Зворотний відбиття альбедо льоду: безстроковий цикл, що ховається у простому числі

Прихований ланцюговий ефект

Альбедо – це лише частка, тобто відсоток сонячного світла, який поверхня відбиває назад у космос замість поглинання. Свіжий сніг та морське льодяне крильце відбивають 60-90% цього світла; відкрита океанічна вода та суша майже повністю його поглинають, відбиваючи лише 6-20%. Це явище, відоме як зворотний зв’язок альбедо, відбувається коли ця частка змінюється: розтопіть частину льоду, виявиться темніша океанічна вода або суша під ним, поглине більше сонячної енергії в цій зоні, нагріє її ще більше та розтопить ще більше льоду. Кожен оберт цього циклу підсилює попередній – це класичне визначення позитивного зворотного зв’язку.

Енергетичний баланс у ланцюгу

Облік ведеться досить просто, щоб записати його в одному рядку, що й пояснює, чому прості моделі енергетичного балансу кліматичної системи, засновані на ньому (від Будько та Селлера кінця 1960-х років), все ще можуть захоплювати суть зворотного зв’язку:

поглинуто = (1 - альбедо) * S // S = надходження сонячної радіації мережа = поглинуто - OLR(T) // OLR = випромінювання довгохвильового випромінювання зниження альбедо -> більше поглинуто -> вища T -> більше танення льоду -> зниження альбедо Кожна величина в цьому ланцюгу залежить від попередньої, що є математичною ознакою зворотного зв’язку, а не одноразовим ефектом: невелика початкова спотворення альбедо підсилюється, а не просто передається.

absorbed = (1 - albedo) * S       // S = incoming solar radiation
net      = absorbed - OLR(T)      // OLR = outgoing longwave radiation

lower albedo -> more absorbed -> higher T -> more ice melts -> lower albedo

Чому Арктика нагрівається швидше, ніж решта планети

Спостереження показують, що поверхня Арктики зросла приблизно в два-чотири рази швидше, ніж середній показник для всієї Землі за останні десятиліття. Це явище називається посиленням Арктики. Один із основних факторів цього – зворотний зв’язок альбедо: відхід морського льоду відкриває темну воду, де є достатньо літнього сонячного світла, і це призводить до посилення нагрівання. Однак це не єдиний фактор; також впливають більш крутий зворотний зв’язок із залежністю від висоти (наземне нагрівання, яке утримується стабільною полярною атмосферою) та зменшення втрат тепла з океану в атмосферу восени (коли відкривається вода і виділяє накопичене літнє тепло). Зворотний зв’язок альбедо є найбільш помітним наочно, але це не повна картина.

Критичні точки та гістерезація

Ідеалізовані моделі балансу енергії всієї планети виявляють щось вражаюче: з урахуванням зворотного зв’язку льодо-альбедо, рівняння можуть допускати більше ніж одну стабільну рівновагу для одного й того ж сонячного потоку – стан «снігової кулі», покритий льодом, та стан без льоду і з теплим кліматом обидва задовольняють баланс енергії, розділені нестабільною середньою гілкою. Це теоретичне обґрунтування для запропонованих епізодів «снігової кулі» сотні мільйонів років тому, де помітне охолодження могло б призвести до неконтрольованого зростання льоду через той самий цикл, що працює в зворотному напрямку. Для сучасної Арктики поточні оцінки розглядають втрату літнього морського льоду як зворотну, а не як жорсткий, самопідтримуваний критичний момент – припинення основного нагрівання дозволяє льоду відростати – хоча регіональні зворотні зв’язки можуть все ще викликати різкі, швидкі переходи в короткостроковій перспективі.

Що зупиняє цикл: зворотний зв’язок Планка

Іс-алебдовий цикл не розгортається до нескінченності, оскільки протидіє йому набагато сильніший негативний зворотний зв’язок: тепліша поверхня випромінює енергію в космос відповідно до четвертої степені закону Стефана-Больцмана, тому вихідне випромінювання зростає швидко, коли підвищується температура. Цей планківський відгук є на багато разів домінуючим стабілізуючим зворотним зв’язком у кліматичній системі Землі – він запобігає розгортанню в неконтрольований хаос таких циклів, як іс-алебдовий цикл, зворотний зв'язок з водяною парою та інших підсилюючих процесів, перетворюючи те, що було б нестабільним неконтрольованим руйнуванням, на обмежений, хоч і посилений, відгук на задане вплив. Цикл робить систему більш чутливою; він сам по собі не робить її нестабільною.

Читання симуляції

Спостерігайте, як невеликий поштовх до початкової температури зростає з ітерації в ітерацію, а не залишається незмінним – це зростання є ознакою позидного зворотного зв’язку. Також зверніть увагу, що сила петлі залежить від кількості уцілого льоду: поблизу стану повністю покритого льодом або повністю без льоду, небагато альбедо залишається для зміни, тому зворотний зв'язок природно найсильніший у переході між цими двома станами.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Ice-Albedo Feedback Loop і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.