Klimaatterugkoppelings. Inleiding

Transcriptie

1 Klimaatterugkoppelings LWR324 Inleiding Daar is baie terugkoppelingsmeganismes Besit die potensiaal om die globale klimaat te beïnvloed in reaksie op een of ander aanvanklike stralingsforsering Kan die respons op ʼn gegewe klimaatsforsering versterk of teenwerk Funksioneer binne en tussen al die komponente van die klimaatstelsel Affekteer onsekerhede rondom klimaatprojeksies ernstig Sommige terugkoppelingsmeganismes steeds onbekend 1

2 Sisteem Funksionering Funksionering geskied op die volgende beginsels: Stimulus (inset) Verwerking in die sisteem Respons (uitset) Sisteme beskik oor sekere beherendeof regulerende eienskappewat neig om in-en uitvoere na en van die sisteem op so ʼn vlak te hou dat daar ʼn toestand van dinamiese ewewiggehandhaaf word tussen die sisteem en omgewing Dinamiese Ewewig & Homeostatiese Vermoë ʼn Sisteem wat normaalweg selfregulerend van aard is, het sekere homeostatiese grensewaarbinne funksionering optimaal geskied Negatiewe terugkoppeling neig om fluktuasies wat hierdie grense oorskry en dus die dinamiese ewewig versteur, teen te werk Positiewe terugkoppelingvind plaas wanneer die homeostatiese drumpel oorskry word, d.w.s. die vermoë van die sisteem om na normaal terug te keer word oorskry en die degradering van die sisteem vind teen ʼn steeds versnellende tempo plaas 2

3 Negatiewe Terugkoppeling Die reguleringsmeganisme verhoed dat daar nie van die ideale toestand of normaal afgewyk word nie Voorbeelde: Gem globale T Verdamping Wolkvorming Gem globale T Weerkaatsing van sonstraling terwyl oppervlak absorpsie Bokke keer terug Weiding verbeter Bokgetalle neem toe Bokke trek weg Weiding verswak Positiewe Terugkoppeling Die reguleringsmeganisme neig om die sisteem toenemend van die ideale toestand te verwyder Voorbeelde: Beesgetalle neem toe Gem globale T Plantdekking neem af Weiding verswak Sneeu & ys bedekking Weerkaatsing van sonstraling Absorpsie Erosie Oorbeweiding vernietig grasdekking 3

4 Tipes Klimaatterugkoppelings Terugkoppelings wat hoofsaaklik die grootte van die klimaatsverandering affekteer Wolk, waterdamp en vervaltempo terugkoppelings Ys albedo terugkoppeling Biogeochemiese terugkoppelings en die koolstofsiklus Atmosferiese chemiese terugkoppelings Terugkoppelings wat hoofsaaklik die blywende uitwerking van klimaat affekteer Oseaan hitte-opname en sirkulasie terugkoppelings Terugkoppelings wat hoofsaaklik die patroon van klimaatsverandering affekteer Land hidrologie en plantegroei terugkoppelings Natuurlike modes van klimaatsisteem veranderlikheid Sirkulasie terugkoppelings, bv. veranderinge in die Golfstroom Waterdamp Terugkoppelings Waterdamp is ʼn kragtige kweekhuisgas Direkte vrystelling deur menslike aktiwiteite dra weinig by tot stralingsforsering Soos wat globale gemiddelde temperature egter toeneem, neem troposferiese waterdampkonsentrasies ook toe Dit verteenwoordig ʼn belangrike positiewe terugkoppeling (nie ʼn forsering van klimaatsverandering nie) Waterdamp veranderings verteenwoordig die grootste terugkoppelingwat ewewig klimaatsensitiwiteit affekteer (AR4, 2007) Enige toename in die hoeveelheid van ʼn kweekhuisgas in die atmosfeer, sal die vrystelling van uitgaande langgolfstraling (ULS) verlaag indien die temperatuur van die atmosfeer en oppervlak konstant gehou sou word 4

5 Waterdamp Terugkoppelings Die klimaat bereik ʼn nuwe ewewig deur op te warm totdat die ULS genoegsaam toeneem om die inkomende sonstraling te balanseer Toevoeging van kweekhuisgasse affekteer die ULS hoofsaaklik omdat die troposferiese temperatuur afneem met hoogte Met ʼn vasgestelde temperatuurprofiel sal toenemende konsentrasies kweekhuisgasse die hoër dele van die atmosfeer meer ondeurlaatbaar maak vir stralingsopwelling van benede en derhalwe die straling vervang met ULS vanaf kouer streke Vasstelling van die nuwe ewewig word gekompliseer deur die feit dat waterdamp self ʼn kragtige kweekhuisgas is en die hoeveelheid en verspreiding van waterdamp oor die algemeen sal verander soos wat die klimaat verander Waterdamp Terugkoppelings Die atmosferiese waterdamp inhoud reageer op veranderinge in temperatuur, mikrofisiese prosesse en die atmosferiese sirkulasie Die maksimum hoeveelheid waterdamp wat lug kan bevat, neem skerp toe met temperatuur (Clausius-Clapeyron verhouding) Dit affekteer alle aspekte van die hidrologiese siklus Anders as CO 2, varieer waterdampkonsentrasies aansienlik in beide die vertikaal en horisontaal ʼn Toename in waterdamp verlaag die ULS slegs indien dit voorkom by ʼn hoogte waar die temperatuur laer is as die oppervlaktemperatuur Die impak neem skerp toe soos wat hierdie temperatuurverskil toeneem 5

6 Waterdamp Terugkoppelings Indien waterdamp by sulke (kouer) gebiede toeneem, sal die ekstra afname in ULS vereis dat die nuwe ewewig warmer sal wees as wanneer waterdamp inhoud konstant gebly het Die grenslaag verkry sy vog direk vanaf oppervlakverdamping ʼn Sterk verwantskap bestaan tussen totale kolom waterdamp (presipiteerbare water) en oppervlak en troposferiese temperature Omrede die grenslaagtemperatuur deur die oppervlak-temperatuur benader kan word, is grenslaag waterdamp nie van direkte belang vir waterdamp terugkoppeling nie Waterdamp Terugkoppelings Helfte van die atmosferiese waterdamp word onder 850 hpa aangetref, so waarnemings van totale kolom waterinhoud het beperkte bruikbaarheid in die begrip van waterdamp terugkoppeling Waterdamp word na die vrye troposfeer gebring deur ʼn verskeidenheid van vermenging- en vervoerprosesse Waterdamp terugkoppeling word bepaal deur die gemiddelde uitwerking van veranderinge in die vervoer en in die tempo waarteen water verwyder word By benadering verdubbel waterdamp terugkoppeling die opwarming van wat dit sou wees vir konstante waterdamp Verder neig waterdamp terugkoppeling om ander terugkoppelings in modelle te versterk (bv. wolk terugkoppeling en ys albedo terugkoppeling) 6

7 Waterdamp Terugkoppelings Indien wolk terugkoppeling sterk positief is, kan waterdamp terugkoppeling lei tot 3.5 keer soveel opwarming as wat die geval sou wees indien waterdamp konsentrasies konstant gehou sou word Die relatiewe sensitiwiteit van ULS tot waterdamp veranderinge by verskeie plekke is afhanklik van hoe die waterdamp profiel versteur word Die sensitiwiteit word ook geaffekteer deur wolk stralingseffekte, wat neig om die invloed van sub-wolk waterdamp op ULS te verdoesel ULS is amper eenvormig sensitief vir waterdamp versteurings reg deur die trope Rofweg 55% van die totaal is a.g.v. die vrye troposfeer in die trope (30 N tot 30 S) met 35% vanuit die buite-trope Waterdamp Terugkoppelings Deur polêre versterking van opwarming in ag te neem, neem die verhouding van waterdamp terugkoppeling wat aan buitetrope toegeskryf kan word aansienlik toe Van die tropiese bydrae, is omtrent twee derdes, of 35% van die globale totaal, te wyte aan die boonste helfte ban die troposfeer, van 100 tot 500 hpa Die grenslaag self verteenwoordig slegs 10% van die waterdamp terugkoppeling wêreldwyd Simulasies wat wolk-stralingseffekte in ʼn dubbel CO 2 eksperiment inkorporeer, het maksimum sensitiwiteit vir waterdamp veranderinge in die 400 tot 700 hpa laag gelewer Die vrye troposfeer is grotendeels onversadig ten opsigte van water, sodat plaaslike waterhouvermoë nie die beperkende faktor is wat atmosferiese waterdamp bepaal nie 7

8 Waterdamp Terugkoppelings Daar word geskat dat, sonder veranderinge in die relatiewe area van konvektiewe en droë streke, mag ʼn skuiwing van waterdamp na laer vlakke in die droë streke, op die uiterste, lei tot ʼn halvering van die huidig geskatte waterdamp terugkoppeling Dit kan egter nie verander in ʼn negatiewe, stabiliserende terugkoppeling nie ʼn Positiewe korrelasie bestaan tussen waterdamp, kweekhuiseffek en see-oppervlak temperature (SSTs) oor alle seisoenale tydskale vir die hele trope Wolk Terugkoppelings Wolk terugkoppelings bly die grootste bron van onsekerheid (AR4, 2007) Wolke kom voor in streke met hoë relatiewe humiditeit, en wolkprosesse beïnvloed op hul beurt weer die vogverspreiding Wolke affekteer ULS op dieselfde wyse as ʼn kweekhuisgas Wolke se netto uitwerking op die stralingsbalans word gekompliseer deur die feit dat wolke ook inkomende sonstraling reflekteer Wolke kan beide... sonstraling absorbeer en reflekteer (waardeur die oppervlak afgekoelsal word); en langgolfstraling absorbeer en uitstraal (waardeur die oppervlak opgewarm sal word) 8

9 Wolk Terugkoppelings Die effek wat vir enige spesifieke wolk sal domineer hang af van: die wolk temperatuur (en derhalwe die wolk hoogte); en die gedetaileerde optiese eienskappe (daardie eienskappe wat die refleksie van sonstraling en die interaksie met termiese straling bepaal) Laasgenoemde hang af van of die wolk uit water of ys bestaan, van die vloeibare of vaste waterinhoud (dikte) en die gemiddelde grootte van die wolkdeeltjies Die stralingseienskappe van wolke is afhanklik van die evolusie van atmosferiese waterdamp, waterdruppels, yspartikels en atmosferiese deeltjies (aërosols) Hierdie wolkprosesse is baie belangrik om stralings-, en derhalwe ook temperatuurverandering, in modelle te bereken Wolk Terugkoppelings Alhoewel hul verteenwoordiging in modelle grootliks verbeter het, mag die addisionele kompleksiteit verklaar waarom aansienlike onsekerhede nog bestaan; dit verteenwoordig ʼn noemenswaardige bron van moontlike foute in klimaat simulasies Die waardegebied in geskatte klimaatgevoeligheid van 1.5 tot 4.5 C vir ʼn CO 2 verdubbeling word grootliks bepaal deur die interaksie van model waterdamp terugkoppelings met die variasies in wolkgedrag tussen bestaande modelle Wolke affekteer straling beide deur hul 3D geometrie en die hoeveelheid, grootte en aard van die hidrometeore wat hul bevat In klimaatmodelle word hierdie eienskappe omgeskakel in wolkdekking op verskillende vlakke, wolk waterinhoud (vir vloeibare water en ys) en wolkdruppel (of -kristal) ekwivalente radius 9

10 Wolk Terugkoppelings Skeepsnaslepe: voorbeeld van wolkdruppel grootteverspreiding se impak op weerkaatsing Wolk Terugkoppelings Die interaksie tussen wolke en straling betrek ook ander parameters (asimmetrie faktor van die Mie-verstrooiing) wat afhang van die wolk samestelling, en meer so van hul fasetoestand (water vs. ys) Die delikate balans tussen wolke se impak op kortgolfstraling en langgolf aardstraling mag gewysig word deur ʼn verandering in enige van hierdie parameters In reaksie op enige klimaatversteuring lei wolke tot terugkoppelings waarvan die teken en amplitude grootliks onseker is In die algemeen, vir lae wolke domineer die weerkaatsingseffek sodat hul neig om die Aard-atmosfeer stelsel af te koel In die algemeen, vir hoë wolke domineer die kweekhuiseffek en hul neig om die stelsel op te warm 10

11 Wolk Terugkoppelings Wanneer wolke vorm word latente hitte vrygestel tydens die kondensasieproses, wat ʼn sentrale rol speel in baie atmosferiese sirkulasies Konveksie is ʼn primêre metode waarop vog vertikaal vervoer word, wat impliseer dat konveksie ʼn rol speel in die stralingsterugkoppeling a.g.v. die waterdamp in wolke Konveksie bepaal ook tot ʼn groot mate die vertikale temperatuurverval van die atmosfeer, en meer so in die trope ʼn Sterk afname in temperatuur met hoogte versterk die kweekhuiseffek, waarteen ʼn swakker temperatuurverval dit teenwerk Oppervlak Albedo Terugkoppelings Veranderinge in oppervlak ys-en sneeudekking is ʼn bekende terugkoppeling tot kweekhuis verwante verwarming Sneeu en ys reflekteer meer sonstraling as oop water, kaal grond of grond wat met plante bedek is Gevolglik word verwag dat ʼn warmer wordende hoë breedtegraad troposfeer see-ys dekking aansienlik sal verlaag, en om vroeër seisoenale smelting van sneeu en die terugtrekking van gletsers teweeg sal bring Daar word geskat dat dit kweekhuis geïnduseerde verwarming globaal positiefmet 10 20% sal versterk Dit kan ʼn 2 tot 4-voudige versterking veroorsaak in polêre oseane en langs see-ys grense 11

12 Oppervlak Albedo Terugkoppelings Hoof onsekerhede in die modellering van die ys albedo terugkoppeling hou verband met die onderskeid tussen: die albedo van vars en ou sneeu; die identifisering van albedo uitwerkings van dik teenoor dun see-ys; en die nabootsing van die sterk invloed van oseaan sirkulasie op sneeu en see-ys dekking Verder kan wolkdekking albedo veranderinge veroorsaak wat geassosieer word met ʼn toename of afname in sneeu en seeys ʼn Toename in neerslag by hoë breedtegrade kan sneeudekking verhoog selfs as opwarming voorkom Soortgelyk kan sneeu albedo veranderinge oor bebosde gebiede gedeeltelik verskans word Oppervlak Albedo Terugkoppelings ʼn Selfs meer gekompliseerde terugkoppeling in oppervlak albedo en oppervlakvloede word gekoppel aan veranderinge in plantegroeidekking Indien die tundra-boreale woudgrens poolwaarts sou skuif a.g.v. ʼn warm wordende planeet, sal dit ʼn afname in die albedo veroorsaak en ʼn positiewe terugkoppeling verteenwoordig Aan die ander hand, indien woestyne in subtropiese streke sou toeneem a.g.v. laer reënval, sal dit ʼn negatiewe terugkoppelingseffek hê Op soortgelyke wyse is dit moontlik dat verhoogde CO 2 konsentrasies mag dien as ʼn kunsstof en lei tot verhoogde biomassa dekking wat weer tot ʼn afname in albedo en tot ʼn positiewe terugkoppeling aanleiding sal gee Die toename in biomassa sal egter ʼn groter atmosferiese verwyderingsmeganisme van koolstof verskaf, ten minste totdat die nuwe biomassa ontbind 12

13 Oppervlak Albedo Terugkoppelings Oseaan-Sirkulasie Terugkoppelings Oseane speel ʼn groot rol in die vasstelling van die huidige klimaat van die Aarde Oseane werk op drie belangrike wyses op die klimaat in: 1) Noue interaksies tussen die oseaan en die atmosfeer Reageer as ʼn sterk-gekoppelde stelsel Verdamping vanaf die oseaan verskaf hoofbron van atmosferiese waterdamp Vrystelling van latente hitte grootste bron van hitte vir atmosfeer Winde dryf oseaansirkulasie 2) Besit ʼn groot hitte-kapasiteit vergeleke met die atmosfeer In vergelyking is die hele hittekapasiteit van die atmosfeer ekwivalent aan 3m water Oseane sal stadiger opwarm as die atmosfeer Oseane neig om die uiterstes in atmosferiese temperatuur te verminder 13

14 Oseaan-Sirkulasie Terugkoppelings 3) Oseaan-sirkulasie versprei hitte regdeur die klimaatstelsel Totale hoeveelheid hitte is soortgelyk aan dit wat deur die atmosfeer vervoer word, maar streeksverspreiding verskil Klein veranderinge in streek hittevervoer deur die oseane kan groot implikasies hê vir klimaatsverandering Enige akkurate simulasie van moontlike klimaatsverandering (veral van streeksveranderinge) moet derhalwe ʼn beskrywing van die oseaanstruktuur en dinamika insluit Biogeochemiese Terugkoppelings Opwarming verlaag die land en oseaan se opname van atmosferiese CO 2 Dit verhoog die breukdeel antropogeniesevrystellings wat in die atmosfeer agterbly Hierdie positiewekoolstofsiklus terugkoppeling lei tot groter atmosferiese CO 2 toenames en groter klimaatsverandering vir ʼn gegewe vrystellingscenario Die sterkte van die terugkoppeling varieer aansienliktussen modelle Terugkoppeling te wyte aan die vrystelling van koolstof van ekosisteme a.g.v. veranderende klimaatstoestande Afsterwing van hoë-koolstof ekosisteme (bv. die Amasone) a.g.v. veranderinge in streeksreënvalpatrone word deur sommige modelle voorspel (nog nie waargeneem nie) 14

15 Biogeochemiese Terugkoppelings Versnelde ontbinding van grond organiese materiaal in gematigde woude en grasvelde a.g.v. temperatuur en reënvalveranderinge CO 2 -geïnduseerde bevordering van ontbinding deur mycorrhizae Ontdooiing van ysgrond (permafrost) in boreale (noordelike) streke, wat lei tot die vrystelling van metaan (ʼn kragtige kweekhuisgas) en CO 2 van grond organiese materiaal Biogeochemiese Terugkoppelings 15

16 Biogeochemiese Terugkoppelings 16