Den atmosfæriske temperatureffekten på Venus

Started by Okular, 12.06.2016, 16:54:59

Previous topic - Next topic

Okular

En temmelig grei måte å vise hvordan det er Venus-atmosfærens enorme masse som framtvinger planetens stekhete overflatetemperatur, og ikke innholdet av CO2 (96%), følger.

Venus er fullstendig dekket av tette, tette skylag, rundt 15 km dype til sammen; de ligger stabilt mellom rundt 50 og 65 km over overflaten. Toppen av Venus' troposfære ('tropopausen') er å finne i den øvre delen av disse skylagene, mellom 60 og 65 km opp, ved trykknivåer akkurat som ved jordas (og Saturns måne Titans) tropopause (200-100 mbar). Temperaturen ligger her temmelig jevnt over et flere kilometers dypt stykke av luftsøylen på mellom 230 og 233 Kelvin.

Nå har det seg slik at dette skylaget er så tett at det i praksis utgjør planeten Venus' utstrålingsoverflate til verdensrommet. Det vil si at mer eller mindre hele Venus' endelige strålingsfluks til verdensrommet, den som balanserer strålingsfluksen planeten absorberer fra sola, opprinner fra skylaget ved Venus' tropopause.

Venus' globale "skyoverflate" reflekterer ~75% av den innkommende strÃ¥lingsfluksen fra sola, noe som reduserer planetens faktisk absorberte solvarme til langt mindre enn jordas: (1361,7 W/m2 / (0,7233 AU)2) / 4 = 650,7 W/m2 ⇒ 650,7*(1â??0,75) = 162,7 W/m2. Denne er ekvivalenten til jordas 240 W/m2.

Mens jordas gjennomsnittlige OLR på 240 W/m2 tilsvarer strålingsfluksen fra overflaten til et sortlegeme som holder en temperatur på 255K, -18°C, så korresponderer Venus' midlere OLR på 163 W/m2 med en sortlegemetemperatur på ganske nøyaktig 231,5 W/m2, -41,5°C.

Som altså tilfeldigvis (?) også er temperaturen til de tette skylagene rundt Venus' tropopause (60-65 km over overflaten).

Hvis vi så ekstrapolerer den observerte lapsraten på Venus (~8K/km) fra dette nivået ned til selve overflaten får vi rundt 735K.

Men den eneste grunnen til at overflatetemperaturen slik blir så høy er altså at det emitterende skylaget ligger så forbasket mange kilometer opp. Hadde Venus-atmosfæren hatt mye mindre masse, si omtrent som jordatmosfæren, så ville ikke dette skylaget på noe som helst vis ha kunnet ligge 60-65 km over overflaten. Det ville trolig fortsatt ha ligget på samme trykknivå (200-100 mbar) og på samme temperatur (231,5K), men høyden over overflaten ville da mest sannsynlig (ideelt sett, i hvert fall, pga. lik atmosfærisk masse) ha vært lik jordas globale gjennomsnittlige tropopause: 12 km.

Med lapsraten beholdt ville da overflatetemperaturen ha ligget på [(12*8 )+231,5=] 327,5K. Men en så høy overflatetemperatur (54,5°C) hadde da kun skyldtes en forholdsvis bratt troposfærisk temperaturgradient samt en solfluks nesten dobbelt så sterk som ved jordas avstand fra sola.

Plasserte vi Venus i bane ved 1AU og reduserte lapsraten til 6,5K/km som på jorda, så ville resultatet bli et ganske annet ett. Planetens sortlegemetemperatur ville da ha vært 197 og ikke 231,5K, og et effektivt emitterende skylag 12 km oppe ved en temperatur på 197K med en troposfærisk lapsrate nedover på 6,5K/km ville gitt en snittemp ved overflaten på smått kjølige 275K (2°C).

Hvordan kan vi oppsummere dette?

  • Reduser Venus-atmosfærens masse til jordas.
  • Behold det emitterende skylaget ved samme atmosfæriske trykknivÃ¥ (200-100 mbar).
  • Behold det emitterende skylagets reflektivitet, ergo planetens globale albedo (0,75).
  • Reduser den troposfæriske lapsraten til jordas.
  • Flytt omløpsbanen til jordas avstand fra sola (1AU).
  • Gjennomsnittlig overflatetemperatur blir med dette vesentlig lavere enn pÃ¥ jorda. Selv med en atmosfære bestÃ¥ende av 96% CO2.
  • Hva er sÃ¥ igjen av Venus' svimlende "radiative drivhuseffekt"? Den er borte.

Ok, så hva er det da egentlig som foregår på Venus slik vi kjenner henne?

Jo, Venus-atmosfærens gigantiske MASSE tvinger simpelthen trykknivået for tropopausen (200-100 mbar), hvor det emitterende skylaget naturlig samler seg, bokstavelig talt 'skyhøyt' over overflaten, 4,5-5 ganger så høyt oppe som tilsvarende trykknivå på jorda. Og det er denne kjensgjerningen som gir den vanvittige temperaturen ved overflaten under ...

Okular

Det finnes i realiteten ingen "radiativ drivhuseffekt" på planeten Mars heller, selv om dennes atmosfære prosentvis inneholder omtrent like mye CO2 (95,3%) som Venus sin gjør. En så stor andel CO2 gjør at, trass i det faktum at Mars sin atmosfære er uhorvelig mye tynnere enn jordas, så er det faktisk slik at det finnes ~26 ganger så mange CO2-molekyler i hver eneste kubikkmeter med Mars-luft over overflaten som det gjør i en tilsvarende mengde med jord-luft. I absolutt mengde ...

- - -

På jorda hevdes det at det finnes en "Drivhuseffekt" som hever vår globale snittemp ved overflaten med rundt 33 grader over planetens effektive sortlegemetemperatur i verdensrommet, basert på gjennomsnittlig OLR v/ToA: 240 W/m2, som dynamisk balanserer input'en fra sola.

Jordas Te er altså 255K, mens vår Ts (overflatetemperatur) er 288K, ~33 grader varmere.

Dette skyldes ifølge hypotesen følgende mekanisme (Raymond T. Pierrehumbert):
QuoteAn atmospheric greenhouse gas enables a planet to radiate at a temperature lower than the ground's, if there is cold air aloft. It therefore causes the surface temperature in balance with a given amount of absorbed solar radiation to be higher than would be the case if the atmosphere were transparent to IR. Adding more greenhouse gas to the atmosphere makes higher, more tenuous, formerly transparent portions of the atmosphere opaque to IR and thus increases the difference between the ground temperature and the radiating temperature. The result, once the system comes into equilibrium, is surface warming.



Tanken er altsÃ¥: Fordi "drivhusgassene" i atmosfæren gjør den delvis ugjennomskinnelig (opak) for IR fra overflaten, sÃ¥ unnslipper ikke strÃ¥lingen direkte fra overflaten til verdensrommet, men fra nivÃ¥er i atmosfæren isteden, og siden atmosfæren (troposfæren, egentlig) blir kaldere jo høyere opp fra overflaten en kommer, sÃ¥ vil en mer ugjennomskinnelig atmosfære tvinge utstrÃ¥lingen til Ã¥ skje fra høyere og følgelig kaldere nivÃ¥er. Siden jorda i snitt like fullt mÃ¥ kvitte seg med like mye energi per tidsenhet som den absorberer fra sola (240 W/m2), sÃ¥ vil det si at den effektive utstrÃ¥lingshøyden, satt av atmosfærens IR-opasitet, fortsatt mÃ¥ holde 255K. Den naturlige troposfæriske temperaturgradienten og denne utstrÃ¥lingshøyden bestemmer sÃ¥ hva overflatetemperaturen mÃ¥ ligge pÃ¥ ved dynamisk likevekt. Ifølge hypotesen er det sÃ¥ den atmosfæriske "tilbakestrÃ¥lingen" som effektuerer denne temperaturhevingen. Men mÃ¥let (Ts ved "steady state") er bestemt av lapsraten (Γ) og av utstrÃ¥lingshøyden (Ze) og -temperaturen (Te):

Ts = Te + (Γ * Ze) → Ts = 255K + (6,5K/km * 5,1km) = ~288K

På Mars funker imidlertid ikke denne fremgangsmåten i det hele tatt.

Mars sin globale snitt-OLR v/ToA (altså dets planetære sortlegemeutstråling til verdensrommet) ligger på litt drøyt 112 W/m2*, noe som tilsvarer en effektiv sortlegemetemperatur på litt i underkant av 211K.

*TSI ved 1,523 AU: 586,6 W/m2; Mars' globale albedo: ~0,235 (estimert over flere år av TES og MCS).

Mars sin Te = 210,9 K.

Hva er så planetens Ts?

Vi har tre satellittinstrumenter som i tidenes løp har kartlagt termisk Mars sin globale overflate (og atmosfære): IRTM, TES og MCS*

*IRTM: "Infrared Thermal Mapper" ombord på Viking-orbiterne; TES: "Thermal Emission Spectrometer" ombord på Mars Global Surveyor; MCS: "Mars Climate Sounder" ombord på Mars Reconnaissance Orbiter.

Hva har de funnet?

Jo, en global snittemperatur ved overflaten på 201-203K.* Dette er dog såkalte "brightness temperature"-verdier, som antar en emissivitet lik 1. Mars sin reelle globale overflateemissivitet er lavere, sannsynligvis (ut fra observasjoner) på omkring 0,96, og slik vil den egentlige temperaturen ligge noe høyere: 203-205K.

Men dette er like fullt 6-8 grader LAVERE enn planetens effektive sortlegemetemperatur i verdensrommet (tilsvarende jordas 255K).

SÃ¥ pÃ¥ jorda har vi: Ts = 288K, Te = 255K → Ts > Te.
Men pÃ¥ Mars har vi: Ts = 204K, Te = 211K → Ts < Te.

Med andre ord: Hvor ble det av "Drivhuseffekten" på Mars!?

*To artikler kaster lys over dette. Først Fenton et al., 2007, som sammenlikner IRTM og TES, og deretter Bandfield et al., 2013, som sammenlikner TES og MCS.

De umiddelbart relevante tabeller og figurer er som følger:
Fenton et al., 2007: Tabell 1.
Bandfield et al., 2013: Tabell 2, Figur 6.


- - -

Ved tilfeller av planetomsluttende støvstormer på Mars varmes atmosfæren der opp (til ~45 kilometers høyde) med opptil 30-40 grader (!). Samtidig går den gjennomsnittlige overflatetemperaturen ned med 10-20* (forskjellen mellom max og min reduseres imidlertid kraftig).

*Fra Gurwell et al., 2007: "Mars surface and atmospheric temperature during the 2001 global dust storm.":
QuoteThe dramatic growth and evolution of the 2001 martian global dust storm were captured using the Submillimeter Wave Astronomy Satellite (SWAS). While the lower and middle atmosphere (pressures greater than 50 μbar, up to ~45 km altitude) showed rapid heating of up to 40 K, the average surface brightness temperature plummeted by ~20 K at the peak of the storm. The storm appears to have had little impact on the global temperature structure at altitudes above ~10 μbar (~60 km).

Når atmosfæren slik varmes opp ved at oppvirvlet sand og støv absorberer store ekstra mengder med innkommende sollys, er det videre naturlig å forvente at denne overskuddsenergien også stråles ut igjen isotropisk, altså i alle retninger, inkludert nedover mot overflaten, akkurat som man forventer at den atmosfæriske vanndampen, skyene, CO2en og aerosolene stråler ut sin varme på jorda. Så hvorfor fører ikke en kraftig oppvarmet atmosfære til at overflaten også blir varmere i snitt? Hvorfor blir overflaten isteden kaldere!?

Vel, hva observerer vi helt konkret? Spennet mellom maks- og minimumstemperaturer ved overflaten skrumper så definitivt inn. Og hva innebærer det? Jo, overflaten varmes tregere opp og kjøles tregere ned. Den varmes tregere opp fordi den absorberer mye mindre solvarme enn før - den blir rett og slett frarøvet en stor andel av solvarmen den normalt absorberer, men som nå enten reflekteres ut eller absorberes av den atmosfæriske støvstormen isteden. Den kjøles imidlertid også tregere ned rett og slett fordi atmosfæren er så mye varmere enn normalt; med klimavitenskapsspråk ville man faktisk kunne si at mye av dette skyldes "økt nedadrettet atmosfærisk stråling"; på termodynamisk ville man simpelthen si at overflatens "varmetap" (radiativt OG konvektivt) er redusert.

Det er altså to parallelle, motvirkende effekter som spiller inn her: tregere oppvarming (mindre varme INN) vs. tregere nedkjøling (mindre varme UT).

Akkurat det samme ser vi skje på jorda. Bare at her er det primært vanndamp og skyer som står for den ekstra atmosfæriske refleksjonen og absorpsjonen, ikke sand og støv som på Mars.

Men hva er det så som til syvende og sist blir resultatet begge steder? Overflatens snittemperatur, den går ned! Hvilket naturlig nok vil si at NETTOEN av de to effektene er nedkjøling, et fall i Ts. Den svekkede soloppvarmingen av overflaten er rett og slett en sterkere effekt enn den parallelle nedbremsingen av overflatens avkjølingstakt.

Og dette mønsteret tegner seg tydelig på jorda:
En fuktigere troposfære (mer vanndamp og skyer) gir lavere snittemp ved overflaten under enn det en tørrere troposfære (mindre vanndamp og skyer) gjør.

Om ønskelig, les gjerne mer om akkurat dette her:
The greenhouse effect that wasn't (Part 1)
The greenhouse effect that wasn't (Part 2)

Smiley

ironisk nok kan man se dette med egne øyne. Ta en titt på bilder av planetene og man ser tydelig Venus sin utstråling fra toppen av atmosfæren, Mars sin utstråling fra overflaten og jordens utstråling fra midten av atmosfæren.
Forskjellen mellom overflatetemperatur og Black Body temperatur er ingenting annet enn forskjellen mellom overflatetemperatur og det  visuelle albedoet sin høyde i en atmosfæren.