Fizyka Klimatu Ziemi Wykład monograficzny 5 Efekt cieplarniany

Fizyka Klimatu Ziemi

Wykład monograficzny 5 Efekt cieplarniany

Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski

kmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

2

Bilans promieniowania słonecznego oraz ziemskiego atmosferze

(Trenberth, K.E., J.T. Fasullo, and J. Kiehl, 2009).

Prosty model efektu cieplarnianego

240 S/4 (1-A)

240

 T

240 240

No Atmosphere With a Black Atmosphere in the LW Only

S/4 (1-A)

240 240

240

240

 T

480

Ts=255K Ts= 303 K

T=Te=255K

Widma absorpcyjne gazów cieplarnianych

Freony CFC

Wysoka efektywność freanów wynika z

• Absorpcji promieniowania w zakresie okna atmosferycznego (8-12m)

• 3-6 razy wyższa efektywność przejść absorpcyjnych w porównaniu do CO ₂

• Koncentracja gazów jest na tyle niska, że efekt jest

liniowy z koncentracją

11/29/21 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

F _o /4 T _eff σT ⁴

N _TOA (A, T _eff , T) wymuszenie

A /4

W stanie równowagi:

F _o (1-A)/4=T _eff T ⁴ A - planetarne albedo

F _o stała słoneczna

Wymuszenie radiacyjne

Zależność wymuszania radiacyjnego od koncentracji gazów.

Efektywność gazów cieplarnianych

koncentracja

w ym us za ni e ng

CFCs

CH

N

O CO

Przybliżone formuły opisujące wymuszenie radiacyjne

podstawowych gazów cieplarnianych (Myhre et al., 1998)

19.07.2005 Krzysztof Markowicz IGF-UW 9

Zmiany koncentracji i wymuszanie radiacyjne gazów cieplarnianych

Gas Preindustri

al level Current level

Increase since 1750

Radiative f orcing

(W/m

) Carbon dio

xide 280 ppm 388 ppm 108 ppm 1.46

Methane 700 ppb 1745 ppb 1045 ppb 0.48 Nitrous oxi

de 270 ppb 314 ppb 44 ppb 0.15

CFC-12 0 533 ppt 533 ppt 0.17

10

Pozostałe gazy cieplarniane

Relevant to both radiative forcing and ozone depletion; all of the following have no natural sources and hence zero amounts pre- industrial

Gas Current (1998)

Amount by volume Radiative forcing (W/m

)

CFC-11 268 ppt 0.07

CFC-12 533 ppt 0.17

CFC-113 84 ppt 0.03

Carbon tetrachloride 102 ppt 0.01

HCFC-22 69 ppt 0.03

11

(Source: IPCC radiative forcing report 1994 updated

(to 1998) by IPCC TAR table 6.1).

• Isaksen et al.., 2011

Zmiany koncentracji gazów cieplarnianych w

ostatnich 2000 latach

Zmiany koncentracji CO ₂ w ostatnich latach

• NOAA data, Mauna Loa

Badania rdzeni lodowych za ostatnie 800 tyś lat pokazują, że

koncentracja CO ₂ zmieniała się w zakresie od 180 do 270 ppm.

• Source: NOAA (http://www.esrl.noaa.gov/gmd/aggi/) ₁₅

Stratospheric water vapor 1% increase. 30% may be due to increased methane.

16

Antropogeniczne emisje gazów cieplarnianych

2010 r.

17

Country or region % of global total

annual emissions Tonnes of GHG per capita

China

17 % 5.8

United States

16 % 24.1

European Union-

27

11 % 10.6

Indonesia

6 % 12.9

India 5 % 2.1

18

Około połowa emitowanego przez cywilizacje CO ₂

zostaje w atmosferze. Druga połowa jest pochłonięta

przez oceany i biosferę.

Emisje przez wulkany

• Para wodna: 50-90% (zaniedbywalny wkład do całkowitej zawartości pary wodnej w atmosferze)

• CO ₂ : 1-40% (niewielki wpływ na poziom CO ₂ w atmosferze)

• Siarczany (SO ₂ , H ₂ S): 2-35% co stanowi ok. 14%

całkowitej emisji ze źródeł naturalnych i antropogenicznych

• Chlorowodór HCl (1-10%)

19

• Emisje w milionach ton CO

. Dla Kilauea to ekstrapolacja emisji dziennych, emisje Polski odpowiadają forsowanym przez rząd wartościom limitów dla naszego przemysłu. Emisje Pinatubo to maksymalne szacunki dla erupcji z lipca 1991 roku.

• Źródło http://doskonaleszare.blox.pl ²⁰

Emisje wulkaniczne w skali globu

Roczne emisje w milionach ton

Carbon Trends 2007.

21

Rola oceanów

• Wzrost koncentracji CO ₂ w atmosferze zwiększa ilość CO ₂ rozpuszczonego w oceanie.

• Rozpuszczony w oceanie dwutlenek węgla reaguje z wodą tworząc kwas węglowy, co skutkuje zakwaszeniem.

• Ocenia się, że pH wód powierzchniowych zmniejszyła się od 8.25 na początku epoki przemysłowej do 8.14 w roku 2004.

• Prognozuje się dalszy spadek pH w granicach 0.14-0.5 do roku 2100, zakładając, że ocean będzie nadal absorbował zwiększone ilości CO ₂ z atmosfery.

• Wraz ze wzrostem temperatury wody spada rozpuszczalność CO 2

22

Skąd wiemy, że wzrost CO ₂ jest związany z działalnością człowieka

• Węgiel wchodzący w skład paliw kopalnych ma trochę inny skład izotopowy niż węgiel budujący "świeże" tkanki roślinne, i węgiel nieorganiczny rozpuszczony w oceanach.

• Węgiel z paliw kopalnych podobnie jak węgiel "roślinny", ale w odróżnieniu od "oceanicznego", posiada więcej atomów izotopu

12 C

• Węgiel z paliw kopalnych podobnie jak większość węgla

"oceanicznego", ale w odróżnieniu od "roślinnego", nie zawiera atomów radioaktywnego ¹⁴ C). Wynika to z czasu rozpadu ¹⁴ C w paliwach kopalnych znajdujących się pod ziemią gdzie

promieniowanie kosmiczne jest zbyt słabe aby produkować ten radioaktywny izotop.

• Mierząc zmiany składu izotopowego CO ₂ w atmosferze można stwierdzić, skąd bierze się dodatkowy węgiel w atmosferze.

23

Emisje CO ₂ i zmiany składu izotopowego

Usuwanie gazów cieplarnianych z atmosfery

1. Procesy naturalne

• Kondesacja pary wodnej i opady atmosferyczne

• Reakcje chemiczne, np. utlenianie CH ₄ , w reakcji z rodnikami OH, do dwutlenku węgla i pary wodnej.

• Procesy fizyczne związane z wymianą gazów pomiędzy atmosferą a biosferą, hydrosferą itd. Tak jest w przypadku CO ₂ , który po rozpuszczeniu w oceanach, reaguje i tworzy kwas węglowy i wodorowęglany.

• Reakcje fotochemiczne

2. Metody przemysłowe i geofizyczne

25

Czas życia gazów cieplarnianych w atmosferze.

• Za wyjątkiem pary wodnej, które czas życia wynosi ok. 9 dni, oszacowanie czasu życia gazów

cieplarnianych jest trudne, gdyż gazy te są dobrze wymieszane w atmosferze.

• Czas życia CO ₂ jest szacowany na przedział 30-95 lat.

• Metan 12 lat

Czas życia CO ₂

• Oceany i biosfera absorbują około 210 GtC rocznie,

• Obecnej w całej atmosferze znajduje się 830 GtC

• Ok. połowy wyemitowanego przez ludzkość węgla pozostaje w atmosferze.

• Stąd można wysnuć wniosek, że już po upływie kilku lat większość

"oryginalnych" cząsteczek CO

powinna zostać z niej usunięta.

Dzieląc wielkość rezerwuaru węgla (np. dla atmosfery jest to 830 GtC) przez wielkość strumienia do innego rezerwuaru (np. rośliny lądowe wychwytują 120 GtC rocznie) otrzymujemy "czas obrotu"

węgla w tym strumieniu -- w naszym przypadku, 7 lat

• Czas ten można w przybliżeniu uważać za okres, jaki cząsteczka węgla spędza w danym rezerwuarze, zanim zostanie z niego

usunięta (dla atmosfery trzeba oczywiście zdefiniować je osobno dla każdego strumienia, więc jest to bardziej skomplikowane).

• Nie oznacza to jednak, że jeśli wprowadzimy do atmosfery jakąś ilość dodatkowego CO

, to zostanie on z niego trwale usunięty po tych kilku latach.

27

• W rzeczywistym świecie znaczne zaburzenie wielkości jakiegoś rezerwuaru

węgla powoduje zmianę wartości strumieni i ustalenie nowego stanu równowagi.

• Np. więcej CO

w powietrzu powoduje bardziej efektywną fotosyntezę i przyrost biomasy roślinnej, co powoduje przepływ części "nadwyżki" z atmosfery do

biosfery. Proces ten jest jednak znacznie wolniejszy, i zależy od wielu innych czynników (temperatury, dostępności wody i innych pierwiastków).

• Oceany również reagują na zwiększone stężenie CO

. CO

ulega najpierw

przemianie w kwas węglowy, a później dysocjacji, która jest regulowana wprost prawem Henry'ego (ilość gazu rozpuszczonego w roztworze jest proporcjonalna do ciśnienia parcjalnego tego gazu, zaś współczynnik proporcjonalności zależy od temperatury i zasolenia wody)

• Ilość zdysocjowanego CO

stanowi w typowych warunkach zaledwie 0.5%

całkowitej ilości rozpuszczonego w wodzie węgla, określanego zwykle jako rozpuszczony węgiel nieorganiczny (DIC).

• Reszta DIC występuje w formie jonów węglanowych i wodorowęglanowych, które buforują dodatkowe ilości wprowadzanego kwasu węglowego.

28

• Bufor ten z jednej strony zwiększa ilość węgla, który może zostać rozpuszczony w oceanach, w stosunku do tego co wynikałoby z prawa Henry'ego, z drugiej strony powoduje

jednak, że wzrost całkowitej ilości węgla w oceanach (DIC) nie jest wprost proporcjonalny do wzrostu CO

w atmosferze.

• Dodatkowo, wraz ze wzrastającą ilością pochłoniętego CO

, zdolność buforowania zmniejsza się, i coraz większy procent węgla pozostaje w atmosferze.

29

Obieg węgla w przyrodzie

Strumienie:

Net Ocean uptake = 1.7 (x 10

g C / yr)

Photosynthesis = 111 Respiration = 110

Fossil fuels = 6.3

Biomass burning = 1.6

31

NET CHANGE = INPUT + OUTPUT + INTERNAL CHANGE 3.2 = (110 + 6.3 + 1.6) + (-111 -1.7) + (0)

3.2 = 5.2

brak bilansu Zmiany obserwowane w

atmosferze

Cykl węglowy

• http://science.nasa.gov/earth-science/oceanography/ocean-earth-system/ocean-carbon-cycle/

32

Kontrybucja gazów do efektu cieplarnianego

• para wodna, 36–70%

• dwutlenek węgla, 9–26%

• metan, 4–9%

• ozon, 3–7%

Ponadto, znaczny udział do efektu cieplarnianego mają chmury.

Nie można precyzyjnie oszacować wpływu każdego gazu do efektu cieplarnianego, ze względu na przekrywanie się ich widm absorpcyjnych. Tym samym całkowity efekt

cieplarniany nie jest sumą wkładu poszczególnych gazów.

Dodatkowo, inne gazy np. metan wpływa pośrednio na klimat poprzez produkcję pary wodnej i ozonu głównie w

stratosferze.

Schmidt et al.., 2010

Global warming potential (GWP)

Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego

• Wskaźnik wprowadzony w celu ilościowej oceny

wpływu poszczególnych gazów na efekt cieplarniany w odniesieniu do dwutlenku węgla (GWP=1) w przyjętym horyzoncie czasowym (zazwyczaj 100 lat).

• GWP zależy zarówno od efektywności danego gazu

cieplarnianego oraz czasu życia w atmosferze.

Kontrybucja różnych czynników do efektu cieplarnianego

• Silne sprzężenie zwrotne wynika z wzoru Clausius Clapeyrona.

Zmiana temperatury o 1C powoduje zmianę ciśnienia pary wodnej o 7%.

Lasic et al., 2010

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

Symulacje zmian klimatu związane z podwojeniem CO ₂

• Wymuszanie radiacyjne CO ₂ x 2 wynosi 3.8 W/m ² (15%)

• Climate sesnsitivity 0.8 W/m ² /K

• Co daje wzrost temperatury o ok. 3 K.

• Badanie tego efektu jest możliwe tylko przy użyciu

modeli klimatu.

Temperatury powietrza dla równowagi radiacyjno-konwekcyjnej,

przy koncentracji CO2 odpowiednio 360 and 720 ppmv

• Global mean temperature change for 1%/yr CO2 increase with subsequent stabilisation at 2xCO2 and 4cCO2. The red curves are from a coupled AOGCM simulation (GFDL_R15_a) while the green curves are from a simple illustrative model with no exchange of energy with the deep

ocean. The "transient

climate response", TCR, is the temperature change at the time of CO2 doubling and the "equilibrium climate sensitivity", T2x, is the

temperature change after the system has reached a new equilibrium for doubled CO2, i.e., after the

"additional warming

commitment" has been

realised. (IPCC 2001)

Zonal mean equilibrium temperature change (°C) at CO2 doubling (2x CO2 – control), as a function of

latitude and pressure (hPa) for 4 general-circulation models.

All show the projected

fingerprint of anthropogenic greenhouse-gas warming: the tropical mid-troposphere “hot- spot” is projected to warm at twice or even thrice the

surface rate. Source: Lee et al.

(2007).

Przypadek redukcji emisji

After CO2 emissions are reduced and atmospheric concentrations stabilize, surface air temperature continues to rise by a few tenths of a degree per century for a century or more. Thermal expansion of the ocean continues long after CO2 emissions have been

reduced, and melting of ice sheets continues to contribute to sea-level rise for many centuries.

This figure is a generic illustration for stabilization at any level between 450 and 1,000 ppm,

and therefore has no units on the response axis. Responses to stabilization trajectories in this

range show broadly similar time courses, but the impacts become progressively larger at

higher concentrations of CO2 .

Efekt cieplarniany a obserwowane zmiany temperatury powietrza

• Wymuszanie radiacyjne gazów cieplarnianych wynosi ok.

3 W/m ² (IPCC 2007)

• Climate sesnsitivity 0.8 W/m ² /K

• Co daje wzrost temperatury o ok. 2.4 K (1.6-3.6 K)

• Tymczasem wzrost temperatury od 1850 wynosi zaledwie ok. 0.8 K

• Co jest przyczyna?

- Wartość 2.4 odnosi się do warunków równowagi, która nie została osiągnięta. Bezwładność oceanów odpowiada za pochłonięcie ok. 0.6 W/m ² co przekłada się na 0.5 K - Ok. 0.2 K wynika ze zmian naturalnych klimatu

Pozostaje ok. 1.3K (2.4+0.2-0.5-0.8)

Przyczyną tego są AEROZOLE