Spojrzenie z góry - Procesy Spojrzenie z góry - Procesy klimatyczne widziane z kosmosu. klimatyczne widziane z kosmosu.

(1)

Spojrzenie z góry - Procesy Spojrzenie z góry - Procesy

klimatyczne widziane z kosmosu.

dr. Krzysztof

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

Festiwal Nauki 2004 Festiwal Nauki 2004

(2)

11/29/21

11/29/21 Instytut Geofizyki UWInstytut Geofizyki UW

Procesy klimatyczne 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 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.

Najważniejsze elementy systemu klimatycznego:

• Para wodna

• Chmury

• Oceany

• Stratosfera

• Obieg CO₂

• Powierzchnia ziemi

• Lodowce

(3)

11/29/21

Przyczyny zmian klimatu Przyczyny zmian klimatu

• Efekt cieplarniany

• Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni)

• Zmiany cyrkulacji oceanicznej

• Wybuchy wulkanów

• Zmienność aktywności słońca

• Zmiany w ozonosferze

Przyczyny długookresowe Przyczyny długookresowe

• Zmienność orbity ziemskiej

• Dryf kontynentów

• Zmiany składu atmosfery

(4)

11/29/21

Bilans Energii Bilans Energii

(5)

11/29/21

Wymuszanie radiacyjne Promieniowanie na szczycie atmosfery:

Słoneczne: F_o(1-R)/4 Ziemskie: Tr_effT_s⁴

Przy założeniu równowagi radiacyjnej i braku atmosfery (Tr_eff=1):

(temperatura efektywna)

T_eff=255 K

średnia temperatura: 288 K

efekt cieplarniany= 288-255=33 K wymuszenie radiacyjne- zaburzenie równowagi poprzez:

• zmianę albeda R

• zmianę efektywnej transmisji Tr_eff

4 o

eff

) R 1 ( T F



 

Podwojenie CO₂(2050 rok) prowadzi do wymuszania radiacyjnego +4Wm^-2

T=1.2 K

realna wartość 2.4 K (para wodna)

(6)

11/29/21

Dlaczego właśnie pomiary satelitarne?

• Jeden przyrząd na satelicie może objąć swym zasięgiem znaczą część powierzchni Ziemi oraz całą atmosferę a zatem:

satelita umożliwia monitoring zjawisk meteorologicznych i warunków

atmosferycznych w dużej skali w

przeciwieństwie do punktowych pomiarów naziemnych czy sondaży atmosferycznych

(7)

11/29/21

Pierwsze satelity meteorologiczne.

• Tiros 1 – (1 kwietnia 1960) Pierwszy satelita meteorologiczny USA, wyniesiony rakietą Delta. Tiros 1 jak i jego następcy,

dokonywali pionierskich fotografii chmur i powierzchni Ziemi przy użyciu kamer telewizyjnych.

• SMS 1 – (17 maja 1974) Satelita meteorologiczny USA, był pierwszym, który został umieszczony na orbicie

geostacjonarnej. Mógł pokazywać ciągle pokrywę chmur na całej półkuli. Następne satelity tej serii były nazywane GOES.

• Meteosat 1 – (23 listopada 1977) satelita meteorologiczny Europejskiej Agencji Przestrzeni Kosmicznej. Umieszczony był nad Afryką fotografując całą półkulę.

(8)

11/29/21

Podstawowe pomiary satelitarne Podstawowe pomiary satelitarne

Wszystkie badania satelitarne sprowadzają się do metod teledetekcyjnych.

Teledetekcja- (remote sensing) czyli wykrywanie na odległość.

W teledetekcji atmosferycznej wykorzystuje się promieniowanie elektromagnetyczne (promieniowanie widzialne, podczerwone, mikrofale)

Metody teledetekcyjne opierają się na interpretacji promieniowania docierającego do detektora, które wcześniej oddziaływało z atmosferą (absorpcja, rozpraszanie).

Oko ludzkie jest przykładem detektora promieniowania a mózg interpretuje obserwowany sygnał podobnie jak w metodach teledetekcyjnych.

Np. liście na drzewach są zielone gdyż z całego widma

promieniowania które pada na liść tylko promieniowanie

odpowiadające barwie zielonej jest rozpraszane i dociera do oka reszta zaś jest absorbowana przez liść (widmo niebieskie oraz widmo czerwone oraz promieniowanie podczerwone

(9)

11/29/21

Czym jest aktywna oraz bierna teledetekcja?

(10)

11/29/21

Rodzaje satelitów meteorologicznych Rodzaje satelitów meteorologicznych

• Geostacjonarne

• Polarne

Meteorologiczne satelity geostacjonarne (METEOSAT,

GOES,INSAT) znajdują się nad równikiem dlatego najlepiej widoczne są przez nie obszary ziemi do 45 równoleżnika.

Ich ogromną zaletą jest to że nieprzerwanie umożliwiają obserwacje atmosfery nad zadanym punktem. Wada tego typu rozwiązania jest to że potrzeba ich wiele aby pokryć całą powierzchnie ziemi.

(11)

11/29/21

Satelity polarne (np. NOAA 14,17, MODIS) umożliwiają obserwacje również w wyższych szerokościach geograficznych. Ich olbrzymia zaleta jest fakt, ze jeden satelita zdolny jest do pomiarów całej

powierzchni ziemi jednak w różnych momentach czasu. Satelita wykonuje dwa przyloty nad danym rejonem w ciągu doby a zatem nie umożliwia ciągłych pomiarów jak w przypadku satelity

geostacjonarnego.

(12)

11/29/21

(13)

11/29/21

Typy skanów detektorów umieszczonych na satelitach Typy skanów detektorów umieszczonych na satelitach

polarnych polarnych

(14)

MODIS na AQUA MODIS na AQUA

(15)

11/29/21

CERES na TERRA CERES na TERRA

(16)

11/29/21

Prawo Lamberta-Beera Prawo Lamberta-Beera



 eI 

I _o I  I_oe^^^x

I – natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego po przejściu przez atmosferę

I ₀– natężenie bezpośredniego promieniowania słoneczego na szczycie atmosfery

- grubość optyczna atmosfery

- współczynnik ekstynkcji

x – droga geometryczna promieniowania

Fizyczne podstawy teledetekcji Fizyczne podstawy teledetekcji

(17)

11/29/21

Prawo Stefana-Boltzmanna Prawo Stefana-Boltzmanna

L - natężenie promieniowania

T - temperatura powierzchni Ziemi

 - Stała Stefana Boltzmanna

T 4

L  

(18)

11/29/21

(19)

11/29/21

Bilans Energii Bilans Energii

(20)

11/29/21

Promieniowanie ziemskie na szczycie atmosfery-ERBE Promieniowanie ziemskie na szczycie atmosfery-ERBE

(21)

11/29/21

Pomiary budżetu energetycznego na szczycie atmosfery- Pomiary budżetu energetycznego na szczycie atmosfery-

The Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) The Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)

• Pomiary przychodzącego oraz odbijanego przez Ziemie

promieniowania słonecznego oraz wychodzącego z atmosfery promieniowania ziemskiego (OLR)

• ERBE instrument na satelitach NOAA 9 (1984) oraz NOAA 10 (1986)

• CERES udoskonalony następca ERBE na satelitach TRMM (1997) oraz TERRA (1999) oraz AQUA (2002)

(22)

11/29/21

Kolor Oceanu- albedo powierzchni oceanu Kolor Oceanu- albedo powierzchni oceanu

Koncentracja chlorofilu, SeaWIFS Sep 2004 Albedo planetarne Ziemi 30 %

Albedo samej powierzchni ziemi 7 % Pozostały wkład pochodzi od

atmosfery (chmury, aerozolowe)

(23)

11/29/21

Współczynnik absorpcji oraz odbicia światła Współczynnik absorpcji oraz odbicia światła

przez chlorofil przez chlorofil

(24)

11/29/21

Chmury Chmury METEOSAT 7 METEOSAT 7

VIS

IR

Na zdjęciu IR chmury jaśniejsze odpowiadają

niższej temperaturze a więc wyższej wysokości

(25)

11/29/21

(26)

11/29/21

TOMS- pomiary ozonowe TOMS- pomiary ozonowe

TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) zainstalowany na satelicie NIMBUS 7 (1978-1993) oraz na EP-TOMS od 1996.

• Piksel 39 km x 39 km

• Czas obiegu 99.65 min

• Pomiary rozproszonego w atmosferze oraz

bezpośredniego promieniowania słonecznego w

kanałach: 308.6, 312.6, 317.6, 322.4, 331.3, 360.4 nm

(27)

11/29/21

Dziura ozonowa nad Antarktydą Dziura ozonowa nad Antarktydą

(28)

11/29/21

Popularne instrumenty na satelitach polarnych Popularne instrumenty na satelitach polarnych

• CZCS (Coastal Zone Color Scanner), NIMBUS 7

• SeaWIFS (Sea Viewing Imaging Spectroradiometer) , Orbview.

• MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) TERAA, AQUA

• MISR (Multi-Angle Spectral Radiometer)

• AVHRR (Advance very high resolution radiometer)

(29)

11/29/21

MISRMISR

(30)

11/29/21

Pomiary temperatury powierzchni (SST) Pomiary temperatury powierzchni (SST)

• Mierzone na podstawie pomiarów promieniowania podczerwonego Ziemi (w oknie atmosferycznym) – teledetekcja pasywna

• SR (Scanning Radiometer) , NOAA od 1970

• AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer), od 1978 NOAA-6 zaś od 1988 NOAA-11.

4

eff SST

T

I  

• Pomiary możliwe jedynie przy braku chmur

• Pomiary SST oceanu są uzupełniane przez dane ze statków, platform oraz boi i dryfterów.

(31)

11/29/21

11/29/21 EL NiNo Instytut Geofizyki UWInstytut Geofizyki UW

(32)

11/29/21

Skanowanie metodą LIMB Skanowanie metodą LIMB

Pomiarów gazów śladowych:

CO, NO, N2O, ClO.

Możliwe pomiary profili pionowych !

(33)

11/29/21

Teledetekcja Aktywna Teledetekcja Aktywna

• RADAR- Aktywny układ wysyłający i odbierający mikrofale.

• LIDAR- to RADAR działający w obszarze widzialnym lub bliskiej podczerwieni.

1997 TRMM pierwszy radar na orbicie 13.8 GHz, rozdzielczość 250 m

(34)

11/29/21

Topex Poseidon

(35)

11/29/21

(36)

11/29/21

Typowa cyrkulacja Walkera

Cyrkulacja Walkera w czasie Al. Nino

(37)

11/29/21

Co można mierzyć za pomocą radarów?

• Prędkość i kierunek wiatru (dokładność 2 m/s oraz 20 stopni, rozdzielczość 25km).

• Odbiciowość (wielkość

związana silną zależnością z promieniem kropelek wody czy kryształków lodu). Możliwość oszacowania wielkości opadu.

• Temperatura powietrza oraz powierzchni Ziemi.

• Wysokość powierzchni oceanu

(38)

11/29/21

Co można mierzyć za pomocą lidaru?

• Detekcja chmur, pomiary zawartości wody w chmurach, wielkości kropel zaś dla chmur lodowych ich grubości optycznej oraz wielkości kryształków.

• Pomiary aerozolowe (zanieczyszczenia atmosferyczne): grubość optyczna, profil pionowy.

• Pomiary gazów śladowych (DIAL LIDAR)

• Pomiary wilgotności powietrza (Lidar Ramanowski)

(39)

11/29/21

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

• sadza

• siarczany, azotany

• związki organiczne i nieorganiczne

• pyły (wulkaniczny)

Zakres wielkości cząstek:

R=0.01- 5 μm

R<< rozpraszanie Rayleigha R>>  rozpraszanie MIE niehigroskopijny higroskopijny

(40)

11/29/21

Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat

warstwa aerozolu

redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi

wzrost absorpcji w atmosferze

wzrost albeda planetarnego

(41)

11/29/21

(42)

11/29/21

TOMS Aerosol INDEX TOMS Aerosol INDEX















 



 



 



 



Ray

meas I

I I

AI I

360 331 360

331 log

log 100

(43)

11/29/21

(44)

11/29/21

(45)

11/29/21

Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków

. .. . . .. .. .

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

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

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

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

::::::

::::

::::

:: ::

Stratocumulus

większe albedo

Większa koncentracja kropel,

Mniejszy promień r_e

(46)

11/29/21

Podsumowanie Podsumowanie

• Pomiary satelitarne przyczyniły się do znacznego rozwoju badań atmosferycznych i postępu w rozumieniu procesów zachodzących w atmosferze.

• Pozwalają na dokładne badania bilansu energetycznego na

szczycie atmosfery i w konsekwencji do wyznaczania wymuszania radiacyjnego odpowiedzialnego za zmiany klimatu.

• Umożliwiają monitoring zjawisk o znacznym zasięgu (El Nino, dziura ozonowa nad biegunami, zmiany w pokrywie lodowej).

• Monitoruja wiele zmian na powierzchni ziemi (zmiany albeda powierzchni związane np. z wycinaniem lasów, pustynnieniem obszarów oraz wiele innych)

(47)

11/29/21

Problemy badań satelitarnych Problemy badań satelitarnych

1. Sun Glint

(48)

11/29/21

2. Pomiary pewnych wielkości zależną od warunków atmosferycznych (chmury) oraz położenia Słońca.

3. Problemy dokładności metod teledetekcyjnych–

konieczność weryfikacji (eksperymenty badawcze)

(49)

11/29/21

Nowe projekty badawcze Nowe projekty badawcze

Satellite Train Satellite Train

(PARSOL,AQUA,CALIPSO,CLOUDSAT) 2004 (PARSOL,AQUA,CALIPSO,CLOUDSAT) 2004

(50)

11/29/21