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Text File  |  1994-06-08  |  23.4 KB  |  492 lines

  1. *****************************************************************************
  2. !CO2effect           Version 1.0a (DEMO ONLY version)           30th May 1994
  3. *****************************************************************************
  4.  
  5.                          (c) 1994 Bandy Ridgwell
  6.  
  7.  
  8.  
  9.                               Introduction
  10.                               ============
  11.  
  12.  
  13. !CO2effect is a Global Warming simulation, which will model future 
  14. 'greenhouse' gas (namely CO2, CH4, N2O, CFC-11, CFC-12 and HCFC-22) 
  15. concentrations and mean global surface temerpature, from given current and 
  16. future rates of 'greenhouse' gas emissions.  Policy senarios for controlling 
  17. or reducing the emissions of the various greenhouse gases from their major 
  18. sources can be built up, and the simulation run to give the future 
  19. atmospheric composition, and to predict the future mean surface temperature 
  20. (globally and yearly averaged).  Historical data back to 1750 is included so 
  21. that future levels and trends can be compared with the past, and 
  22. particularly with before the start of the Industrial Revolution.
  23.  
  24.  
  25. The main features include:
  26.  
  27.      * Prediction of mean global surface temperatures from three (currently) 
  28.        different simple models, scaled to fit the prediction of current GCMs
  29.        (Global Circulation Models), or from a user-defined model.
  30.      * Calculation of the future concentrations of the main "greenhouse" 
  31.        gases.
  32.      * Historical data for gas concentration back to before the start of the
  33.        Industrial Revolution (back to 1750).
  34.      * Rates of emissions from all primary anthropogenic sources are 
  35.        individually fully adjustable.
  36.      * 4 policy 'senarios' pre-loaded; including the latest IPCC 
  37.        (InterGovernmental Panel on Climate Change) "Buisness As Usual" 
  38.        (no additional action taken to reduce emissions) prediction for 
  39.        future emissions.
  40.      * Total rates of emissions can be set independantly of their individual 
  41.        sources.
  42.      * All graphs fully scalable; main graph may be drag-magnified.
  43.      * Main simulation and emissions graphs can all be saved as draw files.
  44.      * Emission parameters can be saved from and loaded into the application.
  45.      * Emission parameters can be saved as a text file.
  46.      * Acorn's Interactive help supported.
  47.  
  48.  
  49. ***** This demo version has had the rates of emissions feature cripled, *****
  50. **** such that changes made to the various emissions sources will not be ****
  51. *************** made permanent and used by the simulation. ******************
  52. ****** Additionally, no user-defineable model functunality is present. ******
  53.  
  54.  
  55. **** This program is designed to ideally run under RISC OS 3.1, and looks ***
  56. ***** best a high resolution screen mode.  However the program will run *****
  57. *** adequately in a low res mode, and under RISC OS 2 the only difference ***
  58. ******* will be that the rotated text y-axis labels will be missing. ********
  59.  
  60.  
  61.  
  62.                             About the simulation
  63.                             ====================
  64.  
  65.  
  66.   Put very simply, the Earth's climate system works as follows:
  67.     
  68.   The Earth absorbs radiation from the Sun, mainly at the surface.  This 
  69. energy is then redistributed by the atmosphere and ocean and re-radiated to 
  70. space at longer ('infrared') wavelengths.  Some of the thermal radiation is 
  71. absorbed by radiatively-active ('greenhouse') gases in the atmosphere, 
  72. principally water vapoir, but also carbon dioxide, methane, nitrous oxide, 
  73. the CFCs, ozone and other greenhouse gases.  The absorbed energy is re-
  74. radiated in all directions, downwards as well as upwards such that the 
  75. radiation that is eventially lost to space is from higher, colder levels in 
  76. the atmosphere.  The result is that the surface loses less heat to space 
  77. than it would otherwise do in the absence of the greenhouse gases and 
  78. consequently stays warmer than it would otherwise be.  This phenomenon, 
  79. which acts rather like a 'blanket' around the Earth, is known as the 
  80. greenhouse effect.  Without such a blanket, the average surface temperature 
  81. would be well in excess of -10°C (the global everage surface temperature is 
  82. about 15°C).
  83.   All of the greenhouse gases except the man-made CFCs are natrually present 
  84. in the atmosphere, so that global warming is about the 'enhancement' of the 
  85. 'natural' greenhouse effect by the addition of greenhouse gases from 
  86. anthropogenic sources (since the start of the Industrial Revolution).
  87.  
  88.   The greenhouse gases modelled in this simulation are (with currect (1990) 
  89. contribution to the enhanced greenhouse effect (ie global warming));
  90.  
  91.   CO2                 -  61.2%
  92.   CH4                 -  17.1%
  93.   N2O                 -   4.1%
  94.   CFC-11  (CCl3F)     -   2.5%
  95.   CFC-12  (CCl2F2)    -   5.7%
  96.   HCFC-22 (CHClF2)    -   3.5%
  97.   
  98.   The remaining 5.9% is due to changes in stratospheric water vapour comming 
  99. about as an indirect effect of changes in methane concentration.  This is 
  100. not modeled in this version.
  101.  
  102.   The gas referred to as HCFC-22 in the simulation, is used as a surrogate 
  103. for all halocarbon CFC-11 and CFC-12 substitutes.
  104.  
  105.  
  106.  
  107.   The simulation consists of two main parts; the calculation of the levels 
  108. of emissions of the greenhouse gases from their various sources; and the 
  109. calculation of the gas concentration levels these emissions will lead to, 
  110. and thus the resulting mean surface temperature.
  111.  
  112.  
  113.  
  114.                             1. Emissions modelling
  115.                             ======================
  116.  
  117.  
  118.   The primary anthropogenic sources of the various greenhouse gases are as 
  119. follows, (sources in parenthesies are not adjustable in this version):
  120.     
  121. Gas     Real source       % importance      v1.0a model source
  122.                        (by mass emissions)
  123.     
  124. CO2  -  energy                       80%    energy use, transport
  125.         deforestation                17%    deforestation, reforestation
  126.         cement production            03%    misc sources - cement production
  127.  
  128. CH4  -  energy production and use    26%    energy use, transport
  129.         enteric fermentation         24%    agriculture - livestock
  130.         (rice)                       17%    (remaining sources)
  131.         animal wastes                 7%    agriculture - livestock
  132.         landfills                    11%    misc sources - sewage & landfills
  133.         biomass burning               8%    deforestation
  134.         domestic sewage               7%    misc sources - sewage & landfills
  135.           
  136. N2O  -  energy                        9%    energy use, transport
  137.         fertilized soils             48%    agriculture - fertilizers
  138.         (land clearing)              17%    (remaining sources)
  139.         adipic acid production       11%    misc sources - acid production
  140.         nitric acid production        4%    misc sources - acid production
  141.         biomass burning              11%    deforestation
  142.         
  143. CFCs -  the individual sources are not modelled.  Overall production is 
  144. adjustable, and all this production is assumed to find it's way into the 
  145. atmosphere the same year.
  146.  
  147. [The above figures are taken from the latest IPCC assessment]
  148.  
  149.  
  150.   Future emissions may be adjusted in two differect ways; either by 
  151. setting each source of the various greenhouse gases individually (some of 
  152. the sources are common to more than one greenhouse gas, e.g. deforestation 
  153. is responsible for the release of CO2, CH4 and N2O) in the various source 
  154. windows; or by setting the total levels (by growth/reduction of from 1990 
  155. levels) of each greenhouse gas using the 'Set Emissions' window (e.g. the 
  156. emissions of all greenhouse gases could be held at 1990 levels using this 
  157. window).  Thses windows are accessed from the emissions toolbar by 
  158. clicking SELECT.  Future changes in the various emisions sources or 
  159. emissions levels are set in up to 5 phases (phase #0 is not adjustable 
  160. (except in the 'Set Emisions' window).  Values are 'phased in' over the time 
  161. scale set (ie intermediate value are interpolated), except for percentage 
  162. change values (e.g. growth in the number of vehicle miles travelled (VMT) in 
  163. the transport window) which are kept constant at the set value for the 
  164. duration of the phase.  Phases can be set from 1 to 155 years (inclusive).  
  165. Each source window works as follows;
  166.   
  167.   - Electricity Generation:  Electricity is generated from a combination of 
  168. 5 sources (coal, gas, oil, nuclear or renewables (including solar, wind, 
  169. hydo, biomass and geothermal).  Each source will produce a different 
  170. quantity of greenhouse gases for each KWh of electricity produced; the ratio 
  171. of these emissions are taken to be 57:24:42:9:1.  These take into account 
  172. all emissions arrising as a consequence of construnction, getting the fuel, 
  173. operation and decomissionsing.
  174.   For the four fundimentally thermal processes, the power stations can be 
  175. forced to be of a Combined Heat and Power variety, where an equal amout of 
  176. energy to the electricity generated, is assumed to be made available as heat 
  177. (e.g. hot water).  No allowances are made for future increase in generation 
  178. efficiency.  The graph will display either the percentage share of 
  179. generation, or the make-up of the actual power (electrical) generated, 
  180. depending on the status of the 'Absolute/Percentage Display' icon.
  181.   
  182.   - Energy Use Per Year (Excluding Transport):  The amout of electrical 
  183. energy generated and the total energy consumed per year may be set.  The 
  184. percentage of the remaining energy requirements met by renewables (biomass 
  185. or solar-derived hydrogen fuel) as opposed to fossil fuels may also be set.  
  186. Renewables are assumed to count for no emissions.
  187.   
  188.   - Transport:  The rate of growth of the number of Vehicle Miles Travelled 
  189. (the total number of miles travelled by all road vehicles) per year can be 
  190. set.  Cars account for about 72% of the total number of VMT.  'Vehicle 
  191. efficiency' is taken to be the percentage of potential fuel energy which is 
  192. made available for vehicle motion.  'Level of bio-fuels used' is the 
  193. percentage of vehicle fuel that comes from non-fossil fuel (e.g. sugar cane 
  194. derived ethanol, oil fractions from oil seed rape and potentially solar 
  195. hydrogen in the future) sources, currently this is 45% for Brazil.  'Level 
  196. or car sharing' is the average percentage passenger car load (ie 50% would 
  197. be two people in a nominally 4-seater car).  The graph will display either 
  198. the number of VMT as a percentage of the VMT for 1990, or as an absolute 
  199. value, depending on the status of the 'Absolute/Percentage Display' icon.
  200.   
  201.   - Halocarbon/Substitute Production/Use:  The percentage balance of the 
  202. different halocarbons and non-halocarbon substitutes used for current 
  203. halocarbon uses can be set.  These must add up to 100%.  The total 
  204. production (taken also to the the total emissions for that year) can also be 
  205. set (in kilo-tons).
  206.   
  207.   - Deforestation/Reforestation:  The area of forest cleared per year can be 
  208. set.  This forest is taken to be entirely tropical/sub-tropical (temperate 
  209. deforestation is relatively insignificant).  Emissions (CO2, CH4, N2O) 
  210. associated with each hectare of cleared forestation are released that year.  
  211. Reforestation takes carbon out of the atmosphere ('fixes'); this is assumed 
  212. to take place over 25 years (amount absorbed declining linearly per year); 
  213. the total quantity absorbed from the atmosphere being equal to half that 
  214. released from an equivalent area of deforestation (which will almost always 
  215. be a mature forest, with a much higher biomass per hectare).  Reforestation 
  216. can counter the effects of deforestation and lead to a net absorption of 
  217. carbon from the atmosphere (the emissions for carbon will then be negative).
  218.   
  219.   - Agriculture:  Livestock is defined here as cattle, horses, mules/asses, 
  220. buffalo, camels, sheep, goats and pigs.  'Synthetic fertilizer use' is the 
  221. total mass of artificial nitrogen-containing fertilizer (largely nitrate and 
  222. ammonium fertilizer) produced and used each year.  Typically around 3% of 
  223. the nitrogen finds it's way into the atmosphere in the form of N2O.
  224.   
  225.   - Misc Sources:  These three sources are as percentages relative to 1990 
  226. emission levels.  Adipic acid production is largely for use in the making of 
  227. Nylon 66.  Nitric acid is used in the production of fertilizers.
  228.   
  229.   Once the parameters in the window have been set, click 'OK' (or 'Update' 
  230. if the window has it) to make the application accept the new values, 
  231. (otherwise any changed values will be lost when the window is closed).  The 
  232. main simulation and emssions windows will now be stared (*) to indicate that 
  233. the emissions sources have been altered.  The 'Update Emissions' icon now 
  234. needs to be selected so that emissions for the years 1990-2150 can be 
  235. calculated for each of the greenhouse gases.  The main simulation and 
  236. emssions windows will then be un-stared.
  237.   
  238.   
  239.   The 'Set Emission Levels' window allows the total emissions of the 6 
  240. greenhouse gases to be set, independantly of their individual sources.  The 
  241. gases to have thier total emisisons set should be selected.  Phase number #0 
  242. can in this window be set.  Selecting either 'Set' or 'OK' will automaticall 
  243. update the total emissions, so that it is unnecessary to click on the 
  244. 'Update Emissions' icon.
  245.   
  246.   
  247.   Complete sets of emissions source details can be saved as a parameter 
  248. file, and subsequently loaded into the application again by dragging the 
  249. file icon into any of the application's windows.  Details of total emissions 
  250. levels set using the 'Set Emissions' window are not saved.  Built into the 
  251. application are 4 ready setup future emissions source senarios which can be 
  252. loaded up by clicking SELECT or ADJUST over their icons (the 4 numbered 
  253. smoking chimneys), (the 'Update Emissions' icon will need to be clicked on 
  254. to update the actual emissions).  These senarios have been set up as follows;
  255.  
  256.   #1  Largely the IPCC prediction of future greenhouse gas emissions if no 
  257. additional action is taken to limit them.  The balance of electricity 
  258. generation sources is my guess.
  259.   #2  Made up - medium-high emissions.
  260.   #3  Made up - medium-low emissions.
  261.   #4  The energy consumption data, and balance of generation sources is from 
  262. a World Bank assessment of a renewable-intensive and low consumption 
  263. senario. CFCs and their current replacement (HCFCs) and phased out very 
  264. rapidly, and replaced with non-halocarbon compounds.  The rest is just made 
  265. up for an extreme greenhouse gas avoidance policy.
  266.  
  267.  
  268.   By clicking on any of the various greenhouse gas 'Emissions Windows' 
  269. icons, a window will be opened for that greenhouse gas, displaying the level 
  270. of emissions for that gas from 1990 onwards.  They will each be opened in 
  271. the same place, so that opening a second window will hide the first (so drag 
  272. it somewhere else!).  The window may be toggled between displaying a 
  273. percentage scale relative to 1990 emissions levels, and an absolute scale by 
  274. clicking on the 'Absolute/Percentage Display' icon.  The y-axis scale may be 
  275. set from the 'Percentage Of 1990 Levels' window (even whe the graph display 
  276. is in absolute units, the scale is set here as a maximum and minimum 
  277. percentage of 1990 levels).  The time period displayed may be set from the 
  278. 'Time Axis Display' window (any period strating from 1990 to any ate in the 
  279. range 1995-2150).  Clicking on the 'Close Emissions Windows' icon will cose 
  280. any emissions windows currently open.
  281.   Clicking with ADJUST on any of the following icons;
  282.   Energy Use, Transport, Deforestation/Reforestation, Agriculture, Misc 
  283. Sources or Remaining Sources will switch the emissions window to displaying 
  284. theri respective greenhouse gas emissions solely from that set of sources 
  285. (ie clicking ADJUST on the Deforestation/Reforestation will switch the CO2 
  286. emisions window to displaying carbon emissions solely from deforestation and 
  287. reforestation processes).  By clicking either SELECT or ADJUST on the 'Total 
  288. Gas Emisisons' icon, or by clicking with ADJUST on an icon already selected 
  289. by ADJUST, will switch the emissions window back to displaying total 
  290. emissions (ie from all sources combined) again.  x or y-axis grids can be 
  291. displayed by clicking on and selecting the relevant grid icon (and made to 
  292. disappear by clicking on and deselecting them again).
  293.  
  294.  
  295.  
  296.     2. Modelling of atmospheric composition and mean surface temperature
  297.     ====================================================================
  298.  
  299.  
  300.   As the main simulation is run;
  301.   
  302.   Each year a quantity of the various greenhouse gases (depending on how the 
  303. emissions have been previously set) are added to the atmosphere.
  304.   The quantities added are assumed to decay depending on the atmospheric 
  305. half-lives of the gases (with a simple exponential in the cases of CH4, N2O, 
  306. CFC-11, CFC-12 and HCFC-22, but with a more complicated  decay in the case 
  307. of CO2).  The quantities remaining from that single years' emssions are 
  308. calculated for each of the subsequent years up until the end time of the 
  309. simulation, and added to the amount already in the atmosphere in each of 
  310. those years.
  311.   The radiative forcing for each of the greenhouse gases due to the quantity 
  312. of that gas in the atmosphere over and above that for years prior to the 
  313. Industrial Revolution is calculated.  Radiative forcing is a measure of the 
  314. increase in the trapping of outgoing terrestrial (infrared) radiation from 
  315. the Earth's surface, due to a increase in the concentration of a greenhouse 
  316. gas in the atmosphere.  It is measured in Watts per square meter, and is 
  317. equivalent to an additional (infrared) radiation source acting (downwards) 
  318. on the tropospere.
  319.   The mean surface temperature is then calculated by whatever model has been 
  320. selected.  Three simple ones have been provided (future versions of the 
  321. application may have much more complicated ones); all are of the same form, 
  322. and each has been simply scaled to fit the results of a GCM (Global 
  323. Circulation Model), either a low, high or 'best' estimate.  The effect of 
  324. the heat capacity of the Earth's oceans has not been taken into account 
  325. (which will act to smear out and delay global temperature changes).
  326.  
  327.  
  328.   The running of the simulation is controlled by the group of icons in the 
  329. top LH corner of the main simulation window; running from left to right all 
  330. the icons are:
  331.     
  332.   PLAY - Starts the simulation running.
  333.   
  334.   PAUSE - Pauses (/continues) the simulation.
  335.   
  336.   STOP - Stops the simulation, (once it has been stopped it cannot be 
  337.   restarted without resetting).
  338.   
  339.   BLANK - Blanks (/unblanks) the plot,  (useful if the plot is floodfilled, 
  340.   as this takes quite some time to redraw if windows are moved from infrount 
  341.   of it).
  342.   
  343.   RESET - Resets the simulation; this may be done at any time.
  344.   
  345.   SPEED - Makes the simulation run normal speed (fast!) or slowely (one year 
  346.   every ten seconds).
  347.   
  348.  (EMPTY)
  349.   
  350.   TIME AXIS DIAPLY PARAMETERS - Opens window.  Sets the time period to be 
  351.   displayed (any period between 1750 and 2150 inclusive), and whether the 
  352.   time axis grid is on or off.  The max time values the simulation is 
  353.   started with, is the time the simulation will calculate up until.
  354.   
  355.   LH Y-AXIS DISPLAY PARAMETERS - Opens window.  Sets the max and min values 
  356.   on the LH y-axis, and whether the LH y-axis grid is on or off.  Sets the 
  357.   colour of the plot, and also the plot size.
  358.   
  359.   RH Y-AXIS DISPLAY PARAMETERS - Opens window.  Sets the max and min values 
  360.   on the RH y-axis, and whether the RH y-axis grid is on or off.  Sets the 
  361.   colour of the plot, and also the plot size.
  362.   
  363.   CONFIGURATION PARAMETERS - Opens window.  Parameters for the configuration 
  364.   of the plot display.  The various options are as follows:
  365.   Plot fill: The plots may be either flood filled (solid colour under each 
  366.   plot) if selected, or not.
  367.   Plot shape: The plots may be displayed as a point, a cross or as a 
  368.   continuous line.  The point and cross size are determined by the 'Plot 
  369.   Size' parameter in the LH and RH y axis display paramater windows.
  370.   y-axis scale: The plots may be display as absolute values, or as excess 
  371.   values (Global Warming is usually talked about in terms of excess values 
  372.   over pre-Industrial Revolution (say 1750) values, or excess values over 
  373.   1990 values.
  374.   LH y-axis display: The LH y-axis may be set to display either temperature 
  375.   or radiative forcing.
  376.   RH y-axis display: The RH y-axis may be set to display either CO2, CH4 N2O 
  377.   or CFCs.  Additionally the CFCs may be displayed seperately ('All gases?' 
  378.   selected) or combined (ie total CFCs).
  379.  
  380.   ALL/SINGLE - The display may be toggled quickly between displaying all 
  381.   gases floodfilled, or just one (CO2) not foodfilled.
  382.   
  383.   COLOURS - Opens window.  The display colours for the 6 different gases and 
  384.   combined CFCs may be set.  When the plot is displayed floodfilled, cross 
  385.   or line displays (in addition to the floodfill) are displayed in black.
  386.   
  387.  (EMPTY)
  388.   
  389.   EMISSIONS TOOLBAR - Opens the Emissions Toolbar (described above).  
  390.   Clicking with SELECT will close the main simulation window.  Clicking with 
  391.   ADJUST will leave it open.
  392.   
  393.   TEMPERATURE MODEL - Opens window.  For selecting which temperature model 
  394.   to use.  In this version the user-definable one is not selectable.
  395.   
  396.  (EMPTY)
  397.  
  398.   QUICK SAVE - Saves the main simulation graph using the last saved draw 
  399.   file path and filename.
  400.   
  401.   HELP - Loads up Acorn's Interactive Help (RISC OS versions 3.00/3.10/3.11).
  402.   
  403.  
  404.   Selected areas of the main graph may be magnified by dragging out a box 
  405. encompasing that area (move the mouse with SELECT or ADJUST held down).  No 
  406. further magnification is allowed by this means when a certain limit has been 
  407. reached.  Additionally, very small dragged boxes are ignored.
  408.  
  409.   If the main simulation window or one of the emissions windows have the 
  410. input focus, then that graph may be saved by pressing F3 (providing that a 
  411. save path has previously been provided, or a draw file has previously been 
  412. saved).
  413.  
  414.  
  415.  
  416.  
  417.  
  418.                             Further Information
  419.                             ===================
  420.  
  421.  
  422. Climate Change; The IPCC Scientific Assessment. CUP 1990. ISBN 0 521 40360 X
  423. Global Warming; The Greenpeace Report. OUP 1990. ISBN 0 192 86119 0
  424.  
  425.  
  426. A wide variety of information on Climate Change, including material suitable 
  427. for schools use can be obtained from:
  428.   
  429.   Global Climate Change Information Programme
  430.   Atmospheric Research and Information Centre,
  431.   Department of Environmental and Geographical Sciences,
  432.   Manchester Metropolitan University,
  433.   Chester Street,
  434.   Manchester
  435.   M1 5GD
  436.   
  437.   Tel: (061) 247 1593
  438.   Fax: (061) 247 6332
  439.   
  440.   
  441.  
  442.  
  443.  
  444.                               Copyright Notice
  445.                               ================
  446.  
  447.  
  448. !CO2effect is (c) 1994 Bandy Ridgwell, all rights reserved.
  449.  
  450. This software is supplied "as is"; no warranty, express or implied of its 
  451. fitness for any particular purpose is given.  In no circumstances shall the 
  452. author be liable for any damage, loss of profits, or any indirect or 
  453. consequential loss arising out of the use of this software.
  454.  
  455.  
  456.  
  457.  
  458.  
  459. ******************** To obtain the full working version *********************
  460.  
  461.       Send a cheque for £10-00 made payable to "Andy Ridgwell" to:
  462.  
  463.       390 Milton Road,
  464.       Cambridge
  465.       CB4 1SU
  466.  
  467.  
  468.   For this you will recieve the latest full working version of !CO2effect, 
  469. together with full (uncrunched and commented) versions of the source code 
  470. and a printed manual (of sorts) detailing how exactly to use the program, a 
  471. more detailed explanation of the greenhouse effect and how it is modeled, 
  472. the assumptions behind the simulation model and how everything is calculated.
  473.   I will also notify you of any updates (which will cost only enough to cover
  474. postage and packing and the disk).
  475.  
  476. *****************************************************************************
  477.  
  478.  
  479. The author can be contacted at;
  480.  
  481. 390 Milton Road,
  482. Cambridge
  483. CB4 1SU
  484.  
  485.  
  486. The author may be plied with drinks at;
  487.  
  488. The Ancient Druids,
  489. Cambridge
  490.  
  491.  
  492. Bandy Ridgwell  30/05/94