Fizyka Pogody i Klimatu System Klimatyczny

(1)

Fizyka Pogody i Klimatu System Klimatyczny

Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki

Uniwersytet Warszawski

kmark@igf.fuw.edu.pl

(2)

System klimatyczny

• System klimatyczny to złożony układ składający się z pięciu elementów: atmosfera, hydrosfera, kriosfera, biosfera i powierzchnia ziemi między którymi

zachodzą interakcje.

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

aktywność Słońca).

• Procesy klimatyczne - to procesy fizyczne

zachodzące w systemie klimatycznym prowadzące do zmian klimatu. Najczęściej zalicza się do nich obieg energii, cykl hydrologiczny oraz cyrkulację powietrza. Determinują one zarówno naturalne i

antropogeniczne zmiany w systemie klimatycznym.

2

(3)

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

(4)

11/19/21 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Badania klimatu

monitoring zmienności

wymuszanie

odpowiedz

predykcja konsekwencje

(5)

Monitoring zmian klimatycznych

• Naziemna sieć pomiarowaNaziemna sieć pomiarowa

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

• Pomiary aerologiczne w swobodnej atmosferzePomiary aerologiczne w swobodnej atmosferze

• Pomiary satelitarne Pomiary satelitarne

(6)

Zmiany średniej

temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi w

ostatnich 100-150 latach

"HadCRUT3". Met Office Hadley Centre for Climate Change, U.K.

(7)

Na postawie 10-ciu rekonstrukcji opublikowanych w latach 1998-2005

(8)

(9)

11/19/21 11/19/21

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

Zmiany Globalne w XX wieku

(10)

11/19/21 11/19/21

Globalne zmiany

temperatury w atmosferze i na powierzchni Ziemi

(11)

Zmiany klimatyczne w Polsce

http://meteomodel.pl/klimat/poltemp/wykresy/13_rok.png

(12)

• http://meteomodel.pl/klimat/poltemp/wykresy/

(13)

• http://meteomodel.pl/klimat/poltemp/wykresy/

13

(14)

11/19/21 11/19/21

F_o/4 T_effσT⁴

F_TOA(R_o, T_eff, T) wymuszenie

R_o /4

W stanie równowagi:

F_o (1-R_o)/4=T_eff T⁴ R_o - planetarne albedo

F_o stałą słoneczna

Wymuszenie radiacyjne

(15)

• Bilans na górnej granicy atmosfery wynosi +0.9 W/m². Odchylnie od stanów równowagowego jest bardzo małe i stanowi zaledwie 0.25% strumienia promieniowania dochodzącego od Słońca.

• Bilans energii na powierzchni Ziemi jest również dodatni i wynosi około 0.9 W/m².

• Oznacza to, że bilans w atmosferze jest zerowy.

15

(16)

11/19/21 11/19/21

Przyczyny zmian klimatu Przyczyny zmian klimatu

• Efekt cieplarnianyEfekt cieplarniany

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

• Zmiany cyrkulacji termo-halinowej w oceanach Zmiany cyrkulacji termo-halinowej w oceanach

• Wybuchy wulkanów Wybuchy wulkanów

• Zmienność aktywności SłońcaZmienność aktywności Słońca

• Zmiany w ozonosferzeZmiany w ozonosferze

• Inne Inne

(17)

Efekt cieplarniany Efekt cieplarniany

Zmiany koncentracji CO Zmiany koncentracji CO

₂₂

Podwojenie CO2 prowadzi do

wymuszania radiacyjnego +4W/m².

(18)

Efekt cieplarniany

(19)

Prosty model efektu cieplarnianego

240 S/4 (1-A)

240

 T^s⁴

240 240

No Atmosphere With a Black Atmosphere in the LW Only

S/4 (1-A)

240 240

240

 T^s⁴

480

Ts=255K Ts= 303 K

T=Te=255K

(20)

11/19/21 11/19/21

Termiczny wymiar efektu cieplarnianego- przybliżony model.

T

(21)

Dlaczego trudno jest oszacować

termiczny wymiar efektu cieplarnianego.

• Problemem jest wyznaczenie średniej temperatury

powietrza przy powierzchni ziemi w przypadku gdyby w atmosferze nie było gazów cieplarnianych.

• Wynika to głównie ze względu na zmiany albeda planetarnego. Z jednej stronie nie byłoby chmur

(mniejsze albedo), a z drugiej ze względu na dużo niższą temperaturę albedo powierzchni ziemi byłoby znacząco wyższe. Oba efekty można uwzględnić jedynie w

symulacjach modelami klimatu.

• Znacznie łatwiej można oszacować wymuszanie

radiacyjne związane z gazami cieplarnianymi. Wymaga to jedynie obliczeń modelami transferu radiacyjnego.

(22)

Symulacja zmian klimatu związana z usunięcie wszystkich gazów cieplarnianych

Lacis et al., 2010

(23)

Rozkład południkowy temperatury powierzchni Ziemi po usunięciu GHG

Porównanie efektów cieplarnianych na różnych planetach

Lacis et al., 2010

(24)

Nieliniowy pływ gazów cieplarnianych na bilans energii

.

(25)

11/19/21 11/19/21

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.

(26)

11/19/21 11/19/21

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

• pyły (wulkaniczny)

• fragmenty roślin

• sadza (elemental carbon), organic carbon

• siarczany, azotany

• związki organiczne i nieorganiczne

Aerozole naturalne

Aerozole antropogeniczne

AEROZOLE

(27)

11/19/21 11/19/21

Wielkość i kształt cząstek aerozolu

(28)

11/19/21 11/19/21

Aerozol widoczny z kosmosu

(29)

11/19/21 11/19/21

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.

(30)

11/19/21 11/19/21

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

(31)

11/19/21 11/19/21

Usuwanie aerozoli z atmosfery Usuwanie aerozoli z atmosfery

• Sucha depozycja

Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie usuwane tylko duże cząstki)

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

Efektywne usuwanie cząstek z klasy akumulacyjnej

(32)

11/19/21 11/19/21

Zawartość aerozolu w atmosferze

(33)

11/19/21 11/19/21

Jak bada się wpływ aerozoli na klimat?

• Monitoring zanieczyszczeń atmosfery oraz podstawowych Monitoring zanieczyszczeń atmosfery oraz podstawowych parametrów meteorologicznych (pomiary naziemne oraz parametrów meteorologicznych (pomiary naziemne oraz satelitarne, sondowanie atmosfery)

satelitarne, sondowanie atmosfery)

• Obserwacje składowych bilansu promieniowania Obserwacje składowych bilansu promieniowania słonecznego oraz długofalowego

słonecznego oraz długofalowego

• Modelowanie zmian klimatu – modele klimatuModelowanie zmian klimatu – modele klimatu

• Badania eksperymentalne – kampanie poloweBadania eksperymentalne – kampanie polowe

(34)

11/19/21 11/19/21

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 własności mikrofizyczne chmur)

(35)

11/19/21 11/19/21

warstwa aerozolu

redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi

wzrost absorpcji w atmosferze wzrost albeda planetarnego

Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat

(36)

11/19/21 11/19/21

Bilans Energii w Atmosferze Bilans Energii w Atmosferze

Bilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm^-2

(37)

11/19/21 11/19/21

. .. . . .. .. .

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

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

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

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

::::::

::::

::::

:: ::

Stratocumulus

większe albedo

Większa koncentracja kropel,

Mniejszy promień r_e

Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków

Pawłowska, 2005

(38)

11/19/21 11/19/21

 - grubość optyczna aerozolu

 - albedo pojedynczego rozpraszania

- cześć promieniowania rozpraszania wstecznie Dla molekuł =0.5

Dla aerozoli  (0.1 – 0.2)

R_s

Transmisja przez warstwę aerozolu

Odbicie od warstwy aerozolu

Efekt bezpośredni -prosty model radiacyjny





 (1 e^^ ) r

) 1

( ) e 1 ( e

t  ^^   ^^  



e

F_o Fo

) e 1 )(

1 (

F_o   ^^ ) e 1 (

F_o  ^^

) e 1 )(

1 (

F_o    ^^

ext scat



 



(39)

11/19/21 11/19/21

R_s

Promieniowanie wychodzące z atmosfery:

Zmiana albeda planetarnego przez aerozol:

...) r

R t r R t R

t r ( F

F_r  _o  ² _s  ² ²_s  ² _s³ ² 



 





 

 1 R r

R r t

F F

s s 2 o

r

s s

s 2

s R

r R 1

R r t

R  



 





 





t F_o

Fo

s otR F

s 2 ot R

s F

or F

(40)

11/19/21 11/19/21

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

wartość krytyczna  dla której

R_s =0

2 s s

s

c 2R (1 R )

R 2





 







 (1 e^^) r

) 1

( ) e 1 ( e

t  ^^   ^^  















1 (1 ) t



 r



 



 



 

 



 









 2R 1 1

) R 1 (

R_s _s ² ^s

(41)

11/19/21 11/19/21

Podsumowanie (efekt bezpośredni)

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

ochładzają klimat.

• aerosole nad bardzo jasnymi powierzchniami (śnieg) aerosole 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 redukcji promieniowania przy powierzchni ziemi a redukcji promieniowania przy powierzchni ziemi a zatem ochładzania.

zatem ochładzania.

TOA

(42)

11/19/21 11/19/21

Globalne zaciemnienie

w XX wieku.

(43)

Wpływ chmur na klimat

• Chmury pokrywają około 50% powierzchni Ziemi, dlatego, też są one bardzo ważne z klimatycznego punktu widzenia.

• Chmury zwiększają albedo planetarne od 14 do 30%.

• Z drugiej zmniejszają ucieczkę promieniowania

długofalowego w przestrzeń kosmiczną zapobiegając w ten sposób utracie energii.

• Wpływ chmur na klimat zależy od ich własności optycznych oraz temperatury.

(44)

Wymuszanie radiacyjne chmur

(45)

19.07.2005

Krzysztof Markowicz IGF-UW

Wpływ transportu lotniczego na klimat

IPCC 1999

45

Całkowite wymuszanie radiacyjne związane z transportem lotniczym jest dodatnie (w szczególności również smugi kondensacyjne).

(46)

19.07.2005

Krzysztof Markowicz IGF-UW

Updated Aviation Radiative Forcing for 2000

Sausen et al., 2005

46

(47)

Wymuszanie radiacyjne chmur:

SW -52.9 W/m² LW 20.5 W/m² NET -32.4 W/m²

(48)

Chmury wysokie ogrzewają a niskie chłodzą…

T_h

T_l

T_s T_sT_lT_s>> T_h

Albedo

10-30% Albedo

60-80%

(49)

Chmury niskie:

1. Mają zbliżoną temperaturę do powierzchni ziemi więc mają niewielki wpływ na promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnie Ziemi

2. Silnie odbijają promieniowanie słoneczne.

3. Efekt netto jest ochładzający – ujemne wymuszanie radiacyjne.

Chmury wysokie:

1. Mają znacznie niższą temperaturę w stosunku powierzchni ziemi więc znacząco redukują

promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnie Ziemi

2. Słabo odbijają promieniowanie słoneczne.

3. Efekt netto jest ogrzewający – dodatnie wymuszanie radiacyjne.

(50)

Scenariusze emisyjne

• Te cztery scenariusze mają nazwy RCP2.6, RCP4.5, RCP6 oraz RCP8.5.

• Wartości określają szacowane wielkości wymuszenia

radiacyjnego przez gazy cieplarniane w roku 2100 (odpowiednio:

2.6, 4.5, 6.0 i 8.5 W/m²)

50

(51)

Predykcje temperatury

51

(52)

52

(53)

11/19/21 11/19/21

Podsumowanie Podsumowanie

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

• 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 lub ogrzewać klimat.

• Ciągle zbyt mało wiemy o efekcie pośrednim (chmury)

• Niepewności oszacowanego obecnie (IPCC 2007)

wymuszania radiacyjnego aerozolu jest bardzo duża co wpływa na duże błędy prognoz zmian klimatu.

• Ograniczanie emisji aerozoli przy jednoczesnych braku redukcji emisji CO₂ zwiększy w przyszłości wpływ efektu cieplarnianego na klimat.