Model climàtic

Càlculs del calfament global preparats en o abans de 2001 a partir d'una gama de models climàtics en l'escenari d'emissions SRES A2, el qual assumix que no es prenen mides per a reduir les emissions en un desenroll econòmic regionalmente dividit.

Archiu:Projected change in annual mean surface air temperature from the late 20th century to the middle 21st century, based on CAPS 2 emissions scenario CAPS 3 .png

Canvis proyectats en la mija anual tèrmica de l'aire superficial des de finals del sigle XX fins a mediats del sigle XXI, basat en un escenari d'emissions moderades (SRES A1B). Este escenari assumix que no s'adoptaran polítiques futures per a llimitar les emissions de gasos d'efecte hivernàcul. Crèdit de l'image: NOAA GFDL.

Un model climàtic és una representació dels processos físics, químics i biològics que afecten el sistema climàtic. Els models climàtics usen métodos d'investigació quantitativa per a simular les interaccions de l'atmòsfera terrestre, els oceàs, el relleu terrestre i el gèl. S'utilisen per a l'estudi de la dinàmica del sistema meteorològic i climàtic per a les proyeccions del clima futur.

Els models climàtics es basen en disciplines científiques com la dinàmica de decorreguts i la termodinàmica, aixina com els processos físics com la transferència de radiació, és dir l'energia entrante a la Terra com les radiacions electromagnètiques d'ona curta (llum visible i ultravioleta) i l'energia eixint d'ona llarga (infrarroja) provinent de la radiació electromagnètica de la Terra. Els models es poden usar per a predir un ranc de variables tals com el moviment local de l'aire, la temperatura, els núvols i atres propietats atmosfèriques; la temperatura, salinitat i circulació de l'oceà; la capa de gèl en terra i mar; la transferència de calor i humitat del sol i la vegetació a l'atmòsfera; processos químics i biològics; i la dominancia de calfament (un método que permet detectar si una regió es calfa perque els seus estius es tornen més càlits o perque els seus hiverns desapareixen).

Els models relacionats en la temperatura del planeta prediuen una tendència ascendent en la temperatura superficial i un ràpit increment de la temperatura en altituts altes. Els models no presuponen que el clima es calfarà per l'aument dels nivells de gasos d'efecte hivernàcul. En canvi, els models prediuen cóm els gasos d'efecte hivernàcul interactuaran en la transferència de radiació i atres processos físics. El refredat o calfament és per tant un resultat, no un supòsit, dels models.

Mapa d'Estats Units per estats, coloreado segons un índex sintètic de “dominancia del calfament” entre 1950 i 2021. Cada estat apareix farcidura en un color que va del blau obscur al roig obscur, segons una escala lateral: els blaus indiquen valors negatius, els verts valors propencs a zero i els grocs, taronges i rojos valors positius. El suroest (especialment Arizona i Califòrnia) i el noreste mostren tons càlits, mentres que parts del centre i del Mig Oest apareixen en tons frets. El mapa inclou llínees de latitut i llongitut, una barra d'escala en quilómetros i milles, i el títul en la part superior.

Índex sintètic de dominancia de calfament per estats en Estats Units.

Mapa d'Estats Units que mostra una tipologia de calfament climàtic entre 1950 i 2021 per estats. Cada estat està coloreado segons un patró de calfament distint: roig en gran part de l'oest, groc en el nort central, blau obscur en el centre-sur i blau clar en l'est i surest. El mapa inclou llínees de latitut i llongitut, una escala de distància i el títul “Warming typology (U.S. states, 1950–2021)”.

Tipologia de canvi climàtic per estats en Estats Units.

Encara que els investigadors tracten d'incloure tants processos com siga possible, les simplificació del sistema climàtic real són inevitables per la complexitat dels mateixos, les restriccions del poder computacional disponible i les llimitacions en el coneiximent del sistema climàtic. Els resultats dels models també poden variar per diferents ingressos de gasos d'efecte hivernàcul i la sensibilitat climàtica del model. Per eixemple, l'incertitut de les proyeccions de 2007 de el IPCC és causada per (1) l'us de múltiples models en diferents sensibilitats a les concentracions de GEI, (2) l'ocupació de diferents estimacions de les emissions humanes futures de GEI, i (3) les emissions adicionals de retroalimentaciones climàtiques que no varen ser considerades en els models usats per el IPCC per a preparar el seu informe, a saber, la lliberació de GEI procedents del permafrost. Els núvols i els seus efectes són especialment difícils de predir. Millorar la representació dels núvols en els models és per tant un tema important en l'investigació actual. Un atre assunt important és expandir i millorar les representacions del cicle del carbono. Els models poden oscilar des de relativament simples a molt complexos: des de simples càlculs de la temperatura radiativa que tracten a la Terra com un punt més, passant per expansions verticals (models radiativo-convectivos) o horisontals (models de balanç d'energia), fins a models climàtics globals acoplats atmòsfera-oceà-banquisa (gèl de la mar).

Els models també s'utilisen per a ajudar a investigar les causes del canvi climàtic recent en comparar els canvis observats en aquells que els models proyecten a partir de diverses causes naturals i humanes. Encara que estos models no atribuïxen inequívocament el calfament que es va produir a partir d'aproximadament 1910 fins a 1945 a la variació natural o l'acció del ser humà, sí indiquen que el calfament des de 1970 està dominat per les emissions de gasos d'efecte hivernàcul produïdes pel ser humà.

El realisme físic dels models es prova per mig de l'examen de la seua capacitat per a simular climes contemporàneus o passats. Els models climàtics produïxen una bona correspondència en les observacions dels canvis globals de temperatura durant el sigle passat, pero no simulen tots els aspectes del clima. Els models climàtics utilisats per el IPCC no prediuen en exactitut tots els efectes del calfament global. El desgel àrtic observat ha segut més ràpit que el predit. La precipitació va aumentar proporcionalment a la humitat atmosfèrica i per lo tant significativament més ràpit que lo predit pels models del clima global. Des de 1990, el nivell de la mar també ha aumentat considerablement més ràpit que lo predit pels models.

Models adimensionales

És possible obtindre models climàtics relativament simples. Un model particularment simple per a l'equilibri radiativo de la Terra que relaciona l'energia rebuda del Sol en l'energia reemitida per la Terra a l'espai està basat en l'igualtat entre radiació entrante i eixint:

___MATH_0___

Símbol	Nom	Valor	Unitat
___MATH_1___	Representa l'energia d'entrada des del Sol
___MATH_2___	Representa l'energia d'eixida de la Terra, calculat de la llei de Stefan-Boltzmann assumint una temperatura radiativa constant, T, que deu ser trobada
___MATH_3___	Intensitat de la radiació solar irradiancia d'entrada per unitat d'àrea o constant solar	1370	W / m2
___MATH_4___	Promig d'albedo de la Terra	0,37 a 0,39
___MATH_5___	Radi de la Terra	6.371E6	m
___MATH_6___	Constant de Stefan-Boltzmann	5.67E-8	J / (m2 s K4)

A partir de la relació anterior, cancelant el factor comú, πr² i buscant la temperatura d'equilibri s'aplega a:

que dona un valor de 246 a 248 K — prop de -27 a -25 °C — per als promijos de temperatura de la Terra T: és aproximadament de 35 K més fredes que les temperatures superficials de 282 K. Açò es deu primàriament a que l'equació de dalt intenta representar la temperatura radiativa de la terra, i el nivell radiativo promig és conegut per damunt de la superfície. La diferència entre les temperatures radiativas i superficials és l'efecte hivernàcul natural.

Este model molt simple és ben instructivo, i el model únic pot ajustar en una pàgina. Pero produïx un resultat del que no s'està interessat en temperatura radiativa; més que la més usada temperatura superficial, que també té a l'albedo com una constant, sense camins per a "predir-ho" dins del model.

Utilisant esta simple fòrmula, el canvi percentual de la cantitat mija de cada paràmetro, considerats independents, per a provocar un canvi d'un grau Celsius en la temperatura mija de la Terra en estat d'equilibri és de la següent manera:

• Constant solar 1,4%
• Albedo 3,3%
• Eficiència d'emissió 1,4%

El promig de la emisividad de la terra és fàcil estimar a partir de les senyes disponibles. Les emissions de la superfície terrestre es troben en el ranc de 0,96 a 0,99 (en excepció d'algunes menudes zones del desert que poden ser tan baixes com 0.7). Els núvols, no obstant, que cobrixen aproximadament la mitat de la superfície de la terra, tenen un promig d'emissions d'aproximadament 0,5 (que deu ser reduït per la quarta potència de la relació de la temperatura absoluta al núvol en la temperatura mija absoluta de la) i una temperatura mija dels núvols d'al voltant de 258 K (-15 °C, 5 °F). Tenint en conte tot açò adequadament resulta una eficiència d'emissió terrestre al voltant de 0,64 (temperatura mija terrestre de 285 K (12 °C, 53 °F)).

Este simple model determina fàcilment l'efecte dels canvis en l'energia solar d'eixida o canvis en l'albedo de la terra o l'eficiència d'emissió de la temperatura de la Terra. Els models adimensionales no tracten la distribució de temperatura en la terra o els factors que mouen l'energia sobre la terra.

Models radiativos-convectivos

El model adimensional anterior, utilisant la constant solar i de temperatura mija donada de la terra, determina l'eficiència d'emissió d'ona llarga a l'espai de la terra. Açò pot ser refinat en vertical a un model radiativos-convectivos adimensional, que considera dos processos de transport d'energia:

• Transferència radiativa pujant i baixant a través de les capes de l'atmòsfera, absorbint i emetent radiació infrarroja en abdós casos.
• Transport pujada de calor per convecció (especialment important en la part baixa de la troposfera).

Els models de radiació-convecció tenen ventages sobre el model simple: poden determinar els efectes de les variacions en la concentració de gasos d'efecte hivernàcul sobre l'eficàcia de l'emissió i per tant la temperatura de la superfície. Pero els paràmetros afegits són necessaris per a determinar la emisividad, l'albedo i localisar els factors que mouen l'energia sobre la terra.