Podstawy fizyczne zmian klimatu Ziemi. dr Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski kmark@igf.fuw.edu.pl 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

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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%. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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) 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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” 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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? 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Badania klimatu monitoring zmienności wymuszanie odpowiedz konsekwencje predykcja 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Składniki systemu klimatycznego Obieg węgla Obieg wody i energii połączenie chaotyczne nieliniowe Dynamika atmosfery i oceanu Reakcje chemiczne w atmosferze

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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany Globalne w XX wieku 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany pary wodnej w atmosferze 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Trend zachmurzenia +1.4% (obserwacje naziemne) +2 % ISCCP (klimatologia satelitarna) 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Zmiany w kriosferze 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany poziomu oceanów 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany rocznych sum opadów 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Globalne ocieplenie a ochłodzenie stratosferyczne dane aerologiczne dane satelitarne 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany klimatu w Polsce Zmiany temperatury w Polsce za ostatnie 50 lat pokazują , że klimat się ociepla! 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Obserwuje się rosnący trend prędkości wiatru i silniejszą cyrkulację strefowa. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Zmiany albeda planetarnego nad Polską pokazują, że w ostatnich 20-latach atmosfera pochłania 1-2% więcej promieniowania słonecznego 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Tendencja spadkowa całkowitej zawartości pary wodnej w atmosferze. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Przykład sprzężenia zwrotnego w systemie klimatycznym Ziemi-Atmosfera Promieniowanie słoneczne Podwojenie koncentracji CO2 Albedo+ Strumień ciepła utajonego i odczuwalnego ujemne sprzężenie zwrotne Ocean T+ T- 3/26/2017 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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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:  =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 FTOA(Ro, Teff, T) Fo stałą słoneczna Fo/4 TeffσT4 Ro /4 W stanie równowagi: Fo (1-Ro)/4=Teff T4 Ro - planetarne albedo 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Efekt cieplarniany Zmiany koncentracji CO2 3/26/2017 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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. koncentracja wymuszanie CFCs CH4 N2O CO2

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni ziemi 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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 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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany w ozonosferze

October Average Ozone Hole Halley Bay Station Continents data voids October-70, 71, 73 Ozone is naturally low over Antarctica Last 4 years shows the extremely low values over Antarctica Mid-latitudes (high collar) has also decreased position of Halley Bay Low Ozone High Ozone

Minimum Ozone Ozone minimum value observed during the Sept.-Oct. period. Extrapolating forward yields a slightly longer recovery in about 2055 WMO Fig. 3-47

Eksperyment III – redukcja ozonu o 25%

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni Ziemi ICCP, 2007 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany temperatury powietrza 3/26/2017 Instytut Geofizyki UW

Wpływ aerozoli na klimat

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Wielkość i kształt cząstek aerozolu 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmętnienie atmosfery powstałe w wyniku obecności aerozoli 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Średnia grubość optyczna aerozolu (marzec- maj) 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Wpływ aerozoli na klimat Ziemi Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcję promieniowania w atmosferze Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie aerozolu na własności mikrofizyczne chmur) 3/26/2017 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 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Bilans Energii w Atmosferze Bilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm-2 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków . . . :: . :: :::: Stratocumulus większe albedo Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re 3/26/2017 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. Pawłowska, 2005 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Wpływ aerozolu na klimat Efekt bezpośredni poprzez rozpraszanie i pochłanianie promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni Ziemi. Efekt pośredni oddziaływanie aerozolu na własności chmur oraz ich czas życia Aerozole chłodzą klimat!

Projekt A-train badanie wpływu aerozolu na klimat 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Wpływ chmur Scu na globalny bilans radiacyjny Występowanie Scu: Własności radiacyjne : + ALBocean = 5-10 % IR VIS ALBScu = 30-60 % IR VIS ALBScu ~ 5-10*ALBocean Hartmann (1992) Sc -> Forçage négatif sur le bilan radiatif global Role crucila dans le bilan radiatif Low clouds are predominately oceanic and occur most frequently over the subtropical eastern ocean margins and over middle and high latitude oceans. The low clouds over the subtropical eastern oceans are associated with large scale subsidence (descending branch of the Hadley cell) and lower than average sea surface temperature which yield stratocumulus clouds trapped below an inversion. Low clouds over middle latitude oceans are usually stratus [Norris 1998] DONNER UN CHIFFRE Stratocumulus clouds have been the focus of numerous intensive field campaigns as well as detailed modeling efforts, primarily because of their importance to the Earth’s radiation budget rather than because they produce precipitation in significant quantities. Their importance derives largely from their frequency of occurrence and extensive spatial coverage, as well as their high reflective contrast with the underlying surface (particularly over oceans). Over land and ocean, stratocumulus clouds have an annually averaged coverage of ~18% and 34%, respectively [Warren et al., 1986a,b]. Stratocumulus clouds frequently produce drizzle (e.g., [Paluch and Lenschow, 1991; Stevens et al., 2003]) and the initiation of drizzle has been the focus of much modeling effort Ujemne wymuszenie radiacyjne ~ 3-4 % strumienia promieniowania słonecznego otrzymywanego średnio przez układ Ziemia-Atmosfera ~ 20-30 % powierzchni oceanów (Warren et al., 1986) 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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 Qext=2 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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

ostatecznie 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  - grubość optyczna aerozolu - albedo pojedynczego rozpraszania =scat /ext - cześć promieniowania rozpraszania do tyłu Dla molekuł =0.5 Dla aerozoli  (0.1 – 0.2) Fo Fo(1-exp(-)) Fo(1-)(1-exp(-)) Fo(1-)(1-exp(-)) Transmisja przez warstwę aerozolu t= exp(-)+ (1-)(1-exp(-)) Odbicie od warstwy aerozolu r= (1-exp(-)) Foexp(-) Rs 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl For Fot2Rs Fo Promieniowanie wychodzące z atmosfery: Fr= Fo (r+t2Rs +t2Rs2r+t2Rs3 r2+...) Fr= Fo [r+t2Rs /(1-Rsr)] Fo(1-)(1-exp(-)) Zmiana albeda planetarnego przez aerozol: Rs=[r+t2Rs /(1-Rsr)]-Rs Fot FotRs Rs 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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] 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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. TOA 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Globalne zaciemnienie w XX wieku. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Modelowane zmiany klimatu w obecnym stuleciu 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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? 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. 3/26/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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

(równoważny +0.4 ± 0.2 mm/rok zmianie poziomu oceanu). 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).