Mục lục bài họcĐang ở b3
Feedback Loops in the Climate System
Positive means self-amplifying, not beneficial
A feedback loop is a chain in which the output of a process comes back to change the input. In a positive feedback the return path strengthens the original change and the system moves further from where it started. In a negative feedback the return path opposes the change and the system is pulled back. Neither word carries a value judgement.
Three positive feedbacks that dominate the exam
- Ice–albedo. Warming melts sea ice and snow. Ice has an albedo near $0{,}60$; open ocean is near $0{,}06$. The newly exposed water absorbs far more solar energy, warms further, and melts more ice. This is why the Arctic is warming two to three times faster than the global mean.
- Water vapour. Warmer air holds roughly $7\%$ more water vapour per degree Celsius. Water vapour is itself the strongest greenhouse gas, so the warming caused by carbon dioxide is roughly doubled. Water vapour is an amplifier, not a driver: its concentration is set by temperature, not by emissions.
- Permafrost carbon. Frozen ground holds an estimated $1{,}400$–$1{,}600$ Gt of organic carbon, nearly twice what is in the atmosphere. Thawing lets microbes decompose it, releasing carbon dioxide where oxygen is present and methane where it is waterlogged.
The negative feedbacks that keep the system finite
The fundamental stabiliser is the Stefan–Boltzmann law: emitted radiation scales as $T^4$, so any warm surface radiates away energy faster and the system finds a new balance. Increased plant growth under higher carbon dioxide and increased low-cloud cover are further negative feedbacks, though both are limited by nutrients and by cloud physics respectively.
"Dương" nghĩa là TỰ KHUẾCH ĐẠI, không phải "tốt"
Vòng phản hồi là một chuỗi trong đó kết quả của quá trình quay lại làm thay đổi chính đầu vào của nó. Ở phản hồi dương, đường quay lại làm mạnh thêm thay đổi ban đầu, hệ đi xa dần khỏi điểm xuất phát. Ở phản hồi âm, đường quay lại chống lại thay đổi, kéo hệ về chỗ cũ. Không từ nào mang nghĩa khen chê — phản hồi dương thường là thứ gây rắc rối nhất.
Ba phản hồi dương chiếm gần hết đề thi
- Băng — suất phản xạ. Ấm lên làm băng biển và tuyết tan. Băng có suất phản xạ khoảng $0{,}60$, mặt biển hở chỉ khoảng $0{,}06$. Nước vừa lộ ra hấp thụ nhiều năng lượng mặt trời hơn hẳn, ấm thêm, lại làm tan thêm băng. Đây là lý do Bắc Cực ấm lên nhanh gấp hai đến ba lần trung bình toàn cầu — hiện tượng gọi là khuếch đại vùng cực.
- Hơi nước. Không khí ấm hơn chứa được nhiều hơn khoảng $7\%$ hơi nước cho mỗi độ C. Bản thân hơi nước là khí nhà kính mạnh nhất, nên phần ấm lên do CO₂ gây ra được nhân lên khoảng gấp đôi. Điểm phải nói đúng: hơi nước là bộ khuếch đại, không phải nguyên nhân — nồng độ của nó do nhiệt độ quyết định, không do lượng thải quyết định, và nó chỉ ở lại khí quyển vài ngày.
- Cacbon trong đất đóng băng vĩnh cửu. Ước tính $1\,400$–$1\,600$ Gt cacbon hữu cơ nằm trong lớp đất đóng băng, gần gấp đôi lượng cacbon trong khí quyển. Đất tan ra cho vi sinh vật phân huỷ: chỗ có oxy thì thải CO₂, chỗ ngập nước yếm khí thì thải metan — mà metan mạnh gấp $28$ lần trên mỗi kilôgam.
Những phản hồi âm giữ cho hệ không chạy vô hạn
Bộ ổn định gốc là định luật Stefan–Boltzmann: công suất phát ra tỉ lệ với $T^4$, nên bề mặt càng ấm càng thải năng lượng đi nhanh hơn, và hệ tìm được điểm cân bằng mới. Ngoài ra còn: cây cối quang hợp mạnh hơn khi CO₂ cao (bị chặn bởi giới hạn dinh dưỡng nitơ và phốt pho), và mây tầng thấp nhiều hơn thì phản xạ nhiều nắng hơn (nhưng mây tầng cao lại giữ nhiệt, nên hiệu ứng ròng của mây vẫn là mảng bất định lớn nhất).
Một vùng biển Bắc Cực rộng $1\ \text{km}^2$ nhận trung bình $200\ \text{W/m}^2$ bức xạ mặt trời. Suất phản xạ khi phủ băng là $0{,}60$; khi băng tan hết, mặt nước có suất phản xạ $0{,}06$. Tính công suất hấp thụ tăng thêm sau khi băng tan, và tổng năng lượng tăng thêm trong một mùa hè $90$ ngày.
Bước 1 — công suất hấp thụ trên mỗi mét vuông. Phần hấp thụ là $(1-\alpha)$ nhân cường độ tới.
$$\text{Băng: }(1-0{,}60)\times200=80\ \text{W/m}^2$$$$\text{Nước: }(1-0{,}06)\times200=188\ \text{W/m}^2$$Bước 2 — chênh lệch trên mỗi mét vuông.
$$188-80=108\ \text{W/m}^2$$Bước 3 — nhân với diện tích. $1\ \text{km}^2=10^6\ \text{m}^2$.
$$108\times10^{6}=1{,}08\times10^{8}\ \text{W}=108\ \text{MW}$$Bước 4 — năng lượng cả mùa hè. $90$ ngày $=90\times86\,400=7{,}776\times10^{6}\ \text{s}$.
$$1{,}08\times10^{8}\times7{,}776\times10^{6}=8{,}4\times10^{14}\ \text{J}$$Đọc con số này ra ý nghĩa: chỉ một kilômét vuông mất băng đã hấp thụ thêm $108$ MW — cỡ công suất một nhà máy điện nhỏ chạy suốt mùa hè. Diện tích băng biển Bắc Cực cực tiểu tháng 9 đã giảm cỡ $2$ triệu $\text{km}^2$ so với thập niên $1980$. Nhân lên là thấy vì sao vòng phản hồi này tự chạy: nhiệt thêm ấy làm tan thêm băng cho mùa sau.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 9 — Global Change gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.