A CO2-növekedés hosszúhullámú spektrális sugárzásra
A CO2-növekedés hosszúhullámú spektrális sugárzásra gyakorolt hatásának közvetlen megfigyelési bizonyítékai az űrből: a nagy spektrális felbontású mérések egyedülálló szerepe
Bemutatjuk a megnövekedett légköri CO2-nak a Föld hosszúhullámú sugárzásának az űrből kapott spektrumára gyakorolt hatásának közvetlen mérését. A tanulmány célja, hogy kísérletileg megerősítse, hogy a CO2-növekedés közvetlen hatása a Föld kimenő hosszúhullámú sugárzásának spektrumára követi az elméleti becsléseket, olyan módszertan kidolgozásával, amely lehetővé teszi az elmélet és a megfigyelések közvetlen és pontosabb összehasonlítását. Ebben a módszertanban a hőmérséklet és a vízgőz megfigyelt légköri függőleges profiljainak olyan kiválasztott együtteseit keressük, amelyek értékei a lehető legközelebb állnak egymáshoz. A kiválasztott profilegyütteseknek megfelelő, az űrből az Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) által mért spektrális sugárzások elemzésével a megnövekedett CO2 spektrumra gyakorolt hatása elkülöníthető a hőmérséklet és a vízgőz hatásaitól. Az eredmények szemléltetik a CO2-növekedés hatását a hosszúhullámú spektrumokra, és jól összehasonlíthatók az elméleti becslésekkel. A szerzők tudomása szerint ez az első alkalom, hogy a CO2-növekedés spektrális jellegzetességét (a hőmérséklet és a vízgőz változásától elkülönítve) közvetlenül megfigyelték az űrből.
1 Bevezetés
Amint azt Archer és Pierrehumbert (2011) kiváló történeti összeállítása, valamint az abban található alapvető hivatkozások világosan tárgyalják, évtizedek óta ismert, hogy a légköri üvegházhatású gázok, például a CO2 növekedése lényegében a légkör felső részén a hosszúhullámú sugárzási energiaáramlás megváltozása révén globális felmelegedéshez vezethet. Miközben az elmúlt évtizedekben figyelemre méltó előrelépés történt az éghajlatváltozás fizikájának laboratóriumi, elméleti, modellezési és előrejelzési vizsgálataiban, a CO2-nak a Föld kimenő hosszúhullámú spektrumára gyakorolt közvetlen (a hőmérséklet és a vízgőz változásától független) hatásának kísérleti megerősítése az űrből mindeddig elmaradt. Jelen tanulmány célja, hogy kísérletileg megerősítse, hogy a CO2-növekedés közvetlen hatásai a Föld kimenő hosszúhullámú spektrumára követik az elméleti becsléseket, olyan módszertan kidolgozásával, amely lehetővé teszi az elmélet és a megfigyelések közvetlen és pontosabb összehasonlítását.
Kiehl (1983) megvitatta a hosszúhullámú sugárzás spektrálisan felbontott műholdas méréseinek felhasználási lehetőségét az éghajlatváltozás hosszúhullámú spektrumokra gyakorolt hatásának kimutatására és jellemzésére, és szimulálta a tiszta égbolt spektrumainak a CO2 és a hőmérséklet növekedése miatti változásait. Ezt az úttörő modellezési tanulmányt más, az éghajlatváltozás spektrális szignatúrájára összpontosító modellezési tanulmányok követték.
Az a tény, hogy a megnövekedett CO2-nak a hosszúhullámú spektrumokra gyakorolt közvetlen hatásairól az űrből történő mérések közismerten nehezen voltak elérhetőek, összefügg a hosszúhullámú sugárzások nagy spektrális felbontású megfigyeléseinek a 21. század eleje előtti ritkaságával, valamint a CO2, a hőmérséklet és a vízgőz spektrális sugárzásokra gyakorolt hatásainak szétválasztása jelentette kihívással. Míg a CO2, a hőmérséklet, a vízgőz és más gázok együttes változásának spektrális hatásairól már publikáltak méréseket, addig a CO2 közvetlen hatásait önmagában nehéz volt pontosan ábrázolni.
Harries és munkatársai (2001) például úttörő tanulmányukban kiszámítják a spektrális különbségeket két infravörös műszer között, amelyek közül az egyiket az 1970-es, a másikat az 1990-es években indították. A két különböző műszer közötti spektrális különbségek pontos becslésének nehézségei ellenére Harries és munkatársai (2001) képesek felismerni és modellszimulációk segítségével a spektrális különbségek egy részét az üvegházhatású gázok, például a CO2 változásához rendelni. Nem kísérlik meg azonban a pusztán a CO2-nak tulajdonítható hatások szétválasztását a megfigyelési adatokban szereplő hőmérséklet- és vízgőzváltozásoktól.
De Longueville és munkatársai (2021) egy nemrégiben készült tanulmányukban szemléltetik a CO2 megnövekedett elnyelését az infravörös légköri szondázó interferométer (IASI) spektrumában 2008 és 2017 között, bár nem különítik el azt a hőmérséklet és a vízgőz együttes hatásaitól. Strow és DeSouza-Machado (2020) és Huang et al. (2022) közelmúltbeli tanulmányai részletesen vizsgálják az Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) műszer sugárzási trendjeit az elmúlt néhány évben, és kiemelik az AIRS sugárzási rekordjának figyelemre méltó stabilitását, miközben a hőmérséklet, a vízgőz, a CO2 és más gázok szerepét is tárgyalják az AIRS sugárzások jellegének keretezésében. Ezeket a hatásokat azonban csak modellezési/elméleti megközelítések segítségével különítik el. Ezek a tanulmányok nem kísérlik meg a CO2 (vagy más gázok) hatásának a hőmérséklet és a vízgőz hatását közvetlenül a megfigyelési adatokból leválasztani.
A jelen tanulmányban új módszert javasolunk a CO2-növekedés hosszúhullámú spektrális sugárzásokra gyakorolt hatásának közvetlenebb mérésére, oly módon, hogy közvetlenebb és pontosabb összehasonlítást tesz lehetővé az elméletileg levezetett sugárzásokkal. E megközelítés célja a CO2 hatásának elkülönítése a hőmérséklet és a vízgőz hatásaitól. Ezt úgy érjük el, hogy olyan légköri hőmérséklet- és vízgőzprofilokat keresünk, amelyek a lehető legközelebb állnak egymáshoz (ezeket nevezzük analógoknak), de amelyek CO2-koncentrációja jelentősen eltér. Az ezen analógoknak megfelelő spektrális sugárzások mérése az űrből lehetővé teszi, hogy megfelelő körülmények között a CO2-nak a sugárzásokra gyakorolt egyedi hatását a kulcsfontosságú spektrális tartományokban kellő pontossággal és precizitással észleljük. Ebben a munkában konkrétan 1000 hőmérséklet- és vízgőz-referenciaprofil kerül kiválasztásra, és olyan analóg profilokat keresünk, amelyek egy meghatározott bizonytalansági tartományon belül közel állnak a referenciaprofilokhoz.
2 Megfigyelési adatok
A spektrális hosszúhullámú sugárzásokat az Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) méri, a légköri hőmérséklet és vízgőz profiljai, valamint a felhő tulajdonságai pedig az Aqua AIRS és AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) műszercsomag adataiból, valamint más adathalmazokból származnak (lásd A függelék).
3 Eredmények
A 2003. júliusi 1000 hőmérséklet- és vízgőz-referenciaprofilból véletlenszerűen választottunk ki egy sorozatot, bár a következő megkötéseknek engedelmeskedve: ezek a profilok a trópusi/szubtrópusi óceánok (30° S és 30° N között) felett helyezkednek el, 10 %-nál kisebb felhőborítottsággal és 298 és 302 K közötti tengerfelszíni hőmérsékleti tartományon belül.
Mindegyik 1000 referenciaprofil esetében olyan analóg profilokat keresünk, amelyek a hőmérséklet esetében 1,4 K, a vízgőz esetében pedig 1,4 g kg-1 abszolút értékhatáron belül vannak bármely függőleges szinten (a megfelelő referenciaprofilokhoz képest). A keresés a 2003 és 2012 közötti időszakot öleli fel, de minden évben csak a június-július-augusztusi időszakra (JJA) terjed ki. Ezek az analóg profilok szintén a trópusi/szubtrópusi óceánok felett és (majdnem) tiszta égbolton (10 %-nál kisebb felhőborítottság) helyezkednek el, és az analóg SST-különbségek is 1,4 K-n belül vannak.
A CO2-növekedésnek a megfigyelt spektrális sugárzásokra gyakorolt hatásának becsléséhez kiszámítják az egyes analógok helyszínén és időpontjában megfigyelt sugárzások és a megfelelő referenciaprofil helyszínén és időpontjában megfigyelt sugárzások közötti különbségeket. Ezeket a különbségeket (amelyek különböző referenciaprofiloknak és különböző éveknek felelnek meg 2003 és 2012 között) összesítjük, hogy megbecsüljük az éves átlagos különbség becsült értékét. A különböző években mért és így különböző mennyiségű CO2-t tükröző spektrális sugárzások közötti különbségeket összehasonlítjuk a CO2 sugárzási hatásának elméleti becsléseivel. Az egyik legfontosabb feltételezés (amelyet alább tárgyalunk) az, hogy az egyes referenciaállapotoknak megfelelő éves átlagos spektrális sugárzási különbségek (első rendben) nem érzékenyek magára a referenciaállapotra a kiválasztott referenciaprofilok esetében.
Az elméleti értékek becsléséhez a referencia hőmérséklet- és vízgőzprofiloknak megfelelő spektrális sugárzásokat a CO2-koncentráció különböző értékeivel szimuláltuk, amelyek a Nemzeti Óceán- és Légkörkutató Hivatal (NOAA) Mauna Loa állomásán mért átlagos növekedést tükrözik 2003 és 2012 között. A kCARTA forward modellt használják a spektrális sugárzások szimulálására, és az AIRS spektrális válaszfüggvényeivel konvolválva kapják meg az AIRS elméleti sugárzásait.
1. ábra Elméleti spektrális sugárzási különbségek (mW m-2 sr-1 (cm-1)-1-ben) a CO2 éves átlagos növekedése miatt a 2003 és 2012 közötti időszakban (piros vonal), valamint az 1000 szintetikus hőmérséklet- és vízgőzprofil és a referenciaprofil közötti elméleti átlagos sugárzási különbségek. Három konkrét vonal látható: az egyik az összes 1000 szintetikus sugárzási értéket tartalmazza (narancssárga vonal), a másik kettő pedig olyan vonalakat, amelyekben a 0,5 mW m-2 sr-1 (cm-1)-1 (zöld vonal) vagy 1 mW m-2 sr-1 (cm-1)-1 (kék vonal) értéknél nagyobb sugárzási különbségek kiszűrésre kerültek.
Az analógok kereséséhez használt hőmérsékleti és vízgőz küszöbértékekhez kapcsolódó bizonytalanságok vizsgálatához elvégezzük e bizonytalanságok előzetes elméleti vizsgálatát: egy referenciaprofil-pár (hőmérséklet és vízgőz) felhasználásával 1000 szintetikus hőmérsékleti és vízgőz analógot hozunk létre egy nulla átlag és 0 standard eltérés által meghatározott normális eloszlásból való húzással. 5 K és 0,5 g kg-1 (amelyek közel állnak az 1000 megfigyelt referenciaprofilnak megfelelő megfigyelt hőmérséklet- és vízgőzanalógok alapján becsült értékekhez), azzal a megkötéssel, hogy az abszolút különbségértékek egyik szinten sem lehetnek nagyobbak, mint az 1,4 K és 1,4 g kg-1 küszöbértékek. Mindegyik 1000 szintetikus analóg profilpárra kiszámítjuk az elméleti spektrális sugárzási értékeket, és ezeket az elméleti értékeket használjuk a hőmérsékleti és vízgőz küszöbértékek spektrális sugárzási értékekre gyakorolt hatásának becslésére.
Az 1. ábra összehasonlítja a CO2 éves átlagos növekedése miatti elméleti spektrális sugárzási különbséget (az adott referenciaprofilra) ebben az időszakban az 1000 (szintetikus) analóg és a referenciaprofil közötti átlagos spektrális különbségekkel. Három konkrét vonal látható ebben az összefüggésben: egy, amely az összes 1000 szintetikus spektrális sugárzást tartalmazza, és két további, amelyben a 0,5 vagy 1 mW m-2 sr-1 (cm-1)-1-nél nagyobb sugárzási különbségek kiszűrésre kerültek. Az ábra a 680-780 cm-1 közötti spektrális tartományra összpontosít, ahol a CO2-hatás hangsúlyosabb (lásd alább).
A 680 és 720 cm-1 közötti spektrális tartományban a hőmérséklet és a vízgőz bizonytalanságából eredő spektrális sugárzási különbségek sokkal kisebbek, mint a kizárólag a CO2-növekedésből eredő spektrális sugárzási különbségek, minden analóg különbségvonal esetében. A 720 és 750 cm-1 körüli tartományban, bár az analóg vonalak bizonyos régiókban kezdenek eltérni egymástól, értékeik még mindig kisebbek, mint a CO2-különbségek. A 750 cm-1 körüli értékeknél, ahol a CO2 hatása csökken, míg a vízgőz hatása dominánssá válik, az analóg különbségvonalak nagyságrendileg megegyeznek a CO2-különbségvonalakkal - bár a 0,5 mW m-2 sr-1 (cm-1)-1 szűrőértékkel számított analóg különbségértékek bizonyos spektrumtartományokban egyértelműen kisebbek, mint a CO2-különbségek. Tekintettel e hőmérsékleti és vízgőz bizonytalanságoknak a spektrális sugárzásokra gyakorolt látszólag kis hatására bizonyos kulcsfontosságú spektrális régiókban, ezek az eredmények bizonyos fokú bizalmat biztosítanak a módszertan iránt.
A 2. ábra az AIRS-megfigyelések és az elméleti értékek CO2-növekedés miatti spektrális sugárzások éves átlagos különbségeit mutatja, a megfigyelések szórásával együtt. Ez az ábra a 680-780 cm-1 spektrális tartományra összpontosít, amely a 15 µm-es CO2-sáv R ágát képviseli, és olyan spektrális tartomány, ahol a CO2-jel különösen jelentős. Ebben a spektrumtartományban a troposzférán belüli fokozott abszorpció, ahol a hőmérséklet a magassággal csökken, a kimenő sugárzás csökkenéséhez vezet. Tágabb éghajlati szempontból a kimenő sugárzás csökkenése áll a globális felszíni hőmérséklet növekedése mögött, amely szükséges ahhoz, hogy az általános éghajlati rendszer helyreállítsa az energiaegyensúlyt a légkör tetején, és mint ilyen, ez a globális felmelegedés kritikus összetevője. Ebben az időszakban a Mauna Loán mért havi átlagos CO2-molfrakció átlagosan körülbelül 2 ppm/év-1 -el nőtt (lásd az A. függeléket).
2. ábra A CO2-növekedés miatti éves átlagos sugárzási különbségek (mW m-2 sr-1 (cm-1)-1-ben) az AIRS-megfigyelések (kék vonal) és az elmélet (piros vonal) alapján, valamint az AIRS-megfigyelések standard eltérései (kék árnyékolás) a leírt módszertan szerint, és a CO2-növekedés közvetlen hatását a spektrális sugárzásokra a 2003-2012 közötti időszakban (a részleteket lásd a szövegben). -5 és 5° közötti pásztázási szögű megfigyelések alapján.
Az elméleti éves átlagos különbségek és a hozzájuk tartozó standard eltérések kiszámítása az 1000 referenciaprofil alapján történik. Ezeket a standard eltéréseket nem mutatjuk be, mert olyan kicsik, hogy az ábrán szinte észrevehetetlenek lennének. A referenciaállapotokra való elméleti érzékenység látszólagos hiánya alátámasztja a fent említett fő feltételezést, miszerint az egyes referenciaállapotoknak megfelelő éves átlagos spektrális sugárzási különbségek (első rendben) nem különösebben érzékenyek a referenciaállapotokra a referenciaprofilok e meghatározott csoportján belül.
A 2. ábra szemlélteti, hogy az új módszertan az elmélethez közeli, megfigyelt sugárzási különbségekhez vezet. Némi zaj és néhány spektrális tartományban tapasztalható kis negatív torzítás ellenére az elmélet és a megfigyelések között jó az összhang, a megfigyelések pedig szorosan követik a CO2-emelkedés elméleti hatását. Feltűnő, hogy még a 750-780 cm-1 spektrális tartományban is, ahol a vízgőz nagy szerepet játszik, és ahol az 1. ábra és a standard eltérések alapján nagyobb bizonytalanságok várhatóak, a 2. ábrán látható megfigyelések jó pontossággal megfelelnek az elméletnek.
A megfigyelések különböző szempontokra való érzékenységét elemeztük. Különösen a 2. ábrán látható megfigyelések a nadírtól -5 és 5° közötti megfigyelt pásztázási szögeknek felelnek meg (lásd az A. függeléket), és az elméleti sugárzásokat a nadírnál becsültük. A kiugró értékek eltávolítása és a referenciaállapotokhoz minél közelebb álló analógok kiválasztása érdekében kiszűrtük azokat az analógokat, amelyek abszolút sugárzási különbsége a referenciaállapotokhoz képest nagyobb, mint 0,5 mW m-2 sr-1 (cm-1)-1 . Összességében a 2. ábrán látható megfigyelt spektrális sugárzások körülbelül 250 analógnak felelnek meg. A -10 és 10° közötti pásztázási szögekkel és 1 mW m-2 sr-1 (cm-1)-1 értékű kiugró szűrővel kapott eredmények nem mutatnak jelentős különbségeket, ami a módszer robusztusságát hangsúlyozza.
A CO2 térbeli és időbeli változékonysága miatt az egyes referenciaállapotok és a megfelelő analógok CO2-értékeinek pontos ismeretének hiánya bizonytalanságot eredményez az elméleti sugárzási becslésekben. E bizonytalanság előzetes elemzése (nem látható) azt mutatja, hogy a megfigyelések egyes torzításokkal jellemezhető régiókban még mindig az elméleti szórás tartományán belül lehetnek, ha a CO2 bizonytalanságait kifejezetten figyelembe vesszük. Valójában az Orbiting Carbon Observatory-2 adatainak felhasználásával ez az elemzés a 700 és 740 cm-1 közötti tartományban több csatornán is 0,025 mW m-2 sr-1 (cm-1)-1 nagyságrendű elméleti standard eltérésekhez vezet. Ez arra utal, hogy a megfigyelési torzítások egy része legalábbis részben a CO2 bizonytalanságokkal függhet össze. A sugárzásátviteli modell kis torzításai is állhatnak a különbségek egy része mögött. E munka természetes folytatása lenne egy részletesebb, e két kritikus szempontra összpontosító bizonytalansági vizsgálat.
4 Következtetések
Bemutatjuk a megnövekedett légköri CO2-nak a Föld hosszúhullámú sugárzásának az űrből kapott spektrumára gyakorolt hatásának közvetlen mérését. A megközelítés egy új módszertant foglal magában a CO2-nak a megfigyelt hosszúhullámú spektrális sugárzásra gyakorolt hatásának a hőmérséklet és a vízgőz hatásaitól való függetlenítésére oly módon, hogy közvetlen és pontosabb összehasonlítást tesz lehetővé a CO2 sugárzásra gyakorolt hatásának elméleti becsléseivel. Az ezzel a módszerrel kapott megfigyelések jól összehasonlíthatók a CO2-nak a Föld hosszúhullámú spektrumára gyakorolt közvetlen sugárzási hatására vonatkozó elméleti becslésekkel. A jövőben e módszertan változatai felhasználhatók az éghajlati rendszer különböző fizikai és kémiai tulajdonságainak megfigyelési sugárzási hatásának elkülönítésére, és így a Föld sugárzási kényszerének és az éghajlati visszacsatolásoknak a jobb megfigyelési ábrázolására.
Az AIRS műszer stabilitását úgy határozták meg, hogy körülbelül 1 nagyságrenddel kisebb (jobb), mint az éghajlat időbeli jele ebben a spektrális régióban (Strow és DeSouza-Machado, 2020), ami nagyfokú bizalmat biztosít a bemutatott eredményekhez. Ez a munka azt is szemlélteti, hogy az űrből végzett pontos és stabil hiperspektrális infravörös megfigyelések milyen egyedülálló és kritikus szerepet játszanak az alapvető éghajlatfizikai kérdések megválaszolásában. Ez az új módszertan kétségtelenül finomítható, bizonytalanságai pedig jobban jellemezhetők és megérthetők, hogy pontosságát és precizitását egyértelműbben megállapíthassuk.
A szerzők tudomása szerint azonban ez a tanulmány az első kísérlet a CO2 hosszúhullámú spektrális sugárzásra gyakorolt közvetlen hatásának pontosabb kísérleti megerősítésére az űrből. Az eredmények (kizárólag megfigyeléseken alapuló) megerősítik, hogy a közelmúltbeli légköri CO2-növekedésnek a hosszúhullámú spektrális sugárzásokra gyakorolt hatása követi az elméleti becsléseket. Mint ilyenek, ezek az eredmények megerősítik a globális felmelegedés tudományának egyik kritikus alapját.