1 Fizyka Pogody i Klimatu Wykład 5Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski
2 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.
3 Składniki systemu klimatycznegoObieg węgla Obieg wody i energii połączenie chaotyczne nieliniowe Dynamika atmosfery i oceanu Reakcje chemiczne w atmosferze
4 Krzysztof Markowicz [email protected]Badania klimatu monitoring zmienności wymuszanie odpowiedz konsekwencje predykcja 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
5 Monitoring zmian klimatycznychNaziemna sieć pomiarowa Pomiary oceaniczne (statki, dryftery, platformy) Pomiary aerologiczne w swobodnej atmosferze Pomiary satelitarne
6 Zmiany średniej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi w ostatnich 100-150 latach"HadCRUT3". Met Office Hadley Centre for Climate Change, U.K.
7 Na postawie 10-ciu rekonstrukcji opublikowanych w latach 1998-2005
8
9 Zmiany Globalne w XX wieku3/24/2017 Krzysztof Markowicz
10 Krzysztof Markowicz [email protected]Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni Ziemi 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
11 Zmiany klimatu w PolsceZmiany temperatury w Polsce za ostatnie 50 lat pokazują , że klimat się ociepla! 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
12
13 Krzysztof Markowicz [email protected]Obserwuje się rosnący trend prędkości wiatru i silniejszą cyrkulację strefowa. 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
14 Krzysztof Markowicz [email protected]Zmiany albeda planetarnego nad Polską pokazują, że w ostatnich 20-latach atmosfera pochłania 1-2% więcej promieniowania słonecznego 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
15 Tendencja spadkowa całkowitej zawartości pary wodnej w atmosferze.3/24/2017 Krzysztof Markowicz
16 Wymuszenie radiacyjneFTOA(Ro, Teff, T) Fo stałą słoneczna Fo/4 TeffσT4 Ro /4 W stanie równowagi: Fo (1-Ro)/4=Teff T4 Ro - planetarne albedo 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
17 Oznacza to, że bilans w atmosferze jest zerowy.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. 17
18 Przyczyny zmian klimatuEfekt cieplarniany Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni) Zmiany cyrkulacji termo-halinowej w oceanach Wybuchy wulkanów Zmienność aktywności Słońca Zmiany w ozonosferze Inne 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
19 Efekt cieplarniany Zmiany koncentracji CO2Podwojenie CO2 (2050 rok) prowadzi do wymuszania radiacyjnego +4W/m2. 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
20 Efekt cieplarniany
21 Prosty model efektu cieplarnianego240 S/4 (1-A) Ts4 No Atmosphere With a Black Atmosphere in the LW Only 480 Ts=255K Ts= 303 K T=Te=255K
22 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 1 ppbv efekt cieplarniany 33.2 T 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
23 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.
24 Symulacja zmian klimatu związana z usunięcie wszystkich gazów cieplarnianychLacis et al., 2010
25 Rozkład południkowy temperatury powierzchni Ziemi po usunięciu GHGLacis et al., 2010 Porównanie efektów cieplarnianych na różnych planetach
26 Nieliniowy pływ gazów cieplarnianych na bilans energii.koncentracja wymuszanie CFCs CH4 N2O CO2
27 Wpływ zmian aktywności SłońcaZmiany 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. 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
28 Krzysztof Markowicz [email protected]AEROZOLE 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 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
29 Wielkość i kształt cząstek aerozolu3/24/2017 Krzysztof Markowicz
30 Aerozol widoczny z kosmosu3/24/2017 Krzysztof Markowicz
31 Podział aerozoli ze względu na ich rozmiarW rozkładzie wielości aerozoli wyróżniany 3 charakterystyczne grupy cząstek: cząstki Aitkena (nucleation mod), r<0.05 m cząstki małe (accumulation mod), 0.05
32 Krzysztof Markowicz [email protected]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 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
33 Usuwanie aerozoli z atmosferySucha depozycja Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie usuwane tylko duże cząstki) Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub krople deszczu). Efektywne usuwanie cząstek z klasy akumulacyjnej 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
34 Krzysztof Markowicz [email protected]Zawartość aerozolu w atmosferze 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
35 Jak bada się wpływ aerozoli na klimat?Monitoring zanieczyszczeń atmosfery oraz podstawowych parametrów meteorologicznych (pomiary naziemne oraz satelitarne, sondowanie atmosfery) Obserwacje składowych bilansu promieniowania słonecznego oraz długofalowego Modelowanie zmian klimatu – modele klimatu Badania eksperymentalne – kampanie polowe 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
36 Wpływ aerozoli na klimat ZiemiEfekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcję promieniowania w atmosferze) Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie aerozolu na własności mikrofizyczne chmur) 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
37 Krzysztof Markowicz [email protected]Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat wzrost albeda planetarnego wzrost absorpcji w atmosferze warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
38 Bilans Energii w AtmosferzeBilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm-2 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
39 Krzysztof Markowicz [email protected]Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków . . . :: . :: :::: Stratocumulus większe albedo Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re Pawłowska, 2005 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
40 Krzysztof Markowicz [email protected]Efekt bezpośredni -prosty model radiacyjny - grubość optyczna aerozolu - albedo pojedynczego rozpraszania - cześć promieniowania rozpraszania wstecznie Dla molekuł =0.5 Dla aerozoli (0.1 – 0.2) Transmisja przez warstwę aerozolu Odbicie od warstwy aerozolu Rs 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
41 Krzysztof Markowicz [email protected]Promieniowanie wychodzące z atmosfery: Zmiana albeda planetarnego przez aerozol: Rs 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
42 Krzysztof Markowicz [email protected]Dla <<1 ; średnia wartość dla > c Rs>0 : ochładzanie dla < c Rs<0 : ogrzewanie wartość krytyczna dla której Rs =0 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
43 Krzysztof Markowicz [email protected]tak więc aerozole nad ciemną powierzchnią ziemi zawsze ochładzają klimat. aerosole 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 3/24/2017 Krzysztof Markowicz
44 Globalne zaciemnienie w XX wieku.3/24/2017 Krzysztof Markowicz
45 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.
46 Wymuszanie radiacyjne chmur
47 Wpływ transportu lotniczego na klimatIPCC 1999 Całkowite wymuszanie radiacyjne związane z transportem lotniczym jest dodatnie (w szczególności również smugi kondensacyjne). Krzysztof Markowicz IGF-UW 47
48 Updated Aviation Radiative Forcing for 2000Sausen et al., 2005 48 Krzysztof Markowicz IGF-UW 48
49 Wymuszanie radiacyjne chmur:SW W/m2 LW 20.5 W/m2 NET W/m2
50 Chmury wysokie ogrzewają a niskie chłodzą…Th Albedo 10-30% Albedo 60-80% Tl Ts TsTl Ts>> Th
51 Chmury niskie: Mają zbliżoną temperaturę do powierzchni ziemi więc mają niewielki wpływ na promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnie Ziemi Silnie odbijają promieniowanie słoneczne. Efekt netto jest ochładzający – ujemne wymuszanie radiacyjne. Chmury wysokie: Mają znacznie niższą temperaturę w stosunku powierzchni ziemi więc znacząco redukują promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnie Ziemi Słabo odbijają promieniowanie słoneczne. Efekt netto jest ogrzewający – dodatnie wymuszanie radiacyjne.
52 Krzysztof Markowicz [email protected]3/24/2017 Krzysztof Markowicz
53 Wymuszanie radiacyjne aerozoli w skali lokalnej3/24/2017 Krzysztof Markowicz
54 Modelowane zmiany klimatu w obecnym stuleciu3/24/2017 Krzysztof Markowicz
55 Krzysztof Markowicz [email protected]Podsumowanie W skali globu efekt cieplarniany przewyższa znacząco wpływ aerozolu na klimat ale... W skali lokalnej chłodzenie aerozolowe może kilka-krotne przewyższać efekt cieplarniany. Wpływ aerozolu zależy od albeda powierzchni ziemi przez co ten sam typ aerozolu w różnych rejonach świata może ochładzać lub ogrzewać klimat. Ciągle zbyt mało wiemy o efekcie pośrednim (chmury) Niepewności oszacowanego obecnie (IPCC 2007) wymuszania radiacyjnego aerozolu jest bardzo duża co wpływa na duże błędy prognoz zmian klimatu. Ograniczanie emisji aerozoli przy jednoczesnych braku redukcji emisji CO2 zwiększy w przyszłości wpływ efektu cieplarnianego na klimat. 3/24/2017 Krzysztof Markowicz