Projekt: Vågutbredning och strålningstransport i atmosfären
Vågutbredning och strålningstransport i atmosfären är ett modernt forskningsområde med omedelbar anknytning till växthuseffekten och den globala uppvärmningen. Projektets långsiktiga mål är att bidra till noggrannare prediktioner och en ökad kunskap inom området.
Fakta om projektet
Projektnamn
Vågutbredning och strålningstransport i atmosfären, växthuseffekten och global uppvärmning
Projektledare
Sven Nordebo
Övriga projektmedlemmar
Christian Engström, Linnéuniversitetet; Pieter Tans, NOAA Global Monitoring Laboratory, USA
Finansiär
Linnéuniversitetet
Tidsplan
2020–
Ämne
Elektroteknik (Institutionen för fysik och elektroteknik, Fakulteten för teknik)
Mer om projektet
Vågutbredning och strålningstransport i atmosfären, växthuseffekten och den globala uppvärmningen är ett aktuellt ämnesområde som omfattar många vetenskapliga och tekniska framsteg och utmaningar. Ämnesområdet ger inte bara en grundläggande förståelse för de fysikaliska principer som ligger bakom klimatförändringarna, det utgör också ett förenande tvärvetenskapligt tema som knyter samman flera intressanta forskningsområden inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Några av dessa är geovetenskap, miljövetenskap, kemi, fysik, elektroteknik och tillämpad matematik.
Forskningsprojektet behandlar följande specifika områden:
1) Statistisk analys av klimatdata och kortsiktiga globala trender
Nu för tiden mäter man mängden växthusgaser såväl som medelyttemperaturer rutinmässigt runt om i världen. Detta utgör en oersättlig källa till data, information och analyser som underlag för politiska beslutsfattare i deras strävan att minska den globala uppvärmningen. Det är därför av yttersta vikt att exakt förstå variationen och noggrannheten i dessa mätningar för att göra korrekta tolkningar av data.
Vår forskning syftar till att utveckla nya verktyg baserade på estimering och statistisk teori, för att utföra analys och validering av kortsiktiga globala trender i förekomsten av atmosfäriska växthusgaser och andra klimatrelaterade data.
2) Strålningstransport och kvantitativ spektroskopi
Teorin om strålningstransport i atmosfären är ett viktigt verktyg för att kunna prediktera växthuseffekten, planetens strålningsbudget och den globala uppvärmningen i olika scenarier. Kvantitativ spektroskopi är centralt för att kunna beräkna strålningstransporten och utgör ett modernt forskningsfält med många nya resultat av stor betydelse. Idag talar forskare om spektralprofiler "bortom Voigt" (det vill säga bortom de klassiska spektralprofilerna) och försöker kontinuerligt att förbättra och implementera nya spektroskopiska modeller, till exempel genom att ta hänsyn till linjeblandning och hastighetsförändringar på grund av molekylkollisioner.
Vår forskning syftar till att analysera och förfina dessa modeller genom att ta hänsyn till de grundläggande matematiska och fysikaliska egenskaperna relaterade till passivitet, positivt reella (eller Herglotz) funktioner och tillhörande optiska teorem och summationsregler. Forskningen syftar också till att utveckla mer effektiva numeriska implementeringar av avancerade spektralprofiler i datorprogram som är baserade på "linje-för-linje"-beräkningar.
Projektet är en del av forskningen i forskargruppen Waves, Signals and Systems.
Exempel på en atmosfärisk modell
I filmen ovan illustreras en atmosfärisk modell baserad på några givna vertikala profiler för temperatur, blandningsförhållanden för de fem viktigaste växthusgaserna och atmosfäriskt tryck, alla mellan 0 och 65 km höjd. Den nedre plotten visar ett spektrum för den infraröda värmestrålning som utgår från jorden på olika höjd i atmosfären.
Videosekvensen kan stegas framåt eller bakåt för att studera effekten av de olika växthusgaserna i olika frekvensband och på olika höjd i atmosfären. I filmen kan observeras att vattenångans och koldioxidens rotations-vibrationsband orsakar det mesta av dämpningen, medan effekten av metan och kväveoxid delvis är maskerad av de mer vanliga absorberarna. Dämpningen av ozon härrör i huvudsak från ozonskiktet på 20–40 kilometers höjd.
En intressant kvantmekanisk egenskap att notera är koldioxidens böjmod och dess Q-branch vid 667 cm-1 som är mättad upp till 25 km höjd, och som sedan blir tydligt upplöst på grund av den positiva temperaturgradienten vid högre höjd. Däremot beror toppen på den centrala 1 043 cm-1-resonansen i det omättade absorptionsbandet av ozon på att dess dragmod saknar en Q-branch.
Alla dessa egenskaper kan härledas från väletablerade principer för strålningstransport och kvantmekanik, och har utvärderats med satellitmätningar sedan 1970-talet. Idag är denna typ av modellering ett viktigt verktyg i studien av strålningstransport och global uppvärmning på grund av de ökande halterna av växthusgaser i atmosfären.
Förklaring av modellen ovan
Filmen ovan förklaras också i Sven Nordebos föreläsning The greenhouse effect, radiative transfer in the atmosphere and quantum mechanics, inspelad under konferensen Quantum Information and Probability: From Foundations to Engineering (QIP) som hölls 25–27 augusti 2021 vid Linnéuniversitetet. Du kan även ladda hem presentationen från föreläsningen (pdf-fil).