Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Podstawy fizyczne zmian klimatu Ziemi. dr Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Podstawy fizyczne zmian klimatu Ziemi. dr Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski"— Zapis prezentacji:

1 Podstawy fizyczne zmian klimatu Ziemi. dr Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski

2 O czym będzie mowa? Pojęcie klimatu Pojęcie klimatu Fizycznych podstawach promieniowania Fizycznych podstawach promieniowania Bilansie promieniowania w atmosferze Bilansie promieniowania w atmosferze Fizycznych podstawach zmian klimatu Fizycznych podstawach zmian klimatu Badaniu zmian klimatycznych Badaniu zmian klimatycznych Wyniki badań Wyniki badań Prognozy na przyszłość Prognozy na przyszłość

3 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. 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. Głównym zadaniem IPCC jest wydawanie raportów dotyczących zmian klimatu w oparciu o publikacje w czasopismach naukowych. Raporty te są wnikliwie i szczegółowo recenzowane. Raporty te są wnikliwie i szczegółowo recenzowane. IPCC nie jest komórka badającą i prowadząca monitoring zmian klimatycznych. IPCC nie jest komórka badającą i prowadząca monitoring zmian klimatycznych. 1/11/2014 Krzysztof Markowicz

4 Raporty IPCC IPCC wydał jak do tej pory 4 raporty w latach 1990, (suplement w 1992), 1995, 2001, IPCC wydał jak do tej pory 4 raporty w latach 1990, (suplement w 1992), 1995, 2001, Ostatni raport Working Group I Report (WGI): Climate Change 2007: The Physical Science Basis. 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 II Report (WGII): Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability Working Group III Report (WGIII): Climate Change 2007: Mitigation of Climate Change Working Group III Report (WGIII): Climate Change 2007: Mitigation of Climate Change The Synthesis Report (SYR) The Synthesis Report (SYR) Summary for Policymakers (SPM) Luty 2007 WGI report opublikowany w marcu /11/2014 Krzysztof Markowicz

5 Główne wioski raportu IPCC, 2007 Warming of the climate system is unequivocal. 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. 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. 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%. The probability that this is caused by natural climatic processes alone is less than 5%. 1/11/2014 Krzysztof Markowicz

6 Główne wioski raportu IPCC, 2007 cd. World temperatures could rise by between 1.1 and 6.4 °C during the 21st century and that: 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. 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 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 1/11/2014 Krzysztof Markowicz

7 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Klimat definicje Średnia pogoda panująca w danym miejscu. Średnia pogoda panująca w danym miejscu. Średni przebieg warunków atmosferycznych charakterystyczny dla danego obszaru i określony na podstawie 30 letnich serii pomiarowych. Średni przebieg warunków atmosferycznych charakterystyczny dla danego obszaru i określony na podstawie 30 letnich serii pomiarowych. Przykład 1 Stacja A: średnia temperatura roczna 8 o C Stacja A: średnia temperatura roczna 8 o C (średnia stycznia 5 o C, średnia lipca 11 o C) Stacja B: średnia temperatura roczna 8 o C Stacja B: średnia temperatura roczna 8 o C (średnia stycznia -3 o C, średnia lipca 19 o C)

8 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. 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. 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 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 1/11/2014 Krzysztof Markowicz

9 1/11/2014 Krzysztof Markowicz 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

10 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Klimat, definicja fizyczna Klimat to pojecie statystyczne i bardziej złożone. Zdefiniowany jest przez pojęcia statystyczne a nie tylko przez wartości średnie. Wielkościami tymi są: 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 o C

11 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Anomalia Czyli odchylenie od wartości średniej (przeciętej) Czyli odchylenie od wartości średniej (przeciętej) Pojecie stosowane często w klimatologii do analizy zmienności warunków pogodowych. 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. 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. Dopiero gdy anomalia utrzymuje się przez odpowiedni długi okres czasu (30 lat) może to świadczyć o zmianach klimatycznych.

12 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Anomalie cd. Czy w dobie globalnego ocieplenia możemy spodziewać się chłodnych zim? 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? Czy chłodne lato jakiegoś roku może dowodzić, że nie mamy do czynienia z globalnym ociepleniem?

13 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Badania klimatu monitoring zmienności wymuszanie odpowiedz predykcja konsekwencje

14 Składniki systemu klimatycznego połączeniechaotycznenieliniowe Dynamika atmosfery i oceanu Obieg węgla Obieg wody i energii Reakcje chemiczne w atmosferze

15 Monitoring zmian klimatycznych Naziemna siec pomiarowa Naziemna siec pomiarowa Pomiary oceaniczne (statki, dryftery, platformy) Pomiary oceaniczne (statki, dryftery, platformy) Pomiary aerologiczne w swobodnej atmosferze Pomiary aerologiczne w swobodnej atmosferze Pomiary satelitarne Pomiary satelitarne

16 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Zmiany temperatury w ostatnim tysiącleciu – mała epoka lodowa

17 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Zmiany Globalne w XX wieku

18

19 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.

20 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Anomalie temperatury powierzchni Atlantyku w obszarze tropikalnym

21 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Zmiany pary wodnej w atmosferze

22 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Trend zachmurzenia +1.4% (obserwacje naziemne) +2 % ISCCP (klimatologia satelitarna)

23 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery

24 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Zmiany w kriosferze

25 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Zmiany poziomu oceanów

26 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Zmiany rocznych sum opadów

27 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Globalne ocieplenie a ochłodzenie stratosferyczne dane aerologiczne dane satelitarne

28 Zmiany klimatu w Polsce 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Zmiany temperatury w Polsce za ostatnie 50 lat pokazują, że klimat się ociepla!

29 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Obserwuje się rosnący trend prędkości wiatru i silniejszą cyrkulację strefowa.

30 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Zmiany albeda planetarnego nad Polską pokazują, że w ostatnich 20-latach atmosfera pochłania 1-2% więcej promieniowania słonecznego

31 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Tendencja spadkowa całkowitej zawartości pary wodnej w atmosferze.

32 1/11/2014 Krzysztof Markowicz 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. 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). 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. 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.

33 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Albedo+ Strumień ciepła utajonego i odczuwalnego Ocean T+T+ Podwojenie koncentracji CO 2 Promieniowani e słoneczne T-T- ujemne sprzężenie zwrotne Przykład sprzężenia zwrotnego w systemie klimatycznym Ziemi-Atmosfera

34 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Przyczyny zmian klimatu Efekt cieplarniany Efekt cieplarniany Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni) Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni) Zmiany cyrkulacji oceanicznej Zmiany cyrkulacji oceanicznej Wybuchy wulkanów Wybuchy wulkanów Zmienność aktywności słońca Zmienność aktywności słońca Zmiany w ozonosferze Zmiany w ozonosferze Przyczyny długookresowe Zmienność orbity ziemskiej Dryf kontynentów Zmiany składu atmosfery

35 1/11/2014 Krzysztof Markowicz 1/11/2014 Krzysztof Markowicz 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.

36 Promieniowanie Słoneczne (krótkofalowe): < 4 m 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 Ziemskie (długofalowe, termiczne): > 4 m Prawo Stefana Boltzmanna: =5.67x10 -8 [W/K 4 m 2 ] Dla T=255 K, F=240 Wm-2 Dla T=273 K, F=315 Wm -2 Dla T=300 K, F=469 Wm-2

37 Widmo promieniowania słonecznego i ziemskiego

38

39 Absorpcja promieniowania przez poszczególne gazy zawarte w atmosferze.

40 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. 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 km. 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 km. W wyniku pochłaniana powietrze nagrzewa się w czasie dnia. W wyniku pochłaniana powietrze nagrzewa się w czasie dnia. Przy powierzchni Ziemi jedynie para wodna pochłania słabo promieniowanie słoneczne. Przy powierzchni Ziemi jedynie para wodna pochłania słabo promieniowanie słoneczne.

41 Bilans energii w atmosferze

42 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). 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. Im większa różnica pomiędzy energią dostarczoną przez warstwę powietrza a energią oddaną tym tempo zmian temperatury powietrza będzie większe.

43 1/11/2014 Krzysztof Markowicz F o /4 T eff σT 4 F TOA ( R o, T eff, T) wymuszenie R o /4 W stanie równowagi: F o (1-R o )/ 4=T eff T 4 R o - planetarne albedo F o stałą słoneczna Wymuszenie radiacyjne

44 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Efekt cieplarniany Zmiany koncentracji CO 2

45 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Termiczny wymiar efektu cieplarnianego gazy cieplarniane procentowy wkład koncentracja para wodna %30 ppvt CO %350 ppmv %50 ppbv N20N %320 ppbv CH %17 ppbv freony<0.82.4%1 ppbv efekt cieplarniany 33.2 T

46 Eksperyment I – podwojenie zawartości CO 2 temperatura radiacyjna

47 Eksperyment II – atmosfera obecna w stosunku do pozbawionej CO 2 temperatura radiacyjna

48 Nieliniowy pływ gazów cieplarnianych na bilans energii. koncentracja wymuszanie CFCs CH 4 N 2 O CO 2

49 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni ziemi

50 1/11/2014 Krzysztof Markowicz 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.

51 Cykl Milankowicia Zmiany aktywności Słońca nie są jednak jedyną przyczyną zmian stałej słonecznej. 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. 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. 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%). 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%).

52 Zmiany te są cyklicznie z nakładającymi się dominującymi cyklami o okresach około i 413 tys. lat. Aktualnie ekscentryczność orbity Ziemi zdąża do swojej minimalnej wartości, którą osiągnie za około 27 tys. lat. Zmiany te są cyklicznie z nakładającymi się dominującymi cyklami o okresach około 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. 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. 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.

53 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 roku. 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 roku. Mniejsza wartość kąta oznacza mniejsze sezonowe różnice promieniowania słonecznego a tym samym zacieranie się różnic pomiędzy porami roku. Mniejsza wartość kąta oznacza mniejsze sezonowe różnice promieniowania słonecznego a tym samym zacieranie się różnic pomiędzy porami roku.

54 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 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). 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. 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 % 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. Pomimo, że opublikowane prace na ten temat potwierdzają zmiany zachmurzenia na poziomie % 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.

55 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. H. Svensmark and E. Friis-Christensen

56 Strumień promieniowania długofalowego na górnej granicy atmosfery w obszarze tropikalnym (20S-20N).

57 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Wpływ wybuchów wulkanów Aerosol emitowany przez wulkany redukuje przeźroczystość atmosfery

58 Zmiany w ozonosferze

59 59 October Average Ozone Hole Low Ozone High Ozone Halley Bay Station

60 60 Minimum Ozone WMO Fig. 3-47

61 Eksperyment III – redukcja ozonu o 25%

62 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni Ziemi ICCP, 2007

63 1/11/2014Instytut Geofizyki UW Zmiany temperatury powietrza

64 Wpływ aerozoli na klimat

65 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Zanieczyszczenia atmosfery zwane inaczej aerozolami to małe cząstki stałe lub ciekłe powstające w sposób naturalny oraz w wyniku działalności gospodarczej człowieka. Rodzaje aerozoli: sól morska drobiny piasku pyły antropogoniczne lub naturalne (wulkaniczny) fragmenty roślin sadza (elemental carbon), organic carbon siarczany, azotany związki organiczne i nieorganiczne Aerozole naturalne. Aerozole antropogeniczne

66 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Wielkość i kształt cząstek aerozolu

67 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Zmętnienie atmosfery powstałe w wyniku obecności aerozoli

68 1/11/2014 Krzysztof Markowicz

69 1/11/2014 Krzysztof Markowicz 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), 0.050.5 m Szczególnie istotne znaczenie w atmosferze z klimatycznego punktu widzenia mają ostatnie dwa typy cząstek.

70 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Produkcja aerozoli produkcja mechaniczna (powstawanie soli morskiej podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie pyłu pustynnego w czasie burz pyłowych) produkcja mechaniczna (powstawanie soli morskiej podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie pyłu pustynnego w czasie burz pyłowych) spalanie biomasy spalanie biomasy spalanie przemysłowe (pyły, gazy) spalanie przemysłowe (pyły, gazy) konwersja gazu do cząstek np. do kwasu siarkowego czy azotowego konwersja gazu do cząstek np. do kwasu siarkowego czy azotowego

71 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Usuwanie aerozoli z atmosfery Sucha depozycja Sucha depozycja Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie usuwane tylko duże cząstki) Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub krople deszczu). Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub krople deszczu). Efektywne usuwanie cząstek z klasy akumulacyjnej

72 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Średnia grubość optyczna aerozolu (marzec- maj)

73 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Wpływ aerozoli na klimat Ziemi Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcję promieniowania w atmosferze Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie aerozolu na własności mikrofizyczne chmur)

74 1/11/2014 Krzysztof Markowicz warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi wzrost absorpcji w atmosferze wzrost albeda planetarnego Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat

75 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Bilans Energii w Atmosferze Bilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm -2

76 1/11/2014 Krzysztof Markowicz :: :: :::: :: Stratocumulus większe albedo Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień r e Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków

77 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Czyste powietrze, mała ilość jąder kondensacji. Mała koncentracja. Duże rozmiary kropelek. Zanieczyszczone powietrze, duża ilość jąder kondensacji. Duża koncentracja. Małe rozmiary kropelek. Pierwszy pośredni wpływ aerozoli Chmury czyste i zanieczyszczone Pawłowska, 2005

78 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!

79 Projekt A-train badanie wpływu aerozolu na klimat 1/11/2014 Krzysztof Markowicz

80 1/11/2014 Krzysztof Markowicz ALB ocean = 5-10 % ALB Scu = % IR + VIS IR VIS Ujemne wymuszenie radiacyjne ~ 3-4 % strumienia promieniowania słonecznego otrzymywanego średnio przez układ Ziemia-Atmosfera ALB Scu ~ 5-10*ALB ocean Hartmann (1992) Występowanie Scu: Własności radiacyjne : ~ % powierzchni oceanów (Warren et al., 1986) Wpływ chmur Scu na globalny bilans radiacyjny

81 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Optyczny model chmury Albedo chmury w przybliżeniu w-strumieniowym 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 Rozważmy jednorodną chmurę o monodyspersyjnym rozkładzie wielkości Przyjmując, że dla obszaru widzialnego parametr wielkości x=2 r/ >>1 stąd Q ext =2

82 Zakładając, że LWC nie zależy od wysokości Wyznaczamy zależność albeda chmur R od liczby kropelek N przy stałej zawartości wody ciekłej (LWC) Obliczmy wielkość stąd

83 ostatecznie Tylko w przypadku chmur zawierających mała liczbę kropel N<100 cm -3 albedo chmury zależy silnie od koncentracji tym samym zawartości aerozoli.

84 1/11/2014 Krzysztof Markowicz FoFo F o exp(- ) F o (1- )(1-exp(- )) F o (1-exp(- )) F o (1- )(1-exp(- )) - grubość optyczna aerozolu - albedo pojedynczego rozpraszania = scat / ext - cześć promieniowania rozpraszania do tyłu Dla molekuł =0.5 Dla aerozoli (0.1 – 0.2) RsRs Transmisja przez warstwę aerozolu t= exp (- )+ (1- )(1-exp(- )) Odbicie od warstwy aerozolu r= (1-exp(- )) Efekt bezpośredni -prosty model radiacyjny

85 1/11/2014 Krzysztof Markowicz FoFo F o (1- )(1-exp(- )) ForFor RsRs Promieniowanie wychodzące z atmosfery: F r = F o (r+t 2 R s +t 2 R s 2 r+t 2 R s 3 r ) F r = F o [r+t 2 R s /(1-R s r)] Zmiana albeda planetarnego przez aerozol: R s =[r+t 2 R s /(1-R s r)]-R s FotFot F o tR s Fot2RsFot2Rs

86 1/11/2014 Krzysztof Markowicz dla > c R s >0 : ochładzanie dla < c R s <0 : ogrzewanie Dla <<1 ; średnia wartość t= exp(- )+ (1- )(1-exp(- )) r= (1-exp(- )) t=1- + (1- ) r= R s = +[(1-R s ) 2 -2R s (1/ -1)/ ] wartość krytyczna dla której R s =0 =2R s /[2R s + (1-R s ) 2 ]

87 1/11/2014 Krzysztof Markowicz tak więc aerozole nad ciemną powierzchnią ziemi zawsze ochładzają klimat. aerozole nad ciemną powierzchnią ziemi zawsze ochładzają klimat. aerozole nad bardzo jasnymi powierzchniami (śnieg) ogrzewają klimat. aerozole nad bardzo jasnymi powierzchniami (śnieg) ogrzewają klimat. w przypadku pośrednim ochładzanie bądź ogrzewanie zależy od własności optycznych aerozoli oraz własności odbijających podłoża. 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. jednak zawsze obecność aerozoli prowadzi do redukcji promieniowania przy powierzchni ziemi a zatem ochładzania. TOA

88 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Globalne zaciemnienie w XX wieku.

89 Wpływ chmur na klimat Chmury zwiększają albedo planetarne od 14 do 31%. Tym samym ich obecność prowadzi do ochładzania klimatu. Chmury zwiększają albedo planetarne od 14 do 31%. Tym samym ich obecność prowadzi do ochładzania klimatu. Sytuacja jednak nie jest taka prosta… Sytuacja jednak nie jest taka prosta… Na ogół jednak chmury wysokie ogrzewają atmosferę a niskie prowadzą do ochładzania. Na ogół jednak chmury wysokie ogrzewają atmosferę a niskie prowadzą do ochładzania. Niewielkie zmiany w zachmurzeniu mogą prowadzić do istotnych zmian klimatycznych 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.. 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..

90 ICCP 2007

91 1/11/2014 Krzysztof Markowicz

92 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Modelowane zmiany klimatu w obecnym stuleciu

93 Przykładowe wyniki modelowania (średnia dla zestawu modeli). Rysunki przedstawiają średnią zmianę temperatury dla lat w porównaniu do lat 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%)

94 Podsumowanie Najczęściej jednak charakter tych zmian jest zróżnicowany w zależności od wysokości w atmosferze. Najczęściej jednak charakter tych zmian jest zróżnicowany w zależności od wysokości w atmosferze. Według prostego modelu wzrost koncentracji CO 2 prowadzi do ogrzewania w najniższych warstwach atmosfery oraz ochładzania w wyższych warstwach. Według prostego modelu wzrost koncentracji CO 2 prowadzi do ogrzewania w najniższych warstwach atmosfery oraz ochładzania w wyższych warstwach. Zmiany takie obserwowane są w atmosferze. Zmiany takie obserwowane są w atmosferze. Nie ma dziś wątpliwości, że klimat ociepla się. Nie ma dziś wątpliwości, że klimat ociepla się. Kwestią dyskusją pozostaje jednak jaki wkład procentowy do tych zmian ma działalność człowieka. Kwestią dyskusją pozostaje jednak jaki wkład procentowy do tych zmian ma działalność człowieka.

95

96 Wielka niewiadoma - cyrkulacja oceaniczna. Czy grozi nam epoka lodowa? 1/11/2014 Krzysztof Markowicz

97 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.

98 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.

99 Obserwacje pokrywy lodowej w Arktyce 1/11/2014 Krzysztof Markowicz Obszary polarne podlegają szczególnie silnym zmianom klimatycznym dzięki efektowi wzmocnienia wymuszeń związanemu ze zmianami pokrycia śniegiem i lodem.

100 Półwysep Antarktyczny jest jednym z najszybciej ogrzewających się miejsc na Ziemi. Długości obserwacji meteorologicznych, obserwowane trendy temperatury [ºC/stulecie] z błędem oraz istotność trendu.

101 Nie potwierdza się hipoteza o przyrastaniu masy Wschodniej Antarktydy pod wpływem zwiększonych opadów śniegu. 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 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). Satelitarna altimetria zdaje się wskazywać, że wewnątrz Antarktydy przybyło 45 ± 7 Gt rocznie ( ) śniegu i lodu. Satelita nie widział jednak poza 81.5º S. Być może źle skorygowano różnicę gęstości śniegu i lodu (mniej więcej trzykrotną).


Pobierz ppt "Podstawy fizyczne zmian klimatu Ziemi. dr Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski"

Podobne prezentacje


Reklamy Google