9/14/2011

1

Klimaatterugkoppelings

LWR324

Inleiding

• Daar is baie terugkoppelingsmeganismes

• Besit die potensiaal om die globale klimaat te beïnvloed in

reaksie op een of ander aanvanklike stralingsforsering

• Kan die respons op ʼn gegewe klimaatsforsering versterk of

teenwerk

• Funksioneer binne en tussen al die komponente van die

klimaatstelsel

• Affekteer onsekerhede rondom klimaatprojeksies ernstig

• Sommige terugkoppelingsmeganismes steeds onbekend

9/14/2011

2

Sisteem Funksionering

Funksionering geskied op die volgende beginsels:

• Stimulus (inset)

• Verwerking in die sisteem

• Respons (uitset)

Sisteme beskik oor sekere beherende of regulerende eienskappe wat neig om in- en uitvoere na en van die sisteem op so ʼn vlak te hou dat daar ʼn toestand van dinamiese ewewig gehandhaaf word tussen die sisteem en omgewing

Dinamiese Ewewig & Homeostatiese Vermoë

• ʼn Sisteem wat normaalweg selfregulerend van aard is, het sekere homeostatiese grense waarbinne funksionering optimaal geskied

• Negatiewe terugkoppeling neig om fluktuasies wat hierdie grense oorskry en dus die dinamiese ewewig versteur, teen te werk

• Positiewe terugkoppeling vind plaas wanneer die homeostatiese drumpel oorskry word, d.w.s. die vermoë van die sisteem om na normaal terug te keer word oorskry en die degradering van die sisteem vind teen ʼn steeds versnellende tempo plaas

9/14/2011

3

Negatiewe Terugkoppeling

• Die reguleringsmeganisme verhoed dat daar nie van die ideale

toestand of normaal afgewyk word nie

• Voorbeelde:

Bokgetalleneem toe

Weidingverbeter

Bokke trek weg

Bokkekeer terug

Weiding verswak

Gem globale T ↑

Verdamping ↑ Weerkaatsing vansonstraling ↑ terwyl

oppervlak absorpsie ↓

Wolkvorming ↑

Gem globale T ↓

Positiewe Terugkoppeling

• Die reguleringsmeganisme neig om die sisteem toenemend

van die ideale toestand te verwyder

• Voorbeelde:Beesgetalleneem toe

ErosieOorbeweiding

vernietig grasdekking

Plantdekkingneem af

Weidingverswak

Sneeu & ysbedekking ↓

Weerkaatsing vansonstraling ↓Absorpsie ↑

Gem globale T ↑

9/14/2011

4

Tipes Klimaatterugkoppelings• Terugkoppelings wat hoofsaaklik die grootte van die

klimaatsverandering affekteer

– Wolk, waterdamp en vervaltempo terugkoppelings

– Ys albedo terugkoppeling

– Biogeochemiese terugkoppelings en die koolstofsiklus

– Atmosferiese chemiese terugkoppelings

• Terugkoppelings wat hoofsaaklik die blywende uitwerking van

klimaat affekteer

– Oseaan hitte-opname en sirkulasie terugkoppelings

• Terugkoppelings wat hoofsaaklik die patroon van

klimaatsverandering affekteer

– Land hidrologie en plantegroei terugkoppelings

– Natuurlike modes van klimaatsisteem veranderlikheid

– Sirkulasie terugkoppelings, bv. veranderinge in die Golfstroom

Waterdamp Terugkoppelings

• Waterdamp is ʼn kragtige kweekhuisgas

• Direkte vrystelling deur menslike aktiwiteite dra weinig by tot stralingsforsering

• Soos wat globale gemiddelde temperature egter toeneem, neem troposferiese waterdampkonsentrasies ook toe

• Dit verteenwoordig ʼn belangrike positiewe terugkoppeling

(nie ʼn forsering van klimaatsverandering nie)

• Waterdamp veranderings verteenwoordig die grootste terugkoppeling wat ewewig klimaatsensitiwiteit affekteer (AR4, 2007)

• Enige toename in die hoeveelheid van ʼn kweekhuisgas in die atmosfeer, sal die vrystelling van uitgaande langgolfstraling (ULS) verlaag indien die temperatuur van die atmosfeer en oppervlak konstant gehou sou word

9/14/2011

5

Waterdamp Terugkoppelings

• Die klimaat bereik ʼn nuwe ewewig deur op te warm totdat die

ULS genoegsaam toeneem om die inkomende sonstraling te

balanseer

• Toevoeging van kweekhuisgasse affekteer die ULS hoofsaaklik

omdat die troposferiese temperatuur afneem met hoogte

• Met ʼn vasgestelde temperatuurprofiel sal toenemende

konsentrasies kweekhuisgasse die hoër dele van die atmosfeer

meer ondeurlaatbaar maak vir stralingsopwelling van benede

en derhalwe die straling vervang met ULS vanaf kouer streke

• Vasstelling van die nuwe ewewig word gekompliseer deur die

feit dat waterdamp self ʼn kragtige kweekhuisgas is en die

hoeveelheid en verspreiding van waterdamp oor die algemeen

sal verander soos wat die klimaat verander

Waterdamp Terugkoppelings

• Die atmosferiese waterdamp inhoud reageer op veranderinge in temperatuur, mikrofisiese prosesse en die atmosferiese sirkulasie

• Die maksimum hoeveelheid waterdamp wat lug kan bevat, neem skerp toe met temperatuur (Clausius-Clapeyron verhouding)

• Dit affekteer alle aspekte van die hidrologiese siklus

• Anders as CO2, varieer waterdampkonsentrasies aansienlik in beide die vertikaal en horisontaal

• ʼn Toename in waterdamp verlaag die ULS slegs indien dit voorkom by ʼn hoogte waar die temperatuur laer is as die oppervlaktemperatuur

• Die impak neem skerp toe soos wat hierdie temperatuurverskil toeneem

9/14/2011

6

Waterdamp Terugkoppelings

• Indien waterdamp by sulke (kouer) gebiede toeneem, sal die

ekstra afname in ULS vereis dat die nuwe ewewig warmer sal

wees as wanneer waterdamp inhoud konstant gebly het

• Die grenslaag verkry sy vog direk vanaf oppervlakverdamping

• ʼn Sterk verwantskap bestaan tussen totale kolom waterdamp

(presipiteerbare water) en oppervlak en troposferiese

temperature

• Omrede die grenslaagtemperatuur

deur die oppervlak-temperatuur

benader kan word, is grenslaag

waterdamp nie van direkte belang

vir waterdamp terugkoppeling nie

Waterdamp Terugkoppelings

• Helfte van die atmosferiese waterdamp word onder 850 hPa aangetref, so waarnemings van totale kolom waterinhoud het beperkte bruikbaarheid in die begrip van waterdamp terugkoppeling

• Waterdamp word na die vrye troposfeer gebring deur ʼn verskeidenheid van vermenging- en vervoerprosesse

• Waterdamp terugkoppeling word bepaal deur die gemiddelde uitwerking van veranderinge in die vervoer en in die tempo waarteen water verwyder word

• By benadering verdubbel waterdamp terugkoppeling die opwarming van wat dit sou wees vir konstante waterdamp

• Verder neig waterdamp terugkoppeling om ander terugkoppelings in modelle te versterk (bv. wolk terugkoppeling en ys albedo terugkoppeling)

9/14/2011

7

Waterdamp Terugkoppelings

• Indien wolk terugkoppeling sterk positief is, kan waterdamp terugkoppeling lei tot 3.5 keer soveel opwarming as wat die geval sou wees indien waterdamp konsentrasies konstant gehou sou word

• Die relatiewe sensitiwiteit van ULS tot waterdamp veranderinge by verskeie plekke is afhanklik van hoe die waterdamp profiel versteur word

• Die sensitiwiteit word ook geaffekteer deur wolk stralings-effekte, wat neig om die invloed van sub-wolk waterdamp op ULS te verdoesel

• ULS is amper eenvormig sensitief vir waterdamp versteurings reg deur die trope

• Rofweg 55% van die totaal is a.g.v. die vrye troposfeer in die “trope” (30°N tot 30°S) met 35% vanuit die buite-trope

Waterdamp Terugkoppelings

• Deur polêre versterking van opwarming in ag te neem, neem die verhouding van waterdamp terugkoppeling wat aan buite-trope toegeskryf kan word aansienlik toe

• Van die tropiese bydrae, is omtrent twee derdes, of 35% van die globale totaal, te wyte aan die boonste helfte ban die troposfeer, van 100 tot 500 hPa

• Die grenslaag self verteenwoordig slegs 10% van die waterdamp terugkoppeling wêreldwyd

• Simulasies wat wolk-stralingseffekte in ʼn dubbel CO2

eksperiment inkorporeer, het maksimum sensitiwiteit vir waterdamp veranderinge in die 400 tot 700 hPa laag gelewer

• Die vrye troposfeer is grotendeels onversadig ten opsigte van water, sodat plaaslike waterhouvermoë nie die beperkende faktor is wat atmosferiese waterdamp bepaal nie

9/14/2011

8

Waterdamp Terugkoppelings

• Daar word geskat dat, sonder veranderinge in die relatiewe

area van konvektiewe en droë streke, mag ʼn skuiwing van

waterdamp na laer vlakke in die droë streke, op die uiterste,

lei tot ʼn halvering van die huidig geskatte waterdamp

terugkoppeling

• Dit kan egter nie verander in ʼn negatiewe, stabiliserende

terugkoppeling nie

• ʼn Positiewe korrelasie bestaan tussen waterdamp,

kweekhuiseffek en see-oppervlak temperature (SSTs) oor alle

seisoenale tydskale vir die hele trope

Wolk Terugkoppelings

• Wolk terugkoppelings bly die grootste bron van onsekerheid

(AR4, 2007)

• Wolke kom voor in streke met hoë relatiewe humiditeit, en

wolkprosesse beïnvloed op hul beurt weer die vogverspreiding

• Wolke affekteer ULS op dieselfde wyse as ʼn kweekhuisgas

• Wolke se netto uitwerking op die stralingsbalans word

gekompliseer deur die feit dat wolke ook inkomende

sonstraling reflekteer

• Wolke kan beide...

– sonstraling absorbeer en reflekteer (waardeur die

oppervlak afgekoel sal word); en

– langgolfstraling absorbeer en uitstraal (waardeur die

oppervlak opgewarm sal word)

9/14/2011

9

Wolk Terugkoppelings

• Die effek wat vir enige spesifieke wolk sal domineer hang af van:

– die wolk temperatuur (en derhalwe die wolk hoogte); en

– die gedetaileerde optiese eienskappe (daardie eienskappe wat die refleksie van sonstraling en die interaksie met termiese straling bepaal)

• Laasgenoemde hang af van of die wolk uit water of ys bestaan, van die vloeibare of vaste waterinhoud (dikte) en die gemiddelde grootte van die wolkdeeltjies

• Die stralingseienskappe van wolke is afhanklik van die evolusie van atmosferiese waterdamp, waterdruppels, yspartikels en atmosferiese deeltjies (aërosols)

• Hierdie wolkprosesse is baie belangrik om stralings-, en derhalwe ook temperatuurverandering, in modelle te bereken

Wolk Terugkoppelings

• Alhoewel hul verteenwoordiging in modelle grootliks verbeter het, mag die addisionele kompleksiteit verklaar waarom aansienlike onsekerhede nog bestaan; dit verteenwoordig ʼn noemenswaardige bron van moontlike foute in klimaat simulasies

• Die waardegebied in geskatte klimaatgevoeligheid van 1.5 tot 4.5°C vir ʼn CO2 verdubbeling word grootliks bepaal deur die interaksie van model waterdamp terugkoppelings met die variasies in wolkgedrag tussen bestaande modelle

• Wolke affekteer straling beide deur hul 3D geometrie en die hoeveelheid, grootte en aard van die hidrometeore wat hul bevat

• In klimaatmodelle word hierdie eienskappe omgeskakel in wolkdekking op verskillende vlakke, wolk waterinhoud (vir vloeibare water en ys) en wolkdruppel (of -kristal) ekwivalente radius

9/14/2011

10

Wolk

Terugkoppelings

Skeepsnaslepe:

voorbeeld van

wolkdruppel

grootteverspreiding

se impak op

weerkaatsing

Wolk Terugkoppelings

• Die interaksie tussen wolke en straling betrek ook ander parameters (asimmetrie faktor van die Mie-verstrooiing) wat afhang van die wolk samestelling, en meer so van hul fasetoestand (water vs. ys)

• Die delikate balans tussen wolke se impak op kortgolfstraling en langgolf aardstraling mag gewysig word deur ʼn verandering in enige van hierdie parameters

• In reaksie op enige klimaatversteuring lei wolke tot terugkoppelings waarvan die teken en amplitude grootliks onseker is

• In die algemeen, vir lae wolke domineer die weerkaatsingseffek sodat hul neig om die Aard-atmosfeer stelsel af te koel

• In die algemeen, vir hoë wolke domineer die kweekhuiseffek en hul neig om die stelsel op te warm

9/14/2011

11

Wolk Terugkoppelings

• Wanneer wolke vorm word latente hitte vrygestel tydens die

kondensasieproses, wat ʼn sentrale rol speel in baie

atmosferiese sirkulasies

• Konveksie is ʼn primêre metode waarop vog vertikaal vervoer

word, wat impliseer dat konveksie ʼn rol speel in die

stralingsterugkoppeling a.g.v. die waterdamp in wolke

• Konveksie bepaal ook tot ʼn groot mate die vertikale

temperatuurverval van die atmosfeer, en meer so in die trope

• ʼn Sterk afname in temperatuur met hoogte versterk die

kweekhuiseffek, waarteen ʼn swakker temperatuurverval dit

teenwerk

Oppervlak Albedo Terugkoppelings

• Veranderinge in oppervlak ys- en sneeudekking is ʼn bekende

terugkoppeling tot kweekhuis verwante verwarming

• Sneeu en ys reflekteer meer sonstraling as oop water, kaal

grond of grond wat met plante bedek is

• Gevolglik word verwag dat ʼn warmer wordende hoë

breedtegraad troposfeer see-ys dekking aansienlik sal verlaag,

en om vroeër seisoenale smelting van sneeu en die

terugtrekking van gletsers teweeg sal bring

• Daar word geskat dat dit kweekhuis geïnduseerde verwarming

globaal positief met 10 – 20% sal versterk

• Dit kan ʼn 2 tot 4-voudige versterking veroorsaak in polêre

oseane en langs see-ys grense

9/14/2011

12

Oppervlak Albedo Terugkoppelings

• Hoof onsekerhede in die modellering van die ys albedo terugkoppeling hou verband met die onderskeid tussen:

– die albedo van vars en ou sneeu;

– die identifisering van albedo uitwerkings van dik teenoor dun see-ys; en

– die nabootsing van die sterk invloed van oseaan sirkulasie op sneeu en see-ys dekking

• Verder kan wolkdekking albedo veranderinge veroorsaak wat geassosieer word met ʼn toename of afname in sneeu en see-ys

• ʼn Toename in neerslag by hoë breedtegrade kan sneeudekking verhoog selfs as opwarming voorkom

• Soortgelyk kan sneeu albedo veranderinge oor bebosde gebiede gedeeltelik verskans word

Oppervlak Albedo Terugkoppelings• ʼn Selfs meer gekompliseerde terugkoppeling in oppervlak albedo

en oppervlakvloede word gekoppel aan veranderinge in plantegroeidekking

• Indien die tundra-boreale woudgrens poolwaarts sou skuif a.g.v. ʼn warm wordende planeet, sal dit ʼn afname in die albedo veroorsaak en ʼn positiewe terugkoppeling verteenwoordig

• Aan die ander hand, indien woestyne in subtropiese streke sou toeneem a.g.v. laer reënval, sal dit ʼn negatiewe terugkoppelings-effek hê

• Op soortgelyke wyse is dit moontlik dat verhoogde CO2

konsentrasies mag dien as ʼn kunsstof en lei tot verhoogde biomassa dekking wat weer tot ʼn afname in albedo en tot ʼn positiewe terugkoppeling aanleiding sal gee

• Die toename in biomassa sal egter ʼn groter atmosferiese verwyderingsmeganisme van koolstof verskaf, ten minste totdat die nuwe biomassa ontbind

9/14/2011

13

Oppervlak Albedo Terugkoppelings

Oseaan-Sirkulasie Terugkoppelings

• Oseane speel ʼn groot rol in die vasstelling van die huidige klimaat van die Aarde

• Oseane werk op drie belangrike wyses op die klimaat in:

1) Noue interaksies tussen die oseaan en die atmosfeer

Reageer as ʼn sterk-gekoppelde stelsel

Verdamping vanaf die oseaan verskaf hoofbron van atmosferiese waterdamp

Vrystelling van latente hitte grootste bron van hitte vir atmosfeer

Winde dryf oseaansirkulasie

2) Besit ʼn groot hitte-kapasiteit vergeleke met die atmosfeer

In vergelyking is die hele hittekapasiteit van die atmosfeer ekwivalent aan 3m water

Oseane sal stadiger opwarm as die atmosfeer

Oseane neig om die uiterstes in atmosferiese temperatuur te verminder

9/14/2011

14

Oseaan-Sirkulasie Terugkoppelings

3) Oseaan-sirkulasie versprei hitte regdeur die klimaatstelsel

Totale hoeveelheid hitte is soortgelyk aan dit wat deur die atmosfeer

vervoer word, maar streeksverspreiding verskil

Klein veranderinge in streek hittevervoer deur die oseane kan groot

implikasies hê vir klimaatsverandering

Enige akkurate simulasie van moontlike klimaatsverandering (veral

van streeksveranderinge) moet derhalwe ʼn beskrywing van die

oseaanstruktuur en dinamika insluit

Biogeochemiese Terugkoppelings

• Opwarming verlaag die land en oseaan se opname van atmosferiese CO2

• Dit verhoog die breukdeel antropogeniese vrystellings wat in die atmosfeer agterbly

• Hierdie positiewe koolstofsiklus terugkoppeling lei tot groter atmosferiese CO2 toenames en groter klimaatsverandering vir ʼn gegewe vrystellingscenario

• Die sterkte van die terugkoppeling varieer aansienlik tussen modelle

• Terugkoppeling te wyte aan die vrystelling van koolstof van ekosisteme a.g.v. veranderende klimaatstoestande

• Afsterwing van hoë-koolstof ekosisteme (bv. die Amasone) a.g.v. veranderinge in streeksreënvalpatrone word deur sommige modelle voorspel (nog nie waargeneem nie)

9/14/2011

15

Biogeochemiese Terugkoppelings• Versnelde ontbinding van grond organiese materiaal in

gematigde woude en grasvelde a.g.v. temperatuur en reënvalveranderinge

• CO2-geïnduseerde bevordering van ontbinding deur mycorrhizae

• Ontdooiing van ysgrond (permafrost) in boreale (noordelike) streke, wat lei tot die vrystelling van metaan (ʼn kragtige kweekhuisgas) en CO2 van grond organiese materiaal

Biogeochemiese Terugkoppelings

9/14/2011

16

Biogeochemiese Terugkoppelings