Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Fizyka Pogody i Klimatu Wykład 5 Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Fizyka Pogody i Klimatu Wykład 5 Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski"— Zapis prezentacji:

1 Fizyka Pogody i Klimatu Wykład 5 Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski

2 System klimatyczny System klimatyczny to złożony układ składający się z pięciu elementów: atmosfera, hydrosfera, kriosfera, biosfera i powierzchnia ziemi między którymi zachodzą interakcje. System klimatyczny jest pod wpływem wewnętrznej dynamiki oraz zewnętrznych zaburzeń (np. aktywność Słońca). Procesy klimatyczne - to procesy fizyczne zachodzące w systemie klimatycznym prowadzące do zmian klimatu. Najczęściej zalicza się do nich obieg energii, cykl hydrologiczny oraz cyrkulację powietrza. Determinują one zarówno naturalne i antropogeniczne zmiany w systemie klimatycznym. 2

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

4 8/13/2015Krzysztof Markowicz Badania klimatu monitoring zmienności wymuszanie odpowiedz predykcja konsekwencje

5 Monitoring zmian klimatycznych Naziemna sieć pomiarowaNaziemna sieć pomiarowa Pomiary oceaniczne (statki, dryftery, platformy)Pomiary oceaniczne (statki, dryftery, platformy) Pomiary aerologiczne w swobodnej atmosferzePomiary aerologiczne w swobodnej atmosferze Pomiary satelitarnePomiary satelitarne

6 Zmiany średniej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi w ostatnich latach "HadCRUT3". Met Office Hadley Centre for Climate Change, U.K.

7 IPCC,

8 Na postawie 10-ciu rekonstrukcji opublikowanych w latach

9

10 Opady IPCC,

11 IPCC, 2013

12 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni Ziemi

13 Zmiany klimatu w Polsce 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Zmiany temperatury w Polsce za ostatnie 50 lat pokazują, że klimat się ociepla!

14

15 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Obserwuje się rosnący trend prędkości wiatru i silniejszą cyrkulację strefowa.

16 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Zmiany albeda planetarnego nad Polską pokazują, że w ostatnich 20-latach atmosfera pochłania 1-2% więcej promieniowania słonecznego

17 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Tendencja spadkowa całkowitej zawartości pary wodnej w atmosferze.

18 8/13/2015 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

19 Bilans na górnej granicy atmosfery wynosi +0.9 W/m 2. Odchylnie od stanów równowagowego jest bardzo małe i stanowi zaledwie 0.25% strumienia promieniowania dochodzącego od Słońca. Bilans energii na powierzchni Ziemi jest również dodatni i wynosi około 0.9 W/m 2. Oznacza to, że bilans w atmosferze jest zerowy. 19

20 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Przyczyny zmian klimatu Efekt cieplarnianyEfekt cieplarniany Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni)Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni) Zmiany cyrkulacji termo-halinowej w oceanachZmiany cyrkulacji termo-halinowej w oceanach Wybuchy wulkanówWybuchy wulkanów Zmienność aktywności SłońcaZmienność aktywności Słońca Zmiany w ozonosferzeZmiany w ozonosferze InneInne

21 Efekt cieplarniany- Zmiany koncentracji CO 2 Podwojenie CO 2 (2050 rok) prowadzi do wymuszania radiacyjnego +4W/m 2.

22 Efekt cieplarniany

23 Prosty model efektu cieplarnianego 240 S/4 (1-A) 240  Ts4 Ts4 No Atmosphere With a Black Atmosphere in the LW Only S/4 (1-A) 240  Ts4 Ts4 480 Ts=255K Ts= 303 K T=Te=255K

24 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Termiczny wymiar efektu cieplarnianego- przybliżony model. 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T

25 Dlaczego trudno jest oszacować termiczny wymiar efektu cieplarnianego. Problemem jest wyznaczenie średniej temperatury powietrza przy powierzchni ziemi w przypadku gdyby w atmosferze nie było gazów cieplarnianych. Wynika to głównie ze względu na zmiany albeda planetarnego. Z jednej stronie nie byłoby chmur (mniejsze albedo), a z drugiej ze względu na dużo niższą temperaturę albedo powierzchni ziemi byłoby znacząco wyższe. Oba efekty można uwzględnić jedynie w symulacjach modelami klimatu. Znacznie łatwiej można oszacować wymuszanie radiacyjne związane z gazami cieplarnianymi. Wymaga to jedynie obliczeń modelami transferu radiacyjnego.

26 Symulacja zmian klimatu związana z usunięcie wszystkich gazów cieplarnianych Lacis et al., 2010

27 Rozkład południkowy temperatury powierzchni Ziemi po usunięciu GHG Porównanie efektów cieplarnianych na różnych planetach Lacis et al., 2010

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

29 8/13/2015 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.

30 8/13/2015 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 (wulkaniczny) fragmenty roślin sadza (elemental carbon), organic carbon siarczany, azotany związki organiczne i nieorganiczne Aerozole naturalne. Aerozole antropogeniczne AEROZOLE

31 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Wielkość i kształt cząstek aerozolu

32 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Aerozol widoczny z kosmosu

33 8/13/2015 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.

34 8/13/2015 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 biomasyspalanie biomasy spalanie przemysłowe (pyły, gazy)spalanie przemysłowe (pyły, gazy) konwersja gazu do cząstek np. do kwasu siarkowego czy azotowegokonwersja gazu do cząstek np. do kwasu siarkowego czy azotowego

35 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Usuwanie aerozoli z atmosfery Sucha depozycjaSucha 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

36 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Zawartość aerozolu w atmosferze

37 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Jak bada się wpływ aerozoli na klimat? Monitoring zanieczyszczeń atmosfery oraz podstawowych parametrów meteorologicznych (pomiary naziemne oraz satelitarne, sondowanie atmosfery)Monitoring zanieczyszczeń atmosfery oraz podstawowych parametrów meteorologicznych (pomiary naziemne oraz satelitarne, sondowanie atmosfery) Obserwacje składowych bilansu promieniowania słonecznego oraz długofalowegoObserwacje składowych bilansu promieniowania słonecznego oraz długofalowego Modelowanie zmian klimatu – modele klimatuModelowanie zmian klimatu – modele klimatu Badania eksperymentalne – kampanie poloweBadania eksperymentalne – kampanie polowe

38 8/13/2015 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)

39 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Bilans Energii w Atmosferze Bilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm -2

40 8/13/2015 Krzysztof Markowicz :: :: :::: :: Stratocumulus większe albedo Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień r e Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków Pawłowska, 2005

41 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Optyczny model chmury Albedo chmury w przybliżeniu dwu-strumieniowym gdzie g jest parametrem asymetrii związanym z rozpraszaniem promieniowania na kropelkach lub kryształach lodu, 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

42 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

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

44 Przykład Rozważmy dwie chmury o monodyspersyjnym rozkładzie kropel, grubości pionowej 400 metrów, przy czym pierwsza składa się z kropelek wody o promieniu r 1 =10  m i koncentracji N 1 =1000 1/cm 3, zaś druga z kropel o promieniu r 2 =20  m. Zakładając, że wodność obu chmur jest identyczna możemy wyznaczyć koncentracje kropel w drugiej chmurze ze wzoru (125 1/cm 3 ) Stosując teorię rozpraszania MIE wyznaczamy parametry asymetrii dla obu chmur. Wynoszą one odpowiednio 0.86 i Grubość optyczny chmur wynosi: 188 i 94 Albedo chmur: 0.93 i 0.86.

45 8/13/2015 Krzysztof Markowicz warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi wzrost absorpcji w atmosferze wzrost albeda planetarnego Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat

46 8/13/2015 Krzysztof Markowicz  - grubość optyczna aerozolu  - albedo pojedynczego rozpraszania  - cześć promieniowania rozpraszania wstecznie Dla molekuł  =0.5 Dla aerozoli  (0.1 – 0.2) RsRs Transmisja przez warstwę aerozolu Odbicie od warstwy aerozolu Efekt bezpośredni -prosty model radiacyjny

47 8/13/2015 Krzysztof Markowicz RsRs Promieniowanie wychodzące z atmosfery: Zmiana albeda planetarnego przez aerozol:

48 8/13/2015 Krzysztof Markowicz dla  >  c  R s >0 : ochładzanie dla  <  c  R s <0 : ogrzewanie Dla  <<1 ; średnia wartość wartość krytyczna  dla której  R s =0

49 8/13/2015 Krzysztof Markowicz tak więc aerozole nad ciemną powierzchnią ziemi zawsze ochładzają klimat.aerozole nad ciemną powierzchnią ziemi zawsze ochładzają klimat. aerosole nad bardzo jasnymi powierzchniami (śnieg) ogrzewają klimat.aerosole 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

50 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Globalne zaciemnienie w XX wieku.

51 Wpływ chmur na klimat Chmury pokrywają około 50% powierzchni Ziemi, dlatego, też są one bardzo ważne z klimatycznego punktu widzenia. Chmury zwiększają albedo planetarne od 14 do 30%. Z drugiej zmniejszają ucieczkę promieniowania długofalowego w przestrzeń kosmiczną zapobiegając w ten sposób utracie energii. Wpływ chmur na klimat zależy od ich własności optycznych oraz temperatury.

52 Wymuszanie radiacyjne chmur

53 Krzysztof Markowicz IGF-UW Wpływ transportu lotniczego na klimat IPCC Całkowite wymuszanie radiacyjne związane z transportem lotniczym jest dodatnie (w szczególności również smugi kondensacyjne).

54 Krzysztof Markowicz IGF-UW Updated Aviation Radiative Forcing for 2000 Sausen et al.,

55 Wymuszanie radiacyjne chmur: SW W/m 2 LW 20.5 W/m 2 NET W/m 2

56 Chmury wysokie ogrzewają a niskie chłodzą… ThTh TlTl TsTs T s  T l T s >> T h Albedo 10-30% Albedo 60-80%

57 Chmury niskie: 1.Mają zbliżoną temperaturę do powierzchni ziemi więc mają niewielki wpływ na promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnie Ziemi 2.Silnie odbijają promieniowanie słoneczne. 3.Efekt netto jest ochładzający – ujemne wymuszanie radiacyjne. Chmury wysokie: 1.Mają znacznie niższą temperaturę w stosunku powierzchni ziemi więc znacząco redukują promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnie Ziemi 2.Słabo odbijają promieniowanie słoneczne. 3.Efekt netto jest ogrzewający – dodatnie wymuszanie radiacyjne.

58 8/13/2015 Krzysztof Markowicz

59 8/13/2015 Wymuszanie radiacyjne aerozoli w skali lokalnej

60 60

61 8/13/2015 Krzysztof Markowicz Modelowane zmiany klimatu w obecnym stuleciu

62 62

63 63

64 64


Pobierz ppt "Fizyka Pogody i Klimatu Wykład 5 Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski"

Podobne prezentacje


Reklamy Google