Fizyczne przyczyny zmian klimatu Ziemi. Krzysztof M. Markowicz Instytut Geofizyki UW

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Anomalie średniej temperatury względem okresu 1961-1990                                                                                            Anomalie średniej temperatury względem okresu 1961-1990 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl EL NINO - ENSO 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Dziura ozonowa nad Antarktyda 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Index Oscylacji Północno Atlantyckich NAO 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl dodatnia faza NAO ujemna faza NAO 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Promieniowanie słoneczne oraz ziemskie 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Bilans promieniowania w atmosferze 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Wymuszanie radiacyjne Promieniowanie na szczycie atmosfery: Słoneczne: Fo(1-R)/4 Ziemskie: TreffTs4 Przy założeniu równowagi radiacyjnej i braku atmosfery (Treff=1): (temperatura efektywna) Teff=255 K średnia temperatura: 288 K efekt cieplarniany= 288-255=33 K wymuszenie radiacyjne- zaburzenie równowagi poprzez: zmianę albeda R zmianę efektywnej transmisji Treff Wymuszanie radiacyjne Podwojenie CO2 (2050 rok) prowadzi do wymuszania radiacyjnego +4Wm-2 T=1.2 K realna wartość 2.4 K (para wodna) 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Termiczny wymiar efektu cieplarnianego gazy cieplarniane   procentowy wkład koncentracja para wodna 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 1 ppbv efekt cieplarniany 33.2 T 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Rola chmur w klimacie ziemskim 342 Wm-2 342 Wm-2 Ta4 Ta Ta4 Ts4 TTs Ts4 Ts4 Ts4 Ts 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

chmury wysokie ocieplają klimat chmury niskie ochładzają klimat 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

niehigroskopijny higroskopijny 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 sadza siarczany, azotany związki organiczne i nieorganiczne pyły (wulkaniczny) Zakres wielkości cząstek: R=0.01- 5 μm R<< rozpraszanie Rayleigha R>>  rozpraszanie MIE 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

x=2r/ Rozpraszanie MIE Promieniowanie słoneczne: =0.5 m, x: 0.1-60 Promieniowanie ziemskie: =10 m, x: 0.006-3 x=2r/ 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Wpływ aerozoli na klimat Ziemi Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcje promieniowania) Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie na własności mikrofizyczne chmur) 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat wzrost albeda planetarnego wzrost absorpcji w atmosferze warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Bilans promieniowania Bilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm-2 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

model radiacyjny aerozolu  - grubość optyczna aerozolu - albedo pojedynczego rozpraszania =scat /ext  - cześć promieniowania rozpraszania do tyłu Fo Fo(1-exp(-)) Fo(1-)(1-exp(-)) t= exp(-)+ (1-)(1-exp(-)) r= (1-exp(-)) Fo(1-)(1-exp(-)) Promieniowanie wychodzące z atmosfery: Fr= Fo (r+t2Rs +t2Rs2r+t2Rs3 r2+...) Foexp(-) Rs 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Fr= Fo [r+t2Rs (1+Rsr+Rs2 r2+...] Fr= Fo [r+t2Rs /(1-Rsr)] dla > c Rs>0 : ochładzanie dla < c Rs<0 : ogrzewanie Zmiana albeda planetarnego przez aerozol: Rs=[r+t2Rs /(1-Rsr)]-Rs Dla <<1 ; typowa wartość 0.1-0.2 t=1- +(1-) r=  Rs=+[(1-Rs)2-2Rs(1/-1)/] wartość krytyczna  dla której Rs =0  =2Rs/[2Rs+(1-Rs)2] 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków . . . :: . :: :::: Stratocumulus większe albedo Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Rola chmur z warstwy granicznej w systemie klimatycznym + Albedo Długość życia i rozciągłość przestrzenna Koncentracja kropelek Intensywność opadu Strumień ciepła utajonego i odczuwalnego CCN Zanieczyszczenia Ocean DMS T 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Średnie wymuszanie radiacyjne 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Badania wpływu aerozolu na klimat 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Średnia grubość optyczna aerozolu (marzec- maj) 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Grubość optyczna aerozoli o promieniu r<1 m (aerozol antropogeniczny i powstały w czasie pożarów) Grubość optyczna aerozoli o promieniu r>1 m (piasek i sól morska) 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Przyrządy na statku w czasie rejsu Hawaje-Japonia, 2001 (ACE-Asia) 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Stacja badawcza na Krecie przyrządy radiacyjne 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl pożary w sierpniu 2001 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Główne wyniki badań Porównanie wymuszania radiacyjnego aerozolu w rożnych rejonach świata Markowicz, et al., 2003 JGR 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Globalna cyrkulacja termohalinowa 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Podsumowanie W skali globu efekt cieplarniany przewyższa bezpośredni wpływ aerozolu na klimat ale... W skali lokalnej chłodzenie aerozolowe może kilka-krotne przewyższać efekt cieplarniany. Ciągle zbyt mało wiemy o efekcie pośrednim (chmury) którego wpływ wydaje się być szalenie istotny. Wpływ aerozolu zależy od albeda powierzchni ziemi przez co ten sam typ aerozolu w różnych rejonach świata może ochładzać a nawet ocieplać klimat. 4/29/2019 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl