Od równowagi radiacyjnej do zmian klimatu.

advertisement
Podstawy fizyczne zmian
klimatu Ziemi.
dr Krzysztof Markowicz
Instytut Geofizyki
Uniwersytet Warszawski
[email protected]
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/
O czym będzie mowa?
•
•
•
•
•
•
•
Pojęcie klimatu
Fizycznych podstawach promieniowania
Bilansie promieniowania w atmosferze
Fizycznych podstawach zmian klimatu
Badaniu zmian klimatycznych
Wyniki badań
Prognozy na przyszłość
IPCC - Intergovernmental Panel
on Climate Change
Międzyrządowy Panel do spraw zmian klimatu
• Założony w 1988 roku przez World Meteorological
Organization (WMO) oraz United Nations Environment
Programme (UNEP) w celu oszacowania ryzyka zmian
klimatu związanych z rozwojem cywilizacyjnym.
• Głównym zadaniem IPCC jest wydawanie raportów
dotyczących zmian klimatu w oparciu o publikacje w
czasopismach naukowych.
• Raporty te są wnikliwie i szczegółowo recenzowane.
• IPCC nie jest komórka badającą i prowadząca monitoring
zmian klimatycznych.
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Raporty IPCC
• IPCC wydał jak do tej pory 4 raporty w latach 1990,
•
•
•
•
(suplement w 1992), 1995, 2001, 2007.
Ostatni raport
Working Group I Report (WGI): Climate Change 2007: The
Physical Science Basis.
Working Group II Report (WGII): Climate Change 2007:
Impacts, Adaptation and Vulnerability
Working Group III Report (WGIII): Climate Change 2007:
Mitigation of Climate Change
The Synthesis Report (SYR)
Summary for Policymakers (SPM) Luty 2007
WGI report opublikowany w marcu 2007
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Główne wioski raportu IPCC, 2007
• Warming of the climate system is unequivocal.
• Most of (>50% of) the observed increase in globally averaged
temperatures since the mid-20th century is very likely (confidence level
>90%) due to the observed increase in anthropogenic (human)
greenhouse gas concentrations.
• Hotter temperatures and rises in sea level "would continue for centuries"
even if greenhouse gas levels are stabilized, although the likely amount
of temperature and sea level rise varies greatly depending on the fossil
intensity of human activity during the next century .
• The probability that this is caused by natural climatic processes alone is
less than 5%.
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Główne wioski raportu IPCC, 2007 cd.
• World temperatures could rise by between 1.1 and 6.4 °C during the
21st century and that:
– Sea levels will probably rise by 18 to 59 cm
– There is a confidence level >90% that there will be more frequent
warm spells, heat waves and heavy rainfall.
– There is a confidence level >66% that there will be an increase in
droughts, tropical cyclones and extreme high tides.
• Both past and future anthropogenic carbon dioxide emissions will
continue to contribute to warming and sea level rise for more than a
millennium.
• Global atmospheric concentrations of carbon dioxide, methane, and
nitrous oxide have increased markedly as a result of human activities
since 1750 and now far exceed pre-industrial values over the past
650,000 years
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Klimat definicje
• Średnia pogoda panująca w danym miejscu.
• Średni przebieg warunków atmosferycznych
charakterystyczny dla danego obszaru i określony na
podstawie 30 letnich serii pomiarowych.
Przykład 1
• Stacja A: średnia temperatura roczna 8 oC
(średnia stycznia 5 oC, średnia lipca 11 oC)
• Stacja B: średnia temperatura roczna 8 oC
(średnia stycznia -3 oC, średnia lipca 19 oC)
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Definicja klimatu wg IPCC
• Climate in a narrow sense is usually defined as the “average
•
•
weather”, or more rigorously, as the statistical description in
terms of the mean and variability of relevant quantities over
a period of time ranging from months to thousands or
millions of years.
The classical period is 30 years, as defined by the World
Meteorological Organization. These quantities are most
often surface variables such as temperature, precipitation,
and wind.
Climate in a wider sense is the state, including a statistical
description, of the climate system.
The main difference between climate and everyday weather
is best summarized by the popular phrase "Climate is what
you expect, weather is what you get”
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Przykład 2
Stacja A: średnia temp stycznia dla
kilku kolejnych lat: 7.1, 8.3, 8.7,7.9,
8.0
Stacja B: średnia temp stycznia dla
kilku kolejnych lat: -7.5, 0.3, -2.0 , 0.7,
-3.5
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Klimat, definicja fizyczna
• Klimat to pojecie statystyczne i bardziej złożone.
Zdefiniowany jest przez pojęcia statystyczne a nie tylko
przez wartości średnie. Wielkościami tymi są:
wariancja (miara odchylenia od wartości średniej)
odchylenie sztandarowe
kwantyle (np. prawdopodobieństwo, że średnia
temperatura stycznia 2008 roku będzie niższa niż -4C)
prawdopodobieństwo
Ostatnia wielkość określa np. jakie jest
prawdopodobieństwo że średnia temperatura lutego 2009
roku będzie w przedziale od -3 do -4 oC
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Anomalia
• Czyli odchylenie od wartości średniej (przeciętej)
• Pojecie stosowane często w klimatologii do analizy
zmienności warunków pogodowych.
•
•
Czy anomalie pogodowe świadczą o zmianach klimatu
Nie, gdyż anomalie są naturalnie związanie z klimatem.
Dopiero gdy anomalia utrzymuje się przez odpowiedni
długi okres czasu (30 lat) może to świadczyć o zmianach
klimatycznych.
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Anomalie cd.
• Czy w dobie globalnego ocieplenia możemy spodziewać się
chłodnych zim?
• Czy chłodne lato jakiegoś roku może dowodzić, że nie
mamy do czynienia z globalnym ociepleniem?
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Badania klimatu
monitoring
zmienności
wymuszanie
odpowiedz
konsekwencje
predykcja
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Składniki systemu klimatycznego
Obieg węgla
Reakcje chemiczne
w atmosferze
Obieg wody i energii
połączenie
chaotyczne
nieliniowe
Dynamika atmosfery i oceanu
Monitoring zmian klimatycznych
•
•
•
•
Naziemna siec pomiarowa
Pomiary oceaniczne (statki, dryftery, platformy)
Pomiary aerologiczne w swobodnej atmosferze
Pomiary satelitarne
Zmiany temperatury w ostatnim
tysiącleciu – mała epoka lodowa
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany Globalne
w XX wieku
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Problem z danymi satelitarnymi – koronny
argument przeciwników globalnego ocieplenia
Do 2004 roku analizy danych
satelitarnych nie potwierdzały
globalnego ocieplania dolnych
warstw atmosfery.
Popełniono błąd podczas
analizy danych.
Skorygowane dane pokazują
ogrzewanie przy powierzchni
Ziemi.
Anomalie temperatury powierzchni Atlantyku w
obszarze tropikalnym
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany pary wodnej w atmosferze
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Trend zachmurzenia
+1.4% (obserwacje naziemne)
+2 % ISCCP (klimatologia
satelitarna)
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany w kriosferze
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany poziomu oceanów
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany rocznych sum opadów
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Globalne ocieplenie a ochłodzenie stratosferyczne
dane aerologiczne
7/19/2017
dane satelitarne
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany klimatu w Polsce
Zmiany temperatury w Polsce za
ostatnie 50 lat pokazują , że
klimat się ociepla!
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Obserwuje się rosnący trend
prędkości wiatru i silniejszą
cyrkulację strefowa.
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany albeda planetarnego nad Polską
pokazują, że w ostatnich 20-latach
atmosfera pochłania 1-2% więcej
promieniowania słonecznego
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Tendencja spadkowa całkowitej
zawartości pary wodnej w atmosferze.
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Procesy klimatyczne
• To procesy fizyczne zachodzące w atmosferze i oceanach
•
•
prowadzące do zmian klimatu. Najczęściej zalicza się do
nich obieg ociepla, cykl hydrologiczny oraz cyrkulację
powietrza.
Determinują one zmiany naturalne i antropogeniczne
systemu klimatycznego oraz jego odpowiedz na
zaburzenia (np. wzrost koncentracji gazów
cieplarnianych) .
Ważnym pojęciem w systemie klimatycznym są
sprzężenia zwrotne, które związane są z procesami
klimatycznymi. Zwiększają (sprzężenie dodatnie) lub
zmniejszają (sprzężenie ujemne) zmiany w układzie
wywołane pierwotnym zaburzeniem.
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Przykład sprzężenia zwrotnego w systemie
klimatycznym Ziemi-Atmosfera
Promieniowani
e słoneczne
Podwojenie
koncentracji CO2
Albedo+
Strumień
ciepła
utajonego i
odczuwalnego
T+
7/19/2017
Ocean
T-
Krzysztof Markowicz
[email protected]
ujemne sprzężenie
zwrotne
Przyczyny zmian klimatu
•
•
•
•
•
•
Efekt cieplarniany
Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni)
Zmiany cyrkulacji oceanicznej
Wybuchy wulkanów
Zmienność aktywności słońca
Zmiany w ozonosferze
Przyczyny długookresowe
Zmienność orbity ziemskiej
Dryf kontynentów
Zmiany składu atmosfery
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Ziemia i atmosfera jest w stanie równowagi
klimatycznej określonej przez energie dostarczaną przez
Słońce oraz emitowaną przez Ziemie w kosmos.
Zmiany klimatu związane są z zaburzeniami bilansu
energii w układzie Ziemia-Atmosfera
Zasadniczą kwestią w badaniach zmian klimatu są
obserwacje składowych bilansu energii oraz studia
procesów prowadzących do zmiany stanu równowagi
termodynamicznej w tym wymuszania radiacyjnego.
7/19/2017
7/19/2017
Krzysztof
Krzysztof Markowicz
Markowicz
[email protected]
[email protected]
Promieniowanie
• Słoneczne (krótkofalowe): < 4m
Stała słoneczna: natężenie (moc) promieniowania
słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery,
I=1368 Wm-2. Średnia wartość dla całego globu wynosi:
342 Wm-2.
• Ziemskie (długofalowe, termiczne): > 4m
Prawo Stefana Boltzmanna:
F  T
4
 =5.67x10-8 [W/K4m2]
Dla T=255 K, F=240 Wm-2
Dla T=273 K, F=315 Wm-2
Dla T=300 K, F=469 Wm-2
Widmo promieniowania słonecznego i
ziemskiego
Absorpcja promieniowania przez poszczególne gazy
zawarte w atmosferze.
Pochłanianie promieniowania słonecznego
w atmosferze
• Atmosfera ziemska jest w pierwszym przybliżeniu
przeźroczysta dla promieniowania słonecznego. Oznacza
to, iż znaczna część promieniowania dociera do
powierzchni ziemi.
• Największe odstępstwa od tego prostego modelu
występują w obszarze ultrafioletu. Promieniowanie UV
jest silnie pochłaniane przez tlen w wysokich warstwach
atmosfery i przez ozon w warstwie pomiędzy 20-50 km.
• W wyniku pochłaniana powietrze nagrzewa się w czasie
dnia.
• Przy powierzchni Ziemi jedynie para wodna pochłania
słabo promieniowanie słoneczne.
Bilans energii w atmosferze
Dlaczego bilans energii w atmosferze
jest ważny?
• Niezerowy bilans energii mówi nam o tym, że dana
warstwa powietrza będzie ocieplać się (bilans dodatni)
lub ochładzać się (bilans ujemny).
• Im większa różnica pomiędzy energią dostarczoną przez
warstwę powietrza a energią oddaną tym tempo zmian
temperatury powietrza będzie większe.
Wymuszenie radiacyjne
wymuszenie
FTOA(Ro, Teff, T)
Fo stałą
słoneczna
Fo/4
TeffσT4
Ro /4
Ro - planetarne albedo
7/19/2017
W stanie równowagi:
Fo (1-Ro)/4=Teff T4
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Efekt cieplarniany
Zmiany koncentracji CO2
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Termiczny wymiar efektu cieplarnianego
gazy
cieplarniane
para wodna
T
procentowy
wkład
koncentracja
20.6
62.1%
30 ppvt
CO2
7.2
21.7%
350 ppmv
03
2.4
7.2%
50 ppbv
N20
1.4
4.2%
320 ppbv
CH4
0.8
2.4%
17 ppbv
freony
<0.8
2.4%
1 ppbv
efekt
cieplarniany
33.2
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Eksperyment I – podwojenie zawartości CO2
temperatura radiacyjna
Eksperyment II – atmosfera obecna w
stosunku do pozbawionej CO2
temperatura radiacyjna
Nieliniowy pływ gazów cieplarnianych na bilans energii
CO2
wymuszanie
CFCs
CH4
N2O
koncentracja
.
Globalne zmiany temperatury w
atmosferze i na powierzchni ziemi
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Wpływ zmian aktywności Słońca
Zmiany stałej słonecznej
(pomiary satelitarne)
Zmiany liczby plam słonecznych
(pomiary naziemne)
Zmiany są zbyt małe aby
wytłumaczyć nimi globalne
ocieplenie obserwowane w drugiej
części XX wieku.
Dodatkowo, okres tych zmian krótki
w porównaniu ze stałą czasowa
systemu klimatycznego aby mogły
one prowadzić do istotnych zmian
klimatycznych.
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Cykl Milankowicia
• Zmiany aktywności Słońca nie są jednak jedyną
•
•
•
przyczyną zmian stałej słonecznej.
Na wartość natężenia promieniowania słonecznego na
zewnątrz atmosfery mają również wpływ parametry
orbity Ziemi. Parametry te zmieniają się w ramach tzw.
cyklu Milankowicia.
Orbita Ziemi nie jest okręgiem, lecz elipsą o niewielkim
mimośrodzie wynoszącym aktualnie 1.67 %, ze Słońcem
rezydującym w jednym z jej ognisk.
Wartość mimośrodu ziemskiej orbity nie jest wielkością
stałą i może osiągać wartości od 0.5 do 5.8 % (różnica
pomiędzy maksimum i minimum natężenia
promieniowania słonecznego wynosi wówczas 23 % a
nie jak obecnie 3.3%).
• Zmiany te są cyklicznie z nakładającymi się
•
•
dominującymi cyklami o okresach około 95  136 i 413
tys. lat. Aktualnie ekscentryczność orbity Ziemi zdąża do
swojej minimalnej wartości, którą osiągnie za około 27
tys. lat.
Dwa inne parametry ruchu orbitalnego Ziemi, nie
decydują już o zmianach stałej słonecznej jednak
prowadzą do zróżnicowania promieniowania słonecznego
docierającego do górnych granic warstw atmosfery w
zależności od szerokości geograficznej.
Tymi parametrami są nachylenie osi obrotu Ziemi do
płaszczyzny jej orbity (ekliptyki) oraz związane z
nachyleniem osi zjawisko jej precesji. Nachylenie osi
Ziemi, wynoszące aktualnie 2326’, odpowiada za zmianę
kąta deklinacji słonecznej oraz zmianę długości dnia.
• Kąt ten zmienia się cyklicznie z okresem około 41 tys. lat
•
w zakresie od 21,1 do 24,5. Stosunkowo niewielkie
zmiany spowodowane są stabilizującym działaniem
Księżyca. Wartość kąta nachylenia osi Ziemi będzie się
zmniejszała aż do około 10000 roku.
Mniejsza wartość kąta oznacza mniejsze sezonowe
różnice promieniowania słonecznego a tym samym
zacieranie się różnic pomiędzy porami roku.
Promieniowanie kosmiczne z zmiany klimatu.
•
•
•
•
Słońce może oddziaływać na klimat Ziemi nie tylko za pośrednictwem zmian ilości całkowitej energii
docierającej do górnych granic atmosfery czy zmian rozkładu przestrzennego (szerokość geograficzna)
tej energii w cyklu rocznym.
Słońce emituje strumień cząstek zwanych wiatrem słonecznym, który oddziaływuje na system
klimatyczny. Przez wiatr słoneczny rozumiemy strumień cząstek składających się przede wszystkim z
protonów i elektronów o dużej energii (rzędu 500 keV na cząstkę). Intensywność wiatru słonecznego
jest silnie powiązana z aktywnością Słońca. W czasie wysokiej aktywności strumienie naładowanych
cząstek docierając do atmosfery powodują jonizację materii. Prowadzi to do zwiększenia się liczby
jąder kondensacji i modyfikacji własności optycznych chmur. Wiadomym jest, że chmury zbudowane z
większej liczny jąder kondensacji mają wyższe albedo, dłuższy czas życia oraz dają mniejszy opad
(efekt pośredni aerozolu na klimat).
Inna hipoteza mówiąca o wpływie promieniowania kosmicznego mówi, że promieniowanie to
oddziaływuje na natężenie prądu płynącego stale pomiędzy jonosferą a powierzchnią Ziemi. Prąd ten
może wpływać na mikrofizykę chmur poprzez zmianę w elektryzowaniu się aerozolu, czy kropelek
wody.
Pomimo, że opublikowane prace na ten temat potwierdzają zmiany zachmurzenia na poziomie 1.5 -2%
to jednak niski poziom korelacji pomiędzy stopniem zachmurzenia a wiatrem słonecznym sprawią, że w
środowisku naukowym pogląd ten temat nie jest jednoznaczny i ciągle budzi wiele kontrowersji.
H. Svensmark and E. Friis-Christensen
Autorzy wskazują na silną korelację pomiędzy promieniowanie
kosmicznym a zachmurzeniem chmurami niskimi oraz
antykorelację pomiędzy promieniowania kosmicznym a
temperaturą troposfery.
Tak więc wyższa aktywność Słońca – mniej promieniowania
kosmicznego – mniejsze zachmurzenie – wyższa temperatura.
Strumień promieniowania długofalowego na górnej
granicy atmosfery w obszarze tropikalnym (20S-20N).
Wpływ wybuchów wulkanów
Aerosol emitowany przez wulkany
redukuje przeźroczystość atmosfery
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany w ozonosferze
30
25
N. America area
20
15
Antarctica area
10
5
0
1980
1985
1990
1995
2000
2005
October Average Ozone Hole
Halley Bay Station
Low
Ozone
59
High
Ozone
Minimum Ozone
60
WMO Fig. 3-47
Eksperyment III – redukcja ozonu o 25%
Globalne zmiany temperatury
w atmosferze i na powierzchni
Ziemi
ICCP, 2007
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmiany temperatury powietrza
7/19/2017
Instytut Geofizyki UW
Wpływ aerozoli na klimat
Rodzaje aerozoli:
• sól morska
• drobiny piasku
• pyły antropogoniczne lub naturalne
(wulkaniczny)
• fragmenty roślin
• sadza (elemental carbon), organic
carbon
• siarczany, azotany
• związki organiczne i nieorganiczne
7/19/2017
Zanieczyszczenia atmosfery zwane
inaczej aerozolami to małe
cząstki stałe lub ciekłe powstające
w sposób naturalny oraz w wyniku
działalności gospodarczej
człowieka.
Aerozole naturalne.
Aerozole antropogeniczne
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Wielkość i kształt cząstek aerozolu
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Zmętnienie atmosfery
powstałe w wyniku
obecności aerozoli
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Podział aerozoli ze względu na ich rozmiar
W rozkładzie wielości aerozoli wyróżniany 3 charakterystyczne grupy cząstek:
• cząstki Aitkena (nucleation mod), r<0.05 m
• cząstki małe (accumulation mod), 0.05<r<0.5 m
• cząstki duże (coarse mod), r>0.5 m
Szczególnie istotne znaczenie w atmosferze z klimatycznego punktu widzenia mają
ostatnie dwa typy cząstek.
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Produkcja aerozoli
• produkcja mechaniczna (powstawanie soli morskiej
•
•
•
podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie
pyłu pustynnego w czasie burz pyłowych)
spalanie biomasy
spalanie przemysłowe (pyły, gazy)
konwersja gazu do cząstek np. do kwasu siarkowego
czy azotowego
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Usuwanie aerozoli z atmosfery
• Sucha depozycja
Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie
usuwane tylko duże cząstki)
• Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe
lub krople deszczu).
Efektywne usuwanie cząstek z klasy akumulacyjnej
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Średnia grubość optyczna aerozolu
(marzec- maj)
 2r

( )    Q ext 
, m r 2 n c (r )dr
 

7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Wpływ aerozoli na klimat Ziemi
Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcję
promieniowania w atmosferze
Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie aerozolu na
własności mikrofizyczne chmur)
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat
wzrost albeda planetarnego
warstwa
aerozolu
redukcja promieniowana słonecznego
dochodzącego do powierzchni ziemi
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
wzrost absorpcji
w atmosferze
Bilans Energii w Atmosferze
Bilans radiacyjny w
atmosferze –100
Wm-2
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków
większe albedo
Stratocumulus. ... ... . . .
. ::
.::::..:: .. ... . . .
.
. .
::. ... .. .. ..
.
.
.
.
.. ..
....... .
.....
.
.
....
..::
. .. .
::::
::
::
. .
Większa koncentracja
kropel,
Mniejszy promień re
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Pierwszy pośredni wpływ aerozoli
Chmury ‘czyste’ i ‘zanieczyszczone’
Czyste powietrze, mała ilość
jąder kondensacji.
Mała koncentracja.
Duże rozmiary kropelek.
Zanieczyszczone powietrze, duża
ilość jąder kondensacji.
Duża koncentracja.
Małe rozmiary kropelek.
Pawłowska, 2005
7/19/2017
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
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Wpływ chmur Scu na globalny bilans
radiacyjny
Występowanie Scu:
+
Własności radiacyjne
:ocean = 5-10 %
ALB
IR
VIS
ALBScu = 30-60 %
IR
VIS
ALBScu ~ 5-10*ALBocean
Hartmann (1992)
~ 20-30 % powierzchni oceanów
(Warren et al., 1986)
Ujemne wymuszenie
radiacyjne
~ 3-4 % strumienia promieniowania
słonecznego otrzymywanego średnio przez
układ Ziemia-Atmosfera
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Optyczny model chmury
Albedo chmury w przybliżeniu w-strumieniowym
F
(1  g)

R  

2  (1  g)   2
F
1 g
gdzie g jest parametrem asymetrii związanym z rozpraszaniem promieniowania
na aerozolu, zaś  grubością optyczna chmury. Przyjmując parametr asymetrii
dla chmury równy około g=0.85 otrzymujemy

R
  13
Rozważmy jednorodną chmurę o monodyspersyjnym rozkładzie wielkości
  hr 2 Q ext N o
Przyjmując, że dla obszaru widzialnego parametr wielkości x=2r/>>1 stąd
Qext=2
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Wyznaczamy zależność albeda chmur R od liczby kropelek N przy stałej zawartości
wody ciekłej (LWC)
 dR 
dR d



 dNo LWC d dNo
Zakładając, że LWC nie zależy
od wysokości
stąd
LWC 
4 3
r  w hN o
3
4
dLWC  0  hw (dN o r 3  3N o r 2 )  0
3
dN o
1

r
3N o
Obliczmy wielkość
d 2h (dN o r 2  2rNo ) dNo 2



2

2hN o r
No r
d dN o 2 dN o 1 dN o




No 3 No 3 No
dR   13  
13


2
d (  13)
(  13)2
ostatecznie
 dR 
dR d
13 1 
13
1





R
2
 dNo LWC d dNo (  13) 3 No 3No   13
 dR 
R 13R R (1  R )




3N o
 dN o LWC 3N o 
Tylko w przypadku chmur zawierających
mała liczbę kropel N<100 cm-3 albedo
chmury zależy silnie od koncentracji tym
samym zawartości aerozoli.
Efekt bezpośredni -prosty model radiacyjny
Fo
Fo(1-exp(-))
Fo(1-)(1-exp(-))
Fo(1-)(1-exp(-))
Foexp(-)
Transmisja przez warstwę
aerozolu
t= exp(-)+ (1-)(1-exp(-))
Odbicie od warstwy aerozolu
r= (1-exp(-))
Rs
7/19/2017
 - grubość optyczna
aerozolu
 - albedo pojedynczego
rozpraszania
=scat /ext
- cześć promieniowania
rozpraszania do tyłu
Dla molekuł =0.5
Dla aerozoli  (0.1 –
0.2)
Krzysztof Markowicz
[email protected]
For
Fot2Rs
Promieniowanie wychodzące z
atmosfery:
Fr= Fo (r+t2Rs +t2Rs2r+t2Rs3
r2+...)
Fo
Fo(1-)(1-exp(-))
Zmiana albeda planetarnego
przez aerozol:
Rs=[r+t2Rs /(1-Rsr)]-Rs
Fot
FotRs
Rs
7/19/2017
Fr= Fo [r+t2Rs /(1-Rsr)]
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Dla <<1 ; średnia wartość 0.1-0.2
t= exp(-)+ (1-)(1-exp(-))
r= (1-exp(-))
t=1- +(1-)
r= 
dla > c Rs>0 : ochładzanie
dla < c Rs<0 : ogrzewanie
Rs=+[(1-Rs)2-2Rs(1/-1)/]
wartość krytyczna  dla której
Rs =0
 =2Rs/[2Rs+(1-Rs)2]
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
tak więc
• aerozole nad ciemną powierzchnią ziemi zawsze
•
•
•
ochładzają klimat.
aerozole nad bardzo jasnymi powierzchniami (śnieg)
ogrzewają klimat.
w przypadku pośrednim ochładzanie bądź ogrzewanie
zależy od własności optycznych aerozoli oraz
własności odbijających podłoża.
jednak zawsze obecność aerozoli prowadzi do
redukcji promieniowania przy powierzchni ziemi a
zatem ochładzania.
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
TOA
Globalne zaciemnienie
w XX wieku.
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Wpływ chmur na klimat
• Chmury zwiększają albedo planetarne od 14 do 31%. Tym
•
•
•
•
samym ich obecność prowadzi do ochładzania klimatu.
Sytuacja jednak nie jest taka prosta…
Na ogół jednak chmury wysokie ogrzewają atmosferę a
niskie prowadzą do ochładzania.
Niewielkie zmiany w zachmurzeniu mogą prowadzić do
istotnych zmian klimatycznych
Ze względów klimatycznych ważnym parametrem
określającym chmury nie jest tylko zachmurzenie ale
również ich własności mikrofizyczne mające pływ na albedo
chmury oraz procesy fizyczne zachodzące w nich które
mogą decydować o czasie ich czasie życia. .
ICCP 2007
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Modelowane zmiany klimatu w obecnym
stuleciu
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
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%)
Podsumowanie
• Najczęściej jednak charakter tych zmian jest
•
•
•
•
zróżnicowany w zależności od wysokości w atmosferze.
Według prostego modelu wzrost koncentracji CO2
prowadzi do ogrzewania w najniższych warstwach
atmosfery oraz ochładzania w wyższych warstwach.
Zmiany takie obserwowane są w atmosferze.
Nie ma dziś wątpliwości, że klimat ociepla się.
Kwestią dyskusją pozostaje jednak jaki wkład
procentowy do tych zmian ma działalność człowieka.
Wielka niewiadoma - cyrkulacja oceaniczna.
Czy grozi nam epoka lodowa?
7/19/2017
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Cyrkulacja termo-halinowa napędzana jest różnicą gęstości
wody (temperatura zasolenia).
Kluczową rolę w jej przypadku odgrywa tonięcie gęstych wód
powierzchniowych na północnym Atlantyku. Podobnie zjawisko
nie ma miejsca na Pacyfiku, których jest mniej słony.
Gdy temperatura wody rośnie wzrasta parowanie i tym samym
zasolenie jest wyższe. Cyrkulacja staje się silniejsza przynosząc
coraz cieplejsze wody z tropików (dodatnie sprzężenie
zwrotne).
Jednak wyższa temperatura i parowanie wzmaga opady, które
zmniejszają zasolenie podobnie jak topiące się lodowce.
Czy możliwe jest „nagle” zatrzymanie cyrkulacje
termohalinowej na Atlantyku?
Około 11 tys lat temu takie zjawisko miało miejsce ale wtedy
istniało olbrzymie słodkie jezioro Agassiza w Ameryce
Północnej, które nagle wpłynęło do Atlantyku drastycznie
zmniejszając zasolenie.
Obecnie modele klimatu nie pokazują ja . Chociaż odnotowuje
się stale słabnącą cyrkulacje termohalinową.
Obserwacje pokrywy
lodowej w Arktyce
Obszary polarne podlegają szczególnie
silnym zmianom klimatycznym dzięki
efektowi wzmocnienia wymuszeń
związanemu ze zmianami pokrycia
śniegiem i lodem.
7/19/2017
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
(1992-2003) śniegu i lodu.
Satelita nie widział jednak 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).
Download
Random flashcards
ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

Create flashcards