1 Fizyka Pogody i Klimatu Wykład 1 Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

2 2 Uwagi ogólne Kod przedmiotu:1100-2_FPKKod SOCRATES: 132022,5 ECTS, 30 h Prowadzący: Hanna Pawłowska, Szymon Malinowski, Krzysztof Markowicz termin: semestr zimowy, czwartki, g. 09.15 sala 406 Forma zaliczenia: egzamin pisemny.

3 Literatura http://ocw.mit.edu/courses/earth-atmospheric-and-planetary- sciences/http://ocw.mit.edu/courses/earth-atmospheric-and-planetary- sciences/ G. W. Petty, A First Course in Atmospheric Radiation. G. L. Stephens, Remote Sensing of the Lower Atmosphere. An Introduction. J.R. Holton, An Introduction to dynamic meteorology. M. L. Salby, Fundamentals of Atmospheric Sciences.

4 Pogoda i klimat: deterministyczny i deterministyczno- stochastyczny opis zjawisk atmosferycznych. Bilans energetyczny atmosfery. Transfer radiacyjny w atmosferze. Efekt cieplarniany. Równowaga konwekcyjno- radiacyjna. Rola aerozolu i chmur w bilansie energetycznym. Podstawy termodynamiki atmosfery: stała gazowa powietrza suchego, wilgotnośc temperatura wirtualna. Równowaga hydrostatyczna atmosfery i temperatura potencjalna. Kondensacja i parowanie. Chmury i opady. Podstawowe wiadomości o cyrkulacjach atmosferycznych. Wieloskalowość i oddziaływania międzyskalowe. Równania podstawowe (primitive equations). Przepływy w skali synoptycznej, przybliżenie geostroficzne. Turbulencja. 4

5 Cyrkulacje atmosferyczne i oceaniczne jako mechanizmy redystrybucji energii. Globalna cyrkulacja atmosfery i jej najważniejsze zaburzenia (monsuny, ENSO). Cyrkulacja termohalinowa oceanów. Skale czasu procesów rządzących zmianami klimatu. Globalne zmiany klimatu: przyczyny naturalne i antropogeniczne. Niestabilność przepływów atmosferycznych. Pojęcie przewidywalności zjawisk atmosferycznych (predictability). Problem niedokładnej znajomości stanu początkowego ("efekt motyla") i problem niepełnej znajomości systemu. Prognozowanie pogody i klimatu. 5

6 6 Plan wykładów 1-5 Pogoda i klimat: deterministyczny i deterministyczno- stochastyczny opis zjawisk atmosferycznych. Wprowadzenie do pogody i klimatu. Pojęcie systemu klimatycznego, budowa atmosfery i hydrosfery. Słońce jako główne źródło energii na Ziemi. Zróżnicowanie dopływu promieniowania słonecznego dochodzącego do atmosfery. Oddziaływanie promieniowania z atmosferą (absorpcja, rozpraszanie i odbicie). Transfer promieniowania w atmosferze. Przybliżenie dwu- strumieniowe i przybliżenie pojedynczego rozpraszania. Pojecie bilansu energetycznego na górnej granicy atmosfery. Pojęcie równowagi klimatycznej, zero wymiarowy model klimatu - temperatura efektywna. Bilans radiacyjny i energetyczny w atmosferze i na powierzchni Ziemi. Zróżnicowanie bilansu energii na powierzchni Ziemi w zależności od szerokości geograficznej.

7 Równowaga radiacyjna i radiacyjno-konwekcyjna w atmosferze. Pojęcie procesów klimatycznych. Przyczyny zmian klimatu, natura czy człowiek? Efekt cieplarniany. Wpływ aerozoli i chmur na klimat

8 Deterministyczny i stochastyczny opis zjawisk meteorologicznych. Atmosfera wraz z hydrosferą stanowią układ dynamiczny opisywany przez nieliniowe równania różniczkowe. Okazuje się, że niewielkie zaburzenie warunków początkowych powoduje rosnące wykładniczo z czasem zmiany w zachowaniu układu. Popularnie nazywane jest to efektem motyla - znikoma różnica na jakimś etapie może po dłuższym czasie urosnąć do dowolnie dużych rozmiarów. Powoduje to mimo, że model jest deterministyczny, w dłuższej skali czasowej wydaje się zachowywać w sposób losowy. 8

9

10 Edward Lorenz a determinizm zjawisk atmosferycznych W roku 1960 Edward Lorenz pracował nad komputerowym prognozowaniem pogody. Stworzył do tego celu układ 12 równań wyrażających relacje między temperaturą, ciśnieniem, prędkością wiatru itd. Sądził, jak większość ówczesnych naukowców, że prawie dokładne dane wejściowe, dają prawie dokładne wyliczenia. To przekonanie okazało się jednak błędne. Kiedy Lorenz wprowadził do komputera dwie liczby wejściowe - najpierw 0.506127, a później 0.506 - otrzymał w rezultacie dwa coraz bardziej różniące się od siebie, w miarę upływu symulowanego czasu, wykresy. Różnica na wejściu programu rzędu 10 -4 okazała się bardzo znacząca na wyjściu. Takie zachowanie jakiegoś układu nazywa się wrażliwością na warunki początkowe lub efektem motyla. Dlatego też niemożliwe jest prawidłowe prognozowanie pogody na więcej niż kilka (kilkanaście) kolejnych dni. Nigdy nie znamy przecież chwilowych warunków pogodowych na tyle dokładnie, aby błąd w długookresowych obliczeniach był niezauważalny.

11 Przewidywalność zjawisk Aby móc przewidywać należy znać: –ogólne prawa ruchu –działające siły –warunki początkowe (lub brzegowe) (pędy i położenia składników w pewnej chwili t o ) Warunki początkowe znamy zawsze ze skończoną dokładnością (pomiary). Liniowość równań mechaniki klasycznej – dokładność przewidywań jest wprost proporcjonalna do dokładności pomiarów.

12 Determinizm w mechanice klasycznej Determinizm = stan układu w pewnej chwili początkowej t o jednoznacznie wyznacza stan układu w dowolnej chwili w dowolnej chwili t. Stan układu (izolowanego) określony jest przez położenia r i pędy p wszystkich jego składników w chwili t. Dynamikę układu opisują liniowe równania różniczkowe Newtona. Równania liniowe mają jednoznaczne rozwiązania.

13 Prawa deterministyczne a prawa statystyczne W większości przypadków dedukcja zachowania układów złożonych ze znajomości elementarnych procesów mechanicznych okazała się efektywnie niewykonalna – w fizyce zastosowano prawa statystyczne (kinetyczna teoria gazów), które ustalają przebieg zjawisk w skali makroskopowej i nie muszą być spełnione w każdym pojedynczym przypadku. Przyjmowano, że prawa statystyczne mają status praw wtórnych (każda cząsteczka gazu porusza się zgodnie z deterministycznymi równaniami Newtona, które mają charakter praw podstawowych. Zagadnienie trzech ciał na gruncie mechaniki klasycznej nie ma ścisłego rozwiązania i trzeba szukać rozwiązań przybliżonych.

14 Prawa deterministyczne i stochastyczne odgrywają we współczesnej fizyce równie ważną rolę i nie widać powodu (ani możliwości) redukowania jednych do drugich. W pewnych przypadkach można przewidywać zjawiska niemal z całkowitą pewnością, w innych musimy się zadowolić znajomością prawdopodobieństwa. Np.: prognoza wystąpienia burzy konkretnego dnia na danym obszarze, prognoza porywów wiatrów przekraczających 100 km/h

15 Czy możemy przewidywać zmiany klimatyczne gdy nie potrafimy przewidzieć pogody na kilka tygodni na przód? Modele klimatu mają bardzo podobną strukturę do modeli prognozujących pogodę na kuli ziemskiej, ale są od nich mimo wszystko różne. W prognozie pogody symulacje są dosyć krótkie - maksymalnie kilka dni. Modele prognozy pogody wymagają bardzo precyzyjnych danych początkowych - zazwyczaj obserwacji ze stacji synoptycznych połączonych z asymilacją danych. Modele prognozy są robione zazwyczaj na znacznie gęstszej siatce Mimo, że prognozy numeryczne pogody po kilku dniach tracą dokładność to nie znaczy, że symulacje klimatu są niedokładne. Dzieje się tak dlatego, ponieważ w problemie klimatu istotne są wartości statystyczne (średnie, trendy itd.).

16 Różnice pomiędzy modelem klimatu a modelem prognoz pogody widoczne są na przykładzie ćmy poruszającej się w pokoju w którym jednym źródłem światła jest żarówka przy suficie. Nie jesteśmy w stanie przewidzieć położenia ćmy po kilku sekundach za to możemy powiedzieć jakie jest jej średnie położenie nawet po godzinie…

17 Pogoda i klimat. Pogoda – chwilowy stan atmosfery opisywany przez wielkości fizyczne takie jak: temperatura powietrza, ciśnienie atmosferyczne, wilgotność, natężenie promieniowania słonecznego, prędkość i kierunek wiatru, zachmurzenie i rodzaj chmur, opady itd. Klimat – charakterystycznych dla danego obszaru przebieg warunków atmosferycznych określony na podstawie minimum 30-sto letnich obserwacji. 17

18 9/19/2016Krzysztof Markowicz [email protected] 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 2018 roku będzie niższa niż -4C) prawdopodobieństwo Ostatnia wielkość określa np. jakie jest prawdopodobieństwo że średnia temperatura lutego 2019 roku będzie w przedziale od -3 do -4 C.

19 9/19/2016Krzysztof Markowicz [email protected] Anomalie 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.

20 9/19/2016Krzysztof Markowicz [email protected] Anomalie c.d. Czy chłodne lato jakiegoś roku może dowodzić, że nie mamy do czynienia z globalnym ociepleniem? Czy tegoroczna śnieżna i mroźna zima może być dowodem na brak globalnego ocieplenia?

21 9/19/2016Instytut Geofizyki UW Oscylacja Północno Atlantycka NOA Faza dodatni – łagodne ale dynamiczne zimy w Polsce Faza ujemna – surowe zimy w Polsce

22 9/19/2016Instytut Geofizyki UW http://www.cpc.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao.mrf.obs.gif Indeks NAO w ostatnich miesiącach

23

24 System klimatyczny System klimatyczny to złożony układ składający się z pięciu elementów: atmosfera, hydrosfera, kriosfera, biosfera i powierzchnia ziemi w którym zachodzą interakcje między nimi. 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. 24

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

26 9/19/2016Krzysztof Markowicz [email protected] Badania klimatu monitoring zmienności wymuszanie odpowiedz predykcja konsekwencje

27 9/19/2016Krzysztof Markowicz [email protected] Atmosfera i... Litosfera Oceany Biosfera Kriosfera

28 9/19/2016Krzysztof Markowicz [email protected] Atmosfera ziemska Czy możemy dostrzec atmosferę z kosmosu? bezpośrednio (cienka warstwa otaczająca kulę ziemską) pośrednio (chmury)

29 Atmosfera… Sami możemy zmierzyć jaka jest jej grubość Amatorski projekt fotografii Ziemi z wyższych warstw atmosfery. Aparat cyfrowy wyniesiony na wysokość 25-30 km przy pomocy balonu meteorologicznego. Odbiornik GPS i telefon komórkowy umożliwia wysłanie SMS-a o położeniu sondy po wylądowaniu na powierzchni ziemi. Alexei Karpenko http://www.natrium42.com/halo/flight2/

30 1 km 13 km21 km 6 km

31 Widok z wysokości około 30 km atmosfera intensywne rozpraszanie promieniowania słabe rozpraszanie promieniowania

32 Atmosfera c.d. Masę atmosfery 5.3·10 15 t. Połowa całej masy atmosfery mieści się w warstwie od powierzchni Ziemi do 5.5 km 75% - do 10,5 km 90% - do 20 km 99% - do 35 km. Gdyby sprężyc całą atmosferę do gęstości panującej przy powierzchni ziemi wówczas jej grubość wynosiłaby około 7.8 km.

33 9/19/2016Krzysztof Markowicz [email protected] Skład atmosfery gazy stałe GazSymbol% objętości Dlaczego ważny? AzotN2N2 78,08biosfera TlenO2O2 21Pochłanianie UV, oddychanie ArgonAr0,9Gaz nieaktywny, właściwie nieistotny

34 9/19/2016Krzysztof Markowicz [email protected] Skład atmosfery - Gazy zmienne GazSymbol% objętości Dlaczego ważny? Para wodnaH2OH2O0-4 Transport ciepła, gaz cieplarniany, uczestniczy w tworzeniu różnych zjawisk (chmury) Dwutlenek węglaCO 2 0,036 Gaz cieplarniany, biosfera (fotosynteza) MetanCH 4 0,00017 Gaz cieplarniany, bardziej wydajny niż CO 2 Tlenek azotuN2ON2O0,00003 Gaz cieplarniany OzonO3O3 0,000004 Warstwa ozonowa, pochłania UV Cząstki stałe (pyły, sadze), tzw aerozole 0,000001 Budżet energii; tworzenie chmur

35 Budowa atmosfery Za umowną granicę przyjmuje się pierwsze 100 km. Jednak atmosfera sięga dużo wyżej. Warstwa do 100 km nosi nazwę homosfery charakteryzującą się stałym składem chemicznym (z wyjątkiem pary wodnej i tzw. gazów śladowych), Warstwa po wyżej 100 km nosi nazwę heterosfery. Występuje w niej zmienny skład chemicznym gazów atmosferycznych.

36 9/19/2016Krzysztof Markowicz [email protected] Rozkład śladowych gazów w atmosferze Homosfera z 100 km

37 9/19/2016Krzysztof Markowicz [email protected] Podział atmosfery

38 Hydrosfera Hydrosfera - jedna z geosfer, ogół wód na Ziemi - wody podziemne, powierzchniowe wraz z rzekami, jeziorami, lodowcami, morzami i oceanami, a także parą wodną w powietrzu. Hydrosferę można podzielić na dwie części: oceanosferę i wody na lądach. W większości hydrosferę tworzą wody słone, bo aż 97.5%. Słodka woda to 2.5%. 2/3 wody słodkiej skoncentrowane jest w lodowcach, trwałej pokrywie śnieżnej i wiecznej zmarzlinie w Antarktyce, Arktyce i w wysokich górach. Pozostała część wody słodkiej przypada na wody podziemne, jeziora, rzeki.

39 Oceany Wody słone to główne oceany. Pokrywają one 70.8% powierzchni Ziemi. Przy czym na półkuli południowej pokrywają 81% a na północnej 61%. Średnia głębokość to 3711 metra. Średnie zasolenie wód wynosi ok. 35‰ i waha się w granicach: 34.5‰ w okolicach równika, 38‰ w strefie około zwrotnikowej, 30‰ w strefie okołobiegunowej. 39

40 Struktura pionowa oceanów warstwa mieszania warstwa przejściowa – termoklina głębia oceaniczna 40

41 Różnice pomiędzy oceanem a atmosferą Woda ma około 4 większą pojemność cieplną Masa całej atmosfery jest równoważna około 10-cio metrowej warstwie wody. Atmosfera podgrzewana jest (przez promieniowanie słoneczne) od dołu (od powierzchni Zimie) podczas gdy woda podgrzewana jest od góry. Ma to znaczenie dla rozwoju konwekcji w atmosferze i oceanach. 41

42 Interakcje pomiędzy atmosferą a oceanem Wymiana: energii pędu pary wodnej dwutlenku węgla soli morskiej (produkcja aerozolu morskiego) 42