Sprzężenia zwrotne w środowisku Sprzężenie zwrotne kontroluje dynamikę systemu i wynika z dążenia do wzajemnego dopasowania się części składowych systemu. Mechanizm sprzężenia polega na tym, że część sygnału wyjściowego zasila ponownie sygnał na wejściu, tak, że końcowy sygnał na wyjściu (np. po przejściu jednej pętli) zmienia swoje natężenie (przykład: mikrofon - głośnik) W rezultacie może dojść albo do wzmocnienia sygnału wyjściowego (dodatnie sprzężenie zwrotne – positive feedback) albo do jego osłabienia (sprzężenie ujemne – negative feedback) w porównaniu z układem z zerowym sprzężeniem zwrotnym.

Schemat sprzężenia zwrotnego wzrost pr. zwrotnego związany z CO2 pochłanianie pr. i zamiana na ciepło wzrost temperatury na obszarze Arktyki dodatkowa porcja pochłoniętego pr. zwrotnego topnienie pokrywy lodowej i zmniejszenie albedo Vs – sygnał inicjujący; V1 - sygnał wejściowy, VF – sygnał sprzężony, V2 – sygnał wyjściowy, G – transfer, H – współczynnik sprzężenia (wzmocnienie sygnału V2)

sygnał wejściowy (V1) – zmiana temperatury (dT) Transfer G = V2/V1 Informuje o tym, o ile zmieni się sygnał wyjściowy jeżeli sygnał na wejściu zmieni się o jedną jednostkę. Funkcja transferu wiąże że sobą wielkości mierzone w różnych jednostkach. sygnał wejściowy (V1) – zmiana temperatury (dT) sygnał wyjściowy (V2) – zmiana natężenia promieniowania (dI) G szacowane jest na 3.1 W/(m2 K) dI = G ∙ dT Zakresy f: 0 < f < 1— dodatnie sprzężenie zwrotne f < 0 — ujemne sprzężenie zwrotne f – sprzężenie zwrotne systemu

Symulacja Traktujemy wymuszenie radiacyjne dI jako sygnał wejściowy (V1), zmianę temperatury dT jako sygnał wyjściowy (V2). Przyjmujemy G = 0.3 (m2 K)/W oraz dI (oszacowane w okresie 1765–2025) = 4 W/m2 dT = 1.2 K (Przy braku sprzężeń zwrotnych w systemie ziemia-atmosfera wzrost zwrotnego promieniowania o 4 W/m2 spowodowałby wzrost średniej globalnej temperatury o 1.2K)

Przykłady dodatnich sprzężeń zwrotnych w środowisku 1. wzrost temperatury  topnienie lodów i śniegów  zmniejszenie albeda 2. wzrost temperatury i parowania  wzrost zachmurzenia w piętrze wysokim 3. wzrost temperatury oceanu  mniejsza absorpcja CO2 4. wyższa temperatura  szybszy rozkład materii organicznej  dodatkowa emisja CH4 i CO2 5. Wzrost temperatury --> wzrost prężności w stanie nasycenia (H20(g) - gaz cieplarniany) 6. Wzrost temperatury --> przesunięcie strefy lasów na północ --> obniżenie albedo 7. Wzrost temperatury --> niestabilność klatratów metanu 8. Wzrost temperatury --> pożary Przykłady ujemnych sprzężeń zwrotnych w środowisku 1. wyższa temperatura  wzrost zachmurzenia w piętrze dolnym 2. wyższa temperatura  emisja DMS  wzrost albedo chmur 3. wzrost temperatury  intensywność cyklu hydrologicznego  wymywanie CO2 z atmosfery i wiązanie w skałach krzemianowych. 4. wzrost temperatury  zwiększenie częstości epizodów El Nino  ograniczenie emisji CO2 5. Wzrost CO2  intensywna fotosynteza  pochłanianie CO2 6. Pętla tlenowa z udziałem fosforu

Jeżeli w systemie funkcjonuje sprzężenie zwrotne, to skutek staje się przyczyną! „The question is: if winter with higher snow is colder than normal, is it colder because of the snow cover or is the more snow cover because it is colder?”

(temperatura - pokrywa lodowa - albedo - temperatura) Wzrost temperatury w Arktyce jest intensyfikowany przez dodatnie sprzężenie zwrotne (temperatura - pokrywa lodowa - albedo - temperatura)

System sprzężeń zwrotnych

WATER VAPOR FEEDBACK Water vapor feedback is thought to be a positive feedback mechanism. Water vapor feedback might amplify the climate’s equilibrium response to increasing greenhouse gases by as much as a factor of two. It acts globally. Increase in temperature Increase in water vapor in the atmosphere Enhancement of the greenhouse effect

SURFACE ALBEDO FEEDBACK Surface albedo feedback is thought to be a positive feedback mechanism. Its effect is strongest in mid to high latitudes, where there is significant coverage of snow and sea ice. Increase in temperature Increase in incoming sunshine Decrease in sea ice and snow cover

Equilibrium response of a climate model when feedbacks are removed.

CLOUD FEEDBACK Reduced greenhouse effect Decrease in cloudiness? Which effect is stronger depends on the geographical and vertical distribution of the decrease in cloudiness Decrease in cloudiness? Increased sunshine Models predict both an increase and decrease in cloudiness, and both positive and negative cloud feedbacks. Increase in temperature CLOUD FEEDBACK Enhanced greenhouse effect Which effect is stronger depends on the geographical and vertical distribution of the increase in cloudiness Increase in cloudiness? Reduced sunshine