Od równowagi radiacyjnej do zmian klimatu.

Badamy zmiany klimatu Ziemi.
Uczniowska kampania
klimatyczna 2013-2014.
Krzysztof Markowicz
Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki
Uniwersytet Warszawski
[email protected]
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/
Festiwal Nauki 2012
Plan wykładu
•
•
•
•
•
•
Program GLOBE
Uczniowska kampania klimatyczna
Co będziemy badać i dlaczego?
Zarys programu pomiarowego
Proste przyrządy pomiarowe
Wybrane ćwiczenia edukacyjne
Program GLOBE
• Program GLOBE (Global Learning and Observations to
•
•
Benefit the Environment) jest międzynarodowym
programem, który skupiając uczniów, nauczycieli i
naukowców umożliwia poznawanie globalnych
problemów środowiska.
W ramach Programu w 111 krajach świata, funkcjonuje
sieć ponad 24000 szkół podstawowych i
ponadpodstawowych, badających problemy ekologiczne
środowiska oraz dzielących się informacjami z tego
zakresu z całą międzynarodową społecznością.
Z Polski w projekcie uczestniczy ok. 125 szkół.
Efekty uczestnictwa w programie
• Podniesienie stanu świadomości ekologicznej uczestników Programu,
•
•
•
•
•
•
całej społeczności szkolnej, a nawet lokalnych podmiotów
współpracujących w jego realizacji.
Doskonalenie umiejętności uczniów i nauczycieli w posługiwaniu się
nowoczesnymi technikami informatycznymi i pomiarowymi zgodnie z
przyjętymi metodami i procedurami.
Tworzenie bazy danych w zakresie wybranych parametrów środowiska,
badanych według standardów przyjętych przez społeczność
międzynarodową.
Dysponowanie zasobami danych pozyskiwanych w wyniku badań
prowadzonych w naszym kraju, oraz innych krajach uczestniczących w
Programie, a także korzystanie z unikalnych danych pozostających w
gestii Urzędu do Spraw Atmosferycznych i Oceanicznych oraz innych
rządowych agencji Stanów Zjednoczonych Ameryki.
Dostęp do pomocniczych materiałów edukacyjnych ułatwiających
nauczycielom prowadzenie zajęć.
Stworzenie ze szkół uczestniczących w Programie, wzorcowych
ośrodków prowadzących edukację ekologiczną i korzystających z
nowoczesnych technik informatycznych w oparciu o najnowsze metody i
technologie światowe, dostarczone przez stronę amerykańską.
Systematyczne podnoszenie kwalifikacji zawodowych nauczycieli
GLOBE Student Climate Research Campaign
• To działanie ogłoszone przez Dyrektora GLOBE w 2010 roku.
• Projekt ma na celu zaangażowanie uczniów z całego świata
•
•
•
•
•
•
w badania lokalnego środowiska przyrodniczego i
koncentruje się na zwiększeniu wiedzy uczniów nt. klimatu.
Projekt klimatyczny to zajęcia edukacyjne, wydarzenia i
badania zaproponowane przez uczestników. Kampania
rozpoczęła się we wrześniu 2011 roku i trwać będzie przez 2
lata
Polska cześć projektu to Badawcza Kampania Klimatyczna.
Rozpoczęła się w styczniu 2012 roku warsztatami dla
nauczycieli i prowadzona będzie do czerwca 2014 roku.
Na bazie protokółów i doświadczeń Programu GLOBE,
proponujemy we współpracy z naukowcami rozszerzenie
dotychczasowych badań uczniów w ramach trzech
modułów:
Moduł A. Rozpoznanie i przeciwdziałanie skutkom powodzi
Moduł B. Badanie zapylenia atmosfery
Moduł C. Satelitarna lekcja klimatu
Moduł A. Rozpoznanie i przeciwdziałanie
skutkom powodzi
• Nie ma możliwości przeciwdziałania występowaniu anomalii
pogodowych. Można jednak zaplanować, w jaki sposób
przeciwdziałać ich negatywnym skutkom
(niekontrolowanym wezbraniom, powodziom,
nadmiernemu spływowi powierzchniowemu, lokalnym
podtopieniom), zwłaszcza w kontekście niwelowania ilości
potencjalnych zanieczyszczeń dostarczanych do
środowiska.
• Na jakie problemy badawcze szukamy odpowiedzi?
(1) rozpoznaniu lokalnych źródeł zanieczyszczeń, zwłaszcza
tych, generujących składniki biogenne (azot, fosfor)
(2) ocenie warunków rozprzestrzeniania się tych
zanieczyszczeń (zwłaszcza biogenów).
Realizowane w module działania zostaną
podzielone na cztery główne etapy:
• Etap I: Wybór i charakterystyka
zlewni wód powierzchniowych
(kwiecień–czerwiec 2012)
• Etap II: Wstępne badania
terenowe (wrzesień 2012 – luty
2013)
• Etap III: Regularne badania
właściwości wód
powierzchniowych (luty –
czerwiec 2013 i wrzesień –
listopad 2013)
• Etap IV: Opracowanie
dokumentacji prowadzonych
badań – Raport podsumowujący
(do 15 listopada 2013)
Lokalizacje szkół, które realizują moduł A
Analiza krytycznej sytuacji meteorologicznohydrologicznej
• Uczniowie śledzą prognozy pogody pod kątem
•
•
•
•
wystąpienie intensywnych burz lub długotrwałych
opadów.
Wykonują pomiary sum dobowych opadu w okresie
wystąpienia tego zjawiska
Obserwują w internecie mapy radarowe opadów, śledzą
kierunki przemieszania stref opadu w swojej okolicy
Po opadach obserwują stan rzek w swojej okolicy na
stronie IMGW.
Analizują badaną sytuację
Moduł C. Satelitarna lekcja klimatu
• Scenariusze lekcyjne oparte o dane satelitarne:
• Bilans radiacyjny
• Zmiany czasowe temperatury powietrza w troposferze i
•
•
•
stratosferze
Zmiany zasięgu występowania pokrywy lodowej
i inne.
Moduł jest obecnie w trakcie przygotowania
Moduł B: Badanie zapylenia atmosferyaerozole i system klimatyczny
•
-
Część edukacyjna:
Scenariusze lekcyjne z zakresu aerozolu
Proste ćwiczenia terenowo-laboratoryjne
Analiza danych obserwacyjnych
• Monitoring w ramach sieci naukowej:
- Pomiary i zbieranie danych atmosferycznych
- Obserwacje wizualne nieboskłonu oraz horyzontu
Cele naukowe badań aerozoli
• Poprawa wiedzy na temat:
- Zmienności przestrzennej grubości optycznej aerozoli
-
nad Polską
Transformacji mas powietrza nad Polską
Weryfikacji danych satelitarnych oraz wyników symulacji
numerycznych
Związku pomiędzy własności optycznymi aerozoli
mierzonym tuż przy powierzchni ziemi z wielkościami
uśrednionymi w całej kolumnie pionowej atmosfery
Motywacja Badań
IPCC, 2007 (wikipedia)
Motywacja badań (2)
MODIS
NAAPS
MODIS 2000-2011
NAAPS 1998-2006
AEROZOLE
Zanieczyszczenia atmosfery zwane
inaczej aerozolami to małe
cząstki stałe lub ciekłe powstające
w sposób naturalny oraz w wyniku
działalności gospodarczej
człowieka.
Typy aerozoli:
• sól morska
• drobiny piasku
• pyły (wulkaniczny)
•
•
•
•
sadza
siarczany, azotany
związki organiczne
inne związki nieorganiczne
Aerozole widoczne z kosmosu
Pomimo, że aerozole są zbyt małe aby dostrzec je
gołym okiem to jednak ich obecność jest widoczna w
atmosferze. Aerozole redukują widzialności w
atmosferze.
Wpływ aerozoli na klimat
Aerozole zmieniają albedo planetarne Ziemi
wzrost albeda
planetarnego
warstwa
aerozolu
redukcja promieniowana
słonecznego dochodzącego do
powierzchni ziemi
wzrost
absorpcji
w atmosferze
Aerozole zmieniają chmury
większe albedo
Stratocumulus. ... ... . . .
. ::
.::::..:: .. ... . . .
.
. .
::. ... .. .. ..
.
.
.
.
.. ..
....... .
.....
.
.
....
..::
. .. .
::::
::
::
. .
Większa koncentracja
kropel,
Mniejszy promień re
7/22/2017
Poland-AOD
Powołana w 2011 r.
Koordynowana przez Instytut Geofizyki,
Uniwersytetu Warszawskiego (2012-2013)
www.polandaod.tk
Stacje Badawcze:
• Laboratorium Transferu Radiacyjnego Instytutu Geofizyki
Uniwersytetu Warszawskiego
• Stacja pomiarowa Instytutu Oceanologii Polskiej Akademii Nauk w
Sopocie
• Prywatna Stacja Badawcza Transferu Radiacyjnego SolarAOT w
Strzyżowie
• Statek badawczy Oceania
• Centralne Obserwatorium Geofizyczne w Belsku Polskiej Akademii
Nauk
IGF-UW
Warsaw
IO-PAS
Sopot
SolarAOT
Strzyzow
[email protected]
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Proponowane obserwacje atmosferyczne
Pomiary związane z aerozolami:
• Grubości optycznej aerozoli i wykładnika Angstroma
• Zawartości pary wodnej w pionowej kolumnie powietrza
• Współczynnika ekstynkcji aerozolu
• Koncentracji węgla cząsteczkowego
Pomiary dodatkowe:
• Zachmurzenie (stopień pokrycia i rodzaje chmur)
• Temperatura powietrza, cieśninie, wilgotność i inne.
• Ocena widzialność poziomej
• Ocena koloru nieboskłonu
• Temperature, pressure, humidity,…
Fotometr słoneczny
Nowy
fotometr
Co mierzy fotometr?
• Natężenie (moc) promieniowania bezpośredniego (z okolic
•
tarczy słonecznej)
Promieniowanie docierające do powierzchni ziemi zależy od
wielu czynników w tym od stopnia zanieczyszczenia
powietrza, zawartości pary wodnej, ozonu itd.
[email protected]
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Grubość optyczna aerozoli - AOD
• AOD jest wielkością charakteryzującą optyczne
•
•
właściwości aerozolu znajdującego się w pionowej
kolumnie powietrza.
AOD związana jest z koncentracją, składem
chemicznym oraz wielkością aerozolu.
Pomimo, że AOD zależy od wielu parametrów
fizycznych i chemicznych jej wartość charakteryzuję
stopień zanieczyszczenia (zapylenia powietrza).
Typowe wartości AOD w Polsce.
•
•
•
•
•
•
Typowe wartości AOD
AOD<0.05 : powietrze bardzo czyste
AOD<0.1 : powietrze czyste
AOD w przedziale od 0.1–0.3 : powietrze średnio
zanieczyszczone,
AOD>0.3 : powietrze dość silnie zanieczyszczone.
AOD>0.5 : powietrze mocno zanieczyszczone
• Średnia wartość AOD w Polsce to ok. 0.2
• Zdarza się obserwować w Polsce AOD na poziomie 1.0 ale są to
na ogół przypadki napływu piasku pustynnego.
Wyznaczenie AOD
Grubość optyczna atmosfery  może być określona na
podstawie natężenia promieniowania słonecznego wg wzoru
Beer’a:
 m 
I  Ioe
gdzie I i Io są natężeniami promieniowania słonecznego na
powierzchni ziemi oraz górnej granicy atmosfery.
m- oznacza tzw. masę optyczna atmosfery. Czynnik z
wysokością słońca nad horyzontem. W przybliżeniu masa
optyczna dana jest wzorem
Związek grubości optycznej atmosfery
z aerozolami
   M   AOD  O3   H 2O
gdzie  - grubość optyczna całej atmosfery
M - grubość optyczna molekuł „czystego” powietrza
O3 - grubość optyczna ozonu
H2O - grubość optyczna pary wodnej
AOD - grubość optyczna aerozoli
Informacje techniczne o nowym fotometrze
słonecznym.
• Te same detectory jak w profesjonalnym przyrządzie
•
•
•
•
•
•
•
MICROTOPS II (selektywne fotodiody o szerokości
połówkowej 10 nm)
4-5 kanałów pomiarowych: 400, 500, 675, 870, 940,
1020 nm
Czujnik ciśnienia, temperaturey oraz GPS
Czujnik położenia słońca (quadrant photodiode)
Mikrokontroler
Wyświetlacz to wizualizacji wyników i sterowania
ustawieniami przyrządu
Interfejs komputerowy USB/RS232 w celu przesłania
danych do komputera i wysłania na serwer Poland-AOD
Celna ok. 3000-4000 zł.
Procedura pomiarowa
• Najważniejszym elementem pomiary fotometru jest
precyzyjne ustawienie w kierunku słońca. Będzie to
wykonane przy użyciu odpowiedniego czujnika, który
sygnalizował będzie jak zmienić ustawienie przyrządu aby
wycelować w słońce.
• W celu wyeliminowania wpływu „ludzkiego” podjęta będzie
automatyczna i kilku stopniowa procedura przetwarzania
danych w trybie rzeczywistym. Przetwarzanie danych w
przyrządzie odbywać się będzie za pośrednictwem
mikrokontrolera.
• Pomiar będzie powtarzany 5-7 razy w ciągu 1-2 minut i
jedynie wyniki charakteryzujące się najmniejszym błędem
będą zapisywane w pamięci urządzenia a następnie
przesyłane do komputera i na serwer IGF-UW.
Pomiary zawartości pary wodnej w pionowej
kolumnie atmosfery
• Przy użyciu fotometru słonecznego i pomiarach
osłabienia promieniowania poprzez parę wodną w
kanale 940 nm.
1/ b
I o


k
ln
 m( ,M   ,AOD ) 

I


PWV 


am b




   M   AOD  O3   H 2O
• a, b stałe kalibracyjne, ,AOD grubość optyczna aerozoli w kanale
940 nm wyznaczana na podstawie wykładnika Angstrom.
• Pomiary przy użyciu pirometru
Pomiary zawartości pary wodnej w pionowej
kolumnie atmosfery przy użyciu pirometru.
Pomiary temperatury nieboskłonu w okolicy zenitu podczas
bezchmurnych warunków.
• Mims et al.., 2011
Cena pirometru od 200 do 1000 zł
Wyznaczanie widzialności poziomej oraz
współczynnika ekstynkcji
• Wizualna obserwacja obiektów znajdujących się blisko
horyzontu (reperów) dla których znamy odległość od szkoły
Równanie Koschmiedera
ln 50
VIS 

  M  AOD
VIS – widzialność [km]
 - współ. ekstynkcji [1/km]
• Pomiar kontrastu pomiędzy nieboskłonem a horyzontem
-
Metoda I: mierzymy kontrast w dwóch różnych (znacząco
różnych) odległościach od obiektu.
Metoda II: mierzymy kontrast dwóch różnych obiektów
znajdujących się w różnych odległościach od obserwatora
Wyznaczanie widzialności i współ.
ekstynkcji
C(r ) 
kontrast w
odległości r
C(0) 
kontrast w zerowej
odległości
I t (r )  I b (r )
I b (r )
I b (r )
I t (r )
r ln 50
VIS 
ln C / Co
C(r1 )  C(0) exp( r1 )
C(r2 )  C(0) exp( r2 )
1 C
  ln
r Co
I t (0)  I b (0)
I b (0)
I b (r2 )
I t (r2 )
Pomiary uzupełniające - zachmurzenie
0%
<10%
10-25% 25-50%
50-90%
>90%
Niebo niewidoczne
Zamieć
śnieg
Sól morska pył wulkaniczny pożary
kurz
7/22/2017
deszcz
piasek
mgła
aerozol
Obserwacje koloru nieboskłonu
• Kolor nieboskłonu pozbawionego chmur jest niezłym
wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia powietrza.
• Uczniowie będą obserwowali nieboskłon i zaznaczali
jedną z odpowiedzi:
- błękitny
- niebieski
- biało niebieski
- mleczny
Prosta kamera nieba do monitoringu
zachmurzenia
Prosty aethalometr do pomiarów
koncentracji węgla organicznego.
N. Ramanathan et al., 2011
Cena ok. 2000 zł+ co roku 500 zł
na filtry
Kalibracja przyrządów
• Fotometr słoneczny musi być kalibrowany minimum raz
w roku. Stosowana będzie interkalibracja ze wzorcowym
fotometrem CIMEL oraz technika Langley’a.
• Prosty aethalometr będzie kalibrowany poprzez
porównanie wyników z aethalometrem AE-31 i
nefelometrem
• Kalibracja spektralna aparatu cyfrowego
(Monochromatorem).
• Kalibracja pirometru i zawartości pary wodnej względem
przyrządu CIMEL oraz radio sondaży.
[email protected]
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Warsztaty dla nauczycieli
• Odbędą się w marcu 2013 r. w Warszawie
• Szkolenie w zakresie prowadzenia pomiarów oraz analizy
•
•
danych
Przekazanie materiałów dydaktycznych w tym nagrań
video pokazujących sposób prowadzenia pomiarów.
Globe games w czerwcu 2013 poświęcone pomiarom
aerozoli
[email protected]
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Strona internetowa
•
•
•
•
•
Informacje i pomoce dydaktyczne dla nauczycieli
Instrukcje wykonywania pomiarów
Forum dyskusyjne dla uczniów i naukowców
Sekcja alertów związanych z interesująca sytuacją
meteorologiczną (transportu pyłu saharyjskiego,
wulkanicznego pożarów, smog itd..)
Baza danych zawierająca wykresy i mapy generowane w
trybie rzeczywistym oraz dane meteo do prowadzenia
analizy sytuacji.
[email protected]
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Nagrody za aktywny udział w projekcie
• Co roku najaktywniejsi uczniowie będą mogli
wziąć udział w kilku dniowym rejsie po Bałtyku
statkiem badawczym OCEANIA należącym do
Instytutu Oceanologii Polskiej Akademii Nauk.
[email protected]
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Eksperymenty dydaktyczne
• Planuje się opracowanie kilku prostych eksperymentów
dydaktycznych, które umożliwią uczniom zrozumienie
procesów fizycznych zachodzących atmosferze i
związanych ze zmianami klimatu.
[email protected]
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Eksperyment I: Pomiary bilansu
radiacyjnego
• Pomiary bilansu radiacyjnego nad różnymi
typami powierzchni (trawa, beton, asfalt,
piasek, śnieg itd.) podczas różnego położenia
słońca oraz w nocy.
• Pomiary przy użyciu prostych przyrządów;
-Luksomierz (promieniowanie słoneczne)
-Pirometr (promieniowanie ziemskie)
• Konwersja do strumienia energii (natężenia
promieniowania):
Fs  KI lux
IRs  T
4
Ilux -natężenie oświetlenia w [lx],
K- stała kalibracyjna z
porównania z pyranometrem
T - mierzona temperatura,
 - stała Stefana Boltzmanna
Eksperyment I: Pomiary bilansu
radiacyjnego (2)
Fs
Fs
IRs
IRs
Wyznaczanie strumienia
netto
NET  ( Fs  Fs )  ( IRs  IRs )
Wyznaczanie albeda
powierzchni ziemi
Fs
ALBEDO   100%
Fs
Dlaczego bilans energii jest ważny?
Niezerowy bilans mówi nam, że ciało fizyczne będzie
zmieniać swoją temperaturę
+0.9 W/m2
Obserwacja efektu cieplarnianego
IR g
IRs
szyba
Tg
IRs
Ts
Efekt cieplarniany:
GH  IRs  IRg
Pomiary wykonujemy
podczas słonecznego
dnia nad powierzchnią
ziemi o wysokiej
temperaturze przy
użyciu pirometr w
dwóch przypadkach
1. Bezpośredni pomiar
temperatury
powierzchni ziemi
2. Pomiar temperatury
poprzez szklaną szybkę
lub płytkę pleksi
Podsumowanie
• Rozpoczęcie kampanii pomiarowej, marzec 2013.
• Strony internetowe:
• http://globe.gridw.pl/projekty/badawcza-kampania•
•
•
•
klimatyczna/o-projekcie
www.polandaod.tk
Finansowanie (część edukacyjna) ze środków
Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki
Wodnej
Koordynacja projektu Centrum Informacji o Środowisku
UNEP/GRID-Warszawa
Dane kontaktowe: [email protected]
Przystąpienie szkoły do projektu
• Wybranych będzie 20 szkół, które zapewniony będą
miały finansowanie zakupu sprzętu pomiarowego.
• Pozostały szkoły będą mogły uczestniczyć w projekcie
ale nauczyciele nie będą mogli być przeszkoleni w
Warszawie
• Poszukiwania źródeł finansowania budowy sprzętu
pomiarowego (organy samorządowe, firmy itd.)
[email protected]
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja