Fizyczne przyczyny zmian Fizyczne przyczyny zmian klimatu Ziemi. klimatu Ziemi.

Fizyczne przyczyny zmian Fizyczne przyczyny zmian

klimatu Ziemi.

klimatu Ziemi.

Krzysztof M. Markowicz Instytut Geofizyki UW

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

Anomalie średniej temperatury względem

okresu 1961-1990

EL NINO - ENSO

Dziura ozonowa nad Antarktyda

Index Oscylacji Północno Atlantyckich NAO

dodatnia faza NAO

ujemna faza NAO

Przyczyny Zmian Klimatu

Efekt cieplarniany

Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni) Zmiany cyrkulacji oceanicznej

Wybuchy wulkanów

Zmienność aktywności słońca Zmiany w ozonosferze

Przyczyny długookresowe

Zmienność orbity ziemskiej Dryf kontynentów

Zmiany składu atmosfery

Promieniowanie słoneczne oraz ziemskie

Bilans promieniowania w atmosferze

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)

Termiczny wymiar efektu cieplarnianego

gazy cieplarniane procentowy wkład  koncentracja

para wodna 20.6 62.1% 30 ppvt

CO₂ 7.2 21.7% 350 ppmv

0₃ 2.4 7.2% 50 ppbv

N₂0 1.4 4.2% 320 ppbv

CH₄ 0.8 2.4% 17 ppbv

freony <0.8 2.4% 1 ppbv

efekt cieplarniany 33.2

T

Rola chmur w klimacie ziemskim

342 Wm^-2 342 Wm^-2

T_s⁴

T_a⁴

T_a⁴

T_a

T_s⁴

T_s⁴

T_s⁴

TT_s

chmury wysokie ocieplają klimat

chmury niskie ochładzają klimat

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

x=2r/

Rozpraszanie MIE

Promieniowanie słoneczne:

=0.5 m, x: 0.1-60

Promieniowanie ziemskie:

=10 m, x: 0.006-3

Wpływ aerozoli na klimat Ziemi

Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcje promieniowania)

• Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie na własności mikrofizyczne chmur)

Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat

warstwa aerozolu

redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi

wzrost absorpcji w atmosferze

wzrost albeda planetarnego

Bilans promieniowania

Bilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm^-2

model radiacyjny aerozolu

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

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

Promieniowanie wychodzące z atmosfery:

dla > _c R_s>0 : ochładzanie dla < _c R_s<0 : ogrzewanie F_r= F_o [r+t²R_s (1+R_sr+R_s² 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

Dla <<1 ; typowa wartość 0.1-0.2 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]

Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków

. .. . . .. .. .

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

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

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

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

::::::

::::

::::

:: ::

Stratocumulus

większe albedo

Większa koncentracja kropel,

Mniejszy promień r_e

Pierwszy pośredni wpływ aerozoli Chmury ‘czyste’ i ‘zanieczyszczone’

Czyste powietrze, mała ilość jąder kondensacji.

Mała koncentracja.

Duże rozmiary kropelek.

Zanieczyszczone powietrze, duża ilość jąder kondensacji.

Duża koncentracja.

Małe rozmiary kropelek.

Rola chmur z warstwy granicznej w systemie klimatycznym

Albedo

CCN

Zanieczyszczenia Strumień

ciepła utajonego i odczuwalnego

Długość życia i rozciągłość

przestrzenna Koncentracja

kropelek Intensywność opadu

+

Średnie wymuszanie radiacyjne

Badania wpływu aerozolu na klimat

Średnia grubość optyczna aerozolu (marzec- maj)

Grubość optyczna aerozoli o promieniu r<1 m

(aerozol antropogeniczny i powstały w czasie pożarów)

Grubość optyczna aerozoli o promieniu r>1 m

(piasek i sól morska)

Przyrządy na statku w czasie rejsu Hawaje-Japonia, 2001

(ACE-Asia)

Stacja badawcza na Krecie

przyrządy radiacyjne

pożary w sierpniu 2001

Główne wyniki badań

Porównanie wymuszania radiacyjnego aerozolu w rożnych rejonach świata

Globalna cyrkulacja termohalinowa

Podsumowanie

W skali globu efekt cieplarniany przewyższa bezpośredni wpływ aerozolu na klimat ale...

Ciągle zbyt mało wiemy o efekcie pośrednim (chmury) którego wpływ wydaje się być szalenie istotny.

W skali lokalnej chłodzenie aerozolowe może kilka- krotne przewyższać efekt cieplarniany.

Wpływ aerozolu zależy od albeda powierzchni ziemi przez co ten sam typ aerozolu w różnych rejonach

świata może ochładzać a nawet ocieplać klimat.