1. Wymuszanie Radiacyjne (radiative forcing)
Fundamentalne pojęcie związane ze zmianą bilansu energii w atmosferze. Rozumiemy przez nie zmianę bilansu radiacyjnego w systemie klimatycznym wywołaną działaniem zarówno czynników naturalnych jak i antropogenicznych. Dodatnie wymuszanie radiacyjne oznacza, że dane zaburzenie prowadzi do wzrostu energii absorbowanej przez system a tym samym do ogrzewania klimatu. Wymuszanie radiacyjne oblicza się ze wzoru
DF=( F- - F+)zab - ( F- - F +)pod [W/m2] (1)
gdzie F- oraz F+ oznaczają strumienie radiacyjne promieniowania odgórnego (promieniowanie idące w dół) i oddolnego (promieniowanie idące w górę). Pierwszy nawias opisuje strumień netto w przypadku sytuacji z zaburzeniem, zaś drugi strumień netto przypadku niezaburzonym (podstawowym). Wymuszanie radiacyjne może być zdefiniowane na dowolnej wysokości w atmosferze wówczas opisuję zmianę bilansu radiacyjnego w atmosferze po niżej tej wysokości. Najczęściej jednak definiuje się go na górnej granicy atmosfery (wówczas odnosi się do całej kolumny pionowej powietrza), na wysokości tropopauzy lub na powierzchni Ziemi. Do wyznaczania wymuszania radiacyjnego stosuje modele transferu radiacyjnego w atmosferze (MTRA) oraz obserwacje strumieni radiacyjnych wykonywane na powierzchni Ziemi i poza atmosferą przez detektory satelitarne. Zdefiniowane w ten sposób wymuszanie radiacyjne nosi nazwę chwilowego wymuszania radiacyjnego (instantaneous radiative forcing) w odróżnieniu do wymuszania radiacyjnego określanego dla równowagi radiacyjnej.
2. Wymuszanie radiacyjne dla stanu równowagi radiacyjnej (adjusted radiative forcing)
W przypadku stratosfery, gdzie dominuje równowaga radiacyjna, odpowiedz układu systemu klimatycznego na zaburzenie jest znacznie szybsza w porównaniu z troposferą. Typowa stała czasowa wynosi od kliku tygodni do kilu miesięcy, gdy w przypadku troposfery wynosi od kilku do kilkudziesięciu lat. W związku z tym wymuszanie radiacyjne związane z zaburzeniami w stratosferze definiuje się w oparciu o nowy stan równowagi radiacyjnej który ustala się po krótkim okresie czasu. Wymaga to jednak wyznaczenia tego nowego stanu równowagi. W tym celu korzysta się z modeli transferu radiacyjnego w atmosferze (MTRA), przy pomocy których możliwe jest określenie tego stanu. Wykonuje się to metodą kolejnych iteracji strumieni radiacyjnych z krokiem czasowym około jednego dnia. Korzystając z MTRA wyznacza się profil strumieni radiacyjnych a w dalszej kolejności dywergencje całkowitego strumienia radiacyjnego którą odpowiada za grzanie (dywergencja ujemna) lub ochładzanie (dywergencja dodatnia) warstwy powietrza. Na podstawie dywergencji strumieni wyznacza się tempo zmian temperatury powietrza w danym kroku i zmienia profil temperatury zgodnie nim. Iteracje prowadzi się do momentu aż ustali się równowaga radiacyjna i temperatura powietrza osiągnie stała wartość. Bazując na wyznaczonym nowym stanie równowagi radiacyjnej przy użyciu wzoru 1 wyznacza się wymuszanie radiacyjne. Wymuszanie radiacyjne wyznaczone dla stanu równowagi radiacyjnej jest mniejsze w porównaniu do chwilowego wymuszenia radiacyjnego.
3. Odpowiedz systemu klimatycznego na wymuszanie radiacyjne.
System klimatyczny poddany zaburzeniu będzie stopniowo ewoluował w kierunku nowego stanu równowagi. Dla niewielkich zaburzeń w systemie klimatycznym nowy stan może być wyznaczony ze wzoru
DT=a DF (2)
gdzie DT opisuje zmianę temperatury pomiędzy nowy stanem równowagi a stanem podstawowym, DF jest wymuszaniem radiacyjnym, zaś a jest współczynnikiem wrażliwości na zmiany klimatyczne [K/W/m2]. Parametr ten opisuje odpowiedz systemu na zaburzenia radiacyjne uwzględniając wszystkie sprzężenia zwrotne występujące w układzie. Zasadniczym problem staje się oszacowanie tej wielkości dla systemu klimatycznego. Do tego celu służą między innymi globalne modele klimatu (GCM). Zakładając pewien typ zaburzenia w modelu klimatu wyznacza się równowagową wartość temperatury powietrza. Znając wartość odpowiadającą mu wymuszania radiacyjnego wyznacza się parametr a. Wyznaczone w ten sposób współczynniki wrażliwości na zmiany klimatyczne różną się pomiędzy medalami klimatu jak również wykazują wrażliwość na typ zaburzenia. Innymi rzecz słowy np. wymuszenie +2W/m2 związane z obecnością CO2 i wymuszenie na poziomie +2W/m2 związane ze zmiana zawartości pary wodnej prowadzą do nieco innych zmian temperatury powierzchni Ziemi. Głównym powodem tego stanu rzeczy jest inny rozkład pionowy CO2 i pary wodnej w atmosferze. Przyjmuję się ze współczynnik wrażliwości na zmiany klimatyczne przyjmuje wartości z przedziału 0.6-0.7 K/W/m2. Rozważając klasyczny przypadek podwojenia koncentracji CO2 w atmosferze możemy oszacować wymuszenia radiacyjne związane z tym zaburzeniem na około 4 W/m2 co przy współczynniku a=0.6 K/W/m2 prowadzi do zmian temperatury na poziomie około 2.4o.