Áhrif breytinga í sólinni á hitastig jarðar með augum verkfræðinga…

Fylgni hitastigs og sólvirkni er furðu mikil.

Fylgni hitastigs og sólvirkni er furðu mikil.

 D R Ö G   Í   V I N N S L U

Upphaflega 21. nóvember 2014
Síðast breytt 20 ágúst 2015

Hvað er merkilegt við myndina sem er efst á síðunni?

Svarti ferillinn sýnir breytingar á hitastigi lofthjúpsins frá1850 til 2012.

Rauði ferillinn er útkoman úr sáraeinföldu stærðfræðilíkani sem sýnir mismun á inngeislun sólar og útgeislun jarðar.

Það sem er merkilegt er að þessir ferlar falla nánast saman síðastliðin 100 ár.

Hvers vegna er það merkilegt?

Það er merkilegt vegna þess að líkanið sem notað var tekur ekki tillit til aukningar koltvísýrings í lofthjúpnum. Aðeins breytilegrar virkni sólar ásamt innri áratuga langra sveiflna (60 ára sveiflan svokallaða, hafstraumar, hafís, …).

Næstu ár?

Miðað við þróun í virkni sólar undanfarið, og tilgátum um þróun hennar næstu árun, spáir líkanið fyrir um þróun í hitastigi til ársins 2020 eins og rauði ferillinn lengst til hægri sýnir, þ.e. kólnun um því sem næst 0,2°C.

En miðað við líklega eða hugsanlega þróun í virkni sólar næstu ár (ekkert er öruggt í þeim efnum, en gert er ráð fyrir svipaðri sólvirkni og var á árunum 1924-1941) spáir líkanið fyrir um þróun í hitastigi til ársins 2030 eins og græni strikaði ferillinn lengst til hægri sýnir, þ.e. kólnun um því sem næst 0,3°C

Hvernig er þetta gert?

Dan Pangburn er vélaverkfræðingur M.Sc. með góða þekkingu á varmafræði. Hann notar einfaldlega þá aðferð sem notuð er í verkfræðinni við svipaða útreikninga og niðurstaðan kemur á óvart.

Flestir sem hafa skoðað samsvörun í virkni sólar og hitastigs lofthjúpsins hafa einfaldlega borið þessa ferla saman. Það gefur ranga mynd af raunveruleikanum einfaldlega vegna þess að það tekur langan tíma fyrir breytingar í orkuinnstreyminu að skila sér sem hitabreytingar vegna þess hve sjórinn er lengi að hitna. Sjórinn er jafnframt lengi að kólna aftur þegar inngeislunin minnkar vegna þess hve góður varmageymir hann er.   Þessi tímaseinkun er nokkur ár.

Aðferð Dan Pangburn byggir á því að reikna hitunaráhrif breytilegrar sólvirkni mínus útgeislun frá jörðinni út í geiminn yfir nokkur ár. Það er gert með því að nota tímaintegralið af mismuninum á þessum stærðum í stað augnabliksgildisins.

Þeir sem eru að reikna í t.d. varmafræðinni eða reglunarfræðinni nota svona aðferðir. Það þarf alltaf að byrja á því að stilla upp sannfærandi stærðfræðilíkani sem lýsir fyrirbærinu. Alltaf er farsælast að það sé einfalt og skýrt, án flækjustiga.

Að nota tímaintegralið af tímaröðinni í stað augnabliksgildisins er rétt aðferð. Tökum einfalt dæmi sem allir þekkja:

Þegar súpupotturinn er á eldavélahellunni dugir ekki að horfa á hvað eldavélin er stillt til að giska á hitastig súpunnar. Það er ekki fyrr en potturinn hefur verið á eldavélinni í nokkra stund sem hitastig súpunnar hefur náð jafnvægi. Þá er orkustreymið komið í jafnvægi; mælt yfir ákveðinn tíma streymir jafn mikil orka inn í pottinn og út úr honum vegna útgeislunar. (Við gerum ráð fyrir að vatnið sjóði ekki).  Hitastig súpunnar gæti þá t.d. endað í 80 gráðum eftir að hafa hitnað hægt frá 20 gráðum ef eldavélarhellan var stillt á “medium”.   Sama niðurstaða, 80 gráður, gæti fengist þó svo stillihnappnum væri snúið í sífellu milli „low“, medium og „high“, þ.e. ef meðaltalið af orkustreyminu, reiknað yfir nægilega langan tíma, er nærri því að vera „medium“. Hitastigið í súpupottinu hoppar ekki snögglega upp og niður í takt við hitastillinn, heldur stígur eða fellur hægt og rólega.

Sumir hitastillar í eldavélum púlsa með fullu afli inn á eldavélina eins og sést oft á litlu blikkandi ljósi. Þessir púlsar geta verið  misbreiðireða jafnbreiðir og er þá fjöldi þeirra á tímaeiningu breytilegur.  Tregðan í hitun vatnsins í pottinum framkvæmir tegrun eða tíma-integral á sama hátt og hinn mikli massi sjávar sem fær örlítið breytilega hitun frá sólinni. Þessi tregða er kannski aðeins 10 mínútur í pottinum, en er af stærðargráðunni 10 ár í hafinu.

Þetta var mikið einfölduð útskýring, en skoðum nú dæmið nánar:

Dan Pangburn skiptir þeim áhrifum sem valda breytingum á hitastigi lofthjúpsins í þrjá flokka:

1) Ytri áhrif: Inngeislun frá sól mínus útgeislun fra jörðinni út í geiminn. Sólin er eini hitagjafi jarðar og útgeislun jarðar einu kæliáhrifin.

2) Innri sveiflur: “60 ára sveiflan” sem orsakast getur af hafstraumum, hafís, o.fl. (Sjá t.d. kenningar Páls Bergþórssonar). Þetta eru þekktar sveiflur sem orsaka 30 ára hlýnun og 30 ára kólnun, o.s.frv.

3) Áhrif koltvísýrings:  Þetta eru sívaxandi áhrif sem eru í hlutfalli við logarithmann af styrk CO2. Ekki er vitað með vissu hve mikil þessi áhrif eru.

Stærðfræðilíkanið sem er hér fyrir neðan er ekki flókið. Eins og sést á skýringamyndinni er það sett saman úr þeim 3 þáttum sem getið var um hér fyrir ofan, en summa þeirra táknar heildaráhrifin.

Pangburn skyring-3

 (Stækka má myndina með því að smella á hana).

Takið eftir bókstöfunum b, a, c og d í stæðfræðilíkaninu hér fyrir neðan.  Það eru vogtölur sem notaðar eru til að fínstilla ferilinn þannig að hann passi við hitaferilinn.

Dan Pangburn verkfræðingur hefur einmitt gert það og niðurstaðan er myndin efst á síðunni.  Í ljós kemur að áhrif breytinga í sólvirkni vegur þyngst, síðan innri sveiflur, en áhrif breytinga í styrk koltvísýrings (CO2) lang minnst.

Það hlýtur að vekja mann til umhugsunar að hægt sé að ná miklu meiri fylgni milli sólvirkninnar og lofthita, en milli CO2 og lofthita.

Dan 1a

 

Látum þessa kynningu nægja, og gefum Dan Pangburn orðið.  Hann hefur verið að þróa þessa kenningu í nokkur ár, en hér er stutt grein eftir hann (smella á fyrirsögnina):

Ágrip: The Sun explains 95% of climate change over the past 400 years; CO2 had no significant influence

Ítarlegri grein eftir Dan Pangburn (6. ágúst 016):  Climate Change Drivers, 

— — —

 

 

 

Að sjálfsögðu sannar þessi aðferðafræði ekki neitt um samspil sólar og veðurfars. Svona tilraunir hjálpa þó til að skilja málið betur og vekja oft upp spurningar. Í þessari tilraun er eingöngu vogtölunum fyrir framan þessa þrjá þætti breytt og skoðað hvað þarf til að ferillinn falli sem best við mælt hitastig lofthjópsins, eða öllu heldur frávik frá meðalgildi.

Heildaráhrifin = V1*(Áhrif sólar) + V2*(Áhrif innri sveiflna) + V2*(Áhrif aukningar CO2)

Þar sem V1, V2 og V3 eru þessar vogtölur.

Niðurstöður svona tilrauna fær okkur til þess að hugsa: Hvers vegna hefur ein vogtalan svona miklu meiri áhrif en aðrar? Hver getur skýringin verið?

Að stilla upp stærðfræðilíkani (mathematical model) og gera tilraunir með það er alþekkt í verkfræðinni. Stundum er einnig hægt að smíða líkan í smækkaðri mynd, t.d. flugvélalíkan í vindgöngum, og stundum er þetta hvort tveggja gert.
Varðandi loftslasmálin, þá er aðalatriðið að skoða þau með opnum hug og skoða allar hliðar málsins án fordóma. Því miður eru fordómar ríkjandi og láta margir nægja að fjalla um einfaldasta þáttinn. Það er kannski þægilegast.   Aðrir kjósa að kryfja málið til mergjar.

 

 

— — —

Hvernig má það vera að breytileg sólvirkni geti haft svona mikil áhrif á lofthita jarðar?  Skýringar geta verið nokkrar:

1) Heildarútgeislun sólar breytist lítið, eða innan við 1%, líklega nær 0,1% yfir sólsveifluna og 0,2% frá árinu 1670 (Lean 2000). Það nægir ekki til að útskýra þær breytingar á hitastigi sem mælst hafa.

2) Útgeislun á útfjólubláa sviðinu (Extreme Ultra Violet – EUV) breytist miklu meira, eða um 1000%  (faktor 10).   UV geislarnir hafa fyrst og fremst áhrif í efstu lögum lofthjúpsins, sem getur skilað sér niður í lægri hluta hans.

3) Sólvindurinn er mjög breytilegur og mótar styrk geimgeisla sem berast til jarðar, Talið er nokkuð víst að það hafi áhrif á þéttleika skýja og þar með sólarljósið sem berst til jarðar. Fleiri leiðir eru fyrir sólvindinn til að hafa áhrif á loftslag við yfirborð jarðar.

 

— — —

 

 

 

 — — —

 

 Fleiri tilraunir á svipuðum nótum:
Andrew McRae: Simple model replicating HADsstV3 using major SSN component

Dr. David Evans verkfræðingur og stærðfræðingur hefur smíðað flókið líkan:

Spálíkan Dr. David Evans

Spálíkan Dr. David Evans

 

 

Fjölmargar greinar um samspil sólar og loftslags jarðar eru hér:
Club du Soleil

 

 

 Þetta eru ófullgerð drög í vinnslu.  

 

Dan Pangburn er með M.Sc. próf í vélaverkfræði og góða þekkingu á varmafræði. Býr í Arizona.

Dr. David Evans er rafmagnsverkfræðingur og stærðfræðingur frá Stanford háskóla. Um hann má lesa hér.

 

Höfundur pistilsins er með M.Sc. próf í rafmagnsverkfræði og sæmilega þekkingu á varmafræði (thermodynamics), og reglunarfræði (Control Theory) sem hann kenndi í nokkur ár við verkfræðideild H.Í. (Kennslubók  eftir Ogata).  Alls kenndi hann þar í 17 ár sem aðjúnkt.  Í reglunarfræðinni er einmitt m.a. glímt við að stilla upp stærðfræðilíkönum svipuðum og hér að ofan, þannig að aðferðafræðin kemur ekki á óvart. (Sjá: Mathematical Modelling). 

 Á háskólaárunum starfaði hann sem sumarmaður á Háloftadeild Raunvísindastofnunar Háskólans þar sem m.a. fara fram rannsóknir á áhrifum sólvindsins á jarðsegulsviðið og norðurljós. Starfar nú hjá Verkís.

Var í nokkur á í stjórn VFÍ, rafmagnsdeildar VFí, Stjörnuskoðunarfélags Seltjarnarness, IRA og Þyts.