Hur förändras molnens strålningseffekt med temperaturen? Detta är en central fråga i ett klimat som kännetecknas av uppvärmning. I figuren nedan visas hur denna molneffekt (cloud radiative effect, CRE) ändras när temperaturen ökar en grad, i genomsnitt för perioden 2000–2017, enligt CERES-data.
Vi ser hur tropikerna bidrar till en kylande effekt vid en temperaturhöjning (de blå och gröna områdena). Vi har en starkt negativ feedback från molnen som bidrar till att begränsa temperaturen. Särskilt stark är molneffekten över den västra delen av Stilla havet där den så kallade värmepoolen finns. Grå linjer visar gränsen mellan positiv och negativ molneffekt, alltså 0 W/m2.
Willis Eschenbach har tagit fram figuren nedan för perioden 2000–2021, från CERES-data. Det är ett spridningsdiagram, där varje liten blå prick motsvarar varsin specifik ruta på Jorden med en grads utsträckning (rutorna är ungefär 10 mil i kvadrat). På x-axeln har vi yttemperaturen och på y-axeln har vi molneffekten (CRE, mätt med W/m²). Det gula strecket är ett medelvärde. [1]
Vi ser hur molnen värmer de kallaste områdena på Jorden, till vänster i figuren. De höga temperaturerna i tropikerna har däremot en negativ molneffekt: när temperaturen kommer över cirka 26°C ökar molnens kyleffekt kraftigt med stigande temperatur. För varje grads ökning av temperaturen, får vi genomsnittligt en negativ molneffekt på hela -15 W/m² i dessa regioner.
I figurens överkant anges hur stor andel av jordytan det gäller. De högre breddgraderna med kallt klimat och positiv molneffekt har blott en liten del av jordytan (cirka 10 procent) jämfört med de tropiska och subtropiska områdena till höger i figuren. Den totala effekten kommer därför att domineras av de senare.
Ett ytviktat medelvärde av data som används för figuren visar att globalt sett skulle molnens kylande effekt i genomsnitt vara -3,2 W/m² för varje grads uppvärmning [1]. I verkligheten kommer effekten att vara mindre än så: de varmaste områdena på Jorden, där temperaturåterkopplingen är störst, värms inte upp lika mycket som resten av Jorden: de viktiga tropikerna har en lägre temperaturökning än exempelvis Arktis, som har värmts upp jämförelsevis kraftigt. I polartrakterna har vi ju också en positiv molneffekt till skillnad från i tropikerna.
Temperatureffekten är mycket tydlig även på molnutbredningen, särskilt över haven. I figuren nedan syns hur temperaturen i havsytan (x-axeln, °C) samvarierar med molnutbredningen (y-axeln, %). Intressant nog är molnigheten som störst vid nollgradersstrecket. Sedan minskar den över varmare hav, för att börja öka kraftigt när havet är varmare än 26°C.
Det verkar vara något magiskt med temperaturen 26°C i tropikerna. Både molnens strålningseffekt och molnutbredningen börjar slå om vid just denna temperatur. [2]
Varför är molneffekten så starkt icke-linjär i tropikerna? Det beror på att vi får allt fler, allt större och starkare åskväder ju högre temperaturen blir. Vi får det som kallas djupkonvektion. Läs mer om detta i utvikningen nedan.
I praktiken fungerar systemet som en enorm, naturlig, icke-linjär molntermostat inställd på 26°C. Ökad temperatur på marknivå gör att avdunstningen ökar, vilket gör att moln bildas och energi konvekteras uppåt till hög höjd. Samtidigt som molnen brer ut sig, skärmar de av solen, vilket ger en avkylande effekt. Men den minskande energi som då når marknivån gör att molnutbredningen också börjar minska, vilket ger en minskande kyleffekt; och så vidare. [3]
Den metod som används här använder de senaste 21 årens satellitdata. Den ger oss ett långsiktigt svar på hur molneffekten varierar med temperaturen. Klimatets olika återkopplingsmekanismer har haft sin verkan över tid, vi har tagit hänsyn till lokal luftcirkulation, fuktighet, höjd, effekten av den långsamma uppvärmningstrenden, ja allt!
Det är alltså snarare det långsiktiga fortvarighetstillståndet vi ser här, än molnens kortsiktiga reaktion på marktemperaturen. Därför ger metoden också ett svar på frågan om molnens långsiktiga reaktion på en uppvärmning.
Vi kan också förstå att det kan vara problematiskt att använda globala medeltal för vårt dynamiska klimat som starkt regleras av regionala molneffekter, särskilt i de viktiga tropikerna. I nästa artikel återkommer jag till frågan om molnens övergripande klimateffekt.
o – o – o
Utvikning om molntermostaten – djupkonvektionen i tropikerna
Moln är en energibärare av central betydelse för klimatet. Den klimatiskt kanske viktigaste molntypen är konvektiv molnighet. Den bildas på dagen och upplöses på kvällen/natten.
Konvektion kallas djupkonvektion när den går från ytan till över 500 hPa-nivån (cirka 5 km höjd). Ofta går den så högt som till tropopausen, vilken i tropikerna ligger på över 15 km höjd. Djupkonvektionen är som vanligast och starkast i tropikerna och är en central del av Hadleycellens cirkulation.
Energi tas från mark- och havsytan genom avdunstning av vatten, som sen förs uppåt i det som blir moln och ibland kan bli en åskcell. Konvektionen påverkas kraftigt av luftfuktigheten eftersom mängden vattenånga påverkar luftens specifika värme och därmed hur snabbt den kyls när den rör sig uppåt.
Luften kyls av, eftersom den blir allt kallare högre upp (på grund av temperaturgradienten, lapse rate, som är cirka -10°/km höjd). Ångan kondenseras förr eller senare ut i form av vattendroppar, varvid energin som tagits upp vid mark- eller havsytan frigörs.
Ofta är det så kallt på hög höjd att vattnet trots det minimala lufttrycket även fryser till is/snö, varvid ytterligare energi frigörs. Så faller vattnet till marken igen i form av regn (eller snö). Det är ett ständigt kretslopp där energi förs upp från marken till atmosfären via vattnets olika fasomvandlingar (vätska – ånga – vätska – fast form, osv).
Väl uppe på vädersystemshöjd, kan energin transporteras iväg i horisontell ledd, vilket kallas för advektion. Ett exempel på advektion är f.ö. den välkända sjöbrisen.
Moln transporterar inkommande solenergi från de varma tropikerna till andra delar av Jorden via (djup)konvektionen och via vädersystemen. Konvektionen transporterar bort betydligt mer värme från Jordens yta än den utgående långvågsstrålningen.
Referenser
[1] Global Scatterplots, Willis Eschenbach, https://wattsupwiththat.com/2022/10/14/global-scatterplots/
[2] Johnson, N. C., & Xie, S. P. (2010). Changes in the sea surface temperature threshold for tropical convection. Nature Geoscience, 3(12), 842.
https://www.researchgate.net/profile/Nathaniel-Johnson-4/publication/47694783_Changes_in_the_sea_surface_temperature_threshold_for_tropical_convection/links/0deec533f512c28a70000000/Changes-in-the-sea-surface-temperature-threshold-for-tropical-convection.pdf
[3] Sud, Y. C., Walker, G. K., & Lau, K. M. (1999). Mechanisms regulating sea‐surface temperatures and deep convection in the tropics. Geophysical research letters, 26(8). http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/1999GL900197/pdf
Gabriel Oxenstierna
Mina artiklar här på KU
I den första artikeln om molnen såg vi att molnens strålningseffekt (CRE) är kraftigt negativ.
I den andra artikeln såg vi hur olika molnvariabler utvecklas över tiden.
I kommande artiklar ska vi se om molnens klimateffekt är positiv eller negativ;
i vad mån ökningen i CO2-halten kan relateras till molnförändringarna;
samt hur IPCC:s datamodeller klarar av att hantera moln.
”Konvektionen påverkas kraftigt av luftfuktigheten eftersom …”
Kanske bör man också nämna att vattenånga är mycket lättare än luft.
H2O = 18
Luft ungefär = 29
Tack Gabriel.
Detta förklarar en del om molnens inverkan i olika delar av världen.
En annan fråga som behöver förklaras bättre är jetströmmarna. Idag skriver DN att jetström orsakar varma novembervädret – och andra källor talar om värme från Portugal. Faktum är att de flesta temperaturrekord de senaste åren både vinter och sommar kan hänföras till jetströmsmönster. Rockström hävdar förstås att det är människoorsakade utsläpp av koldioxid som påverkar jetströmmarna. Vad är det rådande forskningsläget om jetströmmar? Varför har de blivit mer instabila? Och borde inte instabiliteten i jetströmmarna göra att det blir kallare någon annanstans?
Utmärkt artikelserie Gabriel O.
Detta ger ökad kännedom om processer som pågår och där klimatvariationer kan sättas in utan att domedagen närmar sig!
Globen har stora möjligheter till anpassning vid ökad uppvärmning. Oavsett orsak till uppvärmningen, om det är CO2 eller aerosoler.
Vi som följer Willis E på WUWT känner till hans tes om thermostaten som slår till längs ekvatorn.
#2 Kanada har upplevt rekordkyla.
På ventusky https://www.ventusky.com/?p=43;24;1&l=temperature-2m
eller på https://earth.nullschool.net/#current/wind/surface/level/overlay=temp/orthographic=-82.62,30.62,393/loc=-122.547,44.271
får man temperatur och andra uppgifter i realtid. Där framgår att havens temperatur vid ekvatorn ligger mellan 26 och 29 C. Det visar att temperaturen har en gräns vid 26 där termostaten slår till. Över 30 grader blir den aldrig utom några havsvikar intill ökenområden där det inte kan bli tillräcklig avdunstning til atmosfären.
Willis Eschenbach är expert på vädret i tropikerna, eftersom har bott där i många år. Han begriper då mer än de forskare som sitter på sina kontor, utvecklar klimatmodeller och aldrig har varit i tropikerna. Kanske har de inte ens tittat ordentligt på väderdata från verkligheten?
Eschenbach har dessutom visat att CERES-data stödjer de intryck han har fått av hur vädret fungerar i tropiska hav.
Det är ju likartat och troligen kopplat till att ytvattnet i haven självtermostaterar sig till ca 30C maximalt, då den ökande avdunstningen med ökande temperatur kyler ytan på motsvarande sätt. Något som man mörkar, i samband med ex ”koralldöd pga allt varmare hav”…
Strålande Gabriel
Sören G
Ska USA igen få uppleva en mycket kall vinter med Biden’s energipolitik (WEF build back better)? USA sägs få slut på diesel om 3 veckor.
Det kommer isf bli folkstormar och kaos eftersom människor dör om de inte kan värma sig. Gamla dör fort. Skrämmande riskfylld politik. En sjuk politik som visar att ledare saknar respekt för sina medborgare.
Genomsnitt över längre tid är en sak, men har du någon förklaring till att på toppen av atmosfären kan jordens energiutbyte med rymden växla med +- 1,5 W/m2 mellan närliggande månader. Vad är det som försiggår? Solen är det väl inte då det brukar hävdas att den står för ett väldigt stabilt energiflödet mot jorden.
#9 Munin
Jorden lagrar enorma energimängder i haven. Det kaotiska vädret och svängningar i havet måste leda till att havens yttemperatur fluktuerar lite. Det verkar fullständigt rimligt att energiutbytet med rymden kan växla med ± 1,5 W/m2 på grund av detta.
I samband med övergångarna mellan El Niño och La Niña borde energiutbytet med rymden växla kraftigt från år till år.
# 10
Ja, så kan det vara, men då krävs en förståelse av hur den energin lyfts från havsytan och till slut når toppen av atmosfären. Rent fysikaliskt vad är det förlopp, som står för detta? Är det ett eller flera? Viktigt är dock att halten koldioxid i atmosfären inte kan vara styrande för dessa snabba förändringar upp och ned i jordens energiutbyte med rymden. Med andra ord glöm koldioxiden som varande enda förklaringen till hur jordens klimat blir.
Kan det finnas ett embrio till förklaring av jordens medeltemp. de senaste ~160 åren, med hjälp av de aerosoler vi tryckte ut från förbränning när den tog riktig fart, kring 1950?
Jag tänker så här: fram till 1930-40-tal hade temperaturen ökat sedan mitten 1800-talet. Den minskade sedan fram till slutet av 1970-talet för sedan att börja öka igen ( vi vet att solinstrålningen ökat med ~20%). Kan denna period på ~40 år undertryckt en långsam naturlig ökning från t.ex. världshaven?
Jag kommer ihåg bilder från städer som låg i nästan total dimma/ smog, vilket borde ha hämmat solinstrålningen kraftigt ( tillräckligt för att dämpa/ sänka en svag naturlig uppvärmning?). Det skulle vara intressant om det finns historiska data från tiden då all förbränning var orenad och innehöll massor med bl.a sotpartiklar, eller kanske går det att beräkna baserat på världens totala förbränning?
Kan det verkligen vara så enkelt, att vi egentligen haft en ganska jämn och naturlig ”återhämtning” från den kalla perioden före mitt 1800-tal, och våra tillförda aerosoler dämpat och minskat uppvärmningen fram till 1980-talet, då vi gradvis minskat förbränningsämnen?
Vad tycker ni andra? Det skulle ju förklara den stadiga uppgången de senaste 40 åren. Finns det någon/några stora hakar i resonemanget?
SMHI skriver om det, https://www.smhi.se/kunskapsbanken/klimat/klimatpaverkan/klimatforandringar-orsakade-av-manniskan-1.3833 , men drar andra slutsatser……
”Konvektionen transporterar bort betydligt mer värme från Jordens yta än den utgående långvågsstrålningen.”
Koldioxidens roll för jordens klimat blir allt mindre ju mer man lär sig om molnens effekt. Något som IPCC ignorerat.
#12 enough:
” Kan denna period på ~40 år undertryckt en långsam naturlig ökning från t.ex. världshaven?”
Den har definitivt undertryckt en stadig ökning av uppvärmning från koldioxiden.
Kent #14,
Tycker du inte att IPCC borde ha med havsströmmarnas ”undertryckande” i sina prognoser? Kanske hade de lyckats bättre om de istället för sin enkelspåriga fokus på CO2 om de tagit med naturliga variationer?
Svar 12,
Möjligen lokalt i Europa, men på 1970 talet var större delen av världen ett fattighus och ekonomisk tillväxt var förbehållit USA och Europa, resten var ödeland ekonomiskt.
Munin [11]; Det du funderar över är förmodligen latent värme (latent heat). Vid fasövergången från vatten till vattenånga krävs en viss mängd energi, vilken förändrar vattenmolekylens tillstånd, vars tillstånd är den latenta eller dolda energilagringen. Vid kondensering till vatten igen vid molnbildningen, frigörs den latenta energin, vars process återigen är en fasövergång. Dessa fasövergångar finns väl beskrivet i litteraturen, men vad den latenta lagringen i sig fysikaliskt innebär på molekylnivå, är däremot svårt att finna. Den latenta energin som lagras i vattenångan, har berövat en vattenyta energi, med följd att den kyls.
#16 Ulf
Jo, säkert, men de eldade väl med stenkol i sina hem världen över, eller? Jag tänkte att man kunde titta på den kraftiga ökningen av kol och olja från 1950-talet, men vet såklart inte om det var tillräckligt för att påverka globalt i form av mindre solinstrålning.
Klart är iaf. att solinstrålningen ökat de senaste 40 åren och temperaturen har stigit. Minskade den med ökad smutsig förbränning de 40 åren före, är frågan….
#2
”Och borde inte instabiliteten i jetströmmarna göra att det blir kallare någon annanstans?”
Jovisst. Kolla aktuell snöutbredning så ser du var:
https://climate.rutgers.edu/snowcover/chart_daily.php?ui_year=2022&ui_day=316&ui_set=2
Västra Nordamerika, Centralasien och Fjärran Östern har alltså betydligt mera snö än normalt för årstiden.
Men i svenska media blir det bara varmt, aldrig kallt.
# 17
Tack för beskrivningen av hur energin flyttas genom dessa fasövergångar. Det förklarar dock inte slagen upp och ned vid toppen av atmosfären med +- 1,5 W/m2. Om dessa skulle stå i direkt relation till det som händer vid havsytan måste det bli en kärnuppgift att komma fram med förklaringar till dessa variationer, som också i så fall kan hoppa upp och ned motsvarande +- 1,5 W/m2 som sker vid toppen av atmosfären. Ändringarna är också sådana att en månad kan det vara + 1,5 för att nästa månad vara – 1,5.
9 – 11, 20 Munin
Jordens bana runt solen är ingen statisk storhet. Banan är elliptisk och variationen i TSI över året är 6,9 procent, vilket motsvarar över 20 W/m2 variation i inkommande strålning.
Vi har därmed rejäla säsongsvariationer i klimatsystemet. Bara variationen mellan perihelium i början av januari och aphelium i början av juli innebär en global temperaturskillnad på mer än 3 grader. Denna variation är fasförskjuten mot TSI-cykeln ett antal månader vilket skapar dynamik i atmosfären.
Se länkad bild:
https://i0.wp.com/wattsupwiththat.com/wp-content/uploads/2022/10/Figure-1-1.jpg?w=838&ssl=1
Variationen i utgående energi (RSR + OLR) ligger på ungefär 10 W/m2 över året. Strecket TOR, alltså Total Outgoing Radiaiton i figuren.
Dessutom finns osäkerheter och slumpmässiga variationer i satellitmätningarna som också skapar variation i månadssiffrorna.
#11,17
Smältvärme och ångbildningsvärme för vatten är 334 respektive 2260 KJ per kilo. Det är alltså STORA energimängder som omsätts när vatten avdunstar/kondenserar/fryser. Som jämförelse går det bara åt 4,2 KJ för att värma ett kilo vatten en grad, och då har vatten ändå hög specifik värme, mycket högre än t ex syre och kväve.
Det är just dessa stora energimängder som gör att vi har ett så dynamiskt klimat på Jorden. Det är vattnet som driver hela systemet.
”Den klimatiskt kanske viktigaste molntypen är konvektiv molnighet. Den bildas på dagen och upplöses på kvällen/natten.”
Detta är en korrekt beskrivning för tempererade områden och stämmer någorlunda även över land i tropikerna. Över tropiska hav pågår dock även en viss konvektiv aktivitet nattetid, vilket man kan se när det är fullmåne (eller på satellitbilder). Havet är så varmt att en viss avdunstning sker även på natten. Detta gäller i synnerhet i anslutning till den intertropiska konvergensen (ITCZ).
Något jag undra är all bevattning vi använder till grödor i värden den avdunstningen är ju människa som orsakar.kan inte det påverka klimatet och väderhändelser
#12 Aerosolernas inverkan är stor.
Läs här:
https://notrickszone.com/2022/11/10/now-its-claimed-anthropogenic-global-warming-is-driven-by-aerosol-emissions-reductions-not-co2/
Munin,
ang. variationer i mätdata från månad till månad, här är en referens till forskning om osäkerheter och bias i data från CERES.
”According to a new study using CERES data, the observed biases in detecting the radiative effects of clouds on climate are 2.5 to 6.25 W/m² for longwave (LW) and shortwave (SW), respectively (Sun et al., 2022). Standard deviations in cloud radiative effects amount to 8 (LW) to 20 (SW) W/m². ”
Standard deviation avser årsvariationen, men sedan finns också ’bias’ i mätdata som är rätt stora, både för LW och SW.
https://journals.ametsoc.org/view/journals/atot/39/3/JTECH-D-21-0029.1.xml
# 26
Tack för denna information. Då det nu handlar om att förstå vad som händer i atmosfären, finns det någon mer information om bakgrunden till den satellit, som nyligen sändes upp och som ska mäta vågrörelser i atmosfären. Vad är det för slags vågrörelser de har upptäckt eller har en hypotes om att de ska finnas?
In med molnen och ut med CO2 i modellerna.
Hittade detta på nätet om satelliten:
https://www.youtube.com/watch?v=FsoFMrF19eA
Vågrörelser måste ju innebära energiflöden. Befriande att se ett inslag från forskare som ser annat än koldioxid, som viktigt för att förstå klimatet.