračervené vyžarovanie Zeme. Trochu som sa s ním pohral.
Modtran je počítačový program, navrhnutý pre modelovanie šírenia elektromagnetickej radiácie v atmosfére pre rôzne vlnové dĺžky žiarenia. Modtran je patentovaný US Air Force. Obmedzenú verziu pre dlhovlnné infra žiarenie som vyskúšal s nasledovným výsledkom:
Pri experimentovaní som vychádzal z predpokladov:
a) Na 1°C oteplenia atmosféry pripadá nárast 6% vodných pár
b) V termodynamickej rovnováhe sa musí hustota toku prichádzajúceho žiarenia rovnať hustote toku odchádzajúceho žiarenia.
c) Stav pred rokom 1750 považujem za stav termodynamickej rovnováhy.
Vstupnými parametrami do modelu sú:
1. Koncentrácia CO2 (ppm)
2. Koncentrácia CH4 (ppm)
3. Troposferický ozón (ppb)
4. Stratosferický ozón (relatívna hodnota, základ = 1)
5. Teplota povrchu Zeme - offset (východisková hodnota = 0) Tg
6. Vodná para (relatívna hodnota, základ = 1)
7. Lokalita, čas (možnosť vybrať určité typické miesto na Zemi, napríklad polárnu oblasť v lete)
a súčasne sa dá vybrať 14 možností rôznych meteosituácií: intenzita zrážok, rôzne druhy oblačnosti)
8. Výška v korej sa nachádza senzor
9. Natočenie senzora : k Zemi alebo do vesmíru
Ako prvý som previedol nasledovný výpočet:
CO2 = 280 ppm, CH4 = 0,7 ppm, Trop. O3 = 28 ppb, Strat O3 = 1, Tg = 0°C, para = 1,
čo sú predindustriálne hodnoty (u O3 som si nie istý).
Ako lokalitu som si vybral trópy v lete. Bez oblačnosti a bez zrážok. Senzor som umiestnil do výšky 70km a pozeral som sa ním dole na Zem.
Výsledok:
Iout = 289,916 W/m2 (hustota toku odchádzajúceho dlhovlnného žiarenia)
TG = 299,7 K = 26,55°C (teplota povrchu Zeme)
Dôležitá je práve hustota toku Iout = 289,916 W/m2, čo je hodnota toku odchádzajúceho žiarenia v termodynamickej rovnováhe.
Ako ďalší krok som zmenil atmosféru na súčasné hodnoty:
CO2 = 385 ppm, CH4 = 1,75 ppm, ostatné som nemenil.
Vyšlo:
Iout = 287,718 W/m2
Tým, že sa zvýšila koncentrácia CO2 a CH4 sa zvýšila absorbcia atmosféry a hustota toku odchádzajúceho žiarenia poklesla o 2,198 W/m2, čím sa ale narušila termodynamická rovnováha. Planétu opúšťa menšia hustota toku žiarenia, ako v rovnovážnom stave. Dôsledkom je zohriatie celej atmosféry aj povrchu Zeme. V modeli sa ohriatie Zeme nastavuje cez hodnotu Tg = offset teploty povrch Zeme.
Metódou pokus omyl sa mi podarilo nastaviť Tg = 0,61°C (hodota ohrevu povrchu Zeme).
Pri ohriatí povrchu Zeme o 0,61°C sa znova nastolila termodynamická rovnováha a odchádzajúce dlhovlnné žiarenie sa dostalo na úroveň 289,916 W/m2, čiže hodnota v stave termodynamickej rovnováhy. Nárast koncentrácie CO2 a CH4 teda spôsobil ohrev povrchu Zeme o 0,61°C.
Ďalší krok je zvýšenie koncentrácie vodnej pary.
Nárast teploty povrchu Zeme o 0,61°C spôsobí nárast koncentrácie vodnej pary o 3,66%.
Toto zvýšenie som zadal do modelu.
Výsledok: Iout = 289,225 W/m2
Vidno, že hustota toku odchádzajúceho žiarenia oproti rovnováhe poklesla a tým sa narušila rovnováha. (pridaná para pohltila časť žiarenia). Opäť pokus - omyl. Zvýšením teploty povrchu na Tg = 0,8°C (čiže nárast o 0,19°C oproti predošlému kroku) sa podarilo nastoliť rovnováhu.
Ďalší krok je ďalšie zvýšenie koncentrácie vodnej pary.
Tu už začína iterácia. Vidno, že nárast koncentrácie vodnej pary spôsobil nárast teploty o 0,19°C a tým znovu tlačí na zvýšenie koncentrácie vodnej pary:
Zvýšenie teploty o 0,19°C spôsobí nárast koncentrácie vodnej pary o ďalšie 1,14%
Po vložení tejto hodoty Iout = 289,696 W/m2, opäť pokles a narušenie rovnováhy odchádzajúceho žiarenia. Nastavením Tg = 0,86°C (čiže nárast o 0,06°C oproti predošlému kroku) sa obnovila termodynamická rovnováha.
Bol potrebný ešte jeden ďalší iteračný krok, aby sa dospelo k celkovému otepleniu povrchu Zeme o hodnotu 0,89°C. Z tohto oteplenia pripadá 0,61°C na CO2 a CH4 a zvyšok, t.j. 0,28°C pripadá na vodnú paru.
Záver:
Zvýšenie koncentrácie CO2 z 280 ppm na 385 ppm a zvýšenie koncentrácie CH4 z 0,7 ppm na 1,75 ppm viedlo k celkovému otepleniu atmosféry a povrchu Zeme v tropickej oblasti v lete, za jasnej oblohy o hodnotu 0,89°C, z čoho pripadá 0,61°C na CO2 a CH4 a zvyšok 0,28°C pripadá na vodnú paru.
Príklad súčasne demonštruje, akým spôsobom prebieha otepľovanie povrchu a atmosféry Zeme. Demonštruje tiež spätnoväzobnú funkciu vodnej pary pri zvýrazňovaní a urýchľovaní vplyvu CO2 a CH4 na otepľovanie. Koncentrácia vodnej pary totiž závisí od teploty a to je hlavný a podstatný rozdiel medzi vodnou parou a inými absorbérmi v atmosfére Zeme.
Naposledy upravil
green dne 09. 11. 2008 18:54, celkově upraveno 1