Fizyczne podstawy badań Fizyczne podstawy badań środowiska środowiska Wykład I Wykład I

Fizyczne podstawy badań Fizyczne podstawy badań

środowiska środowiska

Wykład I Wykład I

Krzysztof M. Markowicz

Literatura

Atmospheric Science. An Introductory Survey, J.

Wallace

Fizyka Atmosfery, Iribarne i Cho

The Atmosphere, F. K. Lutgens, E. J. Tarbuck Essentials of Meteorology, C. D. Ahrens

Meteorology Today, C. D. Ahrens

Fundamentals of Atmospheric Physics, M. L. Salby An Introduction to Dynamic Meteorology, J. Holton Różdżyński K. - "Miernictwo Meteorologiczne" tom I, II , Warszawa 1995

Środowisko naturalne

To całokształt wszystkich czynników:

Geosfery oraz Biosfery

Geosfera to cześć składowa kuli ziemskiej w skład której wchodzą, sfera stała (litosfera) , ciekła

(hydrosfera) i gazowa (atmosfera)

Biosfera to sfera kuli ziemskiej zamieszkała przez organizmy żywe obejmuje dolną część atmosfery, hydrosferę oraz powierzchniową warstwę Ziemi (litosfery). Ogrywa ważną role w obiegu węgla w przyrodzie.

Hydrosfera

jest powłoką Ziemi przenikającą atmosferę i litosferę obejmującą wody atmosferyczne, powierzchniowe i

podziemne w postaci gazowej ciekłej i stałej. Wody hydrosfery gromadzą się w oceanach morzach, jeziorach, rzekach,

bagnach, pokrywie śnieżnej i lodowej i zbiornikach wód

podziemnych. Część hydrosfery obejmującą morza i oceany nosi nazwę OCEANOSFERY.

W hydrosferze wyróżnia się KRIOSFERE, w której woda występuje w podstacji stałej; są to obszary zlodowaceń oraz pokrywą śnieżna jak też obszary wieloletniej zmarzliny w

glebie.

Zasoby wodne hydrosfery są stałe i wynoszą obecnie 1.4 mld km³ z czego :

Ocean światowy to: 96.5%

Wodzy podziemne 1.7 % Wody glebowe 0.76%

Lodowce i stała pokrywa śnieżna 1.74%

Wieczna zmarzlina 0.022%

Jeziora 0.013%

Hydrosfera jest powłoką słona jedynie 2.5%

stanowią wody słodkie

Atmosfera - 1

Atmosfera i ...

Litosfera Oceany Biosfera Kriosfera

Skład atmosfery Gazy stałe

Gaz Symbol %

objętości Dlaczego ważny?

Azot N₂ 78,08 biosfera

Tlen O₂ 21 oddychanie

Argon Ar 0,9 Gaz nieaktywny,

właściwie nieistotny

Skład atmosfery - Gazy zmienne

Gaz Symbo

l %

objętości Dlaczego ważny?

Para wodna H₂O 0-4 Transport ciepła, gaz

cieplarniany, uczestniczy w tworzeniu różnych zjawisk (chmury)

Dwutlenek węgla CO₂ 0,036 Gaz cieplarniany, biosfera (fotosynteza)

Metan CH₄ 0,00017 Gaz cieplarniany, bardziej wydajny niż CO₂

Tlenek azotu N₂O 0,00003 Gaz cieplarniany

Ozon O₃ 0,000004 Warstwa ozonowa, pochłania UV

Cząstki stałe (pyły, sadze), tzw

aerozole

0,000001 Budżet energii; tworzenie chmur

Powstawanie atmosfery

4 miliardy 3 miliardy 2 miliardy 1 miliard teraz

Tlenek, dwutlenek węgla, wodór, azot, para wodna

Atmosfera ochładza się, para wodna kondensuje, powstają rzeki i oceany. Dwutlenek węgla jest wypłukiwany z atmosfery i

uwięziony w skałach i oceanach. Rozpoczyna się fotosynteza Tlen powstaje początkowo przez rozbijanie cząsteczek H₂O pod wpływem promieniowania kosmicznego. Lekki wodór ulatnia się w przestrzeń kosmiczną.

Tlen, który powstaje wchodzi w reakcje chemiczne.

Zwiększa się ilość tlenu w atmosferze (szkodliwego dla wielu bakterii). Powstają organizmy oddychające tlenem.

Zawartość tlenu osiąga 21%

Powstawanie atmosfery

Rozkład śladowych gazów w atmosferze

Homosfera z<100 km Heterosfera z>100 km

Podział atmosfery

Rozkład temperatury w atmosferze

Rozkład temperatury w troposferze

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

Anomalie średniej temperatury względem

okresu 1961-1990

Zmiany klimatu Ziemskiego

Globalne ochładzanie w stratosferze

Globalne ocieplenie w troposferze

Przyczyny zmian klimatu Efekt cieplarniany

Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni) Zmiany cyrkulacji oceanicznej

Wybuchy wulkanów

Zmienność aktywności słońca Zmiany w ozonosferze

Przyczyny długookresowe Zmienność orbity ziemskiej

Dryf kontynentów

Zmiany składu atmosfery

Termiczny wymiar efektu cieplarnianego

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

Procesy klimatyczne

To procesy fizyczne zachodzące w atmosferze i

oceanach prowadzące do zmian klimatu. Najczęściej zalicza się do nich obieg ociepla, cykl hydrologiczny oraz cyrkulację powietrza.

Determinują zmiany naturalne i antropogeniczne systemu klimatycznego oraz jego odpowiedz na zaburzenia (np. wzrost koncentracji gazów

cieplarnianych).

Ważnym pojęciem w systemie klimatycznym są

sprzężenia zwrotne, które związane są z procesami klimatycznymi. Zwiększają (sprzężenie dodatnie) lub zmniejszają (sprzężenie ujemne) zmiany w układzie wywołane pierwotnym zaburzeniem.

Przykład sprzężenia zwrotnego w systemie klimatycznym Ziemi-Atmosfera

Albedo+

Strumień ciepła utajonego i odczuwalnego

Ocean

T+

Podwojenie koncentracji CO₂

Promieniowanie słoneczne

T-

ujemne sprzężenie zwrotne

Najważniejsze elementy systemu klimatycznego:

Para wodna Chmury

Oceany

Powierzchnia ziemi, Lodowce Stratosfera z warstwą ozonu Obieg CO₂

Zmiany klimatu związane są ze zmianą bilansu energii w układzie Ziemia-Atmosfera

Zasadniczą kwestią w badaniach zmian klimatu są obserwacje składowych bilansu energii oraz studia nad rozumieniem procesów prowadzących do zmiany stanu równowagi termodynamicznej

Międzynarodowe konwencje o przeciwdziałaniu zmianom klimatycznym.

Rio de Janeiro, 1992. Deklaracja Światowej

konferencji ONZ podpisana przez ponad 170 państw o ustabilizowaniu emisji gazów cieplarnianych

Kioto, 1997. Podpisanie protokółu o redukcji emisji gazów cieplarnianych o 5.2 %. Kraje rozwijające się takie jak Chiny i Indie nie podpisały go

Monitoring Środowiska

Monitoring – to system wielokrotnych obserwacji

parametrów zmiennych w czasie i przestrzeni mający określony program badawczy.

GEMS - Globalny System Monitoringu

EEA - Europejska Agencja Ochrony Środowiska EMEP - Europejski program monitoringu i Oceny

Transportu Zanieczyszczeń Powietrza na Dalekie Odległości

IPCC - Międzynarodowy Panel ds.. Zmian Klimatu.

Typy badań (pomiarów) środowiska

1) In Situ – pomiary w miejscu (ustalone ,,h,t)

2) Metody teledetekcyjne (zdalne) przy

wykorzystaniu fal elektromagnetycznych (mikrofale, ultrafiolet, promieniowanie

widzialne i podczerwone) fale

akustyczne. Pozwalają wyznaczyć rozkład przestrzenny parametru

Fizyka Pomiarów

WE ^czujnik przetwarzanie

wskaźnik wskaźnik WY

wzorzec kalibracja

Nowoczesne Systemy zbierania i przetwarzania danych

czujnik przetwarzanie

wskaźnik wskaźnik

analiza rejestracja

inne

przyrządy model

Parametry opisujące czujnik

Czułość (sensitivity) S=d(Wy)/d(We) pochodna krzywej kalibracyjnej.

Rozdzielczość (resolution) - najmniejsza zmiana wielkości na wejściu jaka można wykryć na wyjściu

Precyzja (precision) – minimum odchylenia od wartości najbardziej prawdopodobnej Dokładność (odtwarzalność) – precyzja + zgodność z wybranym wzorcem

Ponadto:

Zakres – określa dynamikę przyrządu

Histereza powtarzalność pomiaru w rożnych warunkach

Próg działania (np. anemometr)