Transcript FizykaProcesówKlimat..

Fizyka Procesów Klimatycznych
Wykład 1
Krzysztof Markowicz
Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki
Uniwersytet Warszawski
[email protected]
Uwagi ogólne
•
•
•
•
•
•
Kod przedmiotu: 1103-5 FPK
Liczba punktów ETCS: 3
Nazwa przedmiotu: Fizyka Procesów Klimatycznych
Prowadzący: Szymon Malinowski Krzysztof Markowicz,
Termin: semestr letni, środa, godz. 15.15, sala 104a
Forma zaliczenia: prace domowe, testy sprawdzające
2
Plan wykładów
1. Podstawowe pojęcia: system klimatyczny, procesy klimatyczne, anomalie pogodowe i
klimatyczne
2. Bilans energetyczny planety. Wymuszanie radiacyjne. Sprzężenia dodatnie i ujemne w
systemie klimatycznym. Czułość klimatu
3. Efekt cieplarniany
4. Równowaga radiacyjna i radiacyjno-konwekcyjna
5. Prosty model klimatu
6. Historia fizyki klimatu
7. Systemy obserwacji parametrów klimatu. Bazy danych, serie pomiarowe.
8. Modele pogody i klimatu
9. Bilans energii w różnych szerokościach geograficznych.
10. Transport ciepła, ogólna cyrkulacja atmosfery i oceanu.
11. Rola atmosfery i oceanu, sprzężenia pomiędzy nimi
12. Zmienność naturalna
13. Chmury i aerozole w systemie klimatycznym.
14. Cykl węglowy, cykle astronomiczne
15. Paleoklimatologia, cykle Milankovica
16. Globalne ocieplenie na tle paleoklimatologii
17. V Raport IPCC.
3
Materiały do wykładu
• http://www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/wyklady/klimat
Literatura
• David Randall: Atmosphere, Clouds, and Climate, 2012, ISBN:
9780691143750
• Geoffrey K. Vallis: Climate and the Oceans, 2011, ISBN:
9780691150284
• David Archer: The Global Carbon Cycle, 2010, ISBN:
9780691144146
• Raymond T. Pierrehumbert: Principles of Planetary Climate, 2011,
ISBN: 9780521865562
• WORKING GROUP I CONTRIBUTION TO THE IPCC FIFTH
ASSESSMENT REPORT CLIMATE CHANGE 2013: THE
PHYSICAL SCIENCE BASIS http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1
4
Badania klimatu
monitoring
zmienności
wymuszanie
odpowiedz
konsekwencje
predykcja
Co dzieje się z klimatem ?
IPCC, 2013
Zmiany klimatyczne w Polsce
http://meteomodel.pl/klimat/poltemp/rok.png
http://meteomodel.pl/klimat/poltemp/poltemp.txt
•
http://meteomodel.pl/klimat/poltemp/rok.png
Główne
wymuszenia
klimatyczne
IPCC, 2013
Pogoda i klimat.
• Pogoda – chwilowy stan atmosfery opisywany przez
wielkości fizyczne takie jak: temperatura powietrza,
ciśnienie atmosferyczne, wilgotność, natężenie
promieniowania słonecznego, prędkość i kierunek wiatru,
stopień i rodzaj zachmurzenie, opady itd.
• Klimat – charakterystycznych dla danego obszaru
przebieg warunków atmosferycznych określony na
podstawie długoletnich (minimum 30-sto letnich)
obserwacji.
• Różnice pomiędzy pogodą a klimatem doskonale opisuje
zdanie: „Climate is what you expect, weather is what you
get".
10
Klimat - definicja fizyczna
• W ujęciu fizycznym klimat zdefiniowany jest poprzez
statystykę stanów atmosfery.
• Klimat definiuje się przez pojęcia statystyczne takie jak
średnia, wariancja, odchylenie standardowe, momenty
wyższych rzędów, kwantyle czy funkcję gęstości
prawdopodobieństwa.
• Znajomość statystki stanów atmosferycznych pozwala
nam określić jakich warunków atmosferycznych należy
oczekiwać w danym okresie czasu, np. jakie jest
prawdopodobieństwo, że średnia temperatura jakiegoś
miesiąca w przyszłości będzie w przedziale od -3 do -4oC.
• Można to zrobić przy założeniu, że funkcja gęstości nie
zmienia się w czasu (brak zmian klimatycznych).
• Z matematycznego punktu widzenia oznacza to, że mamy
do czynienia ze stacjonarnym procesem losowym.
Przykład
Stacja A: średnia temperatura stycznia dla kilku kolejnych lat:
7.1, 8.3, 8.7,7.9, 8.0
Stacja B: średnia temperatura stycznia dla kilku kolejnych lat:
-7.5, 0.3, -2.0 , 0.7, -3.5
Przykład procesu stochastycznego
Proces stochastyczny to rodzina funkcji zależnych od
zmiennej (często czasu t) i parametru losowego C: (t,C)
gdzie, parametr losowy C należy rozumieć jako zmienną
losową o pewnej dystrybuancie. Wartości procesu
losowego są zdarzeniami losowymi
Jako proces stochastyczny możemy uważać zmiany czasowe
dowolnego parametru stanu atmosfery (np. temperatury) w
pewnym okresie czasu np. T(t,C)
Jeśli rozważymy przebiegi średniej miesięcznej temperatury
stycznia w okresie 30 lat to mamy 30 realizacji a każdy z
nich występuje z prawdopodobieństwem 1/30, czyli a za
parametr C możemy przyjąć numer kalendarzowy roku.
Proces stacjonarny to proces stochastyczny, którego
wszystkie momenty (statystyki) są stałe (nie zależą od
translacji w czasie).
Anomalie pogodowe i klimatyczne
• Czyli odchylenie od wartości średniej (przeciętej)
• Pojęcie to stosowane jest często do analizy zmienności
warunków pogodowych
• Z definicji tej wielkości wynika, że praktycznie każdego
dnia doświadczamy anomalii pogodowych
Czy anomalie pogodowe świadczą o zmianach klimatu?
• Nie, gdyż anomalie są naturalnie związanie z klimatem
• Dopiero gdy anomalia utrzymuje się przez odpowiedni
długi okres czasu (30 lat) może to świadczyć o zmianach
klimatycznych. Wówczas nie mówimy już o anomalii
pogodowej lecz anomalii klimatycznej
Anomalie c.d.
• Czy chłodne lato jakiegoś roku może dowodzić, że nie
mamy do czynienia z globalnym ociepleniem?
• Czy śnieżna i mroźna zima jakiegoś roku może być
dowodem na brak globalnego ocieplenia?
• Odpowiedz na te pytania nasuwa się sama gdy
przeanalizujemy rozkłady prawdopodobneństwa
temperatury.
http://www.skepticalscience.com/Review-Rough-Winds-Extreme-Weather-Climate-Change-James-Powell.html
Dygresja: Oscylacja Północno Atlantycka
NOA
Faza dodatni – łagodne ale
dynamiczne zimy w Polsce
Faza ujemna – surowe zimy
w Polsce
Indeks NAO w ostatnich miesiącach
http://www.cpc.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao.mrf.obs.gif
System klimatyczny
• System klimatyczny to złożony układ składający się z
pięciu elementów: atmosfera, hydrosfera, kriosfera,
biosfera i powierzchnia ziemi w którym zachodzą
interakcje między nimi.
• System klimatyczny jest pod wpływem wewnętrznej
dynamiki oraz zewnętrznych zaburzeń (np. aktywność
Słoneczna).
19
Składniki systemu klimatycznego
Obieg węgla
Reakcje chemiczne
w atmosferze
Obieg wody i energii
połączenie
chaotyczne
nieliniowe
Dynamika atmosfery i oceanu
Atmosfera i ...
Litosfera
Oceany
Biosfera
Kriosfera
słabe rozpraszanie
promieniowania
intensywne rozpraszanie
promieniowania
atmosfera
Atmosfera
• Masę atmosfery 5.3·1015 t.
• Połowa całej masy atmosfery mieści się w warstwie
od powierzchni Ziemi do 5.5 km
• 75% - do 10,5 km
• 90% - do 20 km
• 99% - do 35 km.
• Gdyby sprężyc całą atmosferę do gęstości panującej
przy powierzchni ziemi wówczas jej grubość
wynosiłaby około 7.8 km.
Skład atmosfery
gazy stałe
Gaz
Symbol %
objętości
Dlaczego ważny?
Azot
N2
78,08
biosfera
Tlen
O2
21
Pochłanianie UV,
oddychanie
Argon
Ar
0,9
Gaz nieaktywny,
właściwie
nieistotny
Skład atmosfery - Gazy zmienne
Gaz
Symbol
%
Dlaczego ważny?
objętości
Para wodna
H 2O
0-4
Transport ciepła, gaz
cieplarniany, uczestniczy w
tworzeniu różnych zjawisk
(chmury)
Dwutlenek węgla
CO2
0,036
Gaz cieplarniany, biosfera
(fotosynteza)
Metan
CH4
0,00017
Gaz cieplarniany, bardziej
wydajny niż CO2
Tlenek azotu
N 2O
0,00003
Gaz cieplarniany
Ozon
O3
0,000004
Warstwa ozonowa, pochłania UV
0,000001
Budżet energii; tworzenie chmur
Cząstki stałe
(pyły, sadze), tzw
aerozole
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Budowa atmosfery
• Za umowną granicę przyjmuje się pierwsze
100 km. Jednak atmosfera sięga dużo wyżej.
• Warstwa do 100 km nosi nazwę homosfery
charakteryzującą się stałym składem
chemicznym (z wyjątkiem pary wodnej i tzw.
gazów śladowych),
• Warstwa po wyżej 100 km nosi nazwę
heterosfery. Występuje w niej zmienny skład
chemicznym gazów atmosferycznych.
Rozkład śladowych gazów w atmosferze
Homosfera z<100 km
Heterosfera z>100 km
4/13/2015
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Podział atmosfery
Hydrosfera
• Hydrosfera - jedna z geosfer, ogół wód na Ziemi - wody
podziemne, powierzchniowe wraz z rzekami, jeziorami,
lodowcami, morzami i oceanami, a także parą wodną w
powietrzu.
• Hydrosferę można podzielić na dwie części: oceanosferę i
wody na lądach.
• W większości hydrosferę tworzą wody słone, bo aż 97.5%.
Słodka woda to 2.5%.
• 2/3 wody słodkiej skoncentrowane jest w lodowcach,
trwałej pokrywie śnieżnej i wiecznej zmarzlinie w
Antarktyce, Arktyce i w wysokich górach. Pozostała część
wody słodkiej przypada na wody podziemne, jeziora, rzeki.
Oceany
• Wody słone to główne oceany. Pokrywają one 70.8%
powierzchni Ziemi. Przy czym na półkuli południowej
pokrywają 81% a na północnej 61%.
• Średnia głębokość to 3711 metra.
• Średnie zasolenie wód wynosi ok. 35‰ i waha się w
granicach: 34.5‰ w okolicach równika, 38‰ w strefie
około zwrotnikowej, 30‰ w strefie okołobiegunowej.
30
Struktura pionowa oceanów
• warstwa mieszania
• warstwa przejściowa – termoklina
• głębia oceaniczna
31
Różnice pomiędzy oceanem a atmosferą
• Woda ma około 4 większą pojemność cieplną
• Masa całej atmosfery jest równoważna około 10-cio
metrowej warstwie wody.
• Atmosfera podgrzewana jest (przez promieniowanie
słoneczne) od dołu (od powierzchni Zimie) podczas gdy
woda podgrzewana jest od góry. Ma to znaczenie dla
rozwoju konwekcji w atmosferze i oceanach.
32
Interakcje pomiędzy atmosferą a oceanem
•
•
•
•
•
Wymiana:
energii
pędu
pary wodnej
dwutlenku węgla
soli morskiej (produkcja aerozolu morskiego)
33
Kriosfera
• powłoka lodowa obejmująca warstwę od górnej troposfery do
dolnej granicy gruntów przemarzniętych (wieloletniej
zmarzliny).
• do kriosfery należą lody: morskie, lodowców, lądolodów,
wieloletniej zmarzliny i śniegi występujące stale w wysokich
górach i na obszarach okołobiegunowych oraz okresowo na
znacznych obszarach strefy umiarkowanej.
• kriosfera wchodzi w ścisły związek z litosferą, atmosferą i
hydrosferą
• lodowce pokrywają dziś ok 10-11% powierzchni wszystkich
lądów
• gdyby stopiła się cała kriosfera poziom oceanu podniósł by
się o około 70m (wg National Snow and Ice Data Center)
Rola kriosfery w systemie klimatycznym
• wpływa na poziom światowego oceanu
• wpływa na bilans energii (wysokie albedo śniegu i lodu)
• wpływa na cyrkulację oceaniczną w wysokich
szerokościach geograficznych
• być może wpływa na cyrkulację atmosferyczną w niskich
szerokościach (np. monsun letni w Indiach)?
• bierze udział w szeregu sprzężeń zwrotnych w systemie
klimatycznym
Biosfera
• Strefa kuli ziemskiej zamieszkana przez organizmy
żywe, w której odbywają się procesy ekologiczne.
• Biosfera obejmuje powietrze, ląd i wodę.
• Biosfera obejmuje około:
4 km n.p.m. - atmosfera
300 m p.p.m. - hydrosfera
40 cm w głąb ziemi - litosfera
Rola biosfery w systemie klimatycznym
• Obieg węgla, produktywności
biosfery
• Wpływ na bilans energii,
wymianę pary wodnej
(transpiracja)
• Emisja DMS będącego
prekursorem aerozoli
Charlson et al. (Nature, 326:655-661, 1987)
Litosfera
• zewnętrzna sztywna powłoka Ziemi obejmująca skorupę
ziemską i warstwę perydotytową zaliczaną do górnej
części płaszcza ziemskiego.
• miąższość litosfery wynosi od ok. 10-100 km a jej
temperatura dochodzi do 700°C.
• wyróżnia się dwa zasadnicze rodzaje litosfery:
kontynentalną i oceaniczną.
Rola litosfery w systemie klimatycznym
• Rzeźba powierzchni Ziemi i jej budowa wpływają na
przebieg procesów zachodzących w atmosferze i
hydrosferze (głównie cyrkulacja) różnicując strefowy
układ tych elementów środowiska
• Litosfera ma wpływ na bilans energetyczny planety
(poprzez albedo).
• Strumienia ciepła geotermalnego litosfery ma
zaniedbywalny wpływ na globalny bilans energetyczny!
Procesy klimatyczne
• To procesy fizyczne zachodzące w atmosferze
i oceanach prowadzące do zmian klimatu.
• 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.
Przykład sprzężenia zwrotnego w systemie klimatycznym
Ziemi-Atmosfera
Promieniowanie
słoneczne
Podwojenie
koncentracji CO2
Albedo+
Strumień
ciepła
utajonego i
odczuwalnego
Ocean
T+
T-
ujemne sprzężenie
zwrotne