Modül 1 - İklim Bilimine Giriş: Enerji Denge Modeli ve Sera Etkisi

Gezegenin git gide ısınmasının ardındaki temel fizik bilimini anlamak, medyada ve diğer çeşitli kanallarda okunan haberlerin analiz ve değerlendirmesini yapabilme yeteneği kazandırır ve neyin doğru neyin abartılı ya da düpedüz yanlış olduğunu ayırt edebilme olanağı sağlar.

Bu modülün ilk kısmı, temel ve basit bir model oluşturmak için biraz matematik pratiği içeren temel iklim modelleri konusunu ve sera etkisini hesaba katmayı kapsamaktadır. Biraz detay içeren bu açıklamalar modelleme ve istatistik içeren diğer modüllerin temelini oluşturmayı hedeflemektedir. İkinci kısımda ise "radiative forcing" ve daha fazla sera gazı salımının sıcaklıklar için taşıdığı anlam ve bazı grafiklerin yorumlanması ele alınacaktır. Son olarak, insan kaynaklı faaliyetlerin bugün maruz kaldığımız ısınmaya neden olduğunu nasıl bildiğimize dair bilimsel bir yaklaşım geliştirilecektir.
 

İklim değişikliği, Dünya’nın enerji denge modeli ve sera etkisi

İklim değişikliğinin temel bilimini anlayabilmenin en etkili yolu bir model oluşturmak olabilir. Modeller, doğrudan gözlemlenmesi zor olan gerçek bir olgunun basit bir temsilidir. Bu kısım basit düzeyde matematik içeren ve iklim biliminin anlaşılmasına yardımcı olan, hem iklim değişikliği hem de iklim modellemesi hakkında sezgisel bir anlayış kazandıran bir alıştırmayla başlamaktadır.
 

Dünya yüzeyinin sıcaklığı nedir ve nasıl tahmin edilir? 

Oldukça karmaşık bir soru, çünkü yeryüzünün sıcaklığı zaman ve konuma bağlı olarak çok değişken bir yapıya sahiptir ve bu değerlerin tahmini biraz iklim modelleme sanatı içerir. Ancak daha basit bir kavrayış geliştirebilmek için dünya gezegenine uzaktan baktığınızı hayal edin ve hangi sıcaklıkta olduğu ile ilgili bir yorum geliştirmeye çalışın. Bu soruyu yanıtlamak için Enerji Dengesi Modeli adı verilen çok basit seviyede bir iklim modeli oluşturacağız. Buradaki temel amaç, iklim modellemesinin ne olduğu ve dünyanın yüzey sıcaklığını tahmin etme çalışmalarında neden bu kadar işlevsel olduğu konusunda sezgisel bir anlayış geliştirebilmektir.

Bilinmesi gereken ilk şey, dünyanın tüm enerjisini güneşten alıyor olduğudur. Güneşten gelen bu enerjinin bir kısmı, tekrar uzaya geri salınır. Eğer alınan miktarda enerji uzaya gönderilemeseydi, yeryüzünün sıcaklığı dünyanın yaşam süresi boyunca sonsuza dek yükseliyor olacaktı. Geçmişte Dünya’nın sıcaklığı zaman içinde değişkenlik göstermiştir, hatta iklim değişiminin kendisi sıcaklığın artmasına neden olmaktadır. Ancak dünya tarihinde çeşitli nedenlerle sıcaklığın azaldığı pek çok dönem de vardır. Dünya güneş enerjisini sonsuza dek absorbe ediyor olsaydı bu durum gerçekleşemezdi.

Dünyanın geneli için temel fizik, giren enerjinin çıkan enerjiye eşit olduğunu söylüyor. Peki, buradan iklim değişikliğini anlamaya nasıl geçeceğiz? 

Konuya girmeden önce, birkaç şeyi öğrenmek için biraz zaman ayırmalıyız. Bu oldukça basit modelin amacı doğrultusunda, sadece enerjinin boş uzaya yayılabilmesinin tek yolu olan ışıma enerjisini dikkate alıyoruz. Ayrıca, modeli basit tutabilmek için atmosferik konveksiyon ve su döngüsü gibi karmaşık konuları da tamamen göz ardı ediyoruz.

Şimdi dünyanın enerji dengesinde tam olarak neler olup bittiğini daha derinlemesine inceleyebiliriz.

Denklemin sadece giren enerji kısmı ile başlayalım:

Güneşten dünyaya ulaşan enerjiye güneş akısı (Watt/M2) denir. Buna S(Yaklaşık olarak 1373 W m− 2) diyelim. Dünyanın sadece güneşe bakan tarafı bu enerjiyi alır, diğer taraf karanlıktır. Dolayısıyla saniyede yeryüzüne çarpan toplam enerjiyi hesaplayabilmek için dünyanın yarıçapına eşit yarıçaplı bir disk hayal edebiliriz. 
 

Ancak bu hesaplamalar bize hala dünyanın tüm yüzeyi boyunca aldığı enerjinin ortalamasını vermiyor. Bunun için, diski esneterek tüm dünyanın yüzeyini kapladığınızı hayal etmelisiniz. Hayali diske düşen enerjiyi, dünyanın tüm yüzey alanına düşen enerjiye oranlayarak dünyanın tüm yüzey alanı boyunca aldığı ortalama enerjiyi elde etmiş oluruz. Bunu da matematiksel olarak aşağıdaki şekilde ifade edebiliriz:

Dünyaya ulaşan enerjiyi kabaca hesapladıktan sonra şimdi dünya yüzeyinden çıkan enerji kısmına geçelim:

Eğer uzay boşluğu pozisyonuna geri dönüp uzayda süzülür ve dünyaya bakarsanız, dünyanın güneşe bakan yüzünde bir ışıldama görürsünüz. Bu, bir çoğu bulutlardan, bir kısmı ise dünyanın yüzeyi tarafından yansıtılan güneş ışınımıdır. Dünya,kendisine  gelen güneş akısının %30'unu yansıtır. Dünyanın bu yansıtma özelliğinin ölçümüne Albedo denir.

Kısaca A harfi ile temsil edelim:

Gelen güneş ışınımının geri kalan %70'i ise atmosferde ya da dünya yüzeyindeki materyallerde absorbe edilir. Bu absorbe edilen güneş enerjisi, absorbe eden cisimler tarafından kızılötesi enerjiye dönüştürülür. Ardından yeryüzünden uzaya kızılötesi ışınım adı verilen bir formda yayılır.

Herhangi bir nesnenin kendisinden uzağa enerji yayma oranı, sıcaklığına bağlıdır. Nesne ne kadar sıcaksa ışıma da o kadar fazla olur. Mükemmel bir yayıcı olan (bu aynı zamanda mükemmel bir soğurucu olduğu anlamına da gelir) nesnelere siyah cisim denir. 

Dünya mükemmel bir siyah cisim değildir, bununla birlikte kızılötesi radyasyonunun çok iyi bir yayıcısı ve emicisidir. Bu modelin amacı için dünyaya basitçe siyah cisim diyebiliriz.

Şimdi, son adım için:

Artık asıl bulmayı hedeflediğimiz sıcaklık (T) değişkenini elde etmiş olduk. Hatırlarsanız, bu modeli oluşturmanın temel amaçlarından biri dünyanın sıcaklığını tahmin etmekti. 
 

Model ve sera etkisini anlamak

Peki, az önce açıkladığımız S/4 = σ⋅T4 + α*S/4 denklemi kullanılarak, dünyanın ortalama yüzey sıcaklığı T’nin ulaşmak istediğimiz gerçek değerine ulaşılabilir mi?

Evet ve hayır. Burada gözden kaçırdığımız şey yalnızca bu denklemin kullanımında atmosferin yani sera gazlarının ve dünya üzerindeki etkilerini ihmal etmiş olduğumuzdur. Şimdi hem dünyadaki yaşam için gerekli olan hem de günümüzde iklim değişikliğinin ana etmeni olan sera etkisini inceleyelim:

Dünya, daima güneşten enerji alan büyük bir küredir. Ancak çok fazla enerji aldığında aşırı ısınırken yeterince almadığında aşırı soğur. Bu nedenle, Dünya'nın etrafında doğru miktarda enerjinin içeride kalmasını sağlayan atmosfer adı verilen özel bir tabaka vardır. Gün boyunca, bir kalkan görevi görerek güneşten gelen zararlı radyasyonu engellerken daha az yoğun görünür ışığın geçmesine izin verir.

Ancak atmosferin radyasyonu absorbe edebilmesi için elektromanyetik dalgalarla etkileşime girecek elektrik yüklü parçacıklara sahip olması gerekir. Su, ozon ve azot protoksit, kızılötesi radyasyonu emen elektriksel olarak orantısız moleküllerken, sera gazları olarak bilinen karbondioksit ve metan kızılötesi ışınların absorbe edilmesine ve dünyanın yalıtımına yardımcı olurlar. Bu orantısız moleküller dünyadan çıkan ısının yaklaşık %90'ını tutarak gezegenin yaşanabilir kalmasında çok önemli bir rol oynarlar Bu fenomen sera etkisi olarak bilinir.

Tekrar enerji dengesi modelimize geri dönelim. Sera etkisini enerji dengesi modelimize entegre ettiğimizde, dünya için doğru sıcaklığı tahmin etmemiz gerekir, değil mi? Teoride böyle düşünsek de pratikte tam olarak böyle değil. Bu tutarsızlığın nedeni, iklimi etkileyen başka faktörlerin de olmasıdır.

Örneğin:

1. Zaman içinde dünya tarafından alınan güneş enerjisi miktarındaki, yani güneş akısındaki değişimler,
2. Dünya'nın güneş etrafında aldığı yol olan yörünge döngüsündeki değişiklikler,
3. Volkanlardan ve insan faaliyetlerinden kaynaklanan aerosoller (bu gazların ve parçacıkların bazıları aslında dünyayı soğutabilir),
4. Ormanlarla kaplı alanların yüz ölçümünü değiştirmek ve buzullardaki mevsimsel değişiklikler gibi arazi kullanımındaki değişiklikler dünyanın yansıtıcılığını yani Albedo’sunu etkiler.

Tüm bu faktörleri hesaba katıldığında dünya enerji dengesi modelinde (daha karmaşık bir versiyonunda) dünya yüzeyinin ortalama sıcaklığını doğru bir şekilde tahmin etmeye çok daha yaklaşırız.

“Işınımsal zorlama” ve iklim üzerindeki antropojenik etkiler

Hepsini bir araya getiriyorum: ışınımsal zorlama nedir?

Bilim insanları, dünyanın enerji dengesinin temel fiziği ve bunun sıcaklıkla ilişkisi ile sera gazlarının bu dengenin düzenlenmesinde oynadığı rolleri kavramsal olarak birleştirerek iklim değişikliğini anlamlandırma çalışmaları yapmaktadırlar. Bu iki kavramı bir araya getirirken bilmemiz gereken, sera gazı konsantrasyonlarının çok yüksek olduğu ve insanların son iki yüzyılda atmosferdeki sera gazı konsantrasyonlarını önemli ölçüde arttırmış olduğudur. İklim bilimciler insan kaynaklı bu emisyonları "antropojenik" olarak adlandırmaktadır.

Hava, okyanus ve iklim bilimlerini araştıran ABD devlet kurumu National Oceanic and Atmospheric Administration'dan (NOAA) alınan bu grafik, yakın geçmişe kıyasla son 800.000 yılda yalnızca CO2 seviyelerine ilişkin değişimleri göstermektedir (CO2 endişe duyduğumuz ana sera gazıdır - diğer modüllerde farklı sera gazlarının göreceli ısınma etkileri ve birincil kaynakları ele alınacaktır). Yakın zamana kadar, yaklaşık 800.000 yıldır kaydedilen en yüksek ortalama CO2 konsantrasyonu 300 ppm olarak ölçülmüştür. 2021 yılında Dünya, 414,7 ppm (milyonda bir parça) ortalama CO2 konsantrasyonuna ulaştı. Grafiğe göre buzul çağlarının ve buzullar arası dönemlerin yavaş ilerleyişini izleyen çizgiden neden yalnızca son nokta ayrı? Bunun sebebi NOAA'ya göre, son 60 yıldaki CO2 konsantrasyonundaki artışın, önceki doğal artışlardan 100 kat daha hızlı olmasıdır ve aslında jeolojik zaman ölçeğinde, son buzul çağının sonundan günümüze kadar olan artış neredeyse ani görünüyor.
 

Pandeminin CO2 seviyeleri üzerindeki etkisini merak ediyorsanız, küçük bir düşüşe neden olsa da, emisyonlar o zamandan beri hızla toparlandı.
 

Yukarıdaki grafik ise, son buzul çağından günümüze uzanan sıcaklık değişimlerini göstermektedir. Nispeten yeni olan sanayi öncesi dönemden bu yana yaklaşık 1.1 santigrat derece ısınmış durumdayız. NOAA bilim insanlarına göre, atmosferik CO2 miktarının bu kadar yüksek (400 ppm'in üzerinde) olduğu en son zaman, sıcaklığın sanayi öncesi döneme göre 2-3 C daha sıcak olduğu ve deniz seviyesinin 5-25 metre daha yüksek olduğu 3 milyon yıldan daha uzun bir süre önceydi. Ve bu bulgu, son 66 milyon yıldaki sıcaklıkları yeniden yapılandıran araştırmalarla da desteklenmektedir.

Sıcaklıklar yükseliyor, çünkü "ışınımsal zorlama"yı artırıyoruz..

Işınımsal zorlama "iklim değişikliği." olarak da bilinir. Bunu sıcaklıkları tetikleyen güç olarak düşünebiliriz. Dünyanın kaybettiğinden daha hızlı enerji aldığı artık bilinen bir gerçek. “Işınımsal zorlama” ise bu dengesizliği açıklayan teknik bir terimdir: 

Işınımsal zorlama = Sisteme giren enerji - Sistemden çıkan enerji

Sisteme giren enerji sıkışıp kaldığında ve tamamı sistemi terk edemediğinde, ışınımsal zorlama'da bir artış gözlemlenir. CO2 ve diğer sera gazlarının seviyeleri arttıkça bu durum daha da şiddetlenmekte ve dünyanın ortalama sıcaklığı yükselmektedir.

Bilim insanları, birbirinden farklı faktörlerin iklim sistemini "ne şekilde tetiklediğini" ölçmeye çalışmışlardır Aşağıdaki grafik, bu ısınma ve soğuma faktörlerinden elde ettiğimiz ışınımsal zorlama'yı göstermektedir. 

Grafik üzerine bazı notlar:

• Grafik, sanayi devriminden bu yana sistemin mevcut durumunu temsil etmek üzere 1750 yılını referans olarak kullanmaktadır. 
• Sol tarafa doğru yönelen çubuklar soğumayı, sağ tarafa doğru yönelenler ise ısınmayı ifade etmektedir. İnsanlardan kaynaklanan kümülatif etkiyi ise en alttaki kırmızı çubuk temsil etmektedir.
• Buradan çıkarılabilecek en önemli sonuç, birbirinden bağımsız faktörlerin ısınma ya da soğuma etkileri olabileceği ve buradaki tahminlerin kesin olmadığı, ancak net etkinin açıkça artan ısınmayı işaret ettiğidir.

Nihayetinde, 1750 yılı Dünya'nın jeolojik tarihi düşünüldüğünde oldukça kısa bir süre. Örneğin güneş akısı ve yörünge döngüleri on binlerce hatta yüz binlerce yılda değişmektedir.

Burada antropojenik (insan kaynaklı) karbondioksit emisyonlarının sanayi devriminin başlangıcından bu yana dünya üzerindeki bölgelere göre zaman içinde nasıl değiştiği gösterilmektedir. Grafik yalnızca CO2 seviyesini göstermesine karşın, metan gibi dikkate alınması gereken diğer sera gazlarının da var olduğu unutulmamalıdır. Bu çeşitli gazların önemi diğer modüllerde tartışılacaktır.

Emisyonlara ve salınım kaynaklarına daha detaylı bir bakış

Aşağıdaki diyagramı incelemek için biraz zaman ayırın. Çeşitli sanayi sektörleri ve ardından gelen emisyonlar boyunca çizgileri takip etmeyi deneyin. Dikkate değer birkaç nokta:

1. Emisyon akışlarını birbirine bağlayan üç sütun bulunmakta. Bu sütunlar soldan sağa doğru "sektörlere" (ulaşımdan elde edilen enerji gibi), "son kullanıma" (karayolu taşımacılığı ya da hava taşımacılığı gibi) ve gazlara (CO2 veya metan CH4 gibi) karşılık gelmektedir.
2. Sütunlar arasındaki akışlar toplam emisyonların yüzdesini temsil etmektedir; burada toplam emisyonların 49.8 GtCO2e veya Gigaton CO2 eşdeğeri olduğu görülmektedir. Şu anda bu birim hakkında endişelenmeyin - gelecek yazılarda ayrıntılı olarak tartışacağız. Şimdilik bilmeniz gereken tek şey, tüm gazların kolay karşılaştırılmasına olanak tanıyan tek bir birimle (CO2e) temsil edildiğidir.

Özetle, iklim bilimi multidisipliner bir yaklaşım gerektiren büyüleyici ve karmaşık bir yapıya sahiptir. Bu temel bilgilerin de ötesinde, dünyanın iklim sistemi üzerine öğrenme sürecini devam ettirdikçe küresel iklim değişikliğine sebep olan faktörler hakkında daha derin bir anlayış geliştirerek bu krizi minimum zararla atlatmanın yollarını keşfedebilir ve çeşitli aksiyonlar alabiliriz.

Bir sonraki modülde: İklim Gözlemleri ve Ölçümleri konusunu ele alacağız.

Temel iklim bilimi ve modelleme bilgisinin üzerine inşa edilebilecek daha ileri sofistike tek katmanlı ve iki katmanlı atmosferik modellerin oluşturulması ve iklim bilimi ve modellemesinin çeşitli bileşenlerinin derinlemesine keşfedilebilmesi amacıyla bazı hesaplamaları konu alır.
 

Kaynaklar

• Terra.do Climate Change: Learning for Action Lecture Notes
• Brian E. J. Rose, University at Albany Climate Science Lecture Notes
• John Harte, Consider a Spherical Cow: A course in environmental problem solving
• Climate.gov, Climate Change: Atmospheric Carbon Dioxide
• Annual Reviews, Atmospheric CO2 over the Past 66 Million Years from Marine Archives
• Climate.gov, Climate Forcing
• NASA,  Joint NASA, NOAA Study Finds Earth's Energy Imbalance Has Doubled
• Forster, P., T. Storelvmo, K. Armour, W. Collins, J.-L. Dufresne, D. Frame, D.J. Lunt, T. Mauritsen, M.D. Palmer, M. Watanabe, M. Wild, and H. Zhang, 2021: The Earth’s Energy Budget, Climate Feedbacks, and Climate Sensitivity. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N.  Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 923–1054, doi:10.1017/9781009157896.009.
• NOVA PBS Official, How Earth's Climate Cycles Work
• Our World in Data, Annual CO₂ emissions by world region
• Flourish, World Greenhouse Gas Emissions in 2019 (Sector | End Use | Gas)