Fizyka Procesów Klimatycznych Wpływ Słońca na klimat

(1)

Fizyka Procesów Klimatycznych Wpływ Słońca na klimat

Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski

kmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(2)

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 ² ² ) 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 ² ² co 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 ² ² . .

(3)

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).

• 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.

• 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 chromosferze jako rozbłyski i protuberancje;

w koronie słonecznej jako rozbłyski i wyrzuty materii.

kmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(4)

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.

• 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.

(5)

• 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

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(6)

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…

(7)

Przejawy aktywności Przejawy aktywności

słonecznej słonecznej

wyrzuty koronalne flokule

plamy słoneczne

(8)

 Pole magnetyczne blokuje strumień ciepła

Plamy słoneczne

B

Heat Flux F

Quiet Bright Spot Bright Quiet Sun Ring P U P Ring Sun

Photosphere

(9)

Flokule - model jasnej ściany

T _f  6200 K

z  50 km B B

F

< 250 km

(10)

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.

(11)

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

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(12)

29.11.21

(13)

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).

(14)

Problem dryfu instrumentów satelitarnych Problem dryfu instrumentów satelitarnych

Gray et al., 2009

(15)

Zmiany aktywności Zmiany aktywności słonecznej w

słonecznej w

ostatnich 35 latach ostatnich 35 latach

kmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(16)

Zmiany aktywności Zmiany aktywności

słonecznej w słonecznej w

ostatnich 250 latach ostatnich 250 latach

www.spaceweather.com

(17)

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.

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

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(18)

• 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

¹⁴¹⁴

C ( i C ( i

¹⁶¹⁶

Be) 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.

Rekonstrukcje zmian aktywność słonecznej

(19)

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

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(20)

Porównanie rekonstrukcji stałej słonecznej Porównanie rekonstrukcji stałej słonecznej

za ostatnie 400 lat.

(21)

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

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(22)

Zaburzenia prowadzące do zmian Zaburzenia prowadzące do zmian

klimatycznych.

Gray et al., 2009

(23)

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

²

(24)

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.

(25)

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 _s _s związana 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 ² ² . .

Zakładając wymuszenie radiacyjne na poziomie 0.2 W/m Zakładając wymuszenie radiacyjne na poziomie 0.2 W/m ² ²

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

(26)

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.

• 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.

• 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)

(27)

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 ² ² . .

• 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.

(28)

• Zauważmy, że wyznaczone z naszego modelu zmiany Zauważmy, że wyznaczone z naszego modelu zmiany

temperatury są znacznie mniejsze (około 20%) niż zmiany temperatury są znacznie mniejsze (około 20%) niż 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.

• 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.

• 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.

(29)

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

(30)

Minimum Maundera Minimum Maundera

• 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 ² w 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

(31)

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

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(32)

Zmienność widma promieniowania Zmienność widma promieniowania

słonecznego słonecznego

• Największe zmiany w natężaniu Największe zmiany w natężaniu promieniowania słonecznego promieniowania słonecznego

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.

• 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)

(33)

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!

• 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.

• 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.

kmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(34)

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.

• 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.

• 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.

(35)

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

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(36)

Zmiany wiatru strefowego pomiędzy fazą Zmiany wiatru strefowego pomiędzy fazą

maksymalną i minimalną

(37)

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 tropopauzy gdzie propagujące się z górnej stratosfery do tropopauzy gdzie

zaburzenie ulega dyssypacji.

kmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(38)

• 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.

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 oddziałuje na słoneczna oddziałuje na intensywność QBO oraz na intensywność QBO oraz na tzw. wir polarny.

tzw. wir polarny.

(39)

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

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(40)

Intensyfikacja cyrkulacji Intensyfikacja cyrkulacji

Hadleya

(41)

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.

• 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

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(42)

Anomalie temperatury Anomalie temperatury

i opadów podczas i opadów podczas

maksimum aktywności maksimum aktywności

słonecznej

(43)

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

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(44)

Oscylacja północno atlantycka NAO Oscylacja północno atlantycka NAO

29.11.21

(45)

Związek aktywności słonecznej Związek aktywności słonecznej

z indeksem NAO z indeksem NAO

kmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(46)

Symulacje klimatyczne Symulacje klimatyczne

• Symulacje klimatyczne odpowiedzi systemu na zaburzenie Symulacje klimatyczne 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.

• Prawdopodobnie dość Prawdopodobnie dość

skomplikowany mechanizm skomplikowany mechanizm

sprzężeń zwrotnych sprzężeń zwrotnych

odpowiada za taki stan rzeczy.

• Symulacje modelami klimatu Symulacje modelami klimatu pokazują oddziaływanie

pokazują oddziaływanie aktywności słonecznej na aktywności słonecznej na

indeks NAO.

• NOA odpowiada na zaburzenie NOA odpowiada na zaburzenie po bardzo długim okresie

po bardzo długim okresie

(47)

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 ITCZ

konwekcje 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 latach

około 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 zaburzenia

Atlantycki powodując ok. 40 letnie opóźnienie w stosunku do zaburzenia słonecznego.

słonecznego.

kmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(48)

Mechanizmy oddziaływania Słońca na NOA

(49)

Wpływ wiatru słonecznego i promieniowania kosmicznego

Wiatr słoneczny powoduje:

• jonizację tlenu i azotu w górnej atmosferze. jonizację tlenu i azotu w górnej atmosferze.

• powstające cząsteczki NO powstające cząsteczki NO _x _x przyczyniają się do niszczenia przyczyniają się do niszczenia warstwy ozonowej

warstwy ozonowej

Promieniowanie kosmiczne:

• hipoteza wpływu na zachmurzenie niskich chmur hipoteza wpływu na zachmurzenie niskich chmur

(50)

(51)

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.

(52)

Antykorelacja promieniowania kosmicznego z Antykorelacja promieniowania kosmicznego z

promieniowaniem słonecznym

(53)

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

(54)

Oddziaływanie słońca na system klimatyczny Oddziaływanie słońca na system klimatyczny

Podsumowanie

Fizyka Procesów Klimatycznych Wpływ Słońca na klimat

Fizyka Procesów Klimatycznych Wpływ Słońca na klimat

Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski

kmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

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 2 2 ) 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 2 2 co 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 2 2 . .

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.

• 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)

różniącymi się powiększeniem lunetami.

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…

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

Flokule - model jasnej ściany

T f  6200 K

z  50 km B B

• Cykl roczny Cykl roczny   3.4% (98W/m 3.4% (98W/m ² ² ) związany ze zmianą ) związany ze zmianą odległości Ziemia-Słońce

wynoszą ok. 1.3 W/m ² ² co stanowi zaledwie ok. 0.1% co stanowi zaledwie ok. 0.1%

kilka W/m ² ² . .

• ^{Od 1} ^{Od 1} 610 r. astronomowie zaczęli używać teleskopów do ⁶¹⁰ r. astronomowie zaczęli używać teleskopów do 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

• ^{22 letni} ^{22 letni}

• ^inne… ^inne…

T _f  6200 K

• ^{Od 2003 T} ^{Od 2003 T} he Solar Radiation and Climate Experiment he Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE)