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Montag, 22. Mai 2023

CMIP6: Not-so-sudden stratospheric cooling - eine nicht so plötzliche stratosphärische Abkühlung

As predicted in 1967 by Manabe and Wetherald, the stratosphere has been cooling.

A new paper by Ben Santer and colleagues has appeared in PNAS where they extend their previous work on the detection and attribution of anthropogenic climate change to include the upper stratosphere, using observations from the Stratospheric Sounding Units (SSUs) (and their successors, the AMSU instruments) that have flown since 1979.

So SSU me

Like MSU trends, these records reflected a weighted average of atmospheric temperatures, and the three SSU channels progressively weight higher levels in the stratosphere, roughly centered on 30km, 40km and 45km above the surface but with quite a bit of overlap. Until relatively recently, there were some discrepancies in what the climate trends were from these instruments because of the usual issues with remote sensing – instrument trends, orbital shifts, inter-satellite calibration etc. Thompson et al. (2012) described the issues as ‘mysterious’, but efforts to better correct the record for non-climatic effects soon bore fruit, and the ‘mystery’ became history (Maycock et al., 2018). We are using the NOAA-STAR version 3.0 of these products (Zou et al., 2014).

Since then, these records have been used to assess the solar contributions to stratospheric temperatures and as a standard part of the GISS Model evaluation (most recently in Casas et al., 2023) and also in the “Climate Drivers” animation. The Santer et al contribution is the first time I’ve seen these diagnostics calculated for the CMIP6 models (or at least a subset of them), and so this is a great opportunity to add the SSU trends to our catalogue of model-observation comparisons that can be maintained going forward.

A couple of things to note before we get to that analysis though. First, the internal variability of the global mean values of these records is much smaller than for the tropospheric MSU trends, and that means that the (forced) signal to noise is much higher. The dominant factors are changes in CO2 (a cooling), ozone depletion (a cooling), warming from big volcanoes, and oscillations related to the solar cycle.

But why is the stratosphere increasingly chill?

For some reason, this has been poorly communicated among otherwise knowledgeable folk, and our early efforts to explain this were not very good (this featured in the only RealClimate post we ever basically retracted – though you can find it if you care to look!). Part of the confusion related to the role of the ozone layer in the lower stratosphere, but it turns out that is just a distraction, since the cooling due to increasing CO2 is seen everywhere above the tropopause – not just in regions with lots of ozone.

The basic concept is easy to grasp though. Concentrations of CO2 are increasing throughout the atmosphere and while we might think of greenhouse gases as absorbers of infra-red radiation from the surface, they are also emitters of IR radiation, so whether they warm or cool a region of the atmosphere is due to whether the net change (increased absorption vs increased emission) is positive or negative. The upper atmosphere is different from the troposphere in that pressure is much less, and it’s very dry. That means the greenhouse substances are basically just CO2 and ozone, and they absorb in quite different parts of the spectrum. In the band of radiation where CO2 absorbs a lot (~15 $\mu$m), increasing CO2 levels in the troposphere make it ever harder for those photons to get to the stratosphere or above. The upward IR comes increasingly from the water vapour or cloud bands, which because the upper atmosphere is so dry, does not get absorbed significantly on it’s way out.

Looking down from above, our extra stratospheric CO2 molecules then see less radiation to absorb coming up, but they are totally happy emitting more – half of which goes up into space. So the net effect is less absorption and more emittence, and thus they give a cooling. The effect is larger the further up you go.

How well do the models do?

As in previous comparisons, I’ll plot the envelope of the CMIP6 ensemble, in this case there are 32 individual runs from 9 distinct models. Unlike in the MSU or SST comparisons, there is no significant variation in the trends as a function of climate sensitivity, and so there is no need to plot the screened models separately. [This might be surprising, but remember that the variation in climate sensitivity is dominated by cloud feedbacks which are not very important in the stratosphere].

Time series of three SSU channels offset for clarity. Figure shows three lines, and the model spread largely overlapping and with large negative trends from 1979 to 2022.
CMIP6 model spread and mean compared to the NOAA-STAR observations for three SSU channels (using the historical simulations continued by SSP5-85 after 2014). The anomalies have been offset by 1.5 for SSU-2 and SSU-3 for clarity.

The two big warming events in the earlier part of the record are the impacts of the El Chichon and Mt Pinatubo eruptions (and you’ll note quite a wide spread in magnitude of the latter event) and if you squint, you can see the solar cycle (maxima around 1981, 1991, 2002, 2014). The trends are dominated by the CO2 changes (more so as you move higher), but there is also a component from ozone depletion. As mentioned above, the internal variability and structural uncertainty in the model ensemble is smaller than in the troposphere, and so mismatches between the models and the observations are likely due to small issues in the forcings (particularly ozone, but perhaps also small volcanoes). It’s possible that the quality of the stratospheric circulation and it’s sensitivity to warming may be important. However, the discrepancies in the trends are small.

Three slightly overlapping histograms for each channel along with the observed trend and OLS uncertainty from the NOAA-STAR observational products.
Histogram of CMIP6 model trends for SSU-1, SSU-2 and SSU-3 (counting one per ensemble member). In all cases the observed trends are consistent with the spread of the model ensemble.

References

  1. B.D. Santer, S. Po-Chedley, L. Zhao, C. Zou, Q. Fu, S. Solomon, D.W.J. Thompson, C. Mears, and K.E. Taylor, "Exceptional stratospheric contribution to human fingerprints on atmospheric temperature", Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 120, 2023. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2300758120
  2. D.W.J. Thompson, D.J. Seidel, W.J. Randel, C. Zou, A.H. Butler, C. Mears, A. Osso, C. Long, and R. Lin, "The mystery of recent stratospheric temperature trends", Nature, vol. 491, pp. 692-697, 2012. http://dx.doi.org/10.1038/nature11579
  3. A.C. Maycock, W.J. Randel, A.K. Steiner, A.Y. Karpechko, J. Christy, R. Saunders, D.W.J. Thompson, C. Zou, A. Chrysanthou, N. Luke Abraham, H. Akiyoshi, A.T. Archibald, N. Butchart, M. Chipperfield, M. Dameris, M. Deushi, S. Dhomse, G. Di Genova, P. Jöckel, D.E. Kinnison, O. Kirner, F. Ladstädter, M. Michou, O. Morgenstern, F. O'Connor, L. Oman, G. Pitari, D.A. Plummer, L.E. Revell, E. Rozanov, A. Stenke, D. Visioni, Y. Yamashita, and G. Zeng, "Revisiting the Mystery of Recent Stratospheric Temperature Trends", Geophysical Research Letters, vol. 45, pp. 9919-9933, 2018. http://dx.doi.org/10.1029/2018gl078035
  4. C. Zou, H. Qian, W. Wang, L. Wang, and C. Long, "Recalibration and merging of SSU observations for stratospheric temperature trend studies", Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 119, pp. 13,180-13,205, 2014. http://dx.doi.org/10.1002/2014JD021603
  5. M.C. Casas, G.A. Schmidt, R.L. Miller, C. Orbe, K. Tsigaridis, L.S. Nazarenko, S.E. Bauer, and D.T. Shindell, "Understanding Model‐Observation Discrepancies in Satellite Retrievals of Atmospheric Temperature Using GISS ModelE", Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 128, 2022. http://dx.doi.org/10.1029/2022JD037523
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About Gavin

2 Responses to "CMIP6: Not-so-sudden stratospheric cooling"

  1. My phones google account notified me of this a couple of days ago: “The Upper Atmosphere Is Cooling, Prompting New Climate Concerns. A new study reaffirming that global climate change is human-made also found the upper atmosphere is cooling dramatically because of rising CO2 levels. Scientists are worried about the effect this cooling could have on orbiting satellites, the ozone layer, and Earth’s weather.” (Yale climate connections)

    https://e360.yale.edu/features/climate-change-upper-atmosphere-cooling#:~:text=A%20new%20study%20reaffirming%20that,ozone%20layer%2C%20and%20Earth's%20weather.

    [Response: I don’t know why this would prompt new climate concerns? As I said this was predicted more than 50 years ago, and has been validated many times before now. The impact on low earth orbit spacecraft is that density is decreasing and so there is less friction and so satellites would be expected to last longer on orbit. – gavin]

    • Fred Pearce’s article uses an old rhetorical trick by saying things like ‘scientists are worried…’ which many might think implies that ALL scientists are worried. Ben Santer himself is quoted as being ”worried’ by his results but the implication in zhe article is that Santer has new worries from these trsults that he didn’t have before. As Gavin says, these stratospheric effects have been predicted to occur for 50 years

      I think the tone of Pearce’s article is at least misleading, verging on alarmist – or at least that is how it will be represented by the denialist faction but, on the other hand, it will be eagerly promulgated by alarmist activists

Also "SSU mich"

Aber warum wird es in der Stratosphäre immer kälter?

Wie gut schneiden die Modelle ab?

Zeitreihen von drei SSU-Kanälen zur besseren Übersichtlichkeit versetzt. Die Abbildung zeigt drei Linien, wobei sich die Modellverteilung von 1979 bis 2022 weitgehend überschneidet und starke negative Trends aufweist. 
Streuung und Mittelwert des CMIP6-Modells im Vergleich zu den NOAA-STAR-Beobachtungen für drei SSU-Kanäle (unter Verwendung der historischen Simulationen, die von SSP5-85 nach 2014 fortgesetzt wurden). Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die Anomalien für SSU-2 und SSU-3 um 1,5 ausgeglichen.

Three slightly overlapping histograms for each channel along with the observed trend and OLS uncertainty from the NOAA-STAR observational products. 

Histogram of CMIP6 model trends for SSU-1, SSU-2 and SSU-3 (counting one per ensemble member). In all cases the observed trends are consistent with the spread of the model ensemble.  

Referenzen

  1. B.D. Santer, S. Po-Chedley, L. Zhao, C. Zou, Q. Fu, S. Solomon, D.W.J. Thompson, C. Mears, and K.E. Taylor, "Exceptional stratospheric contribution to human fingerprints on atmospheric temperature", Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 120, 2023. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2300758120
  2. D.W.J. Thompson, D.J. Seidel, W.J. Randel, C. Zou, A.H. Butler, C. Mears, A. Osso, C. Long, and R. Lin, "The mystery of recent stratospheric temperature trends", Nature, vol. 491, pp. 692-697, 2012. http://dx.doi.org/10.1038/nature11579
  3. A.C. Maycock, W.J. Randel, A.K. Steiner, A.Y. Karpechko, J. Christy, R. Saunders, D.W.J. Thompson, C. Zou, A. Chrysanthou, N. Luke Abraham, H. Akiyoshi, A.T. Archibald, N. Butchart, M. Chipperfield, M. Dameris, M. Deushi, S. Dhomse, G. Di Genova, P. Jöckel, D.E. Kinnison, O. Kirner, F. Ladstädter, M. Michou, O. Morgenstern, F. O'Connor, L. Oman, G. Pitari, D.A. Plummer, L.E. Revell, E. Rozanov, A. Stenke, D. Visioni, Y. Yamashita, and G. Zeng, "Revisiting the Mystery of Recent Stratospheric Temperature Trends", Geophysical Research Letters, vol. 45, pp. 9919-9933, 2018. http://dx.doi.org/10.1029/2018gl078035
  4. C. Zou, H. Qian, W. Wang, L. Wang, and C. Long, "Recalibration and merging of SSU observations for stratospheric temperature trend studies", Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 119, pp. 13,180-13,205, 2014. http://dx.doi.org/10.1002/2014JD021603
  5. M.C. Casas, G.A. Schmidt, R.L. Miller, C. Orbe, K. Tsigaridis, L.S. Nazarenko, S.E. Bauer, and D.T. Shindell, "Understanding Model‐Observation Discrepancies in Satellite Retrievals of Atmospheric Temperature Using GISS ModelE", Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 128, 2022. http://dx.doi.org/10.1029/2022JD037523

 

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 2 Antworten zu „CMIP6: Nicht ganz so plötzliche Abkühlung der Stratosphäre“


     Nigelj sagt

     21. Mai 2023 um 19:04 Uhr

     Das Google-Konto meines Telefons hat mich vor ein paar Tagen darüber informiert: „Die obere Atmosphäre kühlt ab, was zu neuen Klimaproblemen führt.“ Eine neue Studie, die bekräftigt, dass der globale Klimawandel vom Menschen verursacht wird, ergab außerdem, dass sich die obere Atmosphäre aufgrund des steigenden CO2-Gehalts dramatisch abkühlt. Wissenschaftler sind besorgt über die Auswirkungen, die diese Abkühlung auf umlaufende Satelliten, die Ozonschicht und das Erdwetter haben könnte.“ (Yale-Klimaverbindungen)

     https://e360.yale.edu/features/climate-change-upper-atmosphere-cooling#:~:text=A%20new%20study%20reaffirming%20that,ozone%20layer%2C%20and%20Earth's%20weather.

     [Antwort: Ich weiß nicht, warum dies neue Klimabedenken hervorrufen würde? Wie ich bereits sagte, wurde dies vor mehr als 50 Jahren vorhergesagt und bereits viele Male bestätigt. Die Auswirkung auf Raumfahrzeuge in niedrigen Erdumlaufbahnen besteht darin, dass die Dichte abnimmt und somit die Reibung geringer ist, sodass davon ausgegangen werden kann, dass Satelliten länger im Orbit bleiben. – Gavin]
     Antwort

         Nick Palmer sagt

         21. Mai 2023 um 23:39 Uhr

         Der Artikel von Fred Pearce verwendet einen alten rhetorischen Trick, indem er Dinge wie „Wissenschaftler sind besorgt …“ sagt, was viele vielleicht denken, dass ALLE Wissenschaftler besorgt sind. Ben Santer selbst wird zitiert, er sei „besorgt“ über seine Ergebnisse, aber der Artikel impliziert, dass Santer aufgrund dieser Ergebnisse neue Sorgen hat, die er vorher nicht hatte. Wie Gavin sagt, wird vorhergesagt, dass diese stratosphärischen Effekte 50 Jahre lang auftreten werden

         Ich denke, der Ton von Pearces Artikel ist zumindest irreführend und grenzt an Alarmismus – oder zumindest wird er von der leugnenden Fraktion so dargestellt, aber andererseits wird er von alarmistischen Aktivisten eifrig verbreitet
         Antwort

Dienstag, 6. September 2022

Lanz und die Runde, Klimathema ab ca. 47'

 https://www.zdf.de/gesellschaft/markus-lanz/markus-lanz-vom-17-august-2022-100.html

Ab ca. 47 Minuten kommt Harald Lesch dran ...  Sehr interessant und hörenswert - Alle Dächer mit PV bestücken, wir brauchen ca. 5000 km² PV-Fläche, die Häuser könnten ca. 1500 km² beisteuern. 

Es gibt aber noch einige Probleme:

* die Module (PV-Module) fehlen
* Es fehlen sogar zeitweilig die alu-basierten Haken für die Montage der Module
* Altbauten könnten rein statische Probleme bieten

Aber es gibt aber auch Positives zu berichten:

* Im Agrarbereich könnten PV-Module ca. 4 m hoch gebaut werden, so dass Traktoren einfach Platz darunter finden, um ihrer Arbeit tun zu können. Es scheint sogar so zu sein, dass in trockenen Zeiten die Flächen unter diesen Modulen fruchtbarer sind als sonstwo.

* Ein weiteres Projekt könnten Gründungen von Energiegenossenschaften sein, die z.B. von den Kommunen gegründet werden und nur Dachflächen benötigen, private und öffentliche ... 

Also: hier werden sehr interessante Ideen ausgebreitet ...

Montag, 26. April 2021

vom MPI für terrestrische Mikrobiologie

Thomas Schwander,  Lennart Schada von Borzyskowski, Simon Burgener,
Niña Socorro Cortina,  Tobias J. Erb

 

Abstract:
Carbon dioxide (CO 2 ) is an important carbon feedstock for a future green economy.This requires the development of efficient strategies for its conversion into multicarbon compounds. We describe a synthetic cycle for the continuous fixation of CO 2 in vitro. The crotonyl–coenzyme A (CoA)/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA (CETCH) cycle is a reaction network of 17 enzymes that converts CO 2 into organic molecules at a rate of 5 nanomoles of CO 2 per minute per milligram of protein. The CETCH cycle was drafted by metabolic retrosynthesis, established with enzymes originating from nine different organisms of all three domains of life, and optimized in several rounds by enzyme engineering and metabolic proofreading. The CETCH cycle adds a seventh, synthetic alternative to the six naturally evolved CO 2 fixation pathways, thereby opening the way for in vitro and in vivo applications.

Inzwischen haben neue Versuche ergeben, dass dieser CETCH-Zyklus eine 20-fache Wirkung gegenüber der natürlichen Photosynthese hat. Allerdings ist dieser Prozess noch im Stadium des "Labormusters" (2021).

Freitag, 20. November 2020

Ein künstlicher Photosyntheseprozess mit besserem "Wirkungsgrad" - aus Marburg ...

Das Max-Planck-Institut in Marburg für terrestrische Mikrobiologie hat ein Verfahren entwickelt, mit dem - labormäßig - ein neuer Photosynthesemechanismus (CETCH-Zyklus - https://www.researchgate.net/publication/321992119_Daring_metabolic_designs_for_enhanced_plant_carbon_fixation/figures?lo=1) entwickelt wurde, der nach den vorläufigen Ergebnisse etwa 20 mal so effektiv ist wie der natürliche Photosynthesprozess der Natur - (eine Liste der Veröffentlichungen findet man bei Researchgate.net: https://www.researchgate.net/profile/Tobias-Erb/research).

Ein "Zyklusmolekül¨ des Calvinzyklus generiert ca. 5-10 Moleküle O2 pro Sekunde und das neu entworfene Molekül des CETCH-Zyklus generiert ca. 80 Moleküle O2 pro Sekunde.

Das ist absolut revolutionär - im Prinzip steht die Welt bei Fuß, um diesen Prozess in großem Stil anzuwenden. Sicherlich gibt es einige Fallstricke bei der Anwendung, z.B. sollte man diesen Prozess nicht sich selbst überlassen, da dann die Gefahr besteht, dass soviel CO2 aus der Atmosphäre gebunden wird, dass der "gute" natürliche Treibhauseffekt "verloren" geht und die Erde dann zu einem Eisblock wird, was wir vor mehr als 600 Millionen Jahren hier schon mehrmals hatten (Snowball Earth).

 

Freitag, 9. Oktober 2020

Rückkopplungen im Klimasystem

Es gibt mehrere zum Teil einfache Prinzipien der Rückkopplung bei dem Klimawandel .


1. die Eis-Albedo-Rückkopplung

2. Die Rückkopplung im Zusammenhang mit den Schwankungen der Milankovitch Zyklen. Das geschieht so, dass einmal die Sonne die Atmosphäre und die Meere oberflächlich erwärmt. Die Meere transportieren diese Erwärmung in die Tiefe. Daraufhin wird mehr CO2 freigegeben. Das wiederum führt zu einer weiteren Erwärmung. Dadurch erklärt sich die Verzögerung der Kurven zwischen Temperatur und CO2-Gehalt bei den Eisbohrkernen. Konkret bei Vostok.


3. Wenn sich das Meerwasser erwärmt, gibt es mehr Wasserdampf ab. Dies kann in der erwärmten Atmosphäre ebenfalls mehr gehalten werden. Die Verdampfung von Wasser speichert viel Energie, nämlich ca 420 kilokalorien pro Kilogramm Wasser. Diese Energie und der höhere Wassergehalt der Luft führen zu extrem Ereignissen wie Starkregen und schweren Stürmen.

 

Und hier noch ein besonderer Fall: ENSO - El Niño - La Niñna im Jahre 2020

  https://www.focus.de/wissen/klima/la-nina-ist-zurueck-wie-die-gegenspielerin-von-el-nino-das-wetter-beeinflusst_id_12639345.html


ENSO - Erklärung für Laien - aus: Perspektive Daily

  Es ist das 17. Jahrhundert. Ein Fischer vor der Küste des heutigen Perus holt sein Netz ein. Kaum ein Fisch hat sich darin verfangen. Da...