[논문 리뷰] Dependence of Earth's Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases

W. A. van Wijngaarden, W. Happer|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 04.

Atmospheric and Environmental Gas DynamicsEnvironmental Science참고 문헌 28인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 330,000개 이상의 HITRAN 스펙트럼 선을 포함한 라인별 복사열역학 계산을 통해 현재 및 투명도가 높은 대기 조건에서 지구의 다섯 가지 가장 흔한 Greenhouse gas—H₂O, CO₂, O₃, N₂O, CH₄—의 복사강제력을 정량화한다. 연구 결과, 포화로 인해 H₂O와 CO₂의 분자당 강제력은 최대 4개 주기수만큼 억제되며, 덜 흔한 기체인 CH₄는 상대적으로 높은 분자당 강제력을 유지한다. CO₂, N₂O, 또는 CH₄의 농도를 두 배로 늘릴 경우 복사강제력은 몇 퍼센트 내외로 증가한다.

ABSTRACT

The atmospheric temperatures and concentrations of Earth's five most important, greenhouse gases, H$_2$O, CO$_2$, O$_3$, N$_2$O and CH$_4$ control the cloud-free, thermal radiative flux from the Earth to outer space. Over 1/3 million lines having strengths as low as $10^{-27}$ cm of the HITRAN database were used to evaluate the dependence of the forcing on the gas concentrations. For a hypothetical, optically thin atmosphere, where there is negligible saturation of the absorption bands, or interference of one type of greenhouse gas with others, the per-molecule forcings are of order $10^{-22}$ W for H$_2$O, CO$_2$, O$_3$, N$_2$O and CH$_4$. For current atmospheric concentrations, the per-molecule forcings of the abundant greenhouse gases H$_2$O and CO$_2$ are suppressed by four orders of magnitude. The forcings of the less abundant greenhouse gases, O$_3$, N$_2$O and CH$_4$, are also suppressed, but much less so. For current concentrations, the per-molecule forcings are two to three orders of magnitude greater for O$_3$, N$_2$O and CH$_4$, than those of H$_2$O or CO$_2$. Doubling the current concentrations of CO$_2$, N$_2$O or CH$_4$ increases the forcings by a few per cent. These forcing results are close to previously published values even though the calculations did not utilize either a CO$_2$ or H$_2$O continuum. The change in surface temperature due to CO$_2$ doubling is estimated taking into account radiative-convective equilibrium of the atmosphere as well as water feedback for the cases of fixed absolute and relative humidities as well as the effect of using a pseudoadiabatic lapse rate to model the troposphere temperature. Satellite spectral measurements at various latitudes are in excellent quantitative agreement with modelled intensities.

연구 동기 및 목표

• 실제 대기 조건에서 지구의 다섯 가지 가장 흔한 Greenhouse gas—H₂O, CO₂, O₃, N₂O, CH₄—의 복사강제력을 정량화하기 위해.
• Greenhouse gas 간의 포화와 스펙트럼 겹침으로 인해 분자당 복사강제력이 얼마나 억제되는지 평가하기 위해.
• CO₂, N₂O, CH₄의 농도를 두 배로 늘였을 때 대기 상단 열복사 및 지표면 온도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 모델 시뮬레이션 결과의 대기 상단 스펙트럼 강도를 실제 위성 측정값과 비교하여 검증하기 위해.
• 수증기 피드백과 대기 온도 프로파일이 기후 민감도를 결정하는 데 미치는 역할을 조사하기 위해.

제안 방법

• HITRAN 데이터베이스에서 제공하는 강도가 10⁻²⁷ cm까지 낮은 330,000개 이상의 진동-회전 스펙트럼 선을 사용한 라인별 복사열역학 계산을 수행하였다.
• 대기를 500개의 고도 세그먼트로 나누었으며, 표준 중위도 대기 데이터를 사용해 온도 및 기체 농도 프로파일을 정의하였다.
• 고정된 절대 습도 및 상대 습도 조건을 포함한 복사-대류 평형을 모델링하여 CO₂ 농도 두 배 증가 시 지표면 온도 변화를 추정하였다.
• 응결 수증기가 방출하는 잠열을 고려한 허위 등온도 경사율을 사용하여 대류권 온도 프로파일을 모델링하였다.
• 대기 상단(TOA) 스펙트럼 플럭스를 계산하고, 사하라, 지중해, 남극과 같은 다양한 기후 지역에서 위성 측정값과 비교하였다.
• 계산에서 CO₂ 또는 H₂O 연속체가 존재하지 않는 것을, 모의된 TOA 강도와 관측된 위성 스펙트럼을 비교하여 검증하였으며, 뛰어난 일치를 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 대기 조건과 투명도가 높은 조건에서 H₂O, CO₂, O₃, N₂O, CH₄의 분자당 복사강제력은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 Greenhouse gas 간의 포화와 스펙트럼 겹침으로 인해 복사강제력이 얼마나 억제되는가?
• RQ3 복사-대류 평형과 수증기 피드백을 고려할 때 CO₂ 농도 두 배 증가로 인한 지표면 온도 변화는 무엇인가?
• RQ4 CO₂ 또는 H₂O 연속체를 포함하지 않은 라인별 모델 계산이 위성 측정된 TOA 스펙트럼 강도를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 고정된 절대 수증기 농도, 고정된 상대 수증기 농도, 허위 등온도 경사율 가정 조건에서 기후 민감도는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 현재 농도에서 H₂O와 CO₂의 분자당 복사강제력은 극도로 높은 포화로 인해 4개 주기수만큼 억제된다. 반면 O₃, N₂O, CH₄는 덜 억제된다.
• 현재 농도에서 O₃, N₂O, CH₄의 분자당 강제력은 H₂O 또는 CO₂보다 2~3개 주기수만큼 높다.
• CO₂, N₂O, 또는 CH₄의 농도를 두 배로 늘였을 때 복사강제력은 포화 효과로 인해 몇 퍼센트 내외로 증가한다.
• 모의된 대기 상단 스펙트럼 강도는 다양한 위도에서 위성 측정값과 뛰어난 일치를 보이며, 라인별 접근법의 타당성을 검증한다.
• 고정된 절대 수증기 농도 조건에서는 기후 민감도가 1.4 K로 추정되었고, 고정된 상대 수증기 농도 조건과 허위 등온도 경사율을 고려할 경우 2.2–2.3 K로 추정되었으며, 다른 연구와 일치한다.
• 위성 데이터 일치로 확인되었듯이, 계산에서 CO₂ 또는 H₂O 연속체가 존재하지 않더라도 TOA 플럭스에 미치는 영향은 무시할 만하다.