Az óceánok kaloriméterként való felhasználása

Az óceánok kaloriméterként való felhasználása a napsugárzási kényszer számszerűsítésére

[1] A 11 éves napciklus során a teljes napsugárzás (TSI) kis változásai kis változásokat eredményeznek a globális energiaháztartásban. Felmerült azonban, hogy különböző mechanizmusok felerősíthetik a naptevékenység változásait, és így nagy éghajlati hatásokat eredményezhetnek, amely lehetőség még mindig vita tárgyát képezi. Ezt szem előtt tartva, az óceánokat kaloriméterként használjuk a napciklushoz kapcsolódó sugárzási kényszer-változások mérésére. 

Ezt három független adatfelvétel vizsgálatával érjük el: 

- az óceánokba áramló nettó hőáramlás 5 évtizeden keresztül, 

- a 20. században az árapálymérők adatai alapján mért tengerszint-változás mértéke, 

- valamint a tengerfelszín hőmérsékletének változása. 

Mindegyik feljegyzésből következetesen ugyanarra az óceáni hőáramlásra lehet következtetni. Azt találjuk, hogy a napciklusok változásaihoz kapcsolódó teljes sugárzási kényszer körülbelül 5-7-szer nagyobb, mint csak a TSI változásaihoz kapcsolódó, ami egy erősítő mechanizmus szükségszerű létezésére utal, bár nem mutat rá, hogy melyikre.

1. Bevezetés 

[2] A 11 éves napciklus alatt a nagyjából 1366 W/m2 -es "napállandó" körülbelül 1 W/m2 -rel változik, ami 0,17 W/m2 -nek felel meg a 240 W/m2 -es globális átlagon felül a nem visszavert komponens 240 W/m2 -nek. Ez nagyon kis hozzájárulás a nettó sugárzási kényszerhez. Ennek ellenére léteznek különböző, a naptevékenységgel szinkronizált éghajlati változások, akár a napciklus alatt, akár hosszabb időskálán. 

[3] Két lehetőség, vagy ezek kombinációja magyarázhatja a megfigyelt nagy éghajlati változásokat. Az éghajlati rendszer egyszerűen csak nagyon érzékeny lehet a sugárzási kényszer bármilyen változására. Egy 0,6°C/(W/m2) érzékenység 11 éves jelek esetén (vagy az egyensúlyi érzékenység többszöröse) lehetővé tenné, hogy a kis TSI-változások megmagyarázzák a megfigyelt hőmérséklet-változásokat. Alternatív megoldásként a nagy nem termikus naptevékenység-változásokat a napsugárzástól független mechanizmus is felerősítheti. Ilyen például az UV-re való hiperérzékenység és a napszél által modulált kozmikus sugárzási fluxus (CRF). A sugárzási költségvetés tényleges változásainak mérése nyilvánvalóan érdekesnek bizonyulna, és igazolná vagy cáfolná egy közvetett mechanizmus létezését.

[4] Elméleti elemzéssel kezdünk, amely összekapcsolja az általunk használt különböző adatsorokat, az óceánok hőtartalmát, a tengerszint változásának mértékét és a tengerfelszín hőmérsékletét. Ezután a nap által vezérelt kvázi évtizedes óceáni hőtartalom-változások rekonstruálásával folytatjuk, vagy közvetlenül a hőtartalom-adatsorból, vagy közvetve a másik két adatsorból. Más szóval, az óceánokat kaloriméterként használjuk a napciklushoz kapcsolódó sugárzási egyensúlytalanság mérésére. Ez az egyensúlytalanság nagynak fog bizonyulni, ami arra utal, hogy szükségszerűen egy nagy erősítő mechanizmus működik. 

2. Elméleti és empirikus összefüggések 

[5] Fő célunk a naptevékenységhez kapcsolódó sugárzási kényszer meghatározása az óceánokba be- és az óceánokból minden napciklusban kiáramló fluxus becslésén keresztül. Három különböző adatsort használunk: Az óceánok hőtartalma (OHC), a tengerfelszíni hőmérséklet (SST) és a tengerszint változásának mértéke (SLR). Mivel csak az első adatkészletből adható ki közvetlenül a hőáram (a hőtartalom időbeli deriváltja révén), szükségünk van némi elméleti megértésre ahhoz, hogy a másik két adatkészletet hőárammá alakítsuk. A 2.1. szakaszban modellalapú elméleti kapcsolatot vezetünk le az OHC és a SST között, míg a 2.2. szakaszban empirikus kapcsolatot találunk az SLR és az OHC között.

6. Összegzés

[57] A jelen munka egyértelműen bizonyítja, hogy az óceáni hőtartalomban a 11 éves napciklussal együtt nagymértékű változások vannak. Három független adatsor következetesen azt mutatja, hogy az óceánok nagyságrendekkel több hőt nyelnek el és bocsátanak ki, mint amennyit csak a teljes napsugárzás változása alapján várni lehetne. 

[58] Durván szólva a nagy fluxusra három alternatív magyarázat létezik. Mint látni fogjuk, valójában csak az első életképes: 

[59] 1. A jól észlelt és dokumentált hőtartalom-változásokra az az egyenes magyarázat, hogy az óceánokba időszakosan bejutó nagy mennyiségű hő egyszerűen az energiaháztartás valós változásait tükrözi, olyan áramlást, amely nem része semmilyen belső visszacsatolási mechanizmusnak, legyen az óceáni vagy légköri. Ha például a felhőtakaró mennyiségét közvetlenül befolyásolja a naptevékenység (függetlenül attól, hogy milyen légköri visszacsatolásban játszanak szerepet), akkor ez olyan íriszként szolgálna, amely időszakosan nagy mennyiségű hő be- vagy kilépését teszi lehetővé az éghajlati rendszerbe. Vagyis ez egy kívülről vezérelt "szelep".

[60] 2. Alternatívaként elképzelhető, hogy a fluxus nem "külső", hanem az éghajlati rendszer belső visszacsatolásainak eredménye. Nevezetesen, a TSI-változások az óceánokba jutó fluxus egy kis hányadának forrása, míg a fluxus többi része a tengerfelszín hőmérséklete és az éghajlati rendszer közötti csatolásból ered. A magasabb tengerfelszíni hőmérséklet például több vízgőzt eredményez a légkörben, amely üvegházhatású gázként visszasugározza a hőt az óceánokba, ami erős pozitív visszacsatolást eredményez. 

[61] Numerikusan a megfigyelt SST-változásokból ∼0,1°C, vagy λ ∼ 10 (W/m2)/°C visszacsatolási paraméterből számolva 1 W/m2 nagyságrendű visszacsatolási fluxusra van szükségünk. Azonban az összes ismert visszacsatolás, minden bizonytalanságukkal együtt, egyensúlyban jellemzően -1 és 2 (W/m2)/°C között van. Vagyis körülbelül egy nagyságrenddel túl kicsik ahhoz, hogy megmagyarázzák a hőáramlást.

[62] Ráadásul nem csak, hogy nincs ismert visszacsatolás, de nem is összeegyeztethető a 2.1. szakasz elméleti eredményeivel. A nagy légköri visszacsatolás nagy λa,eff-nek felel meg. A λa,eff-nek azonban van egy felső határa. Ahogy megközelíti a λo ∼ 3(W/m2)/°C-ot (a szürke test óceánjára), a λ értéke eltűnik, ami azt jelenti, hogy az éghajlati érzékenység eltér. A negatív λ olyan éghajlati rendszert eredményez, amely feltétel nélkül instabil. Más szóval, a szükséges nagy visszacsatolás egyszerűen instabillá teszi az éghajlati rendszert, ami nem így van. 

[63] Egy másik lehetőség a 3. ábra segítségével. Bármilyen lehetséges κ diffúziós képesség vagy bármilyen λ érzékenység esetén a qtop,0 és az SST-változás közötti aránynak van egy kb. 8(W/m2)/°C-os alsó határa. Ez azt jelenti, hogy nincs olyan légköri visszacsatolás, amely az SST-re hatna, és amely a TSI 0,17 W/m2 -es, csekély mértékű változásából megmagyarázná a 0,1°C-os SST-változást.

[64] A harmadik lehetőség az, hogy az óceánokba jutó látszólag nagy mennyiségű energia valójában fiktív. Ez akkor merülhet fel, ha a kis TSI-változások egy dekadikus oszcillációs módot gerjesztenek. Vagyis egy olyan módusz gerjesztődik, amely tízszer annyi energiát tartalmaz, mint amennyit a TSI szolgáltat, úgy, hogy a módusz termikus komponense látszólag a szolgáltatott energiánál jóval nagyobb faktorral változna. Ez természetesen akkor következik be, ha egy nagy Q-értékű oszcillátort a rezonanciája közelében gerjesztünk. Megjegyzendő, hogy az óceáni oszcillációs módusok létezése ismert. Például a Rossby- és Kelvin-hullámok összekapcsolódásával járó módusok gyönyörűen magyarázzák például az ENSO különböző aspektusait. Itt két alesetre gondolhatunk:

[65] 1. Az első esetben azt várnánk, hogy a móduszban lévő energia a megfigyelt hőtartalom és az óceánokban lévő más típusú energia között oszcillál, ahol a módusz csillapítását a kis TSI-változások pótolják. Ezáltal a hőtartalom nagy ingadozásoknak tűnne, miközben csak kis energiát szolgáltat. Ez az értelmezés azonban könnyen kizárható. Ennek oka, hogy nincs más energiaforma, amely részt vehetne az oszcillációban, és amely észrevétlen maradt volna, mivel úgy tűnik, hogy csak a felső 100 m vesz részt a módusban. A néhány × 1022 J-hez például több m/s sebességre lenne szükség, ha az energia kinetikus, vagy több méteres magassági ingadozásra, ha az energia gravitációs. Más szóval, az óceánokba irányuló megfigyelt áramlás valós - ennek az energiának minden ciklusban be kell jutnia az óceánokba és ki kell jutnia onnan.

[66] 2. A második eset az, hogy a kis TSI-változások egy óceáni módust gerjesztenek, amely összekapcsolódik a légkörrel, és időszakosan változó hőáramot enged be az óceánokba. Itt a hőáram valós, de nagy része nem a TSI-változásokból származik. Ehelyett egy pozitív légköri visszacsatolásból származik, amely az óceáni oszcillációval van összekapcsolva, ami lehetővé teszi, hogy több sugárzás nyelődjön el, amíg a hőmérséklet magasabb. Ez hasonló a fenti második lehetőséghez, azzal a különbséggel, hogy mi kifejezetten azt feltételezzük, hogy a visszacsatolás a dekadikus módushoz van kapcsolva, és egyensúlyi állapotban nem lesz jelen. Ezzel elkerülhető a λ negatív visszacsatolás és az ebből következő instabilitás korlátozása. Az éghajlati rendszer ugyanis instabil lehet egy dekadálishoz hasonló, azaz önmagát gerjesztő, de a TSI külső kényszerítő hatására hangolt módushoz.

[67] Ezzel az értelmezéssel három fő probléma van. Először is, a megfigyelt fázisok ellentmondásosak. Úgy tűnik, hogy a hőáram és a tengerszint változásának mértéke szinkronban van a naptevékenység változásaival (pl. 6. ábra). Másrészt, bármilyen légköri reakció érzéketlen lenne az óceánokba jutó fluxusra, és ehelyett az SST-től függne, amely úgy tűnik, hogy 30°-50°-kal elmarad a naptevékenységtől (ahogy azt a félig végtelen közegbe való diffúzióból várnánk, amely 45°-ot jósol). További, jellemzően 90°-os késéssel kell számolni, mivel egy rezonanciához közeli módust gerjesztünk. Így egy ilyen forgatókönyvben azt várnánk, hogy a fluxus elmarad az erőltetéshez képest, az SST pedig mindkettőhöz képest, de ez nem figyelhető meg.

[68] Másodszor, a részletektől függetlenül, az óceáni módusz hatásai által történő bármilyen erősítés olyan SST-változásokat eredményezne, amelyek a különböző medencékben eltérőek (pl. az ENSO sajátmódusza elsősorban a Csendes-óceánra korlátozódik). Úgy tűnik azonban, hogy a dekádos oszcillációk meglehetősen hasonlóak a különböző medencékben, amint az a hőtartalom-változásokból (4. ábra), illetve a dekádos SST-változások földrajzi eloszlásából is látható. 

[69] Bár elméleti súlya nincs, érdekes megjegyezni, hogy ilyen módus nem ismert, illetve numerikus szimulációkból nem derül ki.

[70] Ebből arra következtetünk, hogy a látszólagos óceáni fluxusváltozásoknak egy külső kényszer nagy mennyiségű hőjének kell lenniük, amely periodikusan belép és távozik az óceánokból anélkül, hogy a légkör vagy egy belső óceáni módus felerősítené. Ez azt jelenti, hogy a Nap a TSI-változásoktól eltérő mechanizmuson keresztül befolyásolja az éghajlatot. 

[71] A nagy hőáramlások egyik lehetséges mechanizmusa a CRF moduláció. A CRF, amely fordítottan követi a naptevékenység változásait, a troposzféra ionizációjának domináns forrása. Bár az elképzelésnek számos előnye és hátránya van, a jelenlegi támogató bizonyítékok száma folyamatosan növekszik, bár nem mentesül heves kritikáktól. Ide tartoznak a CRF-változások és a felhőtakaró közötti korrelációk, a nem napfényes CRF-változások és a hőmérséklet közötti korrelációk geológiai időskálákon, valamint kísérleti eredmények, amelyek szerint a kis kondenzációs magok (CN) képződését szűk keresztmetszetként hathat a légköri ionok számsűrűsége. Azt azonban még nem sikerült bizonyítani, hogy a kis CN-ek képződési sebessége fontos tényező a felhőkondenzációhoz szükséges nagy felhőkondenzációs magok (CCN) teljes termelési sebességének meghatározásában.

[72] Egy másik érdekes dolog, amit meg kell jegyezni, hogy a napciklusok által kiváltott alacsony magasságú felhőtakaró változása, amely feltehetően az óceánok feletti CRF-modulációból ered (ahol a CCN-ek valószínűleg szűk keresztmetszetet jelentenek), olyan sugárzási egyensúlytalanságot eredményez, amely az elmúlt két ciklusban becslések szerint 1,1 ± 0,3 W/m2 nagyságrendű volt. A TSI-változásokkal együtt azt találjuk, hogy a felhő + TSI-változások aránya a napállandó változásához képest a következő: 

A (21) egyenlettel való összehasonlítás után arra a következtetésre juthatunk, hogy az óceánokba áramló hőáram összhangban van az alacsony magasságú felhők látszólagos változásaival. 

[73] Összefoglalva, egyértelmű bizonyítékot találunk arra, hogy a napciklusra válaszul az óceánokba jutó teljes hőáram körülbelül egy nagyságrenddel nagyobb, mint a globálisan átlagolt besugárzási sűrűség 0,17 W/m2 -es változása. A hőáram puszta mérete, valamint az, hogy nincs fáziskésés a hőáram és a hajtóerő között, azt sugallja, hogy ez nem lehet része egy légköri visszacsatolásnak, és nagyon valószínűtlen, hogy egy légkör-óceán kapcsolt oszcillációs mód része. Ezért a globális sugárzási kényszer valódi változásainak megnyilvánulása kell, hogy legyen.

[74] Hangsúlyozni kell, hogy az óceáni hőáram és a naptevékenység között megfigyelt korreláció nem bizonyítja semmilyen konkrét erősítési mechanizmus, beleértve a CRF és az éghajlat közötti kapcsolatot. Nagyon erős támogatást nyújt azonban annak az elképzelésnek az alátámasztására, hogy létezik egy erősítő mechanizmus. Mivel a CRF/klíma kapcsolat előrejelzi a felhőtakaró változásaiban megfigyelt helyes sugárzási egyensúlytalanságot, ez kedvező jelölt.

[75] Az éghajlati dinamika szimulációját illetően az eredményeknek két nagyon érdekes következménye van. Először is, arra utalnak, hogy a történelmi hőmérséklet-változások magyarázatára tett minden kísérletnek figyelembe kell vennie, hogy a napkényszer-változások majdnem egy nagyságrenddel nagyobbak, mint a most szinte kizárólagosan használt TSI-változások. Ez azt jelentené, hogy a történelmi hőmérséklet-változások magyarázatához szükséges éghajlati érzékenység kisebb, mint amire gyakran következtetnek.

[76] Másodszor, egy további megkötés használható a GCM-ek modellparamétereinek szűkítésére. A GCM-nek a napciklushoz hasonló periodikus kényszerítés esetén azt kell megjósolnia, hogy az óceáni hőáram és a tengerfelszín hőmérsékletének változása közötti arány megegyezik a megfigyeltel, azaz a tengerfelszín hőmérsékletének minden 0,09 ± 0,01°C-os változására (vagy valamivel nagyobb szárazföldi hőmérséklet-változásra) 1,05 ± 0,25 W/m2 nettó óceáni hőáram jut. Ez hasznosnak bizonyulhat a GCM-alapú előrejelzések, például az éghajlati érzékenység előrejelzésének korlátozásában.

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2007JA012989