Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski Badamy zmiany klimatu Ziemi. Uczniowska kampania klimatyczna 2013-2014. Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski kmark@igf.fuw.edu.pl 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 meteorologiczno-hydrologicznej 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 atmosfery- aerozole 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 wzrost absorpcji w atmosferze warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi

Aerozole zmieniają chmury . . . :: . :: :::: Stratocumulus większe albedo Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re 3/26/2017

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

kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja IGF-UW Warsaw IO-PAS Sopot SolarAOTStrzyzow kmark@igf.fuw.edu.pl 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

kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja 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. kmark@igf.fuw.edu.pl 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. 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: 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 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. 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. Cena pirometru od 200 do 1000 zł Mims et al.., 2011

Wyznaczanie widzialności poziomej oraz współczynnika ekstynkcji Wizualna obserwacja obiektów znajdujących się blisko horyzontu (reperów) dla których znamy odległość od szkoły 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 Równanie Koschmiedera VIS – widzialność [km]  - współ. ekstynkcji [1/km]

kontrast w zerowej odległości Wyznaczanie widzialności i współ. ekstynkcji kontrast w zerowej odległości kontrast w odległości r

Pomiary uzupełniające - zachmurzenie 0% <10% 10-25% 25-50% 50-90% >90% Niebo niewidoczne Zamieć śnieg deszcz mgła Sól morska pył wulkaniczny pożary kurz piasek aerozol 3/26/2017

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. kmark@igf.fuw.edu.pl 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 kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

kmark@igf.fuw.edu.pl 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. kmark@igf.fuw.edu.pl 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. kmark@igf.fuw.edu.pl 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. kmark@igf.fuw.edu.pl 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): Ilux -natężenie oświetlenia w [lx], K- stała kalibracyjna z porównania z pyranometrem T - mierzona temperatura,  - stała Stefana Boltzmanna

Eksperyment I: Pomiary bilansu radiacyjnego (2) Wyznaczanie strumienia netto Wyznaczanie albeda powierzchni ziemi

Dlaczego bilans energii jest ważny? Niezerowy bilans mówi nam, że ciało fizyczne będzie zmieniać swoją temperaturę +0.9 W/m2

Obserwacja efektu cieplarnianego Pomiary wykonujemy podczas słonecznego dnia nad powierzchnią ziemi o wysokiej temperaturze przy użyciu pirometr w dwóch przypadkach Bezpośredni pomiar temperatury powierzchni ziemi Pomiar temperatury poprzez szklaną szybkę lub płytkę pleksi szyba Efekt cieplarniany:

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: kmark@igf.fuw.edu.pl

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.) kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja