Işınım özellikleri ve iklime geri bildirimler
Cirrus bulutları, atmosferdeki güneş ve kızılötesi radyasyonu önemli ölçüde değiştirir. Cirrus bulutları, kapsama alanı, konumu, kalınlığı ve buz kristali boyut dağılımı ve şekline bağlı olarak gelen güneş akısının önemli bir bölümünü uzaya geri yansıtır . Güneş radyasyonunun yansıması, yüzeyde ve atmosferin tepesinde bir soğutma etkisine neden olur. Bununla birlikte, sirrus bulutları aynı zamanda Dünya yüzeyinden ve daha düşük atmosferden yayılan yukarı doğru yükselen kızılötesi radyasyonu emer ve bunlardan çok daha düşük sıcaklıklarda yayar, böylece Dünya-atmosfer sisteminden kaçan kızılötesi enerjiyi azaltır ve sonunda ısınmaya neden olur ( Baran 2004). Kızılötesi sera etkisine karşı güneş albedo etkisinin yaygınlığı, ısınmaya veya soğumaya yol açan radyatif enerji kazanımını veya kaybını belirler.
(1995) yılında , buzlu su yolu (IWP, bulutun dikey kapsamı üzerinde IWC'nin integrali) ve parçacık efektif çapı ( D eff , görünür dalga boylarında IWC / yok olma ile orantılı). Bu çalışmaya göre, hem kızılötesi yayma hem de güneş albedo, IWP'nin işlevlerini artırmakta ve D eff'nin işlevlerini azaltmaktadır.. Buna göre, IWP arttıkça, bu ısınma ve kızılötesi ve soğutmada olumlu bir geri bildirim ve dolayısıyla görünürde olumsuz bir geri bildirim ile sonuçlanır. Benzer şekilde, etkili çapın arttırılması, görünürde olumlu bir geri bildirime ve kızılötesinde olumsuz bir geri bildirime yol açar. Yalnızca IWP'nin dikkate alınması net bir olumsuz geri bildirimle sonuçlanırken, hem IWP hem de D eff'nin dahil edilmesi net bir olumlu geri bildirimle sonuçlanır.
Genel olarak bulutlar ve özellikle de sirüs, genel bir sirkülasyon modelinin en belirsiz bileşenlerinden biri olmaya devam ediyor ve iklim değişikliğinin hızını ve coğrafi modelini tahmin etmede en büyük zorluklardan birini oluşturuyor ( IPCC 2007). Bunun bir nedeni, cirrus'un geniş bir optik kalınlık ve yükseklik yelpazesini kapsamasıdır. Diğer bir neden de, farklı coğrafi bölgelerde farklı olan cirrus oluşturan dinamik süreçlerin genel dolaşım modellerinde (GCM'ler) zayıf bir şekilde çözülmüş olmasıdır. Benzer şekilde, sirrus tahminini etkileyen çok az miktarda su buharının üst troposfer içine ve içinde taşınması, tipik olarak 10-20 dikey katmana sahip GCM'lerde dikey olarak çözülemez. Mevcut ortamda küresel yıllık ortalama saçaklı ışınımsal etki bulut (fark ve saçaklı bulutsuz üstü atmosferi net radyasyon), pozitif ve 5,7 W m tutarındadır -2 , ECHAM6- ile tahmin edildiği gibi HAM2 genel sirkülasyon modeli ( 2016).yapılan uydu tabanlı çalışmalardan elde edilen tahminlerden daha büyüktür . (2000) ve (1992) , cirrusun TOA bulut ışıma etkisini sırasıyla 1.3 ve 2.4 W m 2 olarak elde etmiştir.
Bir CO katlama için 2 , küresel yıllık ortalama yüzey sıcaklığı 1.5 ve 4.5 K (arasında artması beklenmektedir 2013 ). Bu ısınma, CO 2'ye bağlı ilk sıcaklık artışından kaynaklanır ve birkaç olumlu geri bildirimle güçlendirilir. Bu geri bildirimler arasında bulut geri bildirimi, farklı GCM'ler arasında en büyük yayılmaya sahiptir ve bu nedenle en belirsiz olanıdır ( 2013) yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı. Ek olarak, bulutlar bir GCM'nin kılavuz kutusundan daha küçük olabileceğinden, parametrelendirilmeleri gerekir: yani, büyük ölçekli (ızgara ortalaması) değişkenler açısından açıklanır. Bu nedenle, GCM'lerin belirli bulut türlerini ve bulut mikrofiziksel özelliklerini simüle etmede sorunları vardır. Bulut geri bildirimi, 0,7 ± 0,5 K'lik bir sıcaklık artışı ile sonuçlanır . Olumlu bulut geri bildirimine katkılar aşağıdaki gibidir (i) Yüksek seviyeli bulutların yükselmesi, uzaya yayılan enerji miktarını azaltan uzun dalga bulutunun ışıma etkisinin arttığı anlamına gelir. (ii) Daha sıcak bir iklimde Hadley hücresinin genişlemesi beklenir, bu da fırtına izlerinin kutuplara doğru göç etmesi anlamına gelir. Bu, daha az güneş radyasyonu yaşayan bölgelerde düşük seviyeli bulutların hakim olmasına neden olur ve bu da kısa dalga bulutunun ışınım etkisini azaltır. (2014) , yalnızca sirrus bulutları nedeniyle bulut geribildirimini tahmin etti. Yüksek seviyeli bulutların yükselmesi nedeniyle, 0,2 ± 0,2 W m −2 K −1 ile pozitif olduğu bulundu ( 2014 ) ve bu nedenle doğrulanırsa bulut geri bildiriminin önemli bir kısmı olacaktır. diğer çalışmalarla.
Cirrus bulutlarının iklim üzerindeki etkilerinin projeksiyonlarını iyileştirmek istiyorsak, cirrus optik özelliklerinin, yapısının ve geniş ölçeklerde dikey ve yatay kapsamının daha iyi belirlenmesi gereklidir. Bu tür ölçümler uydu tarafından yapılmalıdır, çünkü uçak, radar ve lidar, gezegenin yalnızca çok küçük bölgelerinde bulut özelliklerini karakterize eder. Bununla birlikte, sirrus bulutlarının iklim etkisini tam olarak anlamak için, sirrus bulutlarının iklim modellerinde fiziksel olarak sağlam bir şekilde güvenilir bir şekilde temsil edilmesi gerekir. Çoğu iklim modeli artık sıvı ve buzlu su içeriklerinin prognostik denklemlerini içeriyor. İki anlık bulut mikrofizik şemaları ayrıca buz kristallerinin sayı konsantrasyonlarını tahmin eder. Doygunluk ayarı, yani doymuş su buharının üzerindeki su buharının yoğuşmaya dönüşeceği anlamına gelir, çok sayıda sıvı damlacıklarından dolayı su bulutlarında doğrulanan bir varsayımdır. Gaz halindeki su buharını verimli bir şekilde tüketemeyen buz kristallerinin sayısının düşük olması nedeniyle bu varsayım sirrus bulutlarında haklı değildir. Bu nedenle, son teknoloji sirrus şemaları, sirrus bulutları için doygunluk ayarlamasını terk eder ve buza göre süper doygunluğa izin verir (2002 ).
GCM simülasyonlarının sonuçları, küçük buz kristallerinin ölçümleriyle ilişkili belirsizliğin, model PSD'lerini kısıtlamak için cirrus PSD'lerinin mevcut parametrelendirmeleri kullanılırsa model simülasyonları üzerinde zararlı bir etkiye sahip olabileceğini göstermektedir. Küçük parçacıklar için farklı varsayılan boyut dağılımları kullanarak (2008) , küçük buz kristallerinin konsantrasyonlarındaki belirsizliklerin, büyük ölçüde partikül çökelme (sedimantasyon) hızının bağımlılığının bir sonucu olarak, bulut buzu miktarında% 12'lik bir farka ve dünya çapında cirrus bulutu kapsamında% 5,5'lik bir farka neden olabileceğini göstermiştir. −5 W m −2 tropiklerinde net bulut zorlamasında bir belirsizlik üreten PSD'lerin özelliklerive üst tropikal troposferin 3 ° C'nin üzerindeki ısınmasında. Bu, CO 2'nin ikiye katlanmasının radyatif etkileriyle karşılaştırılabilir .
Ayrıca, aerosol modüllerine bağlanan güncel iklim modelleri, homojen ile heterojen buz çekirdeklenmesinin rekabetini ve önceden var olan buz kristalleri üzerinde cirrus yapısının gelişimini dikkate alır 2006 ve 2015 buraya dikkat edin Önceden var olan buz, 3. bölümde tanıtılan sıvı kökenli sirüs kategorisini temsil eder. Homojen olandan daha düşük süper doygunluklarda meydana gelen heterojen buz çekirdeklenmesi, çoğu durumda homojen bir şekilde oluşan cirrus'tan daha az ama daha büyük buz kristallerinden oluşan sirrus bulutlarına yol açar. Bu, cirrus optik derinliğini azaltır. Ek olarak, buz kristalleri daha hızlı çökelir ve optik derinliği daha da azaltır. Heterojen olarak oluşturulmuş sirrus bulutları böylece uzaya daha az güneş radyasyonu yansıtırken, aynı zamanda uzaya daha fazla uzun dalga radyasyonu yayılır. Net üstü atmosferi radyasyon fark yaklaşık 2 W m tutarındadır -2 ( 2008 ). (2014), buz çekirdeklenme sürecinin etkilerine ilişkin başka bir çalışmada, bulut özelliklerindeki farkı, yalnızca homojen çekirdeklenmeyi göz önünde bulundururken ve homojen ve heterojen çekirdeklenme ve önceden var olan buz kristalleri üzerindeki büyüme arasındaki rekabeti hesaba katarken gösterin. Küresel yıllık ortalama olarak, farkı 1 W m olan -2 zorla kısa dalga bulut (SCF) ve 1.5 W m -2 uzun dalga bulut zorlama (LCF) 'de. (2008) buz çekirdeklenmesinin çok daha büyük bir etkisini buldu. Bunlar daha aşırı senaryolar karşılaştırılmıştır: sadece homojen nükleasyon karşı, sadece heterojen, nükleasyon dikkate arasındaki fark 2,7 W m SCF değişikliklere miktarları -2 ve 4.7 W m LCF içinde -2. Bununla birlikte, buz kristallerinin kütle büyüme hızındaki bir faktörün, kütle konaklama katsayısının değerinde önemli ölçüde belirsizlik vardır. Bir buz kristali kafesine dahil edilen moleküllerin sayısının çarpan moleküllerin toplam sayısına oranı olarak tanımlanan bu katsayı, bazı moleküllerin başarılı bir şekilde dahil edilmesini engellemek için kristal yüzeyinde hareket eden hala belirsiz mekanizmaları yansıtır. Potansiyel belirsizlik aralığını yansıtmak için, kütle konaklama katsayısını 0,5'ten 0,006'ya düşürdüler. Bu, SCF'de 14,7 W m 2 ve LCF'de 18,3 W m 2 artışa neden oldu .
Homojen ve heterojen çekirdeklenme arasındaki net atmosfer üstü radyasyondaki fark, Mitchell ve Finnegan (2009) tarafından, bizmut tri-iyodür (BiI3) kullanılarak homojen olarak oluşturulmuş sirrus bulutlarını heterojen olarak oluşturulmuş sirrus bulutlarına dönüştürerek iklimi tasarlama önerisine yol açtı. ) 'de gösterildiği gibi , Şekil. 2-14
havalarinsesi.com/attachment/11528/
Tohumlamaya yanıt olarak cirrus bulutu özelliklerindeki değişikliklerin kavramsal şeması. Kırmızı oklar uzun dalga (LW) radyasyonu ve mavi oklar kısa dalga (SW) radyasyonu temsil eder. Tohumlanmış sirrus bulutları, ortalama olarak biraz daha az GB radyasyonunu uzaya geri yansıtır, ancak aynı zamanda daha fazla LW radyasyonunun uzaya kaçmasına izin verir ve ikinci etki hakimdir.
Cirrus oluşumu, evrimi ve mikrofiziksel özellikleri anlamamızın zorlukları
IPCC raporunun 7. bölümüne göre “Özellikle buz bulutları için ve aerosoller ile bulutlar arasındaki etkileşimler için, temel mikro ölçekli fizik anlayışımız henüz yeterli değil, ancak gelişmektedir." Özellikle, cirrus bulut mikrofiziği ve dinamikleri ile radyasyon, deniz yüzeyi sıcaklığı ve iklim arasındaki karmaşık etkileşimler, sirrus bulutu-iklim etkileşimlerine ilişkin kesin sonuçların şu anda sahip olduğumuzdan çok daha fazla bilgi gerektireceği anlamına geliyor. Önemli ölçümler, 100 μ'nin altındaki buz kristallerinin boyut dağılımını içerirm; boyut ve alışkanlığın bir fonksiyonu olarak buz kristallerinin saçılma davranışı; atmosferdeki sıcaklık, bulut kalınlığı ve yüksekliğinin bir fonksiyonu olarak bulut ışıma özellikleri; ve özellikle dikey hareket (hız) alanları. Gelecekteki ölçümlerde dikkate alınması gereken cirrus mikrofiziksel özelliklerinin örneklenmesi ile ilgili sorunlar vardır.
Önceki bölümler, sirrus bulutlarının mikrofiziği hakkında hem yerinde hem de uzaktan toplanan gözlemlerin çoğunu özetlemişti. Güvenilir olduğuna inandıklarımız arasında, homojen buz çekirdeklenmesi için başlangıç sıcaklığı, buzlu su içeriğinin doğrudan ölçümleri, yaklaşık 100 veya 200 μm'nin üzerindeki parçacık boyutları için ölçülen buz parçacıklarının boyut dağılımları ve şekilleri ve üzerinde pürüzlülüğün varlığı yer alır. bazı buz parçacıklarının yüzeyleri. Parçalanma düzeltmeleri ve yeni prob uçları ile 20 μ partiküller için ölçülen boyut dağılımlarım ve üstü, geçmişe göre daha doğru bir şekilde türetiliyor. Partikül problarının ön kenarlarında büyük partiküllerin parçalanmasıyla üretilen hatalar topluluğu tarafından farkındalık öncesinde yapılanlar da dahil olmak üzere bugüne kadar bildirilen daha güvenilir ölçümler ve gözlemler, partikül boyutu dağılımlarının daha yüksek momentlerini ve boyut dağılımlarını içerir. yaklaşık 200 μm'nin üzerindeki parçacıklar . Bununla birlikte, cirrus fiziksel süreçlerini daha iyi anlamak ve bunları iklim modellerinde daha güvenilir bir şekilde temsil etmek istiyorsak aşılması gereken çok sayıda ölçüm sınırlaması vardır Gelecekte aşağıdaki konuları ele almamız gerekiyor
Sirrus buz kristallerinin homojen ve heterojen çekirdeklenmesinin nispi önemini nasıl ölçebilir / belgeleyebiliriz?
Karşı akışlı sanal çarpma (CVI) probunun girişinde süblimleşen buz kristallerinden kalıntıları toplayın ve bunların kimyasal bileşimlerini ve boyut dağılımlarını ölçün. Bu bir başlangıç noktasıdır, ancak önceden aktive edilmiş buz çekirdeklerinde veya bir sirüs bulutunun yaşam döngüsünde farklı zamanlarda ortaya çıkan buz parçacıkları karışımı olduğunda oluşan buz kristallerini belirlemek sorunlu olabilir.
Cirrus ice çekirdeklenme süreçleri bulut dinamiklerinden nasıl etkilenir: yerçekimi dalgaları, sığ ve derin konveksiyon, sirrus bulutlarının tepelerinde radyatif soğutma ve türbülans?
Artık farklı dinamik zorlamayla sirüs oluşumu için önemli miktarda buz PSD verisi mevcuttur. Parçacıklar arası varış süreleri dikkate alınarak boyut dağılımlarında düzeltmeler yapılırsa ve hatta görüntüleme probları Korolev tipi uçlara sahip olduğunda bu veriler oldukça güvenilirdir. Bu tür bir çalışma ile bu tür verilerin bir derlemesine ihtiyaç vardır.
Ne 1-20 yaklaşık büyüklüğü aralığında saçaklı parçacıkların büyüklüğü dağılımları vardır μ parçacıkların odak alan derinliği olduğu için prob şimdiki nesil çok küçük bir numune hacmi ve bu hacme sahiptir m, güvenilir belirtilemez çok küçük 1998 Bunlar, derin konvektif olarak oluşturulmuş cirrus aracılığıyla yerinde nasıl değişir?
Bu, çözülmesi çok zor bir sorundur çünkü parçacık probları temelde geometrik optiklerle sınırlıdır. Artık mevcut olan holografik problar, küçük parçacıkların konsantrasyonunu tanımlamak için gereken numune hacmini sağlayabilir, ancak bu cihazlar, örnekleme sıklıkları nedeniyle önemli ölçüde sınırlıdır.
Cirrus'un özellikleri (buz kristali boyutları, şekilleri, saçılma özellikleri, kütle içerikleri vb.) Bulut dinamikleri ve coğrafi konuma göre nasıl değişir?
2) 'de olduğu gibi, şimdi mevcut verilerin bir derlemesine ihtiyaç vardır. Antarktika'da sirrus mikrofiziksel özelliklerini ölçmek için yürütülen bir saha programına en acil olarak ihtiyaç duyulmaktadır.
Dökme buzlu su içeriğinin ölçülmesine yönelik farklı yaklaşımlar vardır Bu cihazlar, farklı IWC aralıklarında ve farklı doğrulukta ölçüm yapar. IWC'nin kapsamlı bir anlayışını ve temsilini geliştirmek için bu veri kümeleri nasıl birleştirilmelidir?
Baskın sirrus kristal şekilleri nelerdir ve bunların saçılma özellikleri, iklim modellerinde ve sirrus bulutu mikrofiziksel özelliklerinin uydu tabanlı geri kazanımlarında güvenilir bir şekilde temsil ediliyor mu?
Küçük buz detektörü (SID) probları, sürüm SID-2 ve SID-3 veriler, hemen küçük bir saçaklı kristaller (<60 saçılması özelliklerini karakterize etmek için kullanılabilir μ , çevresel koşullara ve coğrafi yerle geniş bir şekillendirme m). Bu veri setlerinin analizi ile, buz kristallerinin saçılma özelliklerinin iklim modellerinde temsilini iyileştirmek ve buz bulutu özelliklerinin aktif ve pasif uydu uzaktan sensörlerinden geri kazanımlarını iyileştirmek mümkün olacaktır.
Cirrus kristal yüzey özellikleri - özellikle pürüzlülük - saçılma özelliklerini ve daha genel olarak cirrus'un ışıma özelliklerini nasıl etkiler?
Buz kristali pürüzlülüğüne veya düzensizliğine neden olan koşullar hala tam olarak anlaşılmamıştır. (1987) tarafından yapılan deneylerde süperdoyma yüzey pürüzlülüğünü kontrol eden ana parametrelerden biri olarak gösterilmiştir . Atmosferde Aerosol Etkileşimi ve Dinamikleri (AIDA) bulut odasında yapılan özel deneyler, en yüksek süperdoymanın artırılmasının pürüzlülüğün artmasına yol açtığını gösterdi ( 2016 ). Ayrıca, bu tekrarlanan büyüme / süblimasyon olaylarının ardından gözlemlendi ( 2014 ). Buz kristali yüzey pürüzlülüğüne yol açan süreçleri daha iyi anlamak için daha fazla laboratuvar deneyine açıkça ihtiyaç vardır.
Gelecekteki buz bulutu ölçümlerinde, örneklediğimiz uçakta buz parçacıkları üretme konusundaki endişeleri, örneğin uçakta üretilen buz parçacıklarıyla dikkate almamız gerekiyor. Ayrıca, hava taşıtı kontraillerinin bir sonucu olarak ölçümlerimizin kirlenmesini önlememiz gerekiyor, çünkü bunlar genellikle doğal sirrus bulutlarının oluştuğu ve geliştiği durumlarda üretilecek.