fizyka pogody i klimatu wykład 5

Fizyka Pogody i KlimatuWykład 5

Krzysztof MarkowiczInstytut Geofizyki

Uniwersytet [email protected]

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

Składniki systemu klimatycznego

połączeniepołączeniechaotycznechaotycznenieliniowenieliniowe

Dynamika atmosfery i oceanuDynamika atmosfery i oceanu

Obieg węglaObieg węgla Obieg wody i energiiObieg wody i energii

Reakcje chemiczne Reakcje chemiczne w atmosferzew atmosferze

04/22/23 Krzysztof Markowicz [email protected]

Badania klimatumonitoring zmienności

wymuszanie

odpowiedz

predykcja

konsekwencje

Monitoring zmian klimatycznychMonitoring 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 satelitarne Pomiary satelitarne

Zmiany średniej temperatury powietrza przy

powierzchni Ziemi w ostatnich 100-150 latach

"HadCRUT3". Met Office Hadley

Centre for Climate Change, U.K.

IPCC, 2013

7

Na postawie 10-ciu rekonstrukcji opublikowanych w latach 1998-2005

Opady

IPCC, 2013

10

IPCC, 2013IPCC, 2013

04/22/2304/22/23Krzysztof Markowicz Krzysztof Markowicz [email protected]@igf.fuw.edu.pl

Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni Ziemi

Zmiany klimatu w PolsceZmiany klimatu w Polsce


Zmiany temperatury w Polsce za ostatnie 50 lat pokazują , że klimat się

ociepla!


Obserwuje się rosnący trend prędkości wiatru i

silniejszą cyrkulację strefowa.


Zmiany albeda planetarnego nad Polską pokazują, że w ostatnich 20-latach atmosfera pochłania 1-2%

więcej promieniowania słonecznego


Tendencja spadkowa całkowitej zawartości pary wodnej w

atmosferze.


Fo/4 TeffσT4

FTOA(Ro, Teff, T)

wymuszenie

Ro /4

W stanie równowagi:Fo (1-Ro)/4=Teff T4

Ro - planetarne albedo

Fo stałą słoneczna

Wymuszenie radiacyjne

• Bilans na górnej granicy atmosfery wynosi +0.9 W/m2. 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/m2. • Oznacza to, że bilans w atmosferze jest zerowy.

19


Przyczyny zmian klimatuPrzyczyny zmian klimatu

• Efekt cieplarnianyEfekt cieplarniany• Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni)Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni)• Zmiany cyrkulacji termo-halinowej w oceanach Zmiany cyrkulacji termo-halinowej w oceanach • Wybuchy wulkanów Wybuchy wulkanów • Zmienność aktywności SłońcaZmienność aktywności Słońca• Zmiany w ozonosferzeZmiany w ozonosferze• Inne Inne

Efekt cieplarniany- Zmiany koncentracji COEfekt cieplarniany- Zmiany koncentracji CO22

Podwojenie CO2 (2050 rok) prowadzi do wymuszania radiacyjnego +4W/m2.

Efekt cieplarniany Efekt cieplarniany

Prosty model efektu cieplarnianego

240

S/4 (1-A)

240

Ts4

240

240

No Atmosphere With a Black Atmosphere in the LW Only

S/4 (1-A)

240

240

240

240

Ts4

480

Ts=255K Ts= 303 K

T=Te=255K


Termiczny wymiar efektu cieplarnianego- przybliżony model.

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 2.4% 1 ppbv

efekt cieplarniany

33.2

T

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.

Symulacja zmian klimatu związana z usunięcie wszystkich gazów cieplarnianych

Lacis et al., 2010

Rozkład południkowy temperatury powierzchni Ziemi po usunięciu GHG

Porównanie efektów cieplarnianych na różnych planetach

Lacis et al., 2010

Nieliniowy pływ gazów cieplarnianych na bilans energiiNieliniowy pływ gazów cieplarnianych na bilans energii. .


Wpływ zmian aktywności SłońcaWpływ zmian aktywności Słońca

Zmiany stałej słonecznej Zmiany stałej słonecznej (pomiary satelitarne)(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.


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


Wielkość i kształt cząstek aerozoluWielkość i kształt cząstek aerozolu


Aerozol widoczny z kosmosu


Podział aerozoli ze względu na ich Podział aerozoli ze względu na ich rozmiarrozmiar

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.


Produkcja aerozoliProdukcja aerozoli

• produkcja mechaniczna (powstawanie soli morskiej produkcja mechaniczna (powstawanie soli morskiej podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie pyłu podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie pyłu pustynnego w czasie burz pyłowych)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 konwersja gazu do cząstek np. do kwasu siarkowego czy azotowegoazotowego


Usuwanie aerozoli z atmosferyUsuwanie aerozoli z atmosfery

• Sucha depozycja Sucha depozycja

Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie usuwane (efektywnie usuwane tylko duże cząstki)tylko duże cząstki)

• Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub krople deszczu). krople deszczu).

Efektywne usuwanie cząstek z klasy akumulacyjnejEfektywne usuwanie cząstek z klasy akumulacyjnej


Zawartość aerozolu w atmosferze


Jak bada się wpływ aerozoli na klimat?Jak bada się wpływ aerozoli na klimat?

• Monitoring zanieczyszczeń atmosfery oraz podstawowych Monitoring zanieczyszczeń atmosfery oraz podstawowych parametrów meteorologicznych (pomiary naziemne oraz parametrów meteorologicznych (pomiary naziemne oraz satelitarne, sondowanie atmosfery)satelitarne, sondowanie atmosfery)

• Obserwacje składowych bilansu promieniowania słonecznego Obserwacje składowych bilansu promieniowania słonecznego oraz długofalowegooraz długofalowego

• Modelowanie zmian klimatu – modele klimatuModelowanie zmian klimatu – modele klimatu

• Badania eksperymentalne – kampanie poloweBadania eksperymentalne – kampanie polowe


Wpływ aerozoli na klimat ZiemiWpływ aerozoli na klimat Ziemi

Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcję Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcję promieniowania w atmosferze) promieniowania w atmosferze)

Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie aerozolu na własności mikrofizyczne chmur)


Bilans Energii w AtmosferzeBilans Energii w Atmosferze

Bilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm-2


. .. .

. .. .. .. .. .

. .. .. .. .. .. .

. .

. .. .. .

. .. .. ::. .. .. .. .

. .. .. ..... .... .... . ...... .... .... . ..

::::::::::

:: ::::::

Stratocumulus

większe albedo

Większa koncentracja kropel,Mniejszy promień re

Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków

Pawłowska, 2005


Optyczny model chmuryOptyczny model chmuryAlbedo chmury w przybliżeniu dwu-strumieniowymAlbedo chmury w przybliżeniu dwu-strumieniowym

g12)g1(2

)g1(

F

FR

13R

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

oext2 NQrh

Przyjmując, że dla obszaru widzialnego parametr wielkości x=2r/>>1 stąd Qext=2

r

2

N

dN

rhN2

)Nr2rdN(h2d

o

o2

o

o2

o

0)rN3rdN(h3

40dLWC 2

o3

ow

o

o

N3

dN

r

1

o

o

o

o

o

o

N

dN

3

1

N

dN

3

2

N

dNd

Zakładając, że LWC nie zależy od wysokości

oLWCo dN

d

d

dR

dN

dR

ow

3 hNr3

4LWC

Wyznaczamy zależność albeda chmur R od liczby kropelek N przy stałej zawartości wody ciekłej (LWC)

Obliczmy wielkość

stąd

22 )13(

13

)13(

13

d

dR

13

1R

N3

13

N3

1

)13(

13

dN

d

d

dR

dN

dR

oo2

oLWCo

ooLWCo N3

)R1(RR13

N3

R

dN

dR

ostatecznie

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

Przykład

• Rozważmy dwie chmury o monodyspersyjnym rozkładzie kropel, grubości pionowej 400 metrów, przy czym pierwsza składa się z kropelek wody o promieniu r1 =10 m

i koncentracji N1 =1000 1/cm3, zaś druga z kropel o promieniu r2 =20 m.

• Zakładając, że wodność obu chmur jest identyczna możemy wyznaczyć koncentracje kropel w drugiej chmurze ze wzoru (125 1/cm3)

• Stosując teorię rozpraszania MIE wyznaczamy parametry asymetrii dla obu chmur. Wynoszą one odpowiednio 0.86 i 0.87.

• Grubość optyczny chmur wynosi: 188 i 94

• Albedo chmur: 0.93 i 0.86.


warstwa aerozolu

redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi

wzrost absorpcji w atmosferze

wzrost albeda planetarnego

Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat


- grubość optyczna aerozolu - albedo pojedynczego rozpraszania

- cześć promieniowania rozpraszania wstecznie Dla molekuł =0.5Dla aerozoli (0.1 – 0.2)

Rs

Transmisja przez warstwę aerozolu

Odbicie od warstwy aerozolu

Efekt bezpośredni -prosty model radiacyjny

)e1(r

)1()e1(et eFo

oF

)e1)(1(Fo

)e1(Fo

)e1)(1(Fo

ext

scat


Rs

Promieniowanie wychodzące z atmosfery:

Zmiana albeda planetarnego przez aerozol:

...)rRtrRtRtr(FF 23s

22s

2s

2or

rR1

RtrFF

s

s2

or

ss

s2

s RrR1

RtrR

tFo

oF

sotRF

s2

o RtFsorF


dla > c Rs>0 : ochładzanie dla < c Rs<0 : ogrzewanie

Dla <<1 ; średnia wartość 0.1-0.2

wartość krytyczna dla której Rs =0

2ss

sc )R1(R2

R2

)e1(r

)1()e1(et

)1(1t

r

11R2

)R1(R s2ss


tak więctak więc

• aerozole nad ciemną powierzchnią ziemi zawsze aerozole nad ciemną powierzchnią ziemi zawsze ochładzają klimat.ochładzają klimat.

• aerosole nad bardzo jasnymi powierzchniami (śnieg) aerosole nad bardzo jasnymi powierzchniami (śnieg) ogrzewają klimat.ogrzewają klimat.

• w przypadku pośrednim ochładzanie bądź ogrzewanie w przypadku pośrednim ochładzanie bądź ogrzewanie zależy od własności optycznych aerozoli oraz własności zależy od własności optycznych aerozoli oraz własności odbijających podłoża. odbijających podłoża.

• jednak zawsze obecność aerozoli prowadzi do redukcji jednak zawsze obecność aerozoli prowadzi do redukcji promieniowania przy powierzchni ziemi a zatem promieniowania przy powierzchni ziemi a zatem ochładzania. ochładzania.

TOA


Globalne zaciemnienie Globalne zaciemnienie

w XX wieku.w XX wieku.

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.

Wymuszanie radiacyjne chmur

19.

07.

2005

Krzysztof Markowicz IGF-UW

Wpływ transportu lotniczego na klimat

IPCC 1999

53

Całkowite wymuszanie radiacyjne związane z transportem lotniczym jest dodatnie (w szczególności również smugi kondensacyjne).

19.

07.

2005

Krzysztof Markowicz IGF-UW

Updated Aviation Radiative Forcing for 2000

Sau

sen

et a

l., 2

005

54

Wymuszanie radiacyjne chmur:SW -52.9 W/m2

LW 20.5 W/m2

NET -32.4 W/m2

Chmury wysokie ogrzewają a niskie chłodzą…

Th

Tl

Ts

TsTl Ts>> Th

Albedo

10-30% Albedo

60-80%

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.


Wymuszanie radiacyjne aerozoli w skali lokalnejWymuszanie radiacyjne aerozoli w skali lokalnej


Modelowane zmiany klimatu w obecnym Modelowane zmiany klimatu w obecnym stuleciustuleciu

fizyka pogody i klimatu wykład 5

Documents