Rozkręć atmosferę planety ze stanu spoczynku i patrz, jak komórki Hadleya wyrastają z tropików, aż wzór zamknięty Helda i Hou powie, że muszą się zatrzymać: powietrze wznoszące się na równiku zachowuje swój moment pędu w drodze ku biegunowi, więc wiatr górny staje się równy Ω·a·sin²φ/cos φ — to podzwrotnikowy prąd strumieniowy — a komórka sięga tylko tak daleko, jak pozwala konstrukcja równych pól: 26,5° dla Ziemi, a nie 28,8° ze wzoru małych kątów. Pod nią pasaty przechodzą w wiatry zachodnie tam, gdzie wskazuje bilans momentu pędu, a ich momenty sił się znoszą. Spowolnij planetę, a komórki rozszerzą się ku biegunom; zatrzymaj ją, a jedna komórka wypełni każdą półkulę zupełnie bez wiatru strefowego. Przesuń grzanie o sześć stopni na północ, a wznoszenie przeskoczy do 21°, a komórka zimowa stanie się sto razy silniejsza od letniej, jak odkryli Lindzen i Hou; uruchom pory roku, a ITCZ będzie się wahać o 18° w każdą stronę z dwumiesięcznym opóźnieniem.
Śledź wybrzeże Azji Południowej przez cały rok. To samo słońce grzeje płytki ląd i głębokie morze, ale ląd odpowiada w ciągu dni, a morze z dwumiesięcznym opóźnieniem, jak mówią wzory zamknięte na wzmocnienie 1/sqrt(1+(ωτ)²) i opóźnienie atan(ωτ). Ich kontrast napędza wiatr cyrkulacji wymiennej; wiejąc na ląd, przynosi wilgoć powietrza morskiego, a ciepło utajone deszczu wzmacnia tę samą cyrkulację, która go przyniosła. Dlatego monsun nie narasta łagodnie: gdy tylko wymuszenie lądu staje się dodatnie, deszcz w ciągu tygodnia skacze do ulewy, ciemne chmury napływają od morza i piętrzą się przy wzgórzach, pola ryżowe zalewa woda i zielenieją; monsun trzyma się do jesieni, aż wymuszenie spadnie poniżej zagięcia R_c = −M²/(4Dκ). Zatrzymaj porę roku, a wybrzeże staje się bistabilne: wilgotny napływ przełącza je w stan mokry, a obniżenie ogrzewania lub wilgotności poza próg ze wzoru zamkniętego osusza je na dobre. Bilans wilgoci domyka się z dokładnością do zaokrągleń.
Patrz, jak front chłodny przechodzi nad miasteczkiem w mglisty letni dzień. Chłodne powietrze, o siedem stopni zimniejsze i grube na dwa kilometry, zostaje uwolnione od zachodu i wpływa pod ciepłe powietrze jak prąd gęstościowy: jego czoło porusza się z prędkością Fr·√(g’h) Benjamina ponad wiatrem sterującym, a grubość za nim i prędkość są takie, jak mówi wzór zamknięty Rottmana i Simpsona, z wachlarzem Rittera z tyłu. Ciepła warstwa graniczna zostaje uniesiona nad chłodne powietrze; powyżej poziomu kondensacji tworzy ciemną chmurę szelfową z chmurą wałową wzdłuż czoła i kurtyną deszczu z tyłu. Maszt meteorologiczny i meteogram miasteczka zapisują spadek temperatury, skok ciśnienia ρg’h, poryw i skręt wiatru w prawo. Przełącz na geostroficzne fronty Margulesa, nachylone pod f·Δv·T/(gΔT): front chłodny niesiony wiatrem albo front ciepły z deszczem przed nim i spadającym ciśnieniem. Bez kontrastu gęstości nic się w ogóle nie rusza.
Patrz z orbity, jak nad Północnym Atlantykiem rodzi się sztorm. Zimne powietrze na północy i ciepłe na południu oznaczają, zgodnie z wiatrem termicznym, wiatr zachodni wzmagający się z wysokością — a ten ścinany przepływ jest niestabilny. Zaburzenie o pół hektopaskala rośnie wykładniczo, dokładnie w tempie, jakie w postaci zamkniętej daje dwuwarstwowy model Phillipsa, najszybciej dla fal o długości około 3,5 promienia Rossby’ego, mniej więcej 4000 km; w ciągu kilku dni niże pogłębiają się poniżej 985 hPa, wyże narastają, chmura w kształcie przecinka wznosi się tam, gdzie ciepłe powietrze wspina się przed każdym niżem, a pas frontu chłodnego ciągnie się za nim. Wzrost ustaje, gdy sztormy przeniosą ku biegunowi dość ciepła, by osłabić gradient. Spłaszcz gradient temperatury, a fala tylko zaniknie; porównaj dwie długości fal uruchomione tak samo; tablica rysuje tempo wzrostu w funkcji liczby falowej i księguje energię wirów wobec jej uwalniania ze średniej dostępnej energii potencjalnej.
Rozkręć burzę tropikalną nad ciepłym morzem o zmierzchu: morze oddaje ciepło napływającemu powietrzu w temperaturze swojej powierzchni, wypływ oddaje je sto stopni chłodniej na tropopauzie, a ten silnik Carnota ustala najsilniejszy wiatr, jaki burza może osiągnąć – intensywność potencjalną. Nad morzem, które nie stygnie, wiatr idzie za zamkniętym prawem tanh do tej granicy; pozwól burzy wymieszać zimną wodę pod nią, a utrzyma się niżej, dużo niżej nad płytką ciepłą warstwą; ścinaj wir, a ustali się słabszy; wyprowadź ją na ląd, a bez dopływu ciepła i nad szorstkim gruntem wiatr zanika dokładnie jak V0/(1 + C_D V0 t/2h). Bez różnicy temperatur nie ma silnika.
Patrz, jak letnie popołudnie buduje burzę nad prerią: słońce grzeje ziemię, warstwa mieszania pogłębia się wzdłuż adiabaty suchej i wgryza się w warstwę hamującą nad sobą, a unoszona cząstka — sucha do poziomu kondensacji, potem nasycona wzdłuż pseudoadiabaty — pokazuje swoje CAPE i CIN na tablicy sondażu obok nieba. Cumulusy dobrej pogody tkwią przy podstawie chmur, około 125 m wyżej na każdy kelwin deficytu punktu rosy, dopóki termiki nie przeniosą cząstki ponad poziom swobodnej konwekcji; wtedy wieża rośnie z prędkością smugi, prądu wstępującego z wciąganiem, znacznie słabszego niż sqrt(2 CAPE) ze wzoru zamkniętego, i rozlewa się w kowadło na poziomie równowagi. Jej deszcz uruchamia zimny prąd zstępujący, którego front szkwałowy dławi komórkę. Wzmocnij warstwę hamującą, a burza nigdy nie nadejdzie; osusz powietrze w górze, a wypływ stanie się zimniejszy.
Patrz, jak wieczorny wiatr przekracza ośnieżony grzbiet: stabilne powietrze wypchnięte w górę po stoku nawietrznym sprężynuje z powrotem i oscyluje po zawietrznej, a ustalone liniowe pole fal — równanie Scorera rozwiązane postać po postaci — jest rysowane jako wstęgi dymu wznoszące się i opadające nad grzbietem i za nim. Nad szerokim grzbietem w jednorodnym powietrzu fale wznoszą się prosto w górę jak w rozwiązaniu Queneya, z pionową długością fali 2πU/N i oporem (π/4)ρNUh0²; pod mniej stabilną warstwą wyżej po zawietrznej zostaje uwięziony ciąg fal zawietrznych, a odstęp jego grzbietów to zamknięta postać uwięziona, dłuższa przy silniejszym wietrze, aż powyżej prędkości krytycznej nic nie zostaje uwięzione. Chmury soczewkowe piętrzą się tam, gdzie wilgotne warstwy zostają uniesione ponad poziom kondensacji, szybowiec wznosi się w noszeniu, aż zrówna się ono z jego opadaniem, a grzbiet zbyt wysoki na dany wiatr jest oznaczany tam, gdzie linie prądu by się przewróciły.
Spójrz z góry na półkulę północną w nocy polarnej: prąd strumieniowy świeci jak wstęga wokół bieguna, zabarwiona według swojego wiatru, a zimne arktyczne powietrze barwi grunt na niebiesko po jego stronie biegunowej, a ciepłe na pomarańczowo po drugiej. Jego siła to wiatr termiczny kontrastu równik–biegun, 25 m/s dla 40 K na 500 hPa. Jego meandry to fale Rossby’ego barotropowego równania wirowości: swobodna fala dryfuje na wschód z prędkością ze wzoru zamkniętego c = U − β/(k²+l²), dużo wolniej niż balony unoszone wiatrem, i stoi w miejscu, gdy U = β/K². Góry Skaliste i Tybet wymuszają fale związane z górami. Osłab kontrast, jak robi to ocieplająca się Arktyka, a prąd strumieniowy zwolni, fale stacjonarne się skrócą, a zatoki sięgną dalej na południe; nad grzbietem jednej fali wolniejszy prąd wpada w rezonans, opór gór utrzymuje go tam, a fala pozostaje zablokowana, nawet gdy kontrast wraca.
Patrz, jak El Niño przychodzi i odchodzi w równikowym Pacyfiku, rozciętym od Indonezji po Peru: pasaty spiętrzają ciepłą wodę na zachodzie i unoszą zimną termoklinę na wschodzie; ogrzej wschód, a pasaty słabną, termoklina się spłaszcza i wschód ogrzewa się jeszcze bardziej — sprzężenie Bjerknesa — podczas gdy powolne rozładowanie objętości ciepłej wody zamienia zjawisko w La Niña mniej więcej półtora roku później. Poniżej zamkniętego sprzężenia krytycznego wahanie wygasa, przy nim oscylacja ani nie rośnie, ani nie słabnie, a jej okres to 2π/ω z liniowych wartości własnych, powyżej niego ustala się cykl graniczny o amplitudzie ze słabo nieliniowej teorii. Wyślij zryw wiatru zachodniego albo zaszumioną atmosferę i patrz, jak chmury deszczowe wędrują na wschód; wyłącz atmosferę, a oscylacja znika.
Śledź każdy wat światła słonecznego przez kolumnę powietrza stojącą na wycinku Ziemi w ciemnej hali obserwatorium. Lampa-słońce daje 340 W/m²; pokład chmur i grunt odsyłają 30 % z powrotem w kosmos, powietrze pochłania jedną trzecią reszty, a trzydzieści szarych warstw przekazuje podczerwień w górę i w dół. Zacznij od kolumny zamrożonej do 170 K lub gorącej do 360 K i patrz, jak obie ustalają się w tej samej równowadze radiacyjno-konwekcyjnej blisko 288 K: krytyczny gradient pionowy aż do tropopauzy na wysokości około 9 km, 350 W/m² promieniowania zwrotnego, 123 W/m² wynoszone w górę przez konwekcję, 237 W/m² uchodzące z górnej granicy. Wyłącz konwekcję, a grunt nagrzeje się do 332 K; usuń powietrze, a spadnie do Te; jedna nieprzezroczysta warstwa daje 2^(1/4) Te. Podwój CO2 — 3,7 W/m² wymuszania i 1,2 K ocieplenia, 2,8 K, jeśli para wodna podąży za nim; zamień las na pustynię lub ocean i patrz, jak powierzchnia ustala się w tygodnie lub lata.
Patrz na czapy lodowe planety w blasku jej słońca: każdy pas szerokości pochłania światło według swojego albedo, promieniuje w kosmos i dzieli ciepło z sąsiadami. Dzisiejsze słońce stawia krawędź lodu blisko 66 stopni; przyciemniaj je powoli, a krawędź pełznie ku równikowi, aż przy dziewięciu dziesiątych dzisiejszego nasłonecznienia jasny lód odbija tyle, że cała planeta zamarza jednym skokiem. Rozjaśnij słońce, a śnieżka trwa daleko poza punktem zamarznięcia – rozmarza dopiero powyżej sześciu piątych. Zrób lód i wodę równie ciemnymi, a sprzężenia nie ma: równowaga to wtedy zamknięte rozwiązanie P2 w każdym pasie.
Śledź każdy petagram węgla na muzealnej makiecie Ziemi: kominy spalają kopalny węgiel do powietrza, las pochłania go i zrzuca do gleby, gleba wydycha go z powrotem tym szybciej, im cieplejszy jest świat, a ocean go rozpuszcza — najpierw cienka warstwa powierzchniowa, której chemia buforowa przyjmuje tylko jedną dziesiątą tego, co sugeruje jej rozmiar (współczynnik Revelle’a), potem przez stulecia ocean głęboki. Odtwórz erę przemysłową: 667 PgC do 2025 roku podnosi CO2 do 426 ppm, z czego 47 % wciąż jest w powietrzu; utrzymaj emisje, a CO2 przekroczy 580 ppm do 2100 roku, osiągnij zerowe emisje netto w 2050 roku, a spadnie w stronę 329 ppm. Uwolnij ten sam węgiel naraz lub w ciągu dwóch stuleci, wytnij las i patrz, jak obieg znów go rozdziela: obok pokazano wielowykładniczą odpowiedź zlinearyzowanego obiegu, jego podział równowagowy i dokładny bilans węgla.
Przepuszczaj przez zlewkę wody morskiej na stole laboratorium powietrze o wybranym CO2 i patrz, jak wskaźnik zmienia barwę. Rozpuszczony węgiel i alkaliczność wody ustalają jej pH oraz udziały rozpuszczonego CO2, wodorowęglanu i jonu węglanowego, z opublikowanymi stałymi (Lueker, Dickson, Millero, Weiss, Mucci); współczynnik Revelle’a mówi, czemu ciśnienie CO2 wody rośnie dziesięć razy szybciej niż jej węgiel. Podnieś CO2 powietrza, a jon węglanowy spada, aż blisko czterech tysięcy mikroatmosfer woda nie utrzyma aragonitu: muszla na dnie zaczyna się rozpuszczać, a jej dwie jednostki alkaliczności na każdy węgiel buforują wodę z powrotem tuż poniżej nasycenia. Zimna woda o tej samej chemii ma mniej węglanu. Węgiel w wodzie, muszli i powietrzu jest zachowany do zaokrąglenia.
Patrz, jak dym z komina cegielni dryfuje o świcie nad tarasowo położonym miasteczkiem. Gorące spaliny wznoszą się według wyniesienia smugi Briggsa, potem wiatr niesie je z prądem, a turbulencja wybranej klasy Pasquilla miesza je ku ziemi: w słoneczny, chwiejny poranek smuga pętlami opada w obrębie kilkuset metrów, w obojętny dotyka miasteczka parę kilometrów dalej, w spokojną, stabilną noc rozpościera się wachlarzem w górze i ledwo sięga dachów. Pozwól pokrywie inwersyjnej uwięzić ją nad domami albo ustaw pokrywę poniżej smugi, a miasteczko pozostanie czyste. Wstęga nad dachami rysuje stężenie przy ziemi obok smugi gaussowskiej, stacja je odczytuje; przy jednorodnym wietrze i stałym K warstwa ustala się dokładnie na ustalonej smudze z maksimum przy ziemi 2Q/(eπuH²). Zatrzymaj źródło i patrz, jak resztę wywiewa z doliny; wyemitowana masa zawsze równa się temu, co w powietrzu, osadzone i odeszło.
Przejdź się po małej planecie pokrytej stokrotkami, podczas gdy jej słońce staje się jaśniejsze. Czarne stokrotki pochłaniają światło słoneczne i ogrzewają siebie i planetę, białe je odbijają i pozostają chłodne; obie rosną najlepiej w 22,5 °C. Słabe młode słońce witają więc czarne stokrotki, jasne stare — białe, a pomiędzy nimi obie razem utrzymują planetę w granicach kilku stopni od optimum, podczas gdy naga planeta ociepliłaby się o czterdzieści — gałąź współistnienia ze wzoru zamkniętego na tablicy, z lokalnymi temperaturami dokładnie 5 K po obu stronach optimum. Przesuń słońce ponad 1,54, a białe zginą jednym skokiem; przyciemnij je znowu, a wrócą dopiero przy 1,22 — przemiataj i patrz, jak rysuje się histereza. Przełącz na pustynię: rośliny przynoszą własny deszcz i przy tych samych opadach zarówno zielona sawanna, jak i naga pustynia są stabilne, dopóki susza nie przewróci zielonej na dobre. Powierzchnie są księgowane z dokładnością do zaokrąglenia.
Obserwuj nadmorskie miasto o zmierzchu przez zatokę od 1850 do 2300 roku, podczas gdy klimat odpowiada na dwutlenek węgla, który dodajemy: powierzchnia i górny ocean ocieplają się w ciągu lat, ocean głęboki potrzebuje stuleci, a morze podnosi się na murze portu, bo woda się rozszerza, a lód topnieje. Podążaj ścieżką niską, średnią, wysoką lub z przestrzeleniem albo utrzymaj stężenie od dziś i zobacz, jak ocieplenie trwa dalej — ocean głęboki wciąż nadrabia. Podwój CO2 jednym ruchem, a ocieplenie podąży za dwiema funkcjami wykładniczymi, szybką o czasie czterech lat i wolną o czasie ponad dwóch stuleci; zwiększaj je o 1 % rocznie i odczytaj odpowiedź przejściową przy podwojeniu; wywołaj erupcję wulkanu i patrz, jak zanika ochłodzenie o kilka dziesiątych stopnia. Zmień czułość i ocean, a tablica przerysuje każdą ścieżkę; pobrana energia jest księgowana wobec zmagazynowanego i wypromieniowanego ciepła z dokładnością do zaokrąglenia.
Niektóre moduły należą do kilku Suites. Każdy wspólny eksperyment ma tutaj jeden opis.
