Table of Contents

Изменение климата стоит как одна из самых сложных задач современной эпохи, требующая глубокого понимания физических законов, управляющих нашей планетой. Среди них термодинамика обеспечивает существенную основу для анализа того, как энергия течет по системе Земли, управляя погодой, океанскими течениями и долгосрочными климатическими тенденциями. Без строгого применения термодинамических принципов климатические модели оставались бы неполными, а прогнозы о будущем потеплении не имели бы необходимой физической основы.

Роль термодинамики в науке о климате

Термодинамика, изучение тепла, работы и передачи энергии, является центральным в науке о климате, потому что климатическая система в основном является энергетической системой. Солнце поставляет почти всю энергию, которая управляет атмосферной и океанической циркуляцией. Как эта энергия поглощается, преобразуется, хранится и в конечном итоге излучается обратно в космос, определяет среднюю температуру Земли и стабильность климата. Термодинамические уравнения описывают эти процессы с математической точностью, позволяя ученым моделировать климатическую систему на масштабах от местной погоды до глобального климата.

Климатические модели — это численные представления системы Земли, которые решают термодинамические уравнения наряду с теми, которые для гидродинамики, химии и биологии. Эти модели разделяют планету на сетку клеток, каждая со своей собственной температурой, давлением, влажностью и другими переменными. На каждом этапе модель вычисляет энергетические обмены между соседними клетками, между поверхностью и атмосферой, а также между Землей и космосом. Этот подход позволяет исследователям спроецировать, как увеличение концентрации парниковых газов изменит глобальный энергетический баланс и приведет к повышению температуры.

Энергетический баланс и климатическое моделирование

Энергетический баланс Земли является отправной точкой для любой климатической модели. Входящее солнечное излучение (короткая волна) частично отражается облаками, аэрозолями и поверхностью и частично поглощается. Поглощаемая энергия нагревает планету, которая затем излучает инфракрасное (длинноволновое) излучение обратно в космос. Парниковые газы, такие как углекислый газ, метан и водяной пар, поглощают часть этого исходящего длинноволнового излучения и повторно излучают его во всех направлениях, включая обратно к поверхности. Этот процесс, известный как парниковый эффект, является прямым следствием термодинамических принципов, в частности взаимодействия между излучением и материей.

Климатические модели используют уравнения переноса излучения, полученные из термодинамики, для вычисления чистого потока энергии в каждой точке атмосферы. Эти уравнения учитывают спектры поглощения и излучения парниковых газов, рассеяние солнечного света аэрозолями и отражающие свойства облаков и льда. Решая уравнение энергетического баланса — где поглощенное коротковолновое излучение равняется чистому исходящему длинноволновому излучению при равновесии — модели могут определять температуру равновесия Земли. Когда концентрации парниковых газов повышаются, баланс нарушается, что приводит к энергетическому дисбалансу, который нагревает планету до тех пор, пока не будет установлено новое равновесие.

Концепция радиационного воздействия количественно определяет это нарушение. Радиационное воздействие - это изменение чистого потока энергии в верхней части атмосферы, вызванное климатическим драйвером, таким как увеличение CO2. Используя термодинамические принципы, ученые могут вычислить, что удвоение CO2 с доиндустриальных уровней вызывает немедленное радиационное воздействие около 3,7 W / m2 . Возможная реакция температуры - известная как равновесная чувствительность к климату - затем оценивается с использованием процессов обратной связи, которые также регулируются термодинамикой, такими как обратная связь водяного пара и обратная связь облака.

Процессы теплопередачи в климатической системе

Термодинамика выделяет три основных режима теплопередачи: проводимость, конвекция и излучение.Все три работают одновременно в климатической системе, и климатические модели должны представлять каждый с соответствующими параметризациями.

Проведение

Проводимость — это перенос тепла через прямой молекулярный контакт. В климатической системе проводимость происходит в первую очередь в почве, породе и льду. Это медленный процесс, но важный для хранения энергии в грунте. Например, сезонная волна температуры проникает в почву всего на несколько метров из-за низкой теплоотдачи земных материалов. Климатические модели включают компонент поверхности земли, который решает уравнение теплопроводности для имитации температуры земли и тепловых потоков в атмосферу.

конвекция

Конвекция является доминирующим механизмом теплопередачи в атмосфере и океанах. Она включает в себя вертикальное движение жидких посылок из-за различий плавучести, вызванных нагреванием или охлаждением. Когда Солнце нагревает поверхность, воздух вблизи земли становится теплее и менее плотным, поднимаясь и создавая восходящие потоки. По мере того, как воздух поднимается, он расширяется и охлаждается, потенциально конденсируя водяной пар в облака и выделяя скрытое тепло. Этот скрытый тепловой выброс дополнительно питает конвекцию, приводя в движение грозы, циклоны и глобальные циркуляционные клетки (Хэдли, Феррел, Полярный).

Климатические модели представляют собой конвекцию через параметризации, вычисляющие вертикальный перенос тепла, влаги и импульса. Наиболее продвинутые модели используют методы облачного разрешения, которые явно имитируют конвективные процессы, но даже они полагаются на термодинамические уравнения сохранения для обеспечения энергетической согласованности. Без точных конвекционных схем модели не могут воспроизвести наблюдаемое распределение осадков, силу тропических штормов или перенос тепла из тропиков к полюсам.

радиация

Излучение — это передача энергии через электромагнитные волны. Солнце излучает коротковолновое излучение, а Земля излучает длинноволновое излучение. Термодинамика управляет спектральным распределением излучения черного тела (закон Планка), общей мощностью испускаемого (закон Стефана-Больцмана) и длиной волны пикового излучения (закон смещения Вена). Эти законы непосредственно сообщают климатическим моделям: закон Стефана-Больцмана гласит, что исходящее длинноволновое излучение пропорционально четвертой мощности температуры поверхности, поэтому небольшое повышение температуры вызывает большое увеличение излучения. Эта обратная связь помогает стабилизировать климат, но также подразумевает, что более теплые океаны будут излучать больше энергии, потенциально компенсируя некоторое потепление от парниковых газов.

Модели радиационного переноса, используемые в климатических симуляциях, решают уравнение радиационного переноса для нескольких спектральных полос, учитывая поглощение и рассеяние газами, аэрозолями и облаками. Обработка облаков особенно сложна, потому что их радиационные свойства зависят от размера капель, содержания жидкой воды и высоты, на все из которых влияет термодинамика. Ошибки в радиационном воздействии облаков являются основным источником неопределенности в оценках чувствительности климата.

Термодинамические законы, применяемые к климату

Три закона термодинамики обеспечивают фундаментальные ограничения для всех климатических процессов.

Первый закон термодинамики в климате

Первый закон гласит, что энергия сохраняется. В климатической системе это означает, что общая энергия (внутренняя, кинетическая, потенциальная и латентная) должна учитываться. Климатические модели реализуют первый закон, вычисляя энергетический бюджет в каждой точке сетки: изменение внутренней энергии равно чистому добавленному теплу минус проделанная работа. Это уравнение решается для температуры, которая питается обратно в излучение, конвекцию и динамику модели. Первый закон также объясняет, почему содержание тепла в океане является критической климатической метрикой - океаны хранят более 90% дополнительной энергии, захваченной парниковыми газами, замедляя скорость потепления атмосферы, но обязывая планету к долгосрочному повышению уровня моря.

Второй закон термодинамики и энтропии

Второй закон гласит, что энтропия — мера беспорядка — всегда увеличивается в изолированной системе. В системе Земли, которая открыта для солнечной энергии, но закрыта для материи, второй закон регулирует направление потоков энергии и эффективность тепловых двигателей. Атмосфера и океаны действуют как тепловые двигатели, преобразуя тепловую энергию в кинетическую энергию для управления ветрами и течениями. Максимальная возможная эффективность этих двигателей определяется циклом Карно, который зависит от разницы температур между теплым источником (тропиками) и холодным поглотителем (полями). По мере нагревания планеты градиент температуры экватора к полюсу может изменяться, изменяя эффективность глобального теплового двигателя и влияя на штормовые пути и струйные потоки.

Энтропия также имеет последствия для предсказуемости климата. Турбулентное смешивание и хаотическое поведение в атмосфере являются проявлениями второго закона; они устанавливают фундаментальные ограничения на то, насколько заранее можно прогнозировать погоду. Климатические модели должны параметризировать процессы субсетевого масштаба, такие как турбулентность, конвекция и волновое разрушение, таким образом, чтобы уважать второй закон, гарантируя, что производство энтропии согласуется с реальной физикой.

Латентное тепло и фазовые изменения

Фазовые изменения воды — испарение, конденсация, сублимация, замораживание и плавление — включают большое количество скрытого тепла. Термодинамика описывает энтальпию этих переходов. Например, испаряющаяся вода требует около 2260 Дж/г энергии, которая поглощается из окружающей среды, охлаждая поверхность. Когда водяной пар конденсируется в облаках, он выделяет то же скрытое тепло, нагревая атмосферу. Этот скрытый тепловой выброс является основным источником энергии для ураганов, гроз и циклонов средней широты. Климатические модели должны точно имитировать гидрологический цикл, включая термодинамику фазовых изменений, для прогнозирования моделей осадков, облачного покрова и интенсивности штормов.

Применение термодинамики в прогнозировании климата

Термодинамические принципы интегрированы во все аспекты прогнозирования климата, от краткосрочных прогнозов погоды до прогнозов климата в масштабе века.

Предсказание экстремальных погодных явлений

Тепловые волны, засухи и сильные осадки напрямую связаны с термодинамическими ограничениями. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона, полученное из термодинамики, утверждает, что давление насыщения паров воды увеличивается экспоненциально с температурой - около 7% на градус Цельсия. Это означает, что более теплая атмосфера может удерживать больше влаги, что приводит к более интенсивным осадкам, когда происходят штормы. Климатические модели используют эту связь для прогнозирования увеличения экстремальных осадков в будущих сценариях потепления. Аналогичным образом, частота и интенсивность тепловых волн регулируются термодинамическим балансом между поверхностным нагревом, конвекцией и адвекцией. Модели, которые захватывают эти процессы, могут имитировать наблюдаемое увеличение экстремальных температур и приписывать их антропогенным выбросам парниковых газов.

Повышение уровня моря и потепление океана

Термодинамика объясняет два основных фактора, способствующих повышению уровня моря: тепловое расширение морской воды и таяние сухопутного льда. По мере нагревания океана его объем увеличивается из-за коэффициента теплового расширения морской воды. Климатические модели интегрируют поглощение тепла с поверхности вниз через водную колонну с помощью термодинамических уравнений, прогнозируя, что тепловое расширение будет составлять около одной трети будущего повышения уровня моря. Ледяной лист и модели ледников также полагаются на термодинамику для имитации таяния, базального скольжения и отела. Температурное таяние шельфовых ледников, которые плавают в океане, может ускорить поток заземленного льда в море, что является основным источником неопределенности в долгосрочных прогнозах.

Долгосрочные климатические тенденции и обратные связи

Чувствительность климата — количество потепления от удвоения CO2 — в значительной степени определяется процессами обратной связи, которые являются термодинамическими по своей природе. Положительные обратные связи усиливают потепление: обратная связь водяного пара (теплый воздух содержит больше водяного пара, который является парниковым газом), обратная связь ледяного альбедо (плавление льда снижает отражательную способность, вызывая большее поглощение солнечной энергии) и обратная связь с облаком (чистый эффект облаков остается неопределенным, но является основным направлением исследований). Отрицательные обратные связи, такие как увеличение исходящего длинноволнового излучения от более теплой поверхности (обратная связь Планка), частично компенсируют потепление. Климатические модели используют подробные представления этих обратных связей, все укорененные в термодинамике, чтобы произвести диапазон равновесных оценок чувствительности климата между 1,5 ° C и 4,5 ° C. Усужение этого диапазона является критической целью для науки о климате.

Проблемы термодинамического моделирования климата

Несмотря на прочную теоретическую основу, моделирование термодинамики климатической системы представляет собой огромные проблемы.

Нелинейность и хаос

Уравнения, описывающие движение жидкости и термодинамику, нелинейны, что означает, что небольшие изменения в начальных условиях могут привести к совершенно разным результатам — хорошо известному эффекту бабочки. Этот хаос устанавливает фундаментальные ограничения на предсказуемость, особенно для погоды, превышающей примерно две недели. Климатические модели менее чувствительны к начальным условиям, чем погодные модели, потому что они в среднем по многим хаотическим колебаниям, но нелинейности все еще производят внутреннюю изменчивость, которая может затуманить вынужденные тенденции. Характеризация этой изменчивости требует длительных симуляций и больших ансамблей, которые являются вычислительно дорогостоящими.

Представление субсетевых процессов

Климатические модели имеют конечное пространственное разрешение (обычно 25-100 км для глобальных моделей). Многие важные термодинамические процессы — конвекция, облачная микрофизика, турбулентность, смешивание пограничных слоев — происходят в масштабах, намного меньших, чем ячейка сетки. Они должны быть представлены через параметризации, которые приближают их чистый эффект. Параметризации — это упрощения, которые вносят неопределенность. Например, способ, которым модель представляет образование кристаллов льда в высоких облаках, значительно влияет на его обратную связь с облаком и, следовательно, его чувствительность к климату. Улучшение этих параметризаций — это активная область исследований, которая опирается на моделирование с высоким разрешением и данные наблюдений.

Связь океан-атмосфера и теплотранспорт

Океан и атмосфера обмениваются теплом, влагой и импульсом по поверхности моря. Эта связь включает термодинамические процессы, такие как испарение, разумный теплообмен и радиационный обмен. Океанские течения переносят огромное количество тепла из тропиков в более высокие широты, влияя на атмосферную циркуляцию и климат. Климатические модели соединяют общую модель циркуляции океана (OGCM) с моделью общей циркуляции атмосферы (AGCM), с термодинамическими потоками, рассчитанными на каждом этапе. Ошибки в этих потоках - особенно в регионах сильной конвекции или образования морского льда - могут привести к смещениям температуры поверхности моря и моделей осадков.

Вычислительные ограничения

Запуск полной модели системы Земли с высоким разрешением и сложной термодинамикой чрезвычайно требователен к вычислительным задачам. Одно столетнее моделирование может потребовать миллионы процессорных часов на суперкомпьютере. Это ограничивает количество симуляций, которые могут быть выполнены, и скорость, с которой могут быть протестированы улучшения. Исследователи часто используют упрощенные модели, такие как модели энергетического баланса (которые перегоняют термодинамику в несколько уравнений), для быстрого изучения сценариев, но им не хватает деталей, необходимых для региональных прогнозов.

Будущие направления в термодинамическом климатическом моделировании

Достижения в области вычислительной мощности, данных наблюдений и теоретического понимания приводят к улучшению того, как термодинамика включена в климатические модели.

Модели с высоким разрешением и разрешенными конвекцией

Одним из перспективных направлений является увеличение разрешения модели до точки, где глубокая конвекция может быть явно смоделирована, а не параметризирована. Модели с пропускной способностью сетки 1-4 км теперь возможны для региональных областей и начинают использоваться для глобального моделирования. Эти модели непосредственно решают термодинамические уравнения для конвекции, устраняя многие неопределенности, связанные с параметризацией. Ранние результаты показывают улучшенное представление экстремальных осадков и тропических циклонов.

Машинное обучение и термодинамические параметризации

Методы машинного обучения используются для разработки более точных и вычислительно эффективных параметризаций термодинамических процессов. Обучая нейронные сети на выходе модели высокого разрешения или наблюдательных данных, исследователи могут создавать эмуляторы, которые фиксируют нелинейное поведение конвекции, облачной микрофизики и турбулентности. Эти изученные параметризации могут быть встроены в климатические модели с грубым разрешением, потенциально уменьшая предубеждения при сохранении скорости.

Лучшее представление аэрозольной термодинамики

Аэрозоли — крошечные частицы в атмосфере — влияют на климат, рассеивая и поглощая излучение и действуя как ядра конденсации облаков. Их термодинамические свойства, такие как гигроскопический рост и фазовые переходы, имеют решающее значение для расчета их радиационного воздействия и косвенного воздействия на облака. Новые модели явно имитируют химическую и термодинамическую эволюцию аэрозольных популяций, что приводит к более реалистичным прогнозам того, как изменения выбросов (например, сульфат от электростанций) будут влиять на климат.

Наблюдения со спутников и данные в ситу

Спутниковые миссии, такие как система наблюдения Земли НАСА, обеспечивают глобальные измерения излучения, температуры, влажности и свойств облаков, которые необходимы для проверки термодинамических моделей. Интеграция этих наблюдений в модели посредством ассимиляции данных улучшает начальные условия и помогает выявить слабые места в термодинамических параметризациях. Например, сравнение моделируемого исходящего длинноволнового излучения со спутниковыми наблюдениями может выявить предубеждения в способе обработки моделей водяным паром и облаками.

Заключение

Термодинамика — это не просто поддерживающая концепция в науке о климате; это центральная физическая структура, которая управляет потоком и преобразованием энергии в системе Земли. От поглощения солнечной радиации до высвобождения скрытого тепла в штормах, от теплового расширения океанов до петлей обратной связи, которые усиливают или ослабляют потепление, термодинамические принципы лежат в основе каждого крупного процесса, который стремятся смоделировать климатические модели. Точность климатических прогнозов — от которых зависят миллиарды долларов в адаптациях и решениях по смягчению последствий — зависит от того, насколько хорошо эти модели захватывают фундаментальные законы тепла и энергии. В то время как проблемы остаются в представлении небольших процессов и снижении неопределенности, продолжающиеся достижения в вычислительной мощности, наблюдательных сетях и теоретическом понимании неуклонно улучшают термодинамическую точность климатических моделей. Результатом является растущая уверенность в нашей способности предсказать траекторию потепления планеты и информировать о срочных действиях, необходимых для управления его последствиями.