• Nie Znaleziono Wyników

Fizyka Procesów Klimatycznych Wykład 1

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Fizyka Procesów Klimatycznych Wykład 1"

Copied!
41
0
0

Pełen tekst

(1)

Fizyka Procesów Klimatycznych Wykład 1

Krzysztof Markowicz

Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

kmark@igf.fuw.edu.pl

(2)

2

Uwagi ogólne

• Kod przedmiotu: 1103-5 FPK

• Liczba punktów ETCS: 3

• Nazwa przedmiotu: Fizyka Procesów Klimatycznych

• Prowadzący: Szymon Malinowski Krzysztof Markowicz,

• Termin: semestr letni, środa, godz. 15.15, sala 104a

• Forma zaliczenia: prace domowe, testy sprawdzające

(3)

Plan wykładów

1. Podstawowe pojęcia: system klimatyczny, procesy klimatyczne, anomalie pogodowe i klimatyczne

2. Bilans energetyczny planety. Wymuszanie radiacyjne. Sprzężenia dodatnie i ujemne w systemie klimatycznym. Czułość klimatu

3. Efekt cieplarniany

4. Równowaga radiacyjna i radiacyjno-konwekcyjna 5. Prosty model klimatu

6. Historia fizyki klimatu

7. Systemy obserwacji parametrów klimatu. Bazy danych, serie pomiarowe.

8. Modele pogody i klimatu

9. Bilans energii w różnych szerokościach geograficznych.

10. Transport ciepła, ogólna cyrkulacja atmosfery i oceanu.

11. Rola atmosfery i oceanu, sprzężenia pomiędzy nimi 12. Zmienność naturalna

13. Chmury i aerozole w systemie klimatycznym.

14. Cykl węglowy, cykle astronomiczne 15. Paleoklimatologia, cykle Milankovica

16. Globalne ocieplenie na tle paleoklimatologii

17. V Raport IPCC. 3

(4)

Materiały do wykładu

• http://www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/wyklady/klimat Literatura

• David Randall: Atmosphere, Clouds, and Climate, 2012, ISBN:

9780691143750

• Geoffrey K. Vallis: Climate and the Oceans, 2011, ISBN:

9780691150284

• David Archer: The Global Carbon Cycle, 2010, ISBN:

9780691144146

• Raymond T. Pierrehumbert: Principles of Planetary Climate, 2011, ISBN: 9780521865562

• WORKING GROUP I CONTRIBUTION TO THE IPCC FIFTH ASSESSMENT REPORT CLIMATE CHANGE 2013: THE

PHYSICAL SCIENCE BASIS http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1

4

(5)

Badania klimatu

monitoring zmienności

wymuszanie

odpowiedz

predykcja

konsekwencje

(6)

Co dzieje się z klimatem ?

IPCC, 2013

(7)

Zmiany klimatyczne w Polsce

http://meteomodel.pl/klimat/poltemp/rok.png http://meteomodel.pl/klimat/poltemp/poltemp.txt

(8)

http://meteomodel.pl/klimat/poltemp/rok.png

(9)

IPCC, 2013

Główne wymuszenia

klimatyczne

(10)

Pogoda i klimat.

• Pogoda – chwilowy stan atmosfery opisywany przez wielkości fizyczne takie jak: temperatura powietrza, ciśnienie atmosferyczne, wilgotność, natężenie

promieniowania słonecznego, prędkość i kierunek wiatru, stopień i rodzaj zachmurzenie, opady itd.

• Klimat – charakterystycznych dla danego obszaru przebieg warunków atmosferycznych określony na podstawie długoletnich (minimum 30-sto letnich) obserwacji.

• Różnice pomiędzy pogodą a klimatem doskonale opisuje zdanie: „Climate is what you expect, weather is what you get".

10

(11)

Klimat - definicja fizyczna

• W ujęciu fizycznym klimat zdefiniowany jest poprzez statystykę stanów atmosfery.

• Klimat definiuje się przez pojęcia statystyczne takie jak średnia, wariancja, odchylenie standardowe, momenty wyższych rzędów, kwantyle czy funkcję gęstości

prawdopodobieństwa.

• Znajomość statystki stanów atmosferycznych pozwala nam

określić jakich warunków atmosferycznych należy oczekiwać w danym okresie czasu, np. jakie jest prawdopodobieństwo, że średnia temperatura jakiegoś miesiąca w przyszłości będzie w przedziale od -3 do -4

o

C.

• Można to zrobić przy założeniu, że funkcja gęstości nie zmienia się w czasu (brak zmian klimatycznych).

• Z matematycznego punktu widzenia oznacza to, że mamy do

czynienia ze stacjonarnym procesem losowym.

(12)

Przykład

Stacja A: średnia temperatura stycznia dla kilku kolejnych lat: 7.1, 8.3, 8.7,7.9, 8.0

Stacja B: średnia temperatura stycznia dla kilku kolejnych

lat: -7.5, 0.3, -2.0 , 0.7, -3.5

(13)

Przykład procesu stochastycznego

Proces stochastyczny to rodzina funkcji zależnych od

zmiennej (często czasu t) i parametru losowego C: (t,C) gdzie, parametr losowy C należy rozumieć jako zmienną losową o pewnej dystrybuancie. Wartości procesu

losowego są zdarzeniami losowymi

Jako proces stochastyczny możemy uważać zmiany czasowe dowolnego parametru stanu atmosfery (np. temperatury) w pewnym okresie czasu np. T(t,C)

Jeśli rozważymy przebiegi średniej miesięcznej temperatury stycznia w okresie 30 lat to mamy 30 realizacji a każdy z nich występuje z prawdopodobieństwem 1/30, czyli a za parametr C możemy przyjąć numer kalendarzowy roku.

Proces stacjonarny to proces stochastyczny, którego

wszystkie momenty (statystyki) są stałe (nie zależą od

translacji w czasie).

(14)

Anomalie pogodowe i klimatyczne

• Czyli odchylenie od wartości średniej (przeciętej)

• Pojęcie to stosowane jest często do analizy zmienności warunków pogodowych

• Z definicji tej wielkości wynika, że praktycznie każdego dnia doświadczamy anomalii pogodowych

Czy anomalie pogodowe świadczą o zmianach klimatu?

• Nie, gdyż anomalie są naturalnie związanie z klimatem

• Dopiero gdy anomalia utrzymuje się przez odpowiedni długi okres czasu (30 lat) może to świadczyć o zmianach klimatycznych. Wówczas nie mówimy już o anomalii

pogodowej lecz anomalii klimatycznej

(15)

Anomalie c.d.

• Czy chłodne lato jakiegoś roku może dowodzić, że nie mamy do czynienia z globalnym ociepleniem?

• Czy śnieżna i mroźna zima jakiegoś roku może być dowodem na brak globalnego ocieplenia?

• Odpowiedz na te pytania nasuwa się sama gdy

przeanalizujemy rozkłady prawdopodobneństwa

temperatury.

(16)

http://www.skepticalscience.com/Review-Rough-Winds-Extreme-Weather-Climate-Change-James-Powell.html

(17)

Dygresja: Oscylacja Północno Atlantycka NOA

Faza dodatni – łagodne ale dynamiczne zimy w Polsce

Faza ujemna – surowe zimy

w Polsce

(18)

Indeks NAO w ostatnich miesiącach

http://www.cpc.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao.mrf.obs.gif

(19)

System klimatyczny

• System klimatyczny to złożony układ składający się z pięciu elementów: atmosfera, hydrosfera, kriosfera,

biosfera i powierzchnia ziemi w którym zachodzą interakcje między nimi.

• System klimatyczny jest pod wpływem wewnętrznej dynamiki oraz zewnętrznych zaburzeń (np. aktywność Słoneczna).

19

(20)

Składniki systemu klimatycznego

połączenie połączenie chaotyczne chaotyczne

nieliniowe

nieliniowe

Dynamika atmosfery i oceanuDynamika atmosfery i oceanu Obieg węgla

Obieg węgla Obieg wody i energiiObieg wody i energii

Reakcje chemiczne Reakcje chemiczne w atmosferze

w atmosferze

(21)

Atmosfera i ...

Litosfera

Oceany

Biosfera

Kriosfera

(22)

atmosfera

intensywne rozpraszanie promieniowania

słabe rozpraszanie promieniowania

(23)

Atmosfera

• Masę atmosfery 5.3·10

15

t.

• Połowa całej masy atmosfery mieści się w warstwie od powierzchni Ziemi do 5.5 km

• 75% - do 10,5 km

• 90% - do 20 km

• 99% - do 35 km.

• Gdyby sprężyc całą atmosferę do gęstości panującej przy powierzchni ziemi wówczas jej grubość

wynosiłaby około 7.8 km.

(24)

Skład atmosfery gazy stałe

Gaz Symbol %

objętości Dlaczego ważny?

Azot N

2

78,08 biosfera

Tlen O

2

21 Pochłanianie UV,

oddychanie

Argon Ar 0,9 Gaz nieaktywny, właściwie

nieistotny

(25)

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

Skład atmosfery - Gazy zmienne

Gaz Symbol %

objętości Dlaczego ważny?

Para wodna H

2

O 0-4

Transport ciepła, gaz

cieplarniany, uczestniczy w tworzeniu różnych zjawisk (chmury)

Dwutlenek węgla CO

2

0,036

Gaz cieplarniany, biosfera (fotosynteza)

Metan CH

4

0,00017

Gaz cieplarniany, bardziej wydajny niż CO2

Tlenek azotu N

2

O 0,00003

Gaz cieplarniany

Ozon O

3

0,000004

Warstwa ozonowa, pochłania UV

Cząstki stałe

(pyły, sadze), tzw aerozole

0,000001

Budżet energii; tworzenie chmur

(26)

Budowa atmosfery

• Za umowną granicę przyjmuje się pierwsze 100 km. Jednak atmosfera sięga dużo wyżej.

• Warstwa do 100 km nosi nazwę homosfery charakteryzującą się stałym składem

chemicznym (z wyjątkiem pary wodnej i tzw.

gazów śladowych),

• Warstwa po wyżej 100 km nosi nazwę

heterosfery. Występuje w niej zmienny skład

chemicznym gazów atmosferycznych.

(27)

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

Rozkład śladowych gazów w atmosferze

Homosfera z<100 km

Heterosfera z>100 km

(28)

Podział atmosfery

(29)

Hydrosfera

• Hydrosfera - jedna z geosfer, ogół wód na Ziemi - wody podziemne, powierzchniowe wraz z rzekami, jeziorami, lodowcami, morzami i oceanami, a także parą wodną w powietrzu.

• Hydrosferę można podzielić na dwie części: oceanosferę i wody na lądach.

• W większości hydrosferę tworzą wody słone, bo aż 97.5%.

Słodka woda to 2.5%.

• 2/3 wody słodkiej skoncentrowane jest w lodowcach, trwałej pokrywie śnieżnej i wiecznej zmarzlinie w

Antarktyce, Arktyce i w wysokich górach. Pozostała część

wody słodkiej przypada na wody podziemne, jeziora, rzeki.

(30)

Oceany

• Wody słone to główne oceany. Pokrywają one 70.8%

powierzchni Ziemi. Przy czym na półkuli południowej pokrywają 81% a na północnej 61%.

• Średnia głębokość to 3711 metra.

• Średnie zasolenie wód wynosi ok. 35‰ i waha się w granicach: 34.5‰ w okolicach równika, 38‰ w strefie około zwrotnikowej, 30‰ w strefie okołobiegunowej.

30

(31)

Struktura pionowa oceanów

• warstwa mieszania

• warstwa przejściowa – termoklina

• głębia oceaniczna

31

(32)

Różnice pomiędzy oceanem a atmosferą

• Woda ma około 4 większą pojemność cieplną

• Masa całej atmosfery jest równoważna około 10-cio metrowej warstwie wody.

• Atmosfera podgrzewana jest (przez promieniowanie

słoneczne) od dołu (od powierzchni Zimie) podczas gdy woda podgrzewana jest od góry. Ma to znaczenie dla rozwoju konwekcji w atmosferze i oceanach.

32

(33)

Interakcje pomiędzy atmosferą a oceanem

Wymiana:

• energii

• pędu

• pary wodnej

• dwutlenku węgla

• soli morskiej (produkcja aerozolu morskiego)

33

(34)

Kriosfera

• powłoka lodowa obejmująca warstwę od górnej troposfery do dolnej granicy gruntów przemarzniętych (wieloletniej

zmarzliny).

• do kriosfery należą lody: morskie, lodowców, lądolodów, wieloletniej zmarzliny i śniegi występujące stale w wysokich górach i na obszarach okołobiegunowych oraz okresowo na znacznych obszarach strefy umiarkowanej.

• kriosfera wchodzi w ścisły związek z litosferą, atmosferą i hydrosferą

• lodowce pokrywają dziś ok 10-11% powierzchni wszystkich lądów

• gdyby stopiła się cała kriosfera poziom oceanu podniósł by

się o około 70m (wg National Snow and Ice Data Center)

(35)

Rola kriosfery w systemie klimatycznym

• wpływa na poziom światowego oceanu

• wpływa na bilans energii (wysokie albedo śniegu i lodu)

• wpływa na cyrkulację oceaniczną w wysokich szerokościach geograficznych

• być może wpływa na cyrkulację atmosferyczną w niskich szerokościach (np. monsun letni w Indiach)?

• bierze udział w szeregu sprzężeń zwrotnych w systemie

klimatycznym

(36)

Biosfera

• Strefa kuli ziemskiej zamieszkana przez organizmy żywe, w której odbywają się procesy ekologiczne.

• Biosfera obejmuje powietrze, ląd i wodę.

• Biosfera obejmuje około:

4 km n.p.m. - atmosfera 300 m p.p.m. - hydrosfera

40 cm w głąb ziemi - litosfera

(37)

Rola biosfery w systemie klimatycznym

• Obieg węgla, produktywności biosfery

• Wpływ na bilans energii, wymianę pary wodnej (transpiracja)

• Emisja DMS będącego prekursorem aerozoli

Charlson et al. (Nature, 326:655-661, 1987)

(38)

Litosfera

• zewnętrzna sztywna powłoka Ziemi obejmująca skorupę ziemską i warstwę perydotytową zaliczaną do górnej

części płaszcza ziemskiego.

• miąższość litosfery wynosi od ok. 10-100 km a jej temperatura dochodzi do 700°C.

• wyróżnia się dwa zasadnicze rodzaje litosfery:

kontynentalną i oceaniczną.

(39)

Rola litosfery w systemie klimatycznym

• Rzeźba powierzchni Ziemi i jej budowa wpływają na przebieg procesów zachodzących w atmosferze i hydrosferze (głównie cyrkulacja) różnicując strefowy układ tych elementów środowiska

• Litosfera ma wpływ na bilans energetyczny planety (poprzez albedo).

• Strumienia ciepła geotermalnego litosfery ma

zaniedbywalny wpływ na globalny bilans energetyczny!

(40)

Procesy klimatyczne

• To procesy fizyczne zachodzące w atmosferze i oceanach prowadzące do zmian klimatu.

• Determinują one 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.

(41)

Albedo+

Strumień ciepła

utajonego i odczuwalnego

Ocean T+

Podwojenie

koncentracji CO

2

Promieniowanie słoneczne

T-

ujemne sprzężenie zwrotne

Przykład sprzężenia zwrotnego w systemie klimatycznym

Ziemi-Atmosfera

Cytaty

Powiązane dokumenty

• Bilans energetyczny całej planty określony jest przez strumień promieniowania słonecznego padającego i odbijanego przez atmosferę oraz promieniowania długofalowe emitowane przez

• Pozawala to w pewien sposób zmodyfikować założenie, że stała czasowa systemu klimatycznego związana jest tylko z warstwą mieszania.. • Tak, więc jedynym źródłem energii

Pozawala to w pewien sposób zmodyfikować założenie, że stała czasowa systemu klimatycznego związana jest tylko z warstwą mieszania.. Jedynym źródłem energii w głębszej

(2014) (thick black lines) is compared to simulated grounding line retreat in one of the ensemble members for the Last.. Interglacial (LIG,

The Hadley circulation is driven mostly from the subtropics through cooling by transient baroclinic waves in storm tracks at mid-lats.. This is reason Hadley circulation varies

Każde podwojenie koncentracji CO 2 wprowadza taką samą zmianę..

zabsorbowanej przez planetę a strumieniem energii promieniowania termicznego planety emitowanego w kosmos po dostosowaniu się temperatur w atmosferze, wilgotności i chmur,

Przykłady: zmiany albedo wskutek zmian zlodzenia czy zmiany zawartości pary wodnej w powietrzu wskutek zmian