为什么辐射强迫对CO2浓度的依赖性是对数的?

Question

作为一个气候科学和气象学的新手，我正试图理解CO几乎对数的行为₂辐射强迫

$$F(c) = A \cdot \ln \frac{c}{c_0}$$

以及为什么由于CO的进一步增加而没有“饱和”₂即使整个大气已经完全吸收了。

到目前为止，我了解到对向外辐射贡献最大的空气层位于从TOA测量的光学厚度约为1的地方。假设在未受干扰的大气中这个位置的高度是z=2(任意单位)，然后是CO₂加倍导致这层位移到z=3左右。

由于较高层的温度通常较低，辐射的能量较少，因此，地球将变暖。

这在中也有一些详细的描述https://escholarship.mcgill.ca/downloads/db78th05j．

另一方面，其他的解释，甚至在引用的出版物中提到，都是基于光谱效应，吸收带的翅膀在更高的CO时吸收更强₂浓度:

首先，我不明白为什么最后一个效应是CO₂在大气中相当稀薄，这种效应不能归因于压力展宽。吸收更多CO的原因是什么₂在侧翼，当浓度上升?

Q2:其次，这两种效应中哪一种更能解释观察到的日志行为?它们之间有任何联系吗?还是它们只是碰巧给出了相同的总体结果?

Answer 1

你的困惑，我认为，来自一个微妙的地方，我想我只能从一个天体物理学家的角度来回答这个问题。我们没有从“力”的角度思考，这个词汇对我来说仍然陌生(我还没有看到一个合理的、正式的对它的挑战)。但我会用一个相关的概念来回答。

在大气的光学厚度部分(即潜在具有温室效应的部分)，我们知道从分析解决方案温度元新台币作为光学深度的函数\τ美元大约是$T^4=T^4_0(\frac{2}{3} + \tau)$,在那里T_0美元是一种测量光学薄辐射场能量含量的方法。

总光学深度\τ美元，本身简单地计算为所有不透明载流子贡献物种的总和年代美元，具有数密度n_s美元，不透明度函数\ kappa_s美元，和光线路径ds美元作为$$\tau = \sum_s \int ds \， n_s \， \kappa_s。$ $这已经回答了你关于分压依赖的部分问题:美元\τ\ propto n_s美元，无论不透明度是如何产生的(我交替使用恒定温度下的压力和数字密度，但对一阶来说是这样的n_s美元而不是p_s美元确定\τ美元）.
碰撞诱导吸收，产生了宽的洛伦兹线翼，在大的光学深度上以对数增长，依赖于所有可用的碰撞伙伴，因此这就是总压力发挥作用的地方，通过$\kappa_{CO2} = \kappa_{CO2}(\sum_s n_s)$．在最后的和中二氧化碳美元贡献可以忽略不计，但是$ \ kappa_{二氧化碳}$仍然呈对数增长。

所以在我的理解中，我们宁愿有一些类似的东西$\tau \propto n_s \times log(f(\sum_s n_s))$

我仍然想更好地理解“强迫”是如何从这些量中来的，但它确实给了你一个答案，为什么系统想要达到的温度(上面提到的)T ^ 4美元)具有您所困惑的依赖关系。

Answer 2

我想知道你上面的说法:“由于这层较高层通常温度较低，辐射的能量较少，因此，地球会变暖”。这听起来不太对。首先，任何一层的温度都不是一个被动变量:如果辐射(吸收和发射)发生在更高的水平，那么该水平的温度也应该上升。

在我看来，“温室效应”并不是指地球变暖是因为辐射的能量变少了。仍然有大约总的辐射平衡，即，辐射出去的能量平衡吸收进来的能量。作为一个整体，地球的黑体温度保持不变——为了方便讨论，我们假设它是255K。正如上图所示，随着更多的二氧化碳，辐射从更高的高度离开，因此255K的表面也上升到更高的高度以保持辐射平衡。然而，低于255K水平的温度或多或少地继续遵循潮湿绝热递减率(在热带地区)，甚至与以前的递减率相同，但现在温度沿着递减率上升了更大的垂直距离，因此表面温度升高了。(大气不仅处于辐射平衡，而且处于辐射-对流平衡)。最简单和最粗糙的图像是取一个从地表到平流层的典型温度剖面(即对流层顶的最低温度)，然后简单地将其升高一点。现在，你必须将曲线的底部延伸一点，达到更高的表面温度，而平流层将变得更冷。

由于云是良好的黑体(即红外吸收器和发射器)，这也解释了为什么更多的高云(即~255k水平以上)会提高表面温度，而更多的低云会降低表面温度。

这种较高的表面温度和较低的平流层是温室效应的特征，正如Manabe和Wetherald在1967年的经典JAS论文中所解释的那样(“给定相对湿度分布的大气热平衡”)。3 c0241: https://doi.org/10.1175/1520 - 0469 (1967) 024% TEOTAW % 3 e2.0.co; 2——这篇论文可能帮助马纳部在几年前获得了诺贝尔奖。