Climate change over the Polar Ocean. I

Summary

Climatic change results from changes in the terms of the energy equation. The present study consists of an analysis of possible changes in the radiative terms of the Polar Ocean energy budget.

The absorbed global radiation at the surface depends mainly on clouds and surface albedo. These factors are discussed, and the absorbed global radiation is presented for various extreme surface and atmospheric conditions.

The short wave radiation absorbed in the atmosphere is next discussed. It is apparent that variations in the atmospheric short wave absorption are of rather small importance for climatic change.

There is greater possiblity of variations in long wave radiation than of solar radiation. theoretical polar atmospheres are discussed, with the consequent changes in the radiation balance. The conclusion appears that the atmosphere is at present adjusted in the best possible way for the conservation of energy.

Long wave fluxes have been calculated for the condition of an open Polar Ocean in winter and for a Polar Ocean completely frozen throughout the year.

It is concluded that, forcloudless conditions, there is little possibility for a change in the long wave balance in summer; the long wave balance would become much more negative in winter; the development of a winter balance less negative than the present seems unlikely. Changes in surface conditions are much more important than changes in the atmosphere, for the long wave radiation budget.

Various radiation budgets are presented, for different assumed conditions. The optimum surface conditions would occur with winter overcast and summer cloudless sky. The annual radiation balances would become:

$$\begin{gathered} {\text{With present Polar Ocean surface: + }} {\text{23}}{\text{.9 Kcal cm}}^{{\text{ - 2}}} \hfill \\ {\text{With}} {\text{frozen}} {\text{surface:}} {\text{ + 3}}{\text{.3 Kcal cm}}^{{\text{ - 2}}} \hfill \\ {\text{With open ocean:}} {\text{ + 47}}{\text{.1 Kcal cm}}^{{\text{ - 2}}} \hfill \\ \end{gathered} $$

The earth-atmosphere radiation budget is presented for an open Polar Ocean with cloud conditions suchas presently found over the Norwegian Sea. It is apparent that the Polar Ocean is at present in a delicate radiational balance, and relatively minor variations in any term can result in a process leading to complete freeze-over or to complete melting.

The atmospheric heat advection required with an open Polar Ocean would decrease significantly. In winter, it is even possible that this term in the energy budget might become negative (heat export from the Polar Ocean).

Zusammenfassung

Klimaänderungen entstehen durch Veränderungen der Terme der Energiebilanz. In der vorliegenden Arbeit werden mögliche Änderungen in den Strahlungstermen im Energiehaushalt des Polarmeeres besprochen.

Der Betrag der absorbierten Globalstrahlung im Meeresniveau hängt hauptsächlich von der Bewölkung und von der Bodenalbedo ab. Diese Faktoren werden diskutiert, und die Größe der absorbierten Globalstrahlung wird für verschiedene extreme atmosphärische Bedingungen und Seeoberflächenverhältnisse berechnet. Die Berechnungen zeigen, daß die Schwankungen der atmosphärischen Absorption im Kurzwelligen nur von untergeordneter Bedeutung für Klimaschwankungen sind.

Es bestehen größere Möglichkeiten für Änderungen der langwelligen Strahlung als für Änderungen der Sonnenstrahlung. Die entsprechenden Schwankungen der Strahlungsbilanz werden für verschiedene theoretische Polaratmosphären berechnet. Es ist daraus zu schließen, daß die Atmosphäre gegenwärtig bestmöglich für eine Erhaltung der Energie eingestellt ist.

Es werden langwellige Strahlungsströme für ein Polarmeer berechnet, das das ganze Jahr offen ist, und für eines, das das ganze Jahr eisbedeckt ist. Daraus kann geschlossen werden, daßbei wolkenlosen Verhältnissen nur wenig Möglichkeiten für eine Änderung der langwelligen Strahlungsbilanz im Sommer bestehen; im Winter würde die langwellige Bilanz stärker negativ werden; die Entwicklung einer winterlichen Strahlungsbilanz, die weniger negativ als heute wäre, erscheint wenig wahrscheinlich. Für die langwellige Strahlungsbilanz sind Veränderungen der Bedingungen an der Meeresoberfläche viel bedeutungsvoller als Änderungen in der Atmosphäre.

Für verschiedene Annahmen werden Strahlungsbilanzen berechnet. Die optimalen Seeoberflächenbedingungen wären bei bedecktem Himmel im Winter und bei wolkenlosem Himmel im Sommer gegeben. Dann würden die jährlichen Strahlungsbilanzen werden:

$$\begin{gathered} {\text{bei}} {\text{der}} {\text{gegenw}}\& \# x00E4;rtigen Polarmeeroberfl\& \# x00E4;che{\text{ + }} {\text{23,9 Kcal cm}}^{{\text{ - 2}}} \hfill \\ bei gefrorener Oberfl\& \# x00E4;che {\text{ + }} {\text{3,3}} {\text{Kcal}} {\text{cm}}^{{\text{ - 2}}} \hfill \\ {\text{bei}} {\text{offenem}} {\text{Ozean}} {\text{ + }} {\text{47,1}} {\text{Kcal}} {\text{cm}}^{{\text{ - 2}}} \hfill \\ \end{gathered} $$

Die Strahlungsbilanz Erde-Atmosphäre wird für die Verhältnisse eines offenen Ozeans mit Wolkenverhältnissen wie gegenwärtig über der Norwegischen See berechnet. Es zeigt sich, daß das Polarmeer in einem labilen Gleichgewichtszustand ist. Verhältnismäßig geringe Schwankungen in irgendeinem Term können einen Prozeß einleiten, der zu vollständigem Gefrieren oder zu vollständigem Schmelzen der Eisdecke führt.

Die atmosphärische Wärmeadvektion, die bei offener Oberfläche notwendig wäre, würde beträchtlich geringer sein. Im Winter wäre es sogar möglich, daß dieser Term in der Energiebilanz negativ würde (Wärmetransport aus dem Polarmeer).

Résumé

Les variations de climat proviennent de modifications dans les termes initiaux du bilan d'énergie. Dans le présent mémoire, on discute les modifications possibles dans les paramètres du rayonnement figurant au bilan énergétique de la mer polaire.

La portion du rayonnement global absorbé au niveau de la mer dépend principalement de la nébulosité et de l'albédo du sol. On discute ces facteurs et calcule l'importance du rayonnement global absorbé dans des conditions atmosphériques extrêmes et pour des états différents de la surface de la mer. Ces calculs montrent que les variations de l'absorption atmosphérique à ondes courtes n'a une importance que très secondaire pour les changements de climat.

Il y a plus de possibilités pour des changements du rayonnement à longues ondes que pour des modifications du rayonnement solaire. On calcule les variations du bilan de rayonnement correspondant à différentes atmosphères polaires théoriques. On peut en déduire que l'atmosphère est actuellement équilibrée au mieux pour le maintien de l'énergie.

On calcule les flux de rayonnement à longues ondes correspondant à une mer polaire libre de glace toute l'année d'une part, et couvert de glace en toutes saisons de l'autre. On peut en déduire qu'il y a peu de possibilitiés pour une modification du bilan d'énergie à longues ondes en étépar ciel serein. En hiver, ce bilan deviendrait plus négatif. Pourtant, le développement d'un bilan énergétique d'hiver qui serait moins négatif qu'actuellement est peu probable. Pour le bilan raditif à longues ondes, les modifications qui interviennent dans l'état de la surface de la mer sont beaucoup plus importantes que celles qui se produisent dans l'atmosphère.

On calcule des bilans radiatifs en partant de diverses hypothèses. Si l'on admet que les conditions optimum à la surface de la mer sont remplies en hiver par ciel couvert et en été par ciel serein, les bilans radiatifs annuels seraint:

$$\begin{gathered} {\text{Pour l'}}\& \# x00E9;tat actuel de la mer polaire{\text{ }} {\text{ + }} {\text{23,9 Kcal cm}}^{{\text{ - 2}}} \hfill \\ {\text{Pour une mer recouverte de glace}} {\text{ + }} {\text{3,3}} {\text{Kcal}} {\text{cm}}^{{\text{ - 2}}} \hfill \\ Pour une mer compl\& \# x00E8;tement libre de glace {\text{ + }} {\text{47,1}} {\text{Kcal}} {\text{cm}}^{{\text{ - 2}}} \hfill \\ \end{gathered} $$

On calcule ensuite le bilan radiatif terre-atmosphère pour un océan libre de glace et des conditions de nébulosité telles qu'on les rencontre actuellement sur la Mer de Norvège. Il en découle que la mer polaire se trouve dans un état d'équilibre instable. Des variations relativement minimes de l'un quelconque des paramètres peuvent déclencher un processus qui entraînerait soit la prise complète de la mer par les glaces, soit la fonte totale de la banquise.

L'advection de chaleur par l'atmosphère nécessaire en cas d'une mer libre de glace serait bien inférieure à ce qu'elle est actuellement. En hiver, il serait même possible que ce paramètre du bilan énergétique devienne négatif ce qui signifierait un transport de chaleur de la mer polaire vers les autres régions.