Obserwacje zmian klimatu z orbity Ziemi.

(1)

Obserwacje zmian klimatu z orbity Ziemi.

Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, UW

e-mail: kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(2)

11/29/21

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Plan wykładu

Rys historyczny

Wstęp do pomiarów satelitarnych

Podstawowe informacje o promieniowaniu w atmosferze

Mechanizmy prowadzące do zmian klimatu

(wymuszanie i odpowiedz systemu klimatycznego) Badania i obserwacje zmian klimatycznych

Podsumowanie

(3)

Rozwój satelitarnych badań atmosfery i oceanów

1959 satelita Exporer 7 do badania budżetu energetycznego Ziemia-Atmosfera

1960 TIROS I – pierwszy satelita meteorologiczny wykonujący fotografie chmur

1969 NIMBUS III – zaopatrzony w dwa spektrometry IRIS służące do wyznaczania profilu pionowych temperatury powietrza, pary wodnej, ozonu oraz w przyrząd do pomiaru promieniowania UV.

Służył on do wyznaczania całkowitej zawartości ozonu w pionowej kolumnie powietrza.

1972 NIMBUS V – zastosowano pierwsze detektory mikrofalowe do wyznaczania temperatury atmosfery oraz całkowitej zawartości pary wodnej.

1974 SMSI – pierwszy satelita geostacjonarny używany do fotografowania chmur nad półkulą północną, jego następcy to GOES

1977 METEOSAT I – satelita Europejskiej Agencji Przestrzeni

(4)

11/29/21 Instytut Geofizyki UW

Dlaczego pomiary satelitarne?

Jeden przyrząd na satelicie może objąć swym zasięgiem znaczą część powierzchni Ziemi oraz całą pionową

kolumnę atmosfery a zatem:

umożliwia monitoring zjawisk meteorologicznych i warunków atmosferycznych w dużej skali w

przeciwieństwie do punktowych pomiarów naziemnych czy sondaży atmosferycznych

(5)

Pomiary satelitarne – obserwacje zdalne

Obserwacje wykonywane przy użyciu przyrządów

umieszczonych na orbitach dokonują pomiarów zdalnych – teledetekcyjnych (na odległość) .

Metody teledetekcyjne są jednak na ogół bardziej

skomplikowane w sensie metodologicznym niż tzw. pomiary w miejscu (in-situ).

Główny problem stanowi przetwarzanie danych pomiarowych dlatego kluczową role odgrywa walidacja danych satelitarnych na podstawie obserwacji in-situ.

(6)

6

Pasywna i aktyna teledetekcja

(7)

Kilka słów o promieniowaniu elektromagnetycznym

Wszystkie ciała ( T > 0 K) promieniują energie.

Ilość energii emitowanej przez ciało jest zależna od

temperatury i w przypadku tzw. ciała doskonale czarnego wynosi:

T

4

F  

F - natężenie promieniowania

T - temperatura powierzchni Ziemi

 - Stała Stefana Boltzmanna

Prawo Stefana-Boltzmanna

(8)

Maksimum emitowanej energii przypada na tym krótsze fale im temperatura ciała jest wyższa

W przypadku powierzchni Słońca (T=5780 K)

maksimum energii przypada dla długości fali 0.55 m (fale odpowiadające barwie zielonej).

W przypadku powierzchni Ziemi (T=300 K)

maksimum energii przypada dla długości fali około 10

m (podczerwień poza zakresem detekcji oka

ludzkiego). Tym samym Ziemia jest dla nas czarna w nocy.

11/29/21

(9)

Promieniowanie krótko- i długofalowe

W meteorologii wyróżniany promieniowanie krótkofalowe (słoneczne dla długości fali mniejszej od 4 m) oraz

długofalowe (ziemskie) o długości fali większej od 4 m.

Atmosfera jest w

zasadzie przeźroczysta dla promieniowania krótkofalowego i

półprzepuszczalna dla długofalowego

(10)

Prawo Lamberta-Beera



 e I



I

_o

I – natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego po przejściu przez atmosferę

I ₀– natężenie bezpośredniego promieniowania słonczego na górnej granicy atmosfery

- grubość optyczna atmosfery

(11)

Transfer promieniowania w atmosferze

(12)

Kolejny problem pomiarów satelitarnych – zagadnienie odwrotne

Wszystkie satelity meteorologiczne mierzą promieniowanie

elektromagnetyczne wychodzące w przestrzeń kosmiczną, które podczas wędrówki oddziaływało z atmosferą oraz powierzchnią Ziemi.

Na podstawie zmian związanych z tym oddziaływaniem staramy się powiedzie „cos” o atmosferze.

Analogiczną sytuacje mamy gdy np. na podstawie śladów na śniegu chcemy powiedzieć „coś” o gatunku zwierząt.

Jest to tak zwane zagadnienie odwrotne.

W teledetekcji satelitarnej bardzo często zagadnienie to z matematycznego punktu widzenia jest źle postawione i mamy możliwe nie jedno a kilka rozwiązań.

11/29/21

(13)

T

4

F  

Rozważmy ciało doskonale czarne o temperaturze T. Dokonujmy pomiaru promieniowania emitowanego przez o ciało w dowolnej odległości. Zakładamy jednak brak atmosfery miedzy detektorem a ciałem.

Wyznaczenie temperatury tego ciała (zgodnie ze wzorem Plancka) wymaga pomiaru promieniowania jedynie dla pojedynczej długości fali.

)

T

,

(

f

F

_

 

(14)

14

T

T_A τ

4 A

4

e T

T ) e 1 (

F  

^^

 

^^



) , T , T , ( f

F_   _A 

W przypadku gdy między detektorem a

ciałem znajduje się izotermiczna atmosfera o temperaturze T_A oraz grubości optycznej τ wówczas promieniowanie docierające do detektora zależy od 3 zmiennych (nie

uwzględniając długości fali).

Tak, więc musimy mierzyć promieniowanie na co najmniej 3 długościach fali aby

wyznaczyć niewiadome wielkości.

W atmosferze temperatura zmienia się z wysokością więc sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana

(15)

Satelita geostacjonarny czy polarny?

(16)

Satelity polarne (np. NOAA 14,17, MODIS) umożliwiają obserwacje również w wyższych szerokościach geograficznych. Ich olbrzymia zaleta jest fakt, ze jeden satelita zdolny jest do pomiarów całej

powierzchni ziemi jednak w różnych momentach czasu. Satelita wykonuje dwa przyloty nad danym rejonem w ciągu doby a zatem nie umożliwia ciągłych pomiarów jak w przypadku satelity

geostacjonarnego.

(17)

Satelity idealnie ale…

w danym momencie czasu nie obejmują swoim zasięgiem całej powierzchni Ziemi.

skanowanie całej Ziemi wymaga czasu w przypadku satelitów polarnych czas ten wynosi od doby do około 10 dni.

skanowanie odbywa się pod różnymi kątami co komplikuje analizę danych.

skanowanie odbywa się w różnych godzinach

(problem z cyklem dobowym). Rozwiązaniem są tzw.

orbity synchroniczne ze Słońcem.

(18)

A może umieszczać satelity w punkach libracyjnych?

11/29/21

Rozmieszczenie punktów libracyjnych w układzie Ziemia- Słońce Lagrange'a. L2: 1 500 000 km od Ziemi

Satelita w punkcie L1 i L2 obraca się z tą samą

prędkością kątową co

Ziemia w ruchu orbitalnym wokół Słońca.

W punkcie L1 widoczna jest dzienna a w punkcie L2 nocna cześć Ziemi.

(19)

Deep Space Climate Observatory (

DSCOVR)

(20)

11/29/21

KLIMAT

monitoring zmienności

wymuszanie

odpowiedz

predykcja konsekwencje

(21)

Składniki systemu klimatycznego

połączenie połączenie chaotyczne chaotyczne nieliniowe nieliniowe

Dynamika atmosfery i oceanu Dynamika atmosfery i oceanu Obieg węgla

Obieg węgla Obieg wody i energiiObieg wody i energii

Reakcje chemiczne Reakcje chemiczne

w atmosferze w atmosferze

(22)

Bilans energetyczny a zmiany klimatu.

11/29/21

(23)

Odpowiedź Odpowiedź

systemu systemu

klimatycznegoklimatycznego

Odpowiedz systemu

klimatycznego na zaburzenia

Wpływ

Sprzężenie około 60%

Zewnętrzne Zewnętrzne Zaburzenie Zaburzenie (wymuszanie) (wymuszanie)

(24)

Budżet Energetyczny Ziemi

(25)

Wymuszanie wewnętrzne

Zmiany bilansu energii na skutek zmian albeda

planetarnego i przeźroczystości atmosfery (aerozole, gazy cieplarniane, chmury)

Zmiany dystrybucji południkowej energii Zmiany energii w

pionowej kolumnie powietrza

(26)

Badanie budżetu promieniowania na górnej granicy atmosfery

Mają na celu oszacowania bilansu energii docierającej i opuszczającej ziemska atmosferę. Bilans decyduje

bezpośrednio o zmianach klimatycznych w systemie.

Obejmują pomiary promieniowania dochodzącego od Słońca, promieniowania odbijanego przez atmosferę i powierzchnie Ziemi (albedo) oraz promieniowania

długofalowego emitowanego przez atmosferę i powierzchnię Ziemi.

Idealnie do tego celu nadają się satelity meteorologiczne, którego dokonują obserwacji z góry.

11/29/21

(27)

Obserwacje stałej słonecznej – ilości

promieniowania dochodzącego od Słońca

(28)

Zmiany stałej słonecznej w ostatnich latach

11/29/21

(29)

Zmiany albeda planetarnego

(30)

11/29/21

Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery

(31)

Strumień promieniowania długofalowego na górnej granicy atmosfery w obszarze tropikalnym (20S-20N).

(32)

Rola chmur

Przyczyniają się do wzrostu albeda planetarnego z 14 do 31% (średnie zachmurzenie na ziemi przekracza 60%) Nie oznacza to jednak, że chmury chłodzą klimat.

Chmury wysokie zdecydowanie ogrzewają system klimatyczny.

Chmury niskie silnie chłodzą go.

11/29/21

Trend zachmurzenia

Lipiec

(33)

CERES całkowite wymuszanie radiacyjne chmur

(Lipiec, 2000)

(34)

11/29/21

. .. . . .. .. .

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

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

. .. . . ._._.. .. .. .. .

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

::::::

::::

::::

:: ::

Stratocumulus

większe albedo

Większa koncentracja kropel,

Mniejszy promień r_e

Czy możemy wpływać na chmury? Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków

(35)

Czyste powietrze, mała ilość jąder kondensacji.

Mała koncentracja.

Duże rozmiary kropelek.

Zanieczyszczone powietrze, duża ilość jąder kondensacji.

Duża koncentracja.

Małe rozmiary kropelek.

Pierwszy pośredni wpływ aerozoli

Chmury ‘czyste’ i ‘zanieczyszczone’

(36)

Wpływ aerozolu na klimat

1) Efekt bezpośredni

poprzez rozpraszanie i pochłanianie promieniowania słonecznego

dochodzącego do powierzchni Ziemi.

2) Efekt pośredni

oddziaływanie aerozolu na własności chmur oraz ich czas życia

Aerozole chłodzą klimat!

(37)

Projekt A-train

badanie wpływu

aerozolu na klimat

(38)

Topex Poseidon badania poziomu

oceanu

(39)

Zmiany poziomu morza

Średnio (1993-2003) poziom morza podnosi się średnio (1993- 2003) poziom morza podnosi się o 3.1 ± 0.7 mm/rok z czego

(40)

Pomiary pola grawitacyjnego

11/29/21

Projekt będzie kosztował 330 M€ i pozwoli na precyzyjna obserwacje cyrkulacji w oceanach. Poprzez wykorzystanie pomiaru wysokości oceanu, pola grawitacyjnego badanie będą zmiany klimatyczne w skali całego Globu.

(41)

Wielka niewiadoma - cyrkulacja

oceaniczna

(42)

Obserwacje pokrywy lodowej w Arktyce

11/29/21

Obszary polarne podlegają szczególnie silnym zmianom klimatycznym dzięki efektowi wzmocnienia wymuszeń

związanemu ze zmianami pokrycia śniegiem i lodem.

(43)

Półwysep Antarktyczny jest jednym

z najszybciej

ogrzewających się miejsc na Ziemi.

Długości obserwacji meteorologicznych, obserwowane trendy temperatury

[ºC/stulecie] z błędem oraz istotność trendu.

(44)

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).

Satelitarna altimetria zdaje się

wskazywać, że wewnątrz Antarktydy przybyło 45 ± 7 Gt rocznie (1992-

2003) śniegu i lodu. Satelita nie

widział poza 81.5º S. Być może źle skorygowano różnicę gęstości

śniegu i lodu (mniej więcej trzykrotną).

(45)

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%)

(46)

Huragany w aspekcie globalnego ocieplenia.

Całkowita moc huraganów w czasie danego roku oraz średnia całkowita moc huraganów w czasie danego roku oraz średnia

temperatura obszaru ich generacji na Atlantyku (po lewej) i Pacyfiku (po prawej) silnie koreluje (odpowiednio r²=0.65 i r2=0.67).

(47)

(48)

Huragany (cyklony i tajfuny) powstają na oceanie o temperaturze ponad 28 C.

Istnieje znacząca korelacja między ich sumaryczną mocą a temperaturą akwenu (szczególnie silna dla Atlantyku gdzie istnieje najdłuższa seria wiarygodnych pomiarów)

Moc huraganów nie koreluje z innymi parametrami meteorologicznymi (mimo przesłanek teoretycznych).

Obserwuje się coraz więcej silnych huraganów zamiast przewidywanej w modelach coraz większej maksymalnej prędkości wiatru.

Po rekordowym sezonie 2005 nastąpił spokojny 2006.

Przyczyną zmniejszonej temperatury tropikalnego Atlantyku w 2006 roku może być El Nińo albo burze pyłowe znad Sahary

(49)

Różnice wyników między pomiarami naziemnymi a

satelitami - niedawno koronny argument przeciwników

globalnego ocieplania.

Do roku 1998 pomiary satelitarne NOAA nie potwierdzały trendu rosnącej temperatury dolnej troposfery (< 15 km).

Przyczyną okazały się rosnące z czasem błędy używanej

metody korekcji czujników, posługującej się różnicą pomiędzy sygnałem podczerwonym w pionie i pod kątem. Nie

uwzględniono faktu, że pod wpływem oporu powietrza orbita satelity obniża się i ten sam kąt wobec pionu oznacza inną grubość optyczną atmosfery. Po korekcji tego błędu pomiary

(50)

Rok 2004: ciągle rozbieżności dla troposfery

Dlaczego pomiary naziemne, satelitarne i z balonów

meteorologicznych pokazywały różne trendy dla troposfery (góra)? Wyniki stratosferyczne zmieniały się podobnie

(oziębienie spowodowane m.in. ubytkiem ozonu).

Kluczem do rozwiązania zagadki stał się błędny algorytm, w którym przy obliczaniu temperatury troposfery nie wzięto pod uwagę ochładzania się w stratosferze.

(51)

Zmiany temperatury powietrza

(52)

Podsumowanie

Pomiary satelitarne odgrywają kluczową rolę w monitoringu globalnych zmian klimatu.

Pozwalają ma obserwacje zmian bilansu energetycznego systemu klimatycznego.

Umożliwiają badanie procesów klimatycznych.

Pomiary satelitarne pozwoliły na odkrycie między innymi dziury ozonowej nad Antarktydą, obserwacje zjawisk mających

znaczenie w skali globalnej jak El’Nino.

Głównym problemem wykorzystania danych satelitarnych jest

interpretacja danych wymagająca zarówno wykonywania wysokiej jakości kalibracji jak i walidacji danych jak również stosowanie

skomplikowanych algorytmów do wyznaczania parametrów atmosferycznych.

11/29/21

(53)

Stąd też wiele udoskonaleń poczynionych w ostatnich latach pozwoliło na uzyskanie spójnego obrazu zmian globalnych zachodzących w atmosferze i oceanach.

Mimo tego bardzo wiele jest jeszcze do zrobienia…

(54)

Dziękuję za uwagę