Podstawy fizyczne zmian Podstawy fizyczne zmian klimatu Ziemi. klimatu Ziemi.

(1)

Podstawy fizyczne zmian Podstawy fizyczne zmian

klimatu Ziemi.

dr Krzysztof Markowicz dr Krzysztof Markowicz

Instytut Geofizyki Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski Uniwersytet Warszawski

kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl

(2)

O czym będzie mowa?

•

Pojęcie klimatuPojęcie klimatu

•

Fizycznych podstawach promieniowaniaFizycznych podstawach promieniowania

•

Bilansie promieniowania w atmosferzeBilansie promieniowania w atmosferze

•

Fizycznych podstawach zmian klimatuFizycznych podstawach zmian klimatu

•

Badaniu zmian klimatycznychBadaniu zmian klimatycznych

•

Wyniki badańWyniki badań

•

Prognozy na przyszłośćPrognozy na przyszłość

(3)

IPCC -

IPCC - Intergovernmental Panel Intergovernmental Panel on Climate Change

on Climate Change

Międzyrządowy Panel do spraw zmian klimatu Międzyrządowy Panel do spraw zmian klimatu

• Założony w 1988 roku przez Założony w 1988 roku przez World Meteorological World Meteorological Organization (WMO)

Organization (WMO) oraz oraz United Nations Environment United Nations Environment Programme (UNEP)

Programme (UNEP) w celu oszacowania ryzyka zmian w celu oszacowania ryzyka zmian klimatu związanych z rozwojem cywilizacyjnym.

klimatu związanych z rozwojem cywilizacyjnym.

• Głównym zadaniem IPCC jest wydawanie raportów Głównym zadaniem IPCC jest wydawanie raportów dotyczących zmian klimatu w oparciu o publikacje w dotyczących zmian klimatu w oparciu o publikacje w czasopismach naukowych.

czasopismach naukowych.

• Raporty te są wnikliwie i szczegółowo recenzowane. Raporty te są wnikliwie i szczegółowo recenzowane.

• IPCC nie jest komórka badającą i prowadząca monitoring IPCC nie jest komórka badającą i prowadząca monitoring

(4)

Raporty IPCC Raporty IPCC

• IPCC wydał jak do tej pory 4 raporty w latach 1990, IPCC wydał jak do tej pory 4 raporty w latach 1990, (suplement w 1992), 1995, 2001, 2007.

(suplement w 1992), 1995, 2001, 2007.

Ostatni raport Ostatni raport

• Working Group I Report (WGI): Climate Change 2007: The Working Group I Report (WGI): Climate Change 2007: The Physical Science Basis.

Physical Science Basis.

• Working Group II Report (WGII): Climate Change 2007: Working Group II Report (WGII): Climate Change 2007:

Impacts, Adaptation and Vulnerability Impacts, Adaptation and Vulnerability

• Working Group III Report (WGIII): Climate Change 2007: Working Group III Report (WGIII): Climate Change 2007:

Mitigation of Climate Change Mitigation of Climate Change

• The Synthesis Report (SYR) The Synthesis Report (SYR)

Summary for Policymakers (SPM)

Summary for Policymakers (SPM) Luty 2007Luty 2007 WGI report

WGI report opublikowany w marcu 2007 opublikowany w marcu 2007

11/29/21 11/29/21

Krzysztof Markowicz Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl

(5)

Główne wioski raportu IPCC, 2007 Główne wioski raportu IPCC, 2007

• Warming of the climate system is unequivocal. Warming of the climate system is unequivocal.

• Most of (>50% of) the observed increase in globally averaged Most of (>50% of) the observed increase in globally averaged temperatures since the mid-20th century is

temperatures since the mid-20th century is very likely very likely ((confidence level confidence level

>90%

>90%) due to the observed increase in anthropogenic (human) ) due to the observed increase in anthropogenic (human) greenhouse gas concentrations.

greenhouse gas concentrations.

• Hotter temperatures and rises in sea level "would continue for centuries" Hotter temperatures and rises in sea level "would continue for centuries"

even if greenhouse gas levels are stabilized

even if greenhouse gas levels are stabilized,, although the likely amount although the likely amount of temperature and sea level rise varies greatly depending on the fossil of temperature and sea level rise varies greatly depending on the fossil

intensity of human activity during the next century intensity of human activity during the next century ..

• The probability that this is caused by natural climatic processes alone is The probability that this is caused by natural climatic processes alone is less than

less than 5%5%. .

(6)

Główne wioski raportu IPCC, 2007 cd.

• World temperatures could rise by between 1.1 and 6.4 °C during the World temperatures could rise by between 1.1 and 6.4 °C during the 21st century and that:

21st century and that:

– Sea levels will probably rise by 18 to 59 cmSea levels will probably rise by 18 to 59 cm

– There is a confidence level >90% that there will be more frequent There is a confidence level >90% that there will be more frequent warm spells, heat waves and heavy rainfall.

warm spells, heat waves and heavy rainfall.

– There is a confidence level >66% that there will be an increase in There is a confidence level >66% that there will be an increase in droughts, tropical cyclones and extreme high tides.

droughts, tropical cyclones and extreme high tides.

• Both past and future anthropogenic carbon dioxide emissions will Both past and future anthropogenic carbon dioxide emissions will continue to contribute to warming and sea level rise for more than a continue to contribute to warming and sea level rise for more than a

millennium.

• Global atmospheric concentrations of carbon dioxide, methane, and Global atmospheric concentrations of carbon dioxide, methane, and nitrous oxide have increased markedly as a result of human activities nitrous oxide have increased markedly as a result of human activities

since 1750 and now far exceed pre-industrial values over the past since 1750 and now far exceed pre-industrial values over the past

650,000 years 650,000 years

11/29/21 11/29/21

(7)

Klimat definicje Klimat definicje

• Średnia pogoda panująca w danym miejscu.Średnia pogoda panująca w danym miejscu.

• Średni przebieg warunków atmosferycznych Średni przebieg warunków atmosferycznych

charakterystyczny dla danego obszaru i określony na charakterystyczny dla danego obszaru i określony na

podstawie 30 letnich serii pomiarowych.

Przykład 1 Przykład 1

• Stacja A: średnia temperatura roczna 8 Stacja A: średnia temperatura roczna 8 ^o^oC C (średnia stycznia 5

(średnia stycznia 5 ôôC, średnia lipca 11 C, średnia lipca 11 ôôC)C)

• Stacja B: średnia temperatura roczna 8 Stacja B: średnia temperatura roczna 8 ^o^oC C (średnia stycznia -3

(średnia stycznia -3 ôôC, średnia lipca 19 C, średnia lipca 19 ôôC)C)

(8)

Definicja klimatu wg IPCC Definicja klimatu wg IPCC

• ^Climate^Climate in a narrow sense is usually defined as the “average in a narrow sense is usually defined as the “average weather”, or more rigorously, as the statistical description in weather”, or more rigorously, as the statistical description in terms of the mean and variability of relevant quantities over terms of the mean and variability of relevant quantities over a period of time ranging from months to thousands or

a period of time ranging from months to thousands or millions of years.

millions of years.

The classical period is 30 years, as defined by the World The classical period is 30 years, as defined by the World Meteorological Organization

Meteorological Organization.. These quantities are most often These quantities are most often surface variables such as temperature, precipitation, and

surface variables such as temperature, precipitation, and wind.

wind.

• ^Climate^Climate in a wider sense is the state, including a statistical in a wider sense is the state, including a statistical description, of the climate system.

description, of the climate system.

• The main difference between climate and everyday weather The main difference between climate and everyday weather is best summarized by the popular phrase

is best summarized by the popular phrase "Climate is what "Climate is what you expect, weather is what you get

you expect, weather is what you get””

11/29/21 11/29/21

(9)

Przykład 2

Stacja A: średnia temp stycznia dla kilku kolejnych lat: 7.1, 8.3, 8.7,7.9, 8.0 Stacja B: średnia temp stycznia dla kilku kolejnych lat: -7.5, 0.3, -2.0 , 0.7, -3.5

(10)

11/29/21 11/29/21

Klimat, definicja fizyczna Klimat, definicja fizyczna

• Klimat to pojecie statystyczne i bardziej złożone. Klimat to pojecie statystyczne i bardziej złożone.

Zdefiniowany jest przez pojęcia statystyczne a nie tylko Zdefiniowany jest przez pojęcia statystyczne a nie tylko

przez wartości

przez wartości średnieśrednie. Wielkościami tymi są: . Wielkościami tymi są:

wariancja

wariancja (miara odchylenia od wartości średniej) (miara odchylenia od wartości średniej) odchylenie sztandarowe

odchylenie sztandarowe kwantyle

kwantyle (np. prawdopodobieństwo, że średnia (np. prawdopodobieństwo, że średnia

temperatura stycznia 2008 roku będzie niższa niż -4C) temperatura stycznia 2008 roku będzie niższa niż -4C)

prawdopodobieństwo prawdopodobieństwo

Ostatnia wielkość określa np. jakie jest Ostatnia wielkość określa np. jakie jest

prawdopodobieństwo że średnia temperatura lutego 2009 prawdopodobieństwo że średnia temperatura lutego 2009

roku będzie w przedziale od -3 do -4 roku będzie w przedziale od -3 do -4 ^o^oCC

(11)

Anomalia Anomalia

• Czyli odchylenie od wartości średniej (przeciętej)Czyli odchylenie od wartości średniej (przeciętej)

• Pojecie stosowane często w klimatologii do analizy Pojecie stosowane często w klimatologii do analizy zmienności warunków pogodowych.

zmienności warunków pogodowych.

Czy anomalie pogodowe świadczą o zmianach klimatu Czy anomalie pogodowe świadczą o zmianach klimatu

• Nie, gdyż anomalie są naturalnie związanie z klimatem. Nie, gdyż anomalie są naturalnie związanie z klimatem.

• Dopiero gdy anomalia utrzymuje się przez odpowiedni Dopiero gdy anomalia utrzymuje się przez odpowiedni długi okres czasu (30 lat) może to świadczyć o zmianach długi okres czasu (30 lat) może to świadczyć o zmianach

klimatycznych.

(12)

11/29/21 11/29/21

Anomalie cd.

• Czy w dobie globalnego ocieplenia możemy spodziewać się Czy w dobie globalnego ocieplenia możemy spodziewać się chłodnych zim?

chłodnych zim?

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

mamy do czynienia z globalnym ociepleniem?

(13)

Badania klimatu

monitoring zmienności

wymuszanie

odpowiedz

konsekwencje

(14)

Składniki systemu klimatycznego 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

(15)

Monitoring zmian klimatycznych Monitoring zmian klimatycznych

• Naziemna siec pomiarowaNaziemna siec pomiarowa

• Pomiary oceaniczne (statki, dryftery, platformy)Pomiary oceaniczne (statki, dryftery, platformy)

• Pomiary aerologiczne w swobodnej atmosferzePomiary aerologiczne w swobodnej atmosferze

• Pomiary satelitarne Pomiary satelitarne

(16)

11/29/21 11/29/21

Zmiany temperatury w ostatnim

tysiącleciu – mała epoka lodowa

(17)

Zmiany Globalne Zmiany Globalne

w XX wieku w XX wieku

(18)

(19)

Problem z danymi satelitarnymi – koronny Problem z danymi satelitarnymi – koronny argument przeciwników globalnego ocieplenia argument przeciwników globalnego ocieplenia

Do 2004 roku analizy danych Do 2004 roku analizy danych satelitarnych nie potwierdzały satelitarnych nie potwierdzały globalnego ocieplania dolnych globalnego ocieplania dolnych

warstw atmosfery.

Popełniono błąd podczas Popełniono błąd podczas

analizy danych.

Skorygowane dane pokazują Skorygowane dane pokazują

(20)

11/29/21 11/29/21

Anomalie temperatury powierzchni Atlantyku w Anomalie temperatury powierzchni Atlantyku w

obszarze tropikalnym obszarze tropikalnym

(21)

Zmiany pary wodnej w atmosferze

(22)

11/29/21 11/29/21

Trend zachmurzenia Trend zachmurzenia

+1.4% (obserwacje naziemne) +2 % ISCCP (klimatologia satelitarna)

(23)

Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery

(24)

11/29/21 11/29/21

Zmiany w kriosferze

(25)

Zmiany poziomu oceanów

(26)

11/29/21 11/29/21

Zmiany rocznych sum opadów

(27)

Globalne ocieplenie a ochłodzenie stratosferyczne Globalne ocieplenie a ochłodzenie stratosferyczne

dane aerologiczne

dane aerologiczne dane satelitarne

(28)

Zmiany klimatu w Polsce Zmiany klimatu w Polsce

11/29/21 11/29/21

Zmiany temperatury w Polsce za ostatnie 50 lat pokazują , że

klimat się ociepla!

(29)

Obserwuje się rosnący trend prędkości wiatru i silniejszą

cyrkulację strefowa.

(30)

11/29/21 11/29/21

Zmiany albeda planetarnego nad Polską pokazują, że w ostatnich 20-latach

atmosfera pochłania 1-2% więcej promieniowania słonecznego

(31)

Tendencja spadkowa całkowitej zawartości pary wodnej w atmosferze.

(32)

11/29/21 11/29/21

Procesy klimatyczne Procesy klimatyczne

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

nich obieg ociepla, cykl hydrologiczny oraz cyrkulację nich obieg ociepla, cykl hydrologiczny oraz cyrkulację

powietrza.

• Determinują one zmiany naturalne i antropogeniczne Determinują one zmiany naturalne i antropogeniczne systemu klimatycznego oraz jego odpowiedz na

systemu klimatycznego oraz jego odpowiedz na zaburzenia (np. wzrost koncentracji gazów

zaburzenia (np. wzrost koncentracji gazów cieplarnianych) .

cieplarnianych) .

• Ważnym pojęciem w systemie klimatycznym są Ważnym pojęciem w systemie klimatycznym są

sprzężenia zwrotne, które związane są z procesami sprzężenia zwrotne, które związane są z procesami

klimatycznymi. Zwiększają (sprzężenie dodatnie) lub klimatycznymi. Zwiększają (sprzężenie dodatnie) lub zmniejszają (sprzężenie ujemne) zmiany w układzie zmniejszają (sprzężenie ujemne) zmiany w układzie

wywołane pierwotnym zaburzeniem.

(33)

Albedo+

Strumień ciepła utajonego i odczuwalnego

Podwojenie koncentracji CO₂

Promieniowani e słoneczne

ujemne sprzężenie

Przykład sprzężenia zwrotnego w systemie

klimatycznym Ziemi-Atmosfera

(34)

11/29/21 11/29/21

Przyczyny zmian klimatu Przyczyny zmian klimatu

• Efekt cieplarnianyEfekt cieplarniany

• Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni)Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni)

• Zmiany cyrkulacji oceanicznejZmiany cyrkulacji oceanicznej

• Wybuchy wulkanów Wybuchy wulkanów

• Zmienność aktywności słońcaZmienność aktywności słońca

• Zmiany w ozonosferzeZmiany w ozonosferze

Przyczyny długookresowe

Zmienność orbity ziemskiej Dryf kontynentów

Zmiany składu atmosfery

(35)

Ziemia i atmosfera jest w stanie równowagi Ziemia i atmosfera jest w stanie równowagi

klimatycznej określonej przez energie dostarczaną przez klimatycznej 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 wymuszania radiacyjnego.

(36)

Promieniowanie Promieniowanie

• Słoneczne (krótkofalowe): < 4Słoneczne (krótkofalowe): < 4mm Stała słoneczna:

Stała słoneczna: natężenie (moc) promieniowania słonecznego natężenie (moc) promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery, I=1368 Wm

docierającego do górnych granic atmosfery, I=1368 Wm^-2^-2. . Średnia wartość dla całego globu wynosi: 342 Wm

Średnia wartość dla całego globu wynosi: 342 Wm^-2^-2..

• Ziemskie (długofalowe, termiczne): > 4Ziemskie (długofalowe, termiczne): > 4mm

T

4

F  

Prawo Stefana Boltzmanna:

 =5.67x10^-8 [W/K⁴m²]

Dla T=255 K, F=240 Wm-2 Dla T=273 K, F=315 Wm^-2 Dla T=300 K, F=469 Wm-2

(37)

Widmo promieniowania słonecznego i Widmo promieniowania słonecznego i

ziemskiego

(38)

(39)

Absorpcja promieniowania przez poszczególne gazy Absorpcja promieniowania przez poszczególne gazy

zawarte w atmosferze.

(40)

Pochłanianie promieniowania słonecznego Pochłanianie promieniowania słonecznego

w atmosferze w atmosferze

• Atmosfera ziemska jest w pierwszym przybliżeniu Atmosfera ziemska jest w pierwszym przybliżeniu

przeźroczysta dla promieniowania słonecznego. Oznacza to, przeźroczysta dla promieniowania słonecznego. Oznacza to, iż znaczna część promieniowania dociera do powierzchni iż znaczna część promieniowania dociera do powierzchni ziemi.

ziemi.

• Największe odstępstwa od tego prostego modelu występują Największe odstępstwa od tego prostego modelu występują w obszarze ultrafioletu. Promieniowanie UV jest silnie

w obszarze ultrafioletu. Promieniowanie UV jest silnie

pochłaniane przez tlen w wysokich warstwach atmosfery i pochłaniane przez tlen w wysokich warstwach atmosfery i przez ozon w warstwie pomiędzy 20-50 km.

przez ozon w warstwie pomiędzy 20-50 km.

• W wyniku pochłaniana powietrze nagrzewa się w czasie dnia. W wyniku pochłaniana powietrze nagrzewa się w czasie dnia.

• Przy powierzchni Ziemi jedynie para wodna pochłania słabo Przy powierzchni Ziemi jedynie para wodna pochłania słabo promieniowanie słoneczne.

promieniowanie słoneczne.

(41)

Bilans energii w atmosferze

(42)

Dlaczego bilans energii w atmosferze Dlaczego bilans energii w atmosferze

jest ważny?

• Niezerowy bilans energii mówi nam o tym, że dana Niezerowy bilans energii mówi nam o tym, że dana

warstwa powietrza będzie ocieplać się (bilans dodatni) warstwa powietrza będzie ocieplać się (bilans dodatni)

lub ochładzać się (bilans ujemny).

• Im większa różnica pomiędzy energią dostarczoną przez Im większa różnica pomiędzy energią dostarczoną przez warstwę powietrza a energią oddaną tym tempo zmian warstwę powietrza a energią oddaną tym tempo zmian

temperatury powietrza będzie większe.

(43)

F_o/4 T_effσT⁴

F_TOA(R_o, T_eff, T) wymuszenie

R_o /4 F_o stałą słoneczna

Wymuszenie radiacyjne

(44)

11/29/21 11/29/21

Efekt cieplarniany Efekt cieplarniany

Zmiany koncentracji CO

₂₂

(45)

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

T

(46)

Eksperyment I – podwojenie zawartości CO Eksperyment I – podwojenie zawartości CO

₂₂

temperatura radiacyjna

(47)

Eksperyment II – atmosfera obecna w Eksperyment II – atmosfera obecna w

stosunku do pozbawionej CO

₂₂

(48)

Nieliniowy pływ gazów cieplarnianych na bilans energii Nieliniowy pływ gazów cieplarnianych na bilans energii

. .

(49)

Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni ziemi

(50)

11/29/21 11/29/21

Wpływ zmian aktywności Słońca Wpływ zmian aktywności Słońca

Zmiany stałej słonecznej Zmiany stałej słonecznej (pomiary satelitarne)

(pomiary satelitarne)

Zmiany liczby plam słonecznych (pomiary naziemne)

Zmiany są zbyt małe aby wytłumaczyć nimi globalne

ocieplenie obserwowane w drugiej części XX wieku.

Dodatkowo, okres tych zmian krótki w porównaniu ze stałą czasowa systemu klimatycznego aby mogły one prowadzić do istotnych zmian klimatycznych.

(51)

Cykl Milankowicia Cykl Milankowicia

• Zmiany aktywności Słońca nie są jednak jedyną przyczyną zmian Zmiany aktywności Słońca nie są jednak jedyną przyczyną zmian stałej słonecznej.

stałej słonecznej.

• Na wartość natężenia promieniowania słonecznego na zewnątrz Na wartość natężenia promieniowania słonecznego na zewnątrz atmosfery mają również wpływ parametry orbity Ziemi. Parametry atmosfery mają również wpływ parametry orbity Ziemi. Parametry te zmieniają się w ramach tzw. cyklu Milankowicia.

te zmieniają się w ramach tzw. cyklu Milankowicia.

• Orbita Ziemi nie jest okręgiem, lecz elipsą o niewielkim Orbita Ziemi nie jest okręgiem, lecz elipsą o niewielkim mimośrodzie wynoszącym aktualnie 1.67 %, ze Słońcem mimośrodzie wynoszącym aktualnie 1.67 %, ze Słońcem rezydującym w jednym z jej ognisk.

rezydującym w jednym z jej ognisk.

• Wartość mimośrodu ziemskiej orbity nie jest wielkością stałą i Wartość mimośrodu ziemskiej orbity nie jest wielkością stałą i może osiągać wartości od 0.5 do 5.8 % (różnica pomiędzy może osiągać wartości od 0.5 do 5.8 % (różnica pomiędzy maksimum i minimum natężenia promieniowania słonecznego maksimum i minimum natężenia promieniowania słonecznego wynosi wówczas 23 % a nie jak obecnie 3.3%).

wynosi wówczas 23 % a nie jak obecnie 3.3%).

(52)

• Zmiany te są cyklicznie z nakładającymi się Zmiany te są cyklicznie z nakładającymi się dominującymi cyklami o okresach około 95

dominującymi cyklami o okresach około 95  136 i 413 136 i 413 tys. lat. Aktualnie ekscentryczność orbity Ziemi zdąża do tys. lat. Aktualnie ekscentryczność orbity Ziemi zdąża do

swojej minimalnej wartości, którą osiągnie za około 27 swojej minimalnej wartości, którą osiągnie za około 27

tys. lat.

• Dwa inne parametry ruchu orbitalnego Ziemi, nie Dwa inne parametry ruchu orbitalnego Ziemi, nie decydują już o zmianach stałej słonecznej jednak decydują już o zmianach stałej słonecznej jednak

prowadzą do zróżnicowania promieniowania słonecznego prowadzą do zróżnicowania promieniowania słonecznego

docierającego do górnych granic warstw atmosfery w docierającego do górnych granic warstw atmosfery w

zależności od szerokości geograficznej.

• Tymi parametrami są nachylenie osi obrotu Ziemi do Tymi parametrami są nachylenie osi obrotu Ziemi do płaszczyzny jej orbity (ekliptyki) oraz związane z

płaszczyzny jej orbity (ekliptyki) oraz związane z

nachyleniem osi zjawisko jej precesji. Nachylenie osi nachyleniem osi zjawisko jej precesji. Nachylenie osi

Ziemi, wynoszące aktualnie 23

Ziemi, wynoszące aktualnie 2326’, odpowiada za 26’, odpowiada za

zmianę kąta deklinacji słonecznej oraz zmianę długości zmianę kąta deklinacji słonecznej oraz zmianę długości

dnia.

(53)

• Kąt ten zmienia się cyklicznie z okresem około 41 tys. lat Kąt ten zmienia się cyklicznie z okresem około 41 tys. lat w zakresie od 21,1

w zakresie od 21,1 do 24,5 do 24,5. Stosunkowo niewielkie . Stosunkowo niewielkie zmiany spowodowane są stabilizującym działaniem zmiany spowodowane są stabilizującym działaniem

Księżyca. Wartość kąta nachylenia osi Ziemi będzie się Księżyca. Wartość kąta nachylenia osi Ziemi będzie się

zmniejszała aż do około 10000 roku.

• Mniejsza wartość kąta oznacza mniejsze sezonowe Mniejsza wartość kąta oznacza mniejsze sezonowe różnice promieniowania słonecznego a tym samym różnice promieniowania słonecznego a tym samym

zacieranie się różnic pomiędzy porami roku.

(54)

Promieniowanie kosmiczne z zmiany klimatu.

• Słońce może oddziaływać na klimat Ziemi nie tylko za pośrednictwem zmian ilości całkowitej energii Słońce może oddziaływać na klimat Ziemi nie tylko za pośrednictwem zmian ilości całkowitej energii docierającej do górnych granic atmosfery czy zmian rozkładu przestrzennego (szerokość geograficzna) docierającej do górnych granic atmosfery czy zmian rozkładu przestrzennego (szerokość geograficzna) tej energii w cyklu rocznym.

tej energii w cyklu rocznym.

• Słońce emituje strumień cząstek zwanych wiatrem słonecznym, który oddziaływuje na system Słońce emituje strumień cząstek zwanych wiatrem słonecznym, który oddziaływuje na system

klimatyczny. Przez wiatr słoneczny rozumiemy strumień cząstek składających się przede wszystkim z klimatyczny. Przez wiatr słoneczny rozumiemy strumień cząstek składających się przede wszystkim z protonów i elektronów o dużej energii (rzędu 500 keV na cząstkę). Intensywność wiatru słonecznego protonów i elektronów o dużej energii (rzędu 500 keV na cząstkę). Intensywność wiatru słonecznego jest silnie powiązana z aktywnością Słońca. W czasie wysokiej aktywności strumienie naładowanych jest silnie powiązana z aktywnością Słońca. W czasie wysokiej aktywności strumienie naładowanych cząstek docierając do atmosfery powodują jonizację materii. Prowadzi to do zwiększenia się liczby cząstek docierając do atmosfery powodują jonizację materii. Prowadzi to do zwiększenia się liczby jąder kondensacji i modyfikacji własności optycznych chmur. Wiadomym jest, że chmury zbudowane z jąder kondensacji i modyfikacji własności optycznych chmur. Wiadomym jest, że chmury zbudowane z większej liczny jąder kondensacji mają wyższe albedo, dłuższy czas życia oraz dają mniejszy opad większej liczny jąder kondensacji mają wyższe albedo, dłuższy czas życia oraz dają mniejszy opad (efekt pośredni aerozolu na klimat).

(efekt pośredni aerozolu na klimat).

• Inna hipoteza mówiąca o wpływie promieniowania kosmicznego mówi, że promieniowanie to Inna hipoteza mówiąca o wpływie promieniowania kosmicznego mówi, że promieniowanie to

oddziaływuje na natężenie prądu płynącego stale pomiędzy jonosferą a powierzchnią Ziemi. Prąd ten oddziaływuje na natężenie prądu płynącego stale pomiędzy jonosferą a powierzchnią Ziemi. Prąd ten może wpływać na mikrofizykę chmur poprzez zmianę w elektryzowaniu się aerozolu, czy kropelek może wpływać na mikrofizykę chmur poprzez zmianę w elektryzowaniu się aerozolu, czy kropelek wody.

wody.

• Pomimo, że opublikowane prace na ten temat potwierdzają zmiany zachmurzenia na poziomie 1.5 -2% Pomimo, że opublikowane prace na ten temat potwierdzają zmiany zachmurzenia na poziomie 1.5 -2%

to jednak niski poziom korelacji pomiędzy stopniem zachmurzenia a wiatrem słonecznym sprawią, że to jednak niski poziom korelacji pomiędzy stopniem zachmurzenia a wiatrem słonecznym sprawią, że w środowisku naukowym pogląd ten temat nie jest jednoznaczny i ciągle budzi wiele kontrowersji.

w środowisku naukowym pogląd ten temat nie jest jednoznaczny i ciągle budzi wiele kontrowersji.

(55)

Autorzy wskazują na silną korelację pomiędzy promieniowanie kosmicznym a zachmurzeniem chmurami niskimi oraz Autorzy wskazują na silną korelację pomiędzy promieniowanie kosmicznym a zachmurzeniem chmurami niskimi oraz antykorelację pomiędzy promieniowania kosmicznym a temperaturą troposfery.

antykorelację pomiędzy promieniowania kosmicznym a temperaturą troposfery.

Tak więc wyższa aktywność Słońca – mniej promieniowania kosmicznego – mniejsze zachmurzenie – wyższa temperatura.

H. Svensmark and E. Friis-Christensen

(56)

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

(57)

Wpływ wybuchów wulkanów Wpływ wybuchów wulkanów

Aerosol emitowany przez wulkany Aerosol emitowany przez wulkany

redukuje przeźroczystość atmosfery redukuje przeźroczystość atmosfery

(58)

Zmiany w ozonosferze

1980 1985 1990 1995 2000 2005 0

5 10 15 20 25 30

Antarctica area N. America area

(59)

October Average Ozone Hole October Average Ozone Hole October Average Ozone Hole October Average Ozone Hole

Halley Bay Station

(60)

6060

Minimum Ozone Minimum Ozone

WMO Fig. 3-47

(61)

Eksperyment III – redukcja ozonu o 25%

(62)

11/29/21 11/29/21

Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni Ziemi

ICCP, 2007

(63)

Zmiany temperatury powietrza

(64)

Wpływ aerozoli na klimat

(65)

Zanieczyszczenia atmosfery zwane inaczej aerozolami to małe

cząstki stałe lub ciekłe powstające w sposób naturalny oraz w wyniku działalności gospodarczej

człowieka.

Rodzaje aerozoli:

• sól morska

• drobiny piasku

• pyły antropogoniczne lub naturalne (wulkaniczny)

• fragmenty roślin

• sadza (elemental carbon), organic carbon

• siarczany, azotany

• związki organiczne i nieorganiczne

Aerozole naturalne.

Aerozole antropogeniczne

(66)

11/29/21 11/29/21

Wielkość i kształt cząstek aerozolu Wielkość i kształt cząstek aerozolu

(67)

Zmętnienie atmosfery

(68)

11/29/21 11/29/21

(69)

Podział aerozoli ze względu na ich rozmiar Podział aerozoli ze względu na ich rozmiar

W rozkładzie wielości aerozoli wyróżniany 3 charakterystyczne grupy cząstek:

• cząstki Aitkena (nucleation mod), r<0.05 m

• cząstki małe (accumulation mod), 0.05<r<0.5 m

• cząstki duże (coarse mod), r>0.5 m

Szczególnie istotne znaczenie w atmosferze z klimatycznego punktu widzenia mają ostatnie dwa typy cząstek.

(70)

11/29/21 11/29/21

Produkcja aerozoli Produkcja aerozoli

• produkcja mechaniczna (powstawanie soli morskiej produkcja mechaniczna (powstawanie soli morskiej podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie pyłu pustynnego w czasie burz pyłowych)

pyłu pustynnego w czasie burz pyłowych)

• spalanie biomasy spalanie biomasy

• spalanie przemysłowe (pyły, gazy)spalanie przemysłowe (pyły, gazy)

• konwersja gazu do cząstek np. do kwasu siarkowego konwersja gazu do cząstek np. do kwasu siarkowego czy azotowego

czy azotowego

(71)

Usuwanie aerozoli z atmosfery Usuwanie aerozoli z atmosfery

• Sucha depozycja Sucha depozycja

Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne

Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie (efektywnie usuwane tylko duże cząstki)

usuwane tylko duże cząstki)

• Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub krople deszczu).

lub krople deszczu).

Efektywne usuwanie cząstek z klasy akumulacyjnej Efektywne usuwanie cząstek z klasy akumulacyjnej

(72)

11/29/21 11/29/21

Średnia grubość optyczna aerozolu (marzec- maj)

dr ) r ( n r m r , Q 2

)

(^ ^ ^ _ext^_^ _^ ^_^ ² _c



(73)

Wpływ aerozoli na klimat Ziemi Wpływ aerozoli na klimat Ziemi

Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcję Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcję

promieniowania w atmosferze promieniowania w atmosferze

Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie aerozolu na Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie aerozolu na

własności mikrofizyczne chmur) własności mikrofizyczne chmur)

(74)

11/29/21 11/29/21

warstwa aerozolu

redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi

wzrost absorpcji w atmosferze wzrost albeda planetarnego

Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat

(75)

Bilans Energii w Atmosferze Bilans Energii w Atmosferze

Bilans radiacyjny w atmosferze –100

Wm^-2

(76)

11/29/21 11/29/21

. .. . . .. .. .

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

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

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

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

::::::

::::

::::

:: ::

Stratocumulus

większe albedo

Większa koncentracja kropel,

Mniejszy promień r_e

Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków

(77)

Czyste powietrze, mała ilość jąder kondensacji.

Mała koncentracja.

Zanieczyszczone powietrze, duża ilość jąder kondensacji.

Duża koncentracja.

Pierwszy pośredni wpływ aerozoli

Chmury ‘czyste’ i ‘zanieczyszczone’

(78)

Wpływ aerozolu na klimat Wpływ aerozolu na klimat

1)1) Efekt bezpośredniEfekt bezpośredni

poprzez rozpraszanie i pochłanianie poprzez rozpraszanie i pochłanianie

promieniowania słonecznego promieniowania słonecznego

dochodzącego do powierzchni Ziemi.

2) Efekt pośredni

oddziaływanie aerozolu na własności chmur oraz ich czas życia

Aerozole chłodzą klimat!

(79)

Projekt A-train Projekt A-train

badanie wpływu badanie wpływu

aerozolu na klimat

(80)

11/29/21 11/29/21

ALB_ocean = 5-10 %

ALB_Scu = 30-60 % IR

+

VIS

IR VIS

Ujemne wymuszenie radiacyjne

~ 3-4 % strumienia promieniowania słonecznego otrzymywanego średnio przez

układ Ziemia-Atmosfera

ALB_Scu ~ 5-10*ALB_ocean

Hartmann (1992)

Występowanie Scu: Własności radiacyjne :

~ 20-30 % powierzchni oceanów

(Warren et al., 1986)

Wpływ chmur Scu na globalny bilans Wpływ chmur Scu na globalny bilans

radiacyjny

(81)

Optyczny model chmury Optyczny model chmury

Albedo chmury w przybliżeniu w-strumieniowym Albedo chmury w przybliżeniu w-strumieniowym

g 1 ) 2

g 1 ( 2

) g 1 ( F

R F

 



 









 

 _^

R 13





 

gdzie g jest parametrem asymetrii związanym z rozpraszaniem promieniowania na aerozolu, zaś  grubością optyczna chmury. Przyjmując parametr asymetrii dla chmury równy około g=0.85 otrzymujemy

Rozważmy jednorodną chmurę o monodyspersyjnym rozkładzie wielkości

h 2





(82)

r 2 N

dN r

hN 2

) N r 2 r

dN ( h 2 d

o o 2

o

o 2

o  





 



0 )

r N 3 r

dN ( 3 h

0 4

dLWC    _w _o ³  _o ² 

o o

N 3 dN 1 r 

o o o

o o

o

N dN 3

1 N

dN 3

2 N

dN

d   



Zakładając, że LWC nie zależy od wysokości

LWC o

o dN

d d

dR dN

dR 

 



 





o w

3 hN

3 r

LWC  4  

Wyznaczamy zależność albeda chmur R od liczby kropelek N przy stałej zawartości wody ciekłej (LWC)

Obliczmy wielkość stąd

(83)

2

2 ( 13)

13 )

13 (

13 d

dR



 









 



13 R 1

N 3

13 N

3 1 ) 13 (

13 dN

d d

dR dN

dR

o o

2 LWC o

o    



 



 



 





o LWC o

o 3N

) R 1

( R R

13 N

3 R dN

dR  

 



 





ostatecznie

Tylko w przypadku chmur zawierających mała liczbę kropel N<100 cm^-3 albedo chmury zależy silnie od koncentracji tym samym zawartości aerozoli.

(84)

11/29/21 11/29/21

F_o

F_oexp(-)

F_o(1-)(1-exp(-)) F_o(1-exp(-))

F_o(1-)(1-exp(-))

 - grubość optyczna aerozolu

 - albedo pojedynczego rozpraszania

=_scat /_ext

- cześć promieniowania rozpraszania do tyłu Dla molekuł =0.5 Dla aerozoli  (0.1 – 0.2)

R_s

Transmisja przez warstwę aerozolu

t= exp(-)+ (1-)(1-exp(-)) Odbicie od warstwy aerozolu r= (1-exp(-))

Efekt bezpośredni -prosty model radiacyjny

(85)

F_o

F_o(1-)(1-exp(-)) F_or

Promieniowanie wychodzące z atmosfery:

F_r= F_o (r+t²R_s +t²R_s²r+t²R_s³ r²+...)

F_r= F_o [r+t²R_s /(1-R_sr)]

Zmiana albeda planetarnego przez aerozol:

R_s=[r+t²R_s /(1-R_sr)]-R_s

F_ot

F tR

F_ot²R_s

(86)

11/29/21 11/29/21

dla > _c R_s>0 : ochładzanie dla < _c R_s<0 : ogrzewanie Dla <<1 ; średnia wartość 0.1-0.2

t= exp(-)+ (1-)(1-exp(-)) r= (1-exp(-))

t=1- +(1-)

r= 

R_s=+[(1-R_s)²-2R_s(1/-1)/]

wartość krytyczna  dla której

R_s =0

 =2R_s/[2R_s+(1-R_s)²]

(87)

tak więc tak więc

• aerozole nad ciemną powierzchnią ziemi zawsze aerozole nad ciemną powierzchnią ziemi zawsze ochładzają klimat.

ochładzają klimat.

• aerozole nad bardzo jasnymi powierzchniami (śnieg) aerozole nad bardzo jasnymi powierzchniami (śnieg) ogrzewają klimat.

ogrzewają klimat.

• w przypadku pośrednim ochładzanie bądź w przypadku pośrednim ochładzanie bądź

ogrzewanie zależy od własności optycznych aerozoli ogrzewanie zależy od własności optycznych aerozoli oraz własności odbijających podłoża.

oraz własności odbijających podłoża.

• jednak zawsze obecność aerozoli prowadzi do jednak zawsze obecność aerozoli prowadzi do

TOA

(88)

11/29/21 11/29/21