Absorbing Mediterranean Aerosols Lead to a Large
advertisement
Obserwacje zmian klimatu z orbity Ziemi. Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, UW e-mail: [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Plan wykładu Rys historyczny Wstęp do pomiarów satelitarnych Podstawowe informacje o promieniowaniu w atmosferze Mechanizmy prowadzące do zmian klimatu (wymuszanie i odpowiedz systemu klimatycznego) Badania i obserwacje zmian klimatycznych Podsumowanie 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Rozwój satelitarnych badań atmosfery i oceanów 1959 satelita Exporer 7 do badania budżetu energetycznego Ziemia-Atmosfera 1960 TIROS I – pierwszy satelita meteorologiczny wykonujący fotografie chmur 1969 NIMBUS III – zaopatrzony w dwa spektrometry IRIS służące do wyznaczania profilu pionowych temperatury powietrza, pary wodnej, ozonu oraz w przyrząd do pomiaru promieniowania UV. Służył on do wyznaczania całkowitej zawartości ozonu w pionowej kolumnie powietrza. 1972 NIMBUS V – zastosowano pierwsze detektory mikrofalowe do wyznaczania temperatury atmosfery oraz całkowitej zawartości pary wodnej. 1974 SMSI – pierwszy satelita geostacjonarny używany do fotografowania chmur nad półkulą północną, jego następcy to GOES 1977 METEOSAT I – satelita Europejskiej Agencji Przestrzeni Kosmicznej początkujący serie METEOSATOW Dlaczego pomiary satelitarne? Jeden przyrząd na satelicie może objąć swym zasięgiem znaczą część powierzchni Ziemi oraz całą pionową kolumnę atmosfery a zatem: umożliwia monitoring zjawisk meteorologicznych i warunków atmosferycznych w dużej skali w przeciwieństwie do punktowych pomiarów naziemnych czy sondaży atmosferycznych 7/21/2017 Instytut Geofizyki UW Pomiary satelitarne – obserwacje zdalne Obserwacje wykonywane przy użyciu przyrządów umieszczonych na orbitach dokonują pomiarów zdalnych – teledetekcyjnych (na odległość) . Metody teledetekcyjne są jednak na ogół bardziej skomplikowane w sensie metodologicznym niż tzw. pomiary w miejscu (in-situ). Główny problem stanowi przetwarzanie danych pomiarowych dlatego kluczową role odgrywa walidacja danych satelitarnych na podstawie obserwacji in-situ. 7/21/2017 Instytut Geofizyki UW Pasywna i aktyna teledetekcja 6 Kilka słów o promieniowaniu elektromagnetycznym Wszystkie ciała ( T > 0 K) promieniują energie. Ilość energii emitowanej przez ciało jest zależna od temperatury i w przypadku tzw. ciała doskonale czarnego wynosi: 4 Prawo StefanaF T Boltzmanna F - natężenie promieniowania T - temperatura powierzchni Ziemi - Stała Stefana Boltzmanna 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Maksimum emitowanej energii przypada na tym krótsze fale im temperatura ciała jest wyższa W przypadku powierzchni Słońca (T=5780 K) maksimum energii przypada dla długości fali 0.55 m (fale odpowiadające barwie zielonej). W przypadku powierzchni Ziemi (T=300 K) maksimum energii przypada dla długości fali około 10 m (podczerwień poza zakresem detekcji oka ludzkiego). Tym samym Ziemia jest dla nas czarna w nocy. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Promieniowanie krótko- i długofalowe W meteorologii wyróżniany promieniowanie krótkofalowe (słoneczne dla długości fali mniejszej od 4 m) oraz długofalowe (ziemskie) o długości fali większej od 4 m. Atmosfera jest w zasadzie przeźroczysta dla promieniowania krótkofalowego i półprzepuszczalna dla długofalowego 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Prawo Lamberta-Beera I Ioe I – natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego po przejściu przez atmosferę I 0– natężenie bezpośredniego promieniowania słonczego na górnej granicy atmosfery - grubość optyczna atmosfery 7/21/2017 Instytut Geofizyki UW Transfer promieniowania w atmosferze Kolejny problem pomiarów satelitarnych – zagadnienie odwrotne Wszystkie satelity meteorologiczne mierzą promieniowanie elektromagnetyczne wychodzące w przestrzeń kosmiczną, które podczas wędrówki oddziaływało z atmosferą oraz powierzchnią Ziemi. Na podstawie zmian związanych z tym oddziaływaniem staramy się powiedzie „cos” o atmosferze. Analogiczną sytuacje mamy gdy np. na podstawie śladów na śniegu chcemy powiedzieć „coś” o gatunku zwierząt. Jest to tak zwane zagadnienie odwrotne. W teledetekcji satelitarnej bardzo często zagadnienie to z matematycznego punktu widzenia jest źle postawione i mamy możliwe nie jedno a kilka rozwiązań. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] F f (, T) F T 4 Rozważmy ciało doskonale czarne o temperaturze T. Dokonujmy pomiaru promieniowania emitowanego przez o ciało w dowolnej odległości. Zakładamy jednak brak atmosfery miedzy detektorem a ciałem. Wyznaczenie temperatury tego ciała (zgodnie ze wzorem Plancka) wymaga pomiaru promieniowania jedynie dla pojedynczej długości fali. T 13 F f (, T, TA , ) F (1 e )T 4 e TA4 TA τ W przypadku gdy między detektorem a ciałem znajduje się izotermiczna atmosfera o temperaturze TA oraz grubości optycznej τ wówczas promieniowanie docierające do detektora zależy od 3 zmiennych (nie uwzględniając długości fali). Tak, więc musimy mierzyć promieniowanie na co najmniej 3 długościach fali aby wyznaczyć niewiadome wielkości. T W atmosferze temperatura zmienia się z wysokością więc sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana 14 Satelita geostacjonarny czy polarny? 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Satelity polarne (np. NOAA 14,17, MODIS) umożliwiają obserwacje również w wyższych szerokościach geograficznych. Ich olbrzymia zaleta jest fakt, ze jeden satelita zdolny jest do pomiarów całej powierzchni ziemi jednak w różnych momentach czasu. Satelita wykonuje dwa przyloty nad danym rejonem w ciągu doby a zatem nie umożliwia ciągłych pomiarów jak w przypadku satelity geostacjonarnego. 7/21/2017 Instytut Geofizyki UW Satelity idealnie ale… w danym momencie czasu nie obejmują swoim zasięgiem całej powierzchni Ziemi. skanowanie całej Ziemi wymaga czasu w przypadku satelitów polarnych czas ten wynosi od doby do około 10 dni. skanowanie odbywa się pod różnymi kątami co komplikuje analizę danych. skanowanie odbywa się w różnych godzinach (problem z cyklem dobowym). Rozwiązaniem są tzw. orbity synchroniczne ze Słońcem. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] A może umieszczać satelity w punkach libracyjnych? Satelita w punkcie L1 i L2 obraca się z tą samą prędkością kątową co Ziemia w ruchu orbitalnym wokół Słońca. W punkcie L1 widoczna jest dzienna a w punkcie L2 nocna cześć Ziemi. Rozmieszczenie punktów libracyjnych w układzie ZiemiaSłońce Lagrange'a. L2: 1 500 000 km od Ziemi 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] KLIMAT monitoring zmienności wymuszanie odpowiedz konsekwencje predykcja 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Składniki systemu klimatycznego Obieg węgla Obieg wody i energii połączenie Reakcje chemiczne chaotyczne w atmosferze nieliniowe Dynamika atmosfery i oceanu Bilans energetyczny a zmiany klimatu. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Odpowiedz systemu klimatycznego na zaburzenia Odpowiedź Zewnętrzne Zaburzenie (wymuszanie) systemu klimatycznego Sprzężenie około 60% Wpływ Budżet Energetyczny Ziemi Wymuszanie wewnętrzne Zmiany bilansu energii na skutek zmian albeda planetarnego i przeźroczystości atmosfery (aerozole, gazy cieplarniane, chmury) Zmiany dystrybucji południkowej energii Zmiany energii w pionowej kolumnie powietrza 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Badanie budżetu promieniowania na górnej granicy atmosfery Mają na celu oszacowania bilansu energii docierającej i opuszczającej ziemska atmosferę. Bilans decyduje bezpośrednio o zmianach klimatycznych w systemie. Obejmują pomiary promieniowania dochodzącego od Słońca, promieniowania odbijanego przez atmosferę i powierzchnie Ziemi (albedo) oraz promieniowania długofalowego emitowanego przez atmosferę i powierzchnię Ziemi. Idealnie do tego celu nadają się satelity meteorologiczne, którego dokonują obserwacji z góry. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Obserwacje stałej słonecznej – ilości promieniowania dochodzącego od Słońca 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Zmiany stałej słonecznej w ostatnich latach 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Zmiany albeda planetarnego 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Strumień promieniowania długofalowego na górnej granicy atmosfery w obszarze tropikalnym (20S-20N). Rola chmur Przyczyniają się do wzrostu albeda planetarnego z 14 do 31% (średnie zachmurzenie na ziemi przekracza 60%) Nie oznacza to jednak, że chmury chłodzą klimat. Chmury wysokie zdecydowanie ogrzewają system klimatyczny. Chmury niskie silnie chłodzą go. Trend zachmurzenia Lipiec 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] CERES całkowite wymuszanie radiacyjne chmur (Lipiec, 2000) Czy możemy wpływać na chmury? Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków większe albedo Stratocumulus. ... ... . . . . :: .::::..:: .. ... . . . . . . ::. ... .. .. .. . . . . .. .. ....... . ..... . . .... ..:: . .. . :::: :: :: . . Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Pierwszy pośredni wpływ aerozoli Chmury ‘czyste’ i ‘zanieczyszczone’ Czyste powietrze, mała ilość jąder kondensacji. Zanieczyszczone powietrze, duża ilość jąder kondensacji. Mała koncentracja. Duża koncentracja. Duże rozmiary kropelek. Małe rozmiary kropelek. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Wpływ aerozolu na klimat 1) Efekt bezpośredni poprzez rozpraszanie i pochłanianie promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni Ziemi. 2) Efekt pośredni oddziaływanie aerozolu na własności chmur oraz ich czas życia Aerozole chłodzą klimat! Projekt A-train badanie wpływu aerozolu na klimat 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Topex Poseidon badania poziomu oceanu 7/21/2017 Instytut Geofizyki UW Zmiany poziomu morza Średnio (1993-2003) poziom morza podnosi się średnio (19932003) poziom morza podnosi się o 3.1 ± 0.7 mm/rok z czego rozszerzane termiczne to 1.6 ± 0.5 mm/rok (Raport IPCC, 2007). Pomiary pola grawitacyjnego Projekt będzie kosztował 330 M€ i pozwoli na precyzyjna obserwacje cyrkulacji w oceanach. Poprzez wykorzystanie pomiaru wysokości oceanu, pola grawitacyjnego badanie będą zmiany klimatyczne w skali całego Globu. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Wielka niewiadoma - cyrkulacja oceaniczna 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Obserwacje pokrywy lodowej w Arktyce Obszary polarne podlegają szczególnie silnym zmianom klimatycznym dzięki efektowi wzmocnienia wymuszeń związanemu ze zmianami pokrycia śniegiem i lodem. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Półwysep Antarktyczny jest jednym z najszybciej ogrzewających się miejsc na Ziemi. Długości obserwacji meteorologicznych, obserwowane trendy temperatury [ºC/stulecie] z błędem oraz istotność trendu. Satelitarna altimetria zdaje się wskazywać, że wewnątrz Antarktydy przybyło 45 ± 7 Gt rocznie (19922003) śniegu i lodu. Satelita nie widział poza 81.5º S. Być może źle skorygowano różnicę gęstości śniegu i lodu (mniej więcej trzykrotną). Nie potwierdza się hipoteza o przyrastaniu masy Wschodniej Antarktydy pod wpływem zwiększonych opadów śniegu. Bilans masy Antarktydy wykonany metodą grawitacyjną – projekt GRACE (wskazuje na równowagę masy Wschodniej i ubytek masy Zachodniej Antarktydy (równoważny +0.4 ± 0.2 mm/rok zmianie poziomu oceanu). Przykładowe wyniki modelowania (średnia dla zestawu modeli). Rysunki przedstawiają średnią zmianę temperatury dla lat 2071-2100 w porównaniu do lat 1910-1990 dla scenariusza A2 i B2. Zwraca uwagę szczególnie duży wzrost temperatury w Arktyce, nawet o osiem stopni. Te same prognozy przewiduj znaczny wzrost opadów w Arktyce (rzędu 40%) Huragany w aspekcie globalnego ocieplenia. Całkowita moc huraganów w czasie danego roku oraz średnia całkowita moc huraganów w czasie danego roku oraz średnia temperatura obszaru ich generacji na Atlantyku (po lewej) i Pacyfiku (po prawej) silnie koreluje (odpowiednio r2=0.65 i r2=0.67). Huragany (cyklony i tajfuny) powstają na oceanie o temperaturze ponad 28 C. Istnieje znacząca korelacja między ich sumaryczną mocą a temperaturą akwenu (szczególnie silna dla Atlantyku gdzie istnieje najdłuższa seria wiarygodnych pomiarów) Moc huraganów nie koreluje z innymi parametrami meteorologicznymi (mimo przesłanek teoretycznych). Obserwuje się coraz więcej silnych huraganów zamiast przewidywanej w modelach coraz większej maksymalnej prędkości wiatru. Po rekordowym sezonie 2005 nastąpił spokojny 2006. Przyczyną zmniejszonej temperatury tropikalnego Atlantyku w 2006 roku może być El Nińo albo burze pyłowe znad Sahary Różnice wyników między pomiarami naziemnymi a satelitami - niedawno koronny argument przeciwników globalnego ocieplania. Do roku 1998 pomiary satelitarne NOAA nie potwierdzały trendu rosnącej temperatury dolnej troposfery (< 15 km). Przyczyną okazały się rosnące z czasem błędy używanej metody korekcji czujników, posługującej się różnicą pomiędzy sygnałem podczerwonym w pionie i pod kątem. Nie uwzględniono faktu, że pod wpływem oporu powietrza orbita satelity obniża się i ten sam kąt wobec pionu oznacza inną grubość optyczną atmosfery. Po korekcji tego błędu pomiary satelitarne potwierdziły rosnący trend temperatury dolnej troposfery. Rok 2004: ciągle rozbieżności dla troposfery Dlaczego pomiary naziemne, satelitarne i z balonów meteorologicznych pokazywały różne trendy dla troposfery (góra)? Wyniki stratosferyczne zmieniały się podobnie (oziębienie spowodowane m.in. ubytkiem ozonu). Kluczem do rozwiązania zagadki stał się błędny algorytm, w którym przy obliczaniu temperatury troposfery nie wzięto pod uwagę ochładzania się w stratosferze. Zmiany temperatury powietrza 7/21/2017 Instytut Geofizyki UW Podsumowanie Pomiary satelitarne odgrywają kluczową rolę w monitoringu globalnych zmian klimatu. Pozwalają ma obserwacje zmian bilansu energetycznego systemu klimatycznego. Umożliwiają badanie procesów klimatycznych. Pomiary satelitarne pozwoliły na odkrycie między innymi dziury ozonowej nad Antarktydą, obserwacje zjawisk mających znaczenie w skali globalnej jak El’Nino. Głównym problemem wykorzystania danych satelitarnych jest interpretacja danych wymagająca zarówno wykonywania wysokiej jakości kalibracji jak i walidacji danych jak również stosowanie skomplikowanych algorytmów do wyznaczania parametrów atmosferycznych. 7/21/2017 Krzysztof Markowicz [email protected] Stąd też wiele udoskonaleń poczynionych w ostatnich latach pozwoliło na uzyskanie spójnego obrazu zmian globalnych zachodzących w atmosferze i oceanach. Mimo tego bardzo wiele jest jeszcze do zrobienia… Dziękuję za uwagę
