Wpływ aktywności słonecznej Wpływ aktywności słonecznej na klimat Ziemi
na klimat Ziemi
dr Krzysztof Markowicz dr Krzysztof Markowicz
Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki
Uniwersytet Warszawski Uniwersytet Warszawski
Impreza wspierana przez projekt Fizyka kształcenie dla gospodarki opartej na wiedzy współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
O czym będzie mowa?
O czym będzie mowa?
• Co wiemy o aktywności słonecznej? Co wiemy o aktywności słonecznej?
• Monitoring aktywności słonecznej Monitoring aktywności słonecznej
• Mechanizmy oddziaływania Słońca na klimat Ziemi Mechanizmy oddziaływania Słońca na klimat Ziemi
• Pojęcie wymuszania radiacyjnego i zmiany bilansu Pojęcie wymuszania radiacyjnego i zmiany bilansu energii systemu klimatycznego
energii systemu klimatycznego
• Hipoteza wpływu promieniowania kosmicznego na klimat Hipoteza wpływu promieniowania kosmicznego na klimat
• Prosty model klimatu Prosty model klimatu
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Słonce -główne źródło energii na Ziemi Słonce -główne źródło energii na Ziemi
• Moc promieniowania Moc promieniowania elektromagnetycznego elektromagnetycznego
emitowanego przez fotosferę emitowanego przez fotosferę
Słoneczną wynosi około Słoneczną wynosi około
3.827×10
3.827×10
2626W W
• Tylko niewielka część tego Tylko niewielka część tego promieniowania dociera do promieniowania dociera do
górnych granic atmosfery.
górnych granic atmosfery.
Przy średniej odległości Ziemi od Słońca (149.6×10
6km) moc promieniowania słonecznego na górnej granicy
atmosfery wynosi około 1368 W/m
2.
Wielkość ta zwana jest stałą słoneczną.
Średnie dobowa wartość promieniowania słonecznego na Średnie dobowa wartość promieniowania słonecznego na szczycie atmosfery jako funkcja szerokości geograficznej szczycie atmosfery jako funkcja szerokości geograficznej i miesiąca.
i miesiąca.
Linia przerywana oznacza szerokość geograficzną gdzie Linia przerywana oznacza szerokość geograficzną gdzie występuje górowanie Słońca (Hartmann, 1994).
występuje górowanie Słońca (Hartmann, 1994).
44
Zmienność dopływu energii słonecznej do górnych granic
atmosfery z szerokością geograficzną
Zmiany energii docierającej Zmiany energii docierającej
od Słońca do Ziemi od Słońca do Ziemi
• Cykl roczny Cykl roczny 3.4% (98W/m 3.4% (98W/m
22) związany ze zmianą ) związany ze zmianą odległości Ziemia-Słońce
odległości Ziemia-Słońce
• Zmiany aktywności słonecznej w cyklu 11 letnim Zmiany aktywności słonecznej w cyklu 11 letnim wynoszą ok. 1.3 W/m
wynoszą ok. 1.3 W/m
22co stanowi zaledwie ok. 0.1% co stanowi zaledwie ok. 0.1%
stałej słonecznej stałej słonecznej
• Zmiany aktywności słonecznej w skalach dłuższych są Zmiany aktywności słonecznej w skalach dłuższych są słabo poznane ale prawdopodobnie nie są większe niż słabo poznane ale prawdopodobnie nie są większe niż
kilka W/m kilka W/m
22. .
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Aktywność słoneczna Aktywność słoneczna
• to zmiany zachodzące na powierzchni i w atmosferze Słońca to zmiany zachodzące na powierzchni i w atmosferze Słońca
• Zmiany te powodują fluktuacje promieniowania emitowanego Zmiany te powodują fluktuacje promieniowania emitowanego w postaci fal elektromagnetycznych oraz strumienia cząstek w postaci fal elektromagnetycznych oraz strumienia cząstek
emitowanych przez Słońce (wiatr słoneczny).
emitowanych przez Słońce (wiatr słoneczny).
• Do aktywności słonecznej zalicza się też zmiany w liczbie i Do aktywności słonecznej zalicza się też zmiany w liczbie i
rozmieszczeniu plam słonecznych oraz koronalnych wyrzutów rozmieszczeniu plam słonecznych oraz koronalnych wyrzutów
masy.
masy.
• Ze zmianą pola magnetycznego Słońca wiążą się liczne Ze zmianą pola magnetycznego Słońca wiążą się liczne zjawiska, które stanowią o aktywności słonecznej.
zjawiska, które stanowią o aktywności słonecznej.
• Przejawia się ona Przejawia się ona
w fotosferze w postaci plam i pochodni;
w fotosferze w postaci plam i pochodni;
w chromosferze jako rozbłyski i protuberancje;
w chromosferze jako rozbłyski i protuberancje;
w koronie słonecznej jako rozbłyski i wyrzuty materii.
w koronie słonecznej jako rozbłyski i wyrzuty materii.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Rys historyczny Rys historyczny
• Pierwsze obserwacje przejawów aktywności słonecznej Pierwsze obserwacje przejawów aktywności słonecznej prowadzono około 800 lat. p.n.e w Chinach.
prowadzono około 800 lat. p.n.e w Chinach.
• Od 1 Od 1 610 r. astronomowie zaczęli używać teleskopów do 610 r. astronomowie zaczęli używać teleskopów do obserwacji plam i ich przemieszczania się.
obserwacji plam i ich przemieszczania się.
• W W 1845 1845 r. prof. r. prof. Joseph Henry Joseph Henry i prof. i prof. Stephen Alexander Stephen Alexander z z Uniwersytetu w Princeton używając termopary zauważyli, że Uniwersytetu w Princeton używając termopary zauważyli, że
plamy słoneczne emitują mniej energii w porównaniu do plamy słoneczne emitują mniej energii w porównaniu do
obszarów ich otaczających. Ponadto odkryli obszary o wyższej obszarów ich otaczających. Ponadto odkryli obszary o wyższej
emisyjności zwane flokule (flokuły) słoneczne.
emisyjności zwane flokule (flokuły) słoneczne.
• W 1843 r. niemiecki astronom amator Samuel Schwabe odkrył W 1843 r. niemiecki astronom amator Samuel Schwabe odkrył wzrost a następnie spadek rocznej liczby plam słonecznych.
wzrost a następnie spadek rocznej liczby plam słonecznych.
Sugerował, że cykl plam na Słońcu trwa 10 lat.
Sugerował, że cykl plam na Słońcu trwa 10 lat.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
• Szwajcarski astronom Rudolf Wolf używając badań Szwajcarski astronom Rudolf Wolf używając badań
swoich poprzedników zrekonstruował cykle słoneczne do swoich poprzedników zrekonstruował cykle słoneczne do 1745 r. W 1849 r. zdefiniował liczbę plam zwaną obecnie 1745 r. W 1849 r. zdefiniował liczbę plam zwaną obecnie liczbą Wolfa R:
liczbą Wolfa R:
R=k(10g+p) R=k(10g+p)
• gdzie gdzie g g to liczba grup plam, to liczba grup plam, p p - ilość plam, a - ilość plam, a k k to to wielkość, która umożliwia porównanie wyników wielkość, która umożliwia porównanie wyników uzyskanych przez obserwatorów dysponujących uzyskanych przez obserwatorów dysponujących różniącymi się powiększeniem lunetami.
różniącymi się powiększeniem lunetami.
• Około 1852 Około 1852 r. czterej astronomowie zauważyli, że okres r. czterej astronomowie zauważyli, że okres cyklu plam słonecznych był identyczny z okres zmian cyklu plam słonecznych był identyczny z okres zmian aktywności geomagnetycznej na Ziemi, dając początek aktywności geomagnetycznej na Ziemi, dając początek badań tzw. "pogody kosmicznej".
badań tzw. "pogody kosmicznej".
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Cykle słoneczne Cykle słoneczne
• Podstawowy 11 letni (9-12 letni cykl) w czasie którego Podstawowy 11 letni (9-12 letni cykl) w czasie którego liczba plam stopniowo rośnie a następnie dość szybko liczba plam stopniowo rośnie a następnie dość szybko spada.
spada.
• 22 letni 22 letni
• 87 letni – modulacja amplitudy cyklu 11 letniego 87 letni – modulacja amplitudy cyklu 11 letniego
• inne… inne…
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Przejawy aktywności Przejawy aktywności
słonecznej słonecznej
wyrzuty koronalne flokule
plamy słoneczne
Pole magnetyczne blokuje strumień ciepła
Plamy słoneczne
B
Heat Flux F
Quiet Bright Spot Bright Quiet Sun Ring P U P Ring Sun
Photosphere
Convection Zone
Flokule - model jasnej ściany
T
f 6200 K
z 50 km B B
F
< 250 km
Współczesny monitoring aktywności Współczesny monitoring aktywności
słonecznej słonecznej
• Od 1977 r. prowadzony za pomocą detektorów Od 1977 r. prowadzony za pomocą detektorów umieszczonych na satelitach
umieszczonych na satelitach
• Obserwacje naziemne - utrudnione przez zmienności Obserwacje naziemne - utrudnione przez zmienności własności optycznych atmosfery ale możliwe w stacjach własności optycznych atmosfery ale możliwe w stacjach
wysokogórskich wysokogórskich
• Rekonstrukcje historyczne – przy użyciu różnych technik Rekonstrukcje historyczne – przy użyciu różnych technik paleoklimatycznych.
paleoklimatycznych.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Misje satelitarne ACRIMSAT Misje satelitarne ACRIMSAT
• Trzy misje satelitarne w latach 1980, 1991 i 1999 Trzy misje satelitarne w latach 1980, 1991 i 1999 (ACRIMSAT I, II i III)
(ACRIMSAT I, II i III)
• ACRIM (Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor ACRIM ( Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor ), ), pierwszy instrument satelitarny, który zaobserwował pierwszy instrument satelitarny, który zaobserwował zmienność stałej słonczej na poziomie 0.1% w czasie zmienność stałej słonczej na poziomie 0.1% w czasie jednego cyklu 11 letniego.
jednego cyklu 11 letniego.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
29.11.21 29.11.21
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/mete www.igf.fuw.edu.pl/mete o/stacja
o/stacja
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Pomiary satelitarne stałej słonecznej - SORCE Pomiary satelitarne stałej słonecznej - SORCE
• Od 2003 T Od 2003 T he Solar Radiation and Climate Experiment he Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE)
(SORCE) . Pomiary promieniowania w zakresie ( . Pomiary promieniowania w zakresie ( x-ray, x-ray, UV VIS, UV VIS, NIRD, TSI),
NIRD, TSI), 1nm 1nm - - 2000nm 2000nm obejmującym obejmującym 95% 95% energii energii docierającej od Słońca
docierającej od Słońca
SORCE
SORCE wyposażony jest 4 wyposażony jest 4 instrumenty:
instrumenty: instruments instruments Spectral Irradiance Monitor Spectral Irradiance Monitor (SIM), Solar Stellar
(SIM), Solar Stellar
Irradiance Comparison Irradiance Comparison Experiment (SOLSTICE), Experiment (SOLSTICE), Total Irradiance Monitor Total Irradiance Monitor (TIM)
(TIM)
XUV Photometer System XUV Photometer System (XPS).
(XPS).
Problem dryfu instrumentów satelitarnych Problem dryfu instrumentów satelitarnych
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Gray et al., 2009
Zmiany aktywności
Zmiany aktywnościsłonecznej w
słonecznej w
ostatnich 35 latach
ostatnich 35 latachkmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Zmiany aktywności Zmiany aktywności
słonecznej w słonecznej w
ostatnich 250 latach ostatnich 250 latach
www.spaceweather.com www.spaceweather.com
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Pomiary z powierzchni ziemi - Pomiary z powierzchni ziemi -
metoda Langley’a metoda Langley’a
• Metoda Langley’a pozwala wyznaczyć Metoda Langley’a pozwala wyznaczyć spektralną stała słoneczną na
spektralną stała słoneczną na
podstawie pomiarów prowadzonych podstawie pomiarów prowadzonych
na powierzchni ziemi.
na powierzchni ziemi.
Wymagania:
Wymagania:
1. 1. Bezchmurne warunki blisko zachodu Bezchmurne warunki blisko zachodu lub po wschodzie słońca
lub po wschodzie słońca
2. 2. Brak zmian czasowych własności Brak zmian czasowych własności optycznych atmosfery podczas optycznych atmosfery podczas
kalibracji ok. 2-2.5h kalibracji ok. 2-2.5h
3. 3. Horyzontalna jednorodność Horyzontalna jednorodność
4. 4. Najlepsze do tego celu są obserwacje Najlepsze do tego celu są obserwacje prowadzone wysoko
prowadzone wysoko w górach
w górach
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
• Zmiany aktywności Słońca wpływają na wielkość strumienia cząstek Zmiany aktywności Słońca wpływają na wielkość strumienia cząstek promieniowania kosmicznego, wytwarzających w atmosferze
promieniowania kosmicznego, wytwarzających w atmosferze promieniotwórczy węgiel
promieniotwórczy węgiel
1414C ( i C ( i
1616Be) z azotu atmosferycznego i Be) z azotu atmosferycznego i magazynowany potem przez rośliny.
magazynowany potem przez rośliny.
• Skala tej zmienności wprowadza błąd w wynikach datowania Skala tej zmienności wprowadza błąd w wynikach datowania
radiowęglowego. Jeszcze większe zmiany powodują wahania natężenia radiowęglowego. Jeszcze większe zmiany powodują wahania natężenia ziemskiego pola magnetycznego, w skalach czasowych rzędu kilku
ziemskiego pola magnetycznego, w skalach czasowych rzędu kilku tysięcy lat.
tysięcy lat.
• Z wyników badań radiowęglowych wynikałoby, iż w ciągu ostatnich 8000 Z wyników badań radiowęglowych wynikałoby, iż w ciągu ostatnich 8000 lat było 18 minimów.
lat było 18 minimów.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Rekonstrukcje zmian aktywność słonecznej
Szacowanie zmienności strumienia Szacowanie zmienności strumienia
promieniowania słonecznego na podstawie promieniowania słonecznego na podstawie
liczby plam słonecznych liczby plam słonecznych
• Badania aktywności geomegetycznej, aktywności zórz Badania aktywności geomegetycznej, aktywności zórz polarnych czy izotopów powstających wskutek
polarnych czy izotopów powstających wskutek
promieniowania kosmicznego wskazują na dodatkową promieniowania kosmicznego wskazują na dodatkową zmienność aktywności słonecznej, która nie jest
zmienność aktywności słonecznej, która nie jest odzwierciedlona w ilości plam słonecznych.
odzwierciedlona w ilości plam słonecznych.
• Niemal wszystkie minima słoneczne charakteryzują się Niemal wszystkie minima słoneczne charakteryzują się
zerową lub niemal zerową ilością plam na Słońcu podczas zerową lub niemal zerową ilością plam na Słońcu podczas gdy inne wskaźniki aktywności słonecznej pokazują, że gdy inne wskaźniki aktywności słonecznej pokazują, że Słońce nie powraca do tego samego poziomu aktywności.
Słońce nie powraca do tego samego poziomu aktywności.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Porównanie rekonstrukcji stałej słonecznej Porównanie rekonstrukcji stałej słonecznej
za ostatnie 400 lat.
za ostatnie 400 lat.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Mechanizmy oddziaływania aktywności Mechanizmy oddziaływania aktywności
słonecznej na klimat słonecznej na klimat
• Poprzez zmianę bilansu energetycznego całego systemu Poprzez zmianę bilansu energetycznego całego systemu klimatycznego
klimatycznego
• Poprzez zmiany promieniowania UV i struktury Poprzez zmiany promieniowania UV i struktury termicznej stratosfery
termicznej stratosfery
• Poprzez oddziaływanie na wysokie warstwy atmosfery Poprzez oddziaływanie na wysokie warstwy atmosfery
• Oddziaływanie promieniowania kosmicznego na Oddziaływanie promieniowania kosmicznego na atmosferę (chmury)
atmosferę (chmury)
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Bilans promieniowania słonecznego oraz ziemskiego Bilans promieniowania słonecznego oraz ziemskiego atmosferze (Trenberth, K.E., J.T. Fasullo, and J. Kiehl, atmosferze (Trenberth, K.E., J.T. Fasullo, and J. Kiehl, 2009).
2009).
Krzysztof Markowicz Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl 11/29/21
Ziemia i atmosfera jest w stanie
Ziemia i atmosfera jest w stanie quasi quasi równowagi równowagi klimatycznej
klimatycznej określonej przez energie dostarczaną przez określonej przez energie dostarczaną przez Słońce oraz emitowaną przez Ziemie w kosmos.
Słońce oraz emitowaną przez Ziemie w kosmos.
Zmiany klimatu związane są z zaburzeniami bilansu Zmiany klimatu związane są z zaburzeniami bilansu energii w układzie Ziemia-Atmosfera
energii w układzie Ziemia-Atmosfera
Zasadniczą kwestią w badaniach zmian klimatu są Zasadniczą kwestią w badaniach zmian klimatu są obserwacje składowych bilansu energii oraz studia obserwacje składowych bilansu energii oraz studia
procesów prowadzących do zmiany stanu równowagi procesów prowadzących do zmiany stanu równowagi
termodynamicznej w tym
termodynamicznej w tym wymuszania radiacyjnego wymuszania radiacyjnego . .
11/29/21 11/29/21
Krzysztof Markowicz Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl
F
o/4 T
effσT
4F
TOA(F
o, R
o, T
eff, T) wymuszenie
R
o/4 W stanie równowagi:
R- planetarne albedo F
ostałą
słoneczna
Wymuszenie radiacyjne
0 F
TOA
4 eff
o o
TOA
F ( 1 R ) T T
4
F 1
Zaburzenia prowadzące do zmian Zaburzenia prowadzące do zmian
klimatycznych.
klimatycznych.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Gray et al., 2009
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Wymuszanie radiacyjne związane aktywnością słoneczną w ostatnich 160 latach.
Dla porównania wymuszanie radiacyjne związane z działalności
człowieka wzrosło
od roku 1750 do
dziś o ok. 1.6 W/m
2kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Rekonstrukcja wymuszania radiacyjnego dla ostatniego milenium, Bard et al., (2000)
Uwagi:
1.Nie ma konsensusu wśród naukowców co do skalowania zmian czasowych stałej słonecznej.
2.Lean et al., 2002 i Foukal et al., 2004 amplituda zmian
stałej słonecznej jest mniejsza.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Czy wymuszanie radiacyjne Słońca może zmieniać temperaturę na Ziemi?
F T
s
Zmiana temperatury powierzchni ziemi T
Zmiana temperatury powierzchni ziemi T
sszwiązana z związana z wymuszanie
wymuszanie radiacyjnym radiacyjnym Δ Δ F dana jest wzorem (po ustaleniu F dana jest wzorem (po ustaleniu nowego stanu równowagi)
nowego stanu równowagi) gdzie
gdzie α α oznacza współczynnik wrażliwości klimatu. oznacza współczynnik wrażliwości klimatu.
Współczynnik ten jest bardzo trudny do określenia i szacuje Współczynnik ten jest bardzo trudny do określenia i szacuje
się, że wynosi 0.5-0.7 K/W/m się, że wynosi 0.5-0.7 K/W/m
22. .
Zakładając wymuszenie radiacyjne na poziomie 0.2 W/m Zakładając wymuszenie radiacyjne na poziomie 0.2 W/m
22dostajemy zmianę temperatury o ok. 0.1 K.
dostajemy zmianę temperatury o ok. 0.1 K.
Wyznaczona zmiana temperatury na poziomie 0.1 K w ciągu Wyznaczona zmiana temperatury na poziomie 0.1 K w ciągu
jednego cyklu wyznaczona została przy założeniu jednego cyklu wyznaczona została przy założeniu
„natychmiastowej” odpowiedzi systemu klimatycznego na
„natychmiastowej” odpowiedzi systemu klimatycznego na zaburzenie
zaburzenie
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Opóźnienie systemu klimatycznego w dochodzeniu do nowego stanu
równowagi.
• System klimatyczny składający się z atmosfery, System klimatyczny składający się z atmosfery,
hydrosfery, kriosfery, biosfery i litosfery wykazuje dużą hydrosfery, kriosfery, biosfery i litosfery wykazuje dużą
bezwładność.
bezwładność.
• Stała czasowa takiego systemu jest szacowana w Stała czasowa takiego systemu jest szacowana w dziesiątkach lat.
dziesiątkach lat.
• Zaburzenia takiego systemu mające skalę 11 lat Zaburzenia takiego systemu mające skalę 11 lat
charakteryzują się niewielką odpowiedzą w systemie.
charakteryzują się niewielką odpowiedzą w systemie.
• 11 letni cykl słoneczny nie jest w stanie efektywnie 11 letni cykl słoneczny nie jest w stanie efektywnie
pobudzać systemu klimatycznego (jesteśmy daleko od pobudzać systemu klimatycznego (jesteśmy daleko od
rezonansu)
rezonansu)
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Przykład
• Rozważmy model aktywności słonecznej o sinusoidalnej Rozważmy model aktywności słonecznej o sinusoidalnej oscylacji 11 letniej z amplitudą wymuszania radiacyjnego oscylacji 11 letniej z amplitudą wymuszania radiacyjnego
0.24 W/m 0.24 W/m
22. .
• Pomijamy tutaj uproszczony model matematyczny ziemi Pomijamy tutaj uproszczony model matematyczny ziemi będącej jednym wielkim oceanem.
będącej jednym wielkim oceanem.
• Temperatura równowagowa zaznaczona jest cienką Temperatura równowagowa zaznaczona jest cienką linią przerywaną, zaś rzeczywista odpowiedz systemu linią przerywaną, zaś rzeczywista odpowiedz systemu
grubą linią przerywaną.
grubą linią przerywaną.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
• Zauważmy, że wyznaczone z naszego prostego modelu Zauważmy, że wyznaczone z naszego prostego modelu
zmiany temperatury są znacznie mniejsze (około 20%) niż zmiany temperatury są znacznie mniejsze (około 20%) niż
zmiany związane ze stanem równowagi.
zmiany związane ze stanem równowagi.
• Wynika to z faktu, iż wymuszenie radiacyjne zmienia się Wynika to z faktu, iż wymuszenie radiacyjne zmienia się zbyt szybko dla bezwładnego systemu klimatycznego
zbyt szybko dla bezwładnego systemu klimatycznego
• Stąd też wynika przesuniecie w fazie pomiędzy Stąd też wynika przesuniecie w fazie pomiędzy
wymuszeniem a odpowiedzią systemu klimatycznego.
wymuszeniem a odpowiedzią systemu klimatycznego.
• Tak, więc wpływ 11 cyklu słonecznego jest Tak, więc wpływ 11 cyklu słonecznego jest
prawdopodobnie znacznie mniejszy niż wynika to z prawdopodobnie znacznie mniejszy niż wynika to z
wartości wymuszenia radiacyjnego.
wartości wymuszenia radiacyjnego.
• Zmiany aktywność słonecznej w dłużej skali czasowej Zmiany aktywność słonecznej w dłużej skali czasowej
mogą odgrywać większe znaczenie ze względu na dłuższy mogą odgrywać większe znaczenie ze względu na dłuższy
okres czasowy wymuszenia oraz większa amplitudę w okres czasowy wymuszenia oraz większa amplitudę w
porównaniu do cyklu 11 letniego.
porównaniu do cyklu 11 letniego.
Wpływ długookresowych zmian aktywności słonecznej na klimat – minimum Maundera
Minimum plam słoneczny w latach 1610-1700 pokrywa się częściowo z okresem zwanym małą epoką lodową
Naukowcy próbują powiązać
oba fakty
Minimum Maundera Minimum Maundera
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
• Najnowsze oszacowania stałej Najnowsze oszacowania stałej
słonecznej dla tego okresu mówią o słonecznej dla tego okresu mówią o jej redukcji o jedynie 1.3
jej redukcji o jedynie 1.3 0.3 W/m 0.3 W/m
2 2w stosunku do współczesnego
w stosunku do współczesnego poziomu.
poziomu.
• Tym samy trudno jedynie zmianami Tym samy trudno jedynie zmianami całkowitej ilości energii docierającej całkowitej ilości energii docierającej od Słońca wytłumaczyć niższe
od Słońca wytłumaczyć niższe
temperatury w okresie małej epoki temperatury w okresie małej epoki lodowej.
lodowej.
• Być może inne mechanizmy Być może inne mechanizmy
spowodowały spadek temperatury
spowodowały spadek temperatury
Mechanizmy odpowiedzi systemu Mechanizmy odpowiedzi systemu klimatycznego na małe zaburzenia klimatycznego na małe zaburzenia
Odpowiedz systemu na zmiany promieniowania Odpowiedz systemu na zmiany promieniowania
słonecznego słonecznego
a) zmiany bilansu energii a) zmiany bilansu energii
b) zmiany w stratosferze i górnych warstwach atmosfery b) zmiany w stratosferze i górnych warstwach atmosfery
przez promieniowanie UV przez promieniowanie UV
Odpowiedz systemu na energetyczne cząstki Odpowiedz systemu na energetyczne cząstki
a) wiatr słoneczny a) wiatr słoneczny
b) Promieniowanie galaktyczne (kosmiczne) i wiatr b) Promieniowanie galaktyczne (kosmiczne) i wiatr
międzygwiezdny międzygwiezdny
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Zmienność widma promieniowania Zmienność widma promieniowania
słonecznego słonecznego
• Największe zmiany w natężaniu Największe zmiany w natężaniu promieniowania słonecznego promieniowania słonecznego
występują w zakresie UV.
występują w zakresie UV.
• W zakresie 200-300 nm to ok. 1.5% W zakresie 200-300 nm to ok. 1.5%
pomiędzy min i max cyklu 11 pomiędzy min i max cyklu 11
letniego. Dla fal ok. 200 nm zmiana letniego. Dla fal ok. 200 nm zmiana
ta wynosi już 6%, zaś dla 100 nm ta wynosi już 6%, zaś dla 100 nm
prawie 100%, prawie 100%,
• Podczas minimum Maundera Podczas minimum Maundera
promieniowanie UV był mniejsze o promieniowanie UV był mniejsze o
ok. 4.3% niż obecnie.
ok. 4.3% niż obecnie.
• W zakresie promieniowania X zmiany W zakresie promieniowania X zmiany te sięgają 2 rzędów wielkość (w ciągu te sięgają 2 rzędów wielkość (w ciągu
11 lat) 11 lat)
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Leon 1991
Zmiany w wysokiej atmosferze Zmiany w wysokiej atmosferze
• Zmiany temperatury związane z pochłanianiem Zmiany temperatury związane z pochłanianiem
promieniowania o długości 100 nm w egzosferze (500-1000 promieniowania o długości 100 nm w egzosferze (500-1000
km) sięgają 1000K!
km) sięgają 1000K!
• W stratosferze wynoszą już tylko ok. 2K w tropikalnej W stratosferze wynoszą już tylko ok. 2K w tropikalnej atmosferze na wysokości 50 km oraz 20-25 km.
atmosferze na wysokości 50 km oraz 20-25 km.
• Ogrzewanie stratosfery w czasie wysokiej aktywności Ogrzewanie stratosfery w czasie wysokiej aktywności
słonecznej związane jest ze wzrostem UV oraz sprzężenie słonecznej związane jest ze wzrostem UV oraz sprzężenie
zwrotnym z ozonem, który powoduje pochłanianie tego zwrotnym z ozonem, który powoduje pochłanianie tego
promieniowania.
promieniowania.
• Z oczywistych względów zmiany w stratosferze są wstanie Z oczywistych względów zmiany w stratosferze są wstanie wpływać na warunki panującej w dolnej troposferze. Wpływ wpływać na warunki panującej w dolnej troposferze. Wpływ
wyższych warstw atmosfery na klimat panujący przy wyższych warstw atmosfery na klimat panujący przy
powierzchni ziemi jest ciągle mało poznany ale powierzchni ziemi jest ciągle mało poznany ale
prawdopodobnie jest niewielki.
prawdopodobnie jest niewielki.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Odpowiedź stratosfery Odpowiedź stratosfery
• W stratosferze panuje równowaga radiacyjna to znaczy, W stratosferze panuje równowaga radiacyjna to znaczy, że temperatura powietrza określona jest przez bilans
że temperatura powietrza określona jest przez bilans promieniowania (promieniowanie jest jedynym źródłem promieniowania (promieniowanie jest jedynym źródłem
energii). W troposferze dodatkowe źródła energii energii). W troposferze dodatkowe źródła energii
stanowi konwekcyjny transport ciepła odczuwalnego stanowi konwekcyjny transport ciepła odczuwalnego
oraz utajonego.
oraz utajonego.
• Równowaga radiacyjna ustala się w stratosferze Równowaga radiacyjna ustala się w stratosferze
relatywnie szybko bo w okresie ok. 2-4 miesięcy. Tym relatywnie szybko bo w okresie ok. 2-4 miesięcy. Tym
samym stratosfera może efektywnie odpowiadać na samym stratosfera może efektywnie odpowiadać na
zaburzenia na Słońcu.
zaburzenia na Słońcu.
• Zróżnicowanie promieniowania UV w zależności od Zróżnicowanie promieniowania UV w zależności od szerokości geograficznej prowadzi do kontrastów szerokości geograficznej prowadzi do kontrastów termicznych i zmian w cyrkulacji stratosferycznej.
termicznych i zmian w cyrkulacji stratosferycznej.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Zmiany temperatury stratosfery Zmiany temperatury stratosfery
i zawartości ozonu pomiędzy i zawartości ozonu pomiędzy fazą maksymalną i minimalną fazą maksymalną i minimalną
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Zmiany wiatru strefowego pomiędzy fazą Zmiany wiatru strefowego pomiędzy fazą
maksymalną i minimalną maksymalną i minimalną
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Wpływ na QBO (quasi-biennial oscillation) Wpływ na QBO (quasi-biennial oscillation)
• QBO to cyklicznie zmiany wiatru strefowego w QBO to cyklicznie zmiany wiatru strefowego w
tropikalnej dolnej stratosferze z okresem 28-29 miesięcy tropikalnej dolnej stratosferze z okresem 28-29 miesięcy propagujące się z górnej stratosfery do tropopuzy gdzie propagujące się z górnej stratosfery do tropopuzy gdzie
zaburzenie ulega dyssypacji.
zaburzenie ulega dyssypacji.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
• Aktywność słoneczna wpływa na długość cyklu QBO. Zachodnia Aktywność słoneczna wpływa na długość cyklu QBO. Zachodnia faza QBO jest istotnie dłuższa podczas wysokiej aktywności
faza QBO jest istotnie dłuższa podczas wysokiej aktywności słonecznej niż podczas małej aktywności.
słonecznej niż podczas małej aktywności.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Podczas QBO-W pole Podczas QBO-W pole geopotencjału rośnie ze geopotencjału rośnie ze wzrost aktywności
wzrost aktywności słonecznej
słonecznej
Podczas QBO–E jest na Podczas QBO–E jest na odwrót.
odwrót.
Tym samym aktywność Tym samym aktywność słoneczna oddziaływuje na słoneczna oddziaływuje na intensywność QBO oraz na intensywność QBO oraz na tzw. wir polarny.
tzw. wir polarny.
Wpływ aktywność słonecznej na troposferę Wpływ aktywność słonecznej na troposferę
w tropikach w tropikach
• Zmiany temperatury w górnej Zmiany temperatury w górnej troposferze północnej półkuli troposferze północnej półkuli sięgają 0.2-0.4K
sięgają 0.2-0.4K
• Zauważono silniejsza cyrkulację Zauważono silniejsza cyrkulację Handleya w czasie wysokiej
Handleya w czasie wysokiej aktywności słonecznej oraz aktywności słonecznej oraz przesuwanie się na północ przesuwanie się na północ tropikalnego prądu
tropikalnego prądu strumieniowego.
strumieniowego.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Intensyfikacja cyrkulacji Intensyfikacja cyrkulacji
Hadleya Hadleya
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Cyrkulacja Walkera Cyrkulacja Walkera
• Ostatnie badania pokazują również intensyfikację Ostatnie badania pokazują również intensyfikację cyrkulacji Walkera podczas wysokiej aktywności cyrkulacji Walkera podczas wysokiej aktywności
słonecznej.
słonecznej.
• Tym samym cyrkulacja Hadleya na zachodnim Pacyfiku Tym samym cyrkulacja Hadleya na zachodnim Pacyfiku zwiększa się zaś na wschodnim słabnie podczas
zwiększa się zaś na wschodnim słabnie podczas maksimum aktywności słonecznej.
maksimum aktywności słonecznej.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Anomalie temperatury Anomalie temperatury
i opadów podczas i opadów podczas
maksimum aktywności maksimum aktywności
słonecznej słonecznej
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Zmiany w szerokościach umiarkowanych Zmiany w szerokościach umiarkowanych
i wysokich i wysokich
• (a) zmiany ciśnienia (a) zmiany ciśnienia
atmosferycznego (linie) oraz atmosferycznego (linie) oraz temperatury (skala kolorów) temperatury (skala kolorów)
(b) te same anomalie (b) te same anomalie
związane z NOA (oscylacją związane z NOA (oscylacją
północnoatlantycką) północnoatlantycką)
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Oscylacja północno atlantycka NAO Oscylacja północno atlantycka NAO
29.11.21 29.11.21
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/mete www.igf.fuw.edu.pl/mete o/stacja
o/stacja
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Związek aktywności słonecznej Związek aktywności słonecznej
z indeksem NAO z indeksem NAO
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Symulacje klimatyczne Symulacje klimatyczne
• Symulacja klimatyczna odpowiedzi systemu na zaburzenie Symulacja klimatyczna odpowiedzi systemu na zaburzenie związane ze wzrostem promieniowania słonecznego ukazuje związane ze wzrostem promieniowania słonecznego ukazuje
znaczące ocieplenie w obszarach polarnych pól. N i znaczące ocieplenie w obszarach polarnych pól. N i
ochłodzenie w rejonach polarnych pół. S.
ochłodzenie w rejonach polarnych pół. S.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
• Prawdopodobnie dość Prawdopodobnie dość
skomplikowany mechanizm skomplikowany mechanizm
sprzężeń zwrotnych sprzężeń zwrotnych
odpowiada za taki stan rzeczy.
odpowiada za taki stan rzeczy.
• Symulacje modelami klimatu Symulacje modelami klimatu pokazują oddziaływanie
pokazują oddziaływanie aktywności słonecznej na aktywności słonecznej na
indeks NAO.
indeks NAO.
• NOA odpowiada na zaburzenie NOA odpowiada na zaburzenie po bardzo długim okresie
po bardzo długim okresie czasu (ok. 20-50 lat).
czasu (ok. 20-50 lat).
Propagacja długookresowych zaburzeń - hipoteza Propagacja długookresowych zaburzeń - hipoteza
1. 1.
Wzrost aktywność słonecznej niemal natychmiastowo zwiększa cyrkulacje Walkera i Wzrost aktywność słonecznej niemal natychmiastowo zwiększa cyrkulacje Walkera i konwekcje w północnej ITCZkonwekcje w północnej ITCZ
2. 2.
Powolny transport anomalnie ciepłych wód tropikalnych oceanu spokojnego poprzez Powolny transport anomalnie ciepłych wód tropikalnych oceanu spokojnego poprzez cyrkulację podzwrotnikowe do północnego Pacyfiku w okresie kilku dziesięcioleci.cyrkulację podzwrotnikowe do północnego Pacyfiku w okresie kilku dziesięcioleci.
3. 3.
Po ustąpieniu zaburzenia słonecznego anomalia SST zanika w rejonie równika po Po ustąpieniu zaburzenia słonecznego anomalia SST zanika w rejonie równika po około 30-40 latachokoło 30-40 latach
4. 4.
Co prowadzi do południkowego gradientu SST w tropikach i przesuwania się ITCZ na Co prowadzi do południkowego gradientu SST w tropikach i przesuwania się ITCZ na północ.północ.
5. 5.
Prowadzi to do wzrostu konwekcji w północnych rejonie tropikalnym oceanu Prowadzi to do wzrostu konwekcji w północnych rejonie tropikalnym oceanu spokojnego co powoduje dodatni ą anomalię ciśnienia na północnym Pacyfiku.spokojnego co powoduje dodatni ą anomalię ciśnienia na północnym Pacyfiku.
6. 6.
Ta anomalia propaguje się za pośrednictwem prądu strumieniowego na ocean Ta anomalia propaguje się za pośrednictwem prądu strumieniowego na ocean Atlantycki powodując ok. 40 letnie opóźnienie w stosunku do zaburzeniaAtlantycki powodując ok. 40 letnie opóźnienie w stosunku do zaburzenia słonecznego.
słonecznego.
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Mechanizmy oddziaływania Słońca na NOA Mechanizmy oddziaływania Słońca na NOA
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Wpływ wiatru słonecznego i promieniowania kosmicznego
Wiatr słoneczny powoduje:
Wiatr słoneczny powoduje:
• jonizację tlenu i azotu w górnej atmosferze. jonizację tlenu i azotu w górnej atmosferze.
• powstające cząsteczki NO powstające cząsteczki NO
xxprzyczyniają się do niszczenia przyczyniają się do niszczenia warstwy ozonowej
warstwy ozonowej
Promieniowanie kosmiczne:
Promieniowanie kosmiczne:
• hipoteza wpływu na zachmurzenie niskich chmur hipoteza wpływu na zachmurzenie niskich chmur
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Hipoteza oddziaływania promieniowania kosmicznego na chmury
• promieniowanie kosmiczne powoduje jonizację, która przyczynia się to wzrostu nukleacji aerozolu
• część aerozolu stanowi jądra kondesacji CCN, które tworzą chmury
• teoretycznie, wzrost
promieniowania kosmicznego może prowadzić do wzrostu zachmurzenia
• nie ma co do tego konsensusu naukowego. Mechanizm ten jest słabo poznany.
E. J. Snow-Kropla et al. 2011
Wg wielu naukowców badania Marsha i Svensmarka [2003] nie
mają potwierdzenia w pomiarach.
Antykorelacja promieniowania kosmicznego z Antykorelacja promieniowania kosmicznego z
promieniowaniem słonecznym promieniowaniem słonecznym
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Korelacja zachmurzenia Korelacja zachmurzenia
z promieniowaniem z promieniowaniem
kosmicznym kosmicznym
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
Naciągane dane Marsh i Svensmarka z 2003
Oddziaływanie słońca na system klimatyczny Oddziaływanie słońca na system klimatyczny
Podsumowanie Podsumowanie
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja