Transcript PPT

Наталия Килифарска
Геофизичен Институт, БАН
План на изложението
1.
Коментар на посланията от предишните два
доклада:
•
•
2.
3.
Глобалното затопляне е резултат от несъвършенството
на съвременните климатични модели;
Основния двигател на наблюдаваните изменения в
климата са вариациите в слънчевата активност;
Механизми на влияние на Слънцето върху
озоновия слой
Стратосферно-тропосферни връзки и влиянието им
върху климатичните условия на Земята
2
Съществува ли Глобалното затопляне?
А.) повишение на глобалната Т на Земята
Глобална приземна Температура
Глобална Т на океанската повърхност
CRUTEM3 –Clim. Research Unit &Hadley
Cent. gridded surface T
HADSST2 – a new uninterpolated Hadley center
SSR data set
NCDC – Glob. Histor. Climat. Network (National
Climatic Data Center)
COBE-SST - Centennial in-situ Observation-Based
Estimates of SST (Japan Met. Agency)
GISS – Goddard Inst. Space Stud. (NASA)
3
Съществува ли Глобалното затопляне? (2)
Б.) увеличаване честотата на интензивните валежи
В.) тенденция към намаляване на количеството на валежите
+ райони с повишена
честота на интензивните
и много интензивни
валежи
- райони с намалена
честота на интензивните
валежи
Palmer Drought Severity
Index –индекс на
4
засушаване
Глобалната температура на Земята се е повишила за
последните 30 години с ~0.5 - 0.7 [К]
Основен въпрос: Кои са причините за
съвременното глобално затопляне?
Хипотези:
• Човешката дейност – емисиите на парникови
газове, в частност СО2
• Вулканична и тектонична активности
• Вариациите в слънчевата активност
5
Съвременното затопляне – изключение или
периодичност?
6
Корелация между СО2 и приземната температура по
данни от ст. Vostok, Antarctica
Petit. J. R. et al. Climate and atmospheric history of the past 420.000
years from the Vostok ire core, Antarctica. Nature 399,429—436 (1999).
7
Хипотези:
• Вулканична активност – 4 начина за въздействие върху климата
Peter Ward, Thin Solid Films, 2009
Съдържание
на SO2
Честота на изригване
Ефект
ниско
Липсват големи ерупции в
продължение на десетки
години
Застудяване и
десетилетия на
засушаване
Средно
По една голяма ерупция на
няколко десетки години
Краткотрайни
застудявания по за 2-3
години
Глобално затопляне
високо
Поне 1 голяма ерупция
годишно в продължение на
няколко десетилетия
много
високо
Повече от 100 хил.
базалтови разливи (богати
на CO2) за < 106 години
Много силно глобално
затопляне, намалена
прозрачност на
атмосферата
8
Хипотези:
• Вулканична активност
“By 1962, man burning fossil fuels
was adding SO to the atmosphere
at a rate equivalent to one “large”
volcanic eruption each 1.7 years.”
PL Ward, Thin Sol. Films, 2009
Figure legend:
Red bars show sulfate in each layer of ice
in Greenland; the blue line shows average
global temperature; the black line shows
sulfur emitted by burning fossil fuels.
Names of volcanoes are shown with
associated sulfate anomalies. All layers
since 1925 contain residual sulfate that
increases yearly in proportion to the
increase in anthropogenic sulfur
emissions.
9
Хипотези:
• Вариациите в слънчевата активност (1)
Camp&Tung, GRL, 2007
Lean et al., GRL, 1995
10
White et al., JGR, 1997 (GISST- Glob. Ice &sea surf. T)
Хипотези:
• Вариациите в слънчевата активност (3)
Концепция за радиационно въздействие върху климата
Ts    F
Където λ [K/Wm-2] има смисъл на
“чувствителност” на климата към
съответното въздействие
11
Хипотези:
• Вариациите в слънчевата активност
От какво зависи “чувствителността” на климата към
промените в слънчевата активност?
Ts    F
Scaffeta & West, JGR, 2007.
12
Хипотези:
• Вариациите в слънчевата активност
“чувствителност” на климата към въздействащия фактор
Scaffeta & West, JGR, 2007.
Lean’00
Ts    F
Wang’05
λ values in [K/W.m-2]
Ts (Mann’03)
0.1±0.04
0.28±0.12
Ts (Moberg’05) 0.23±0.11 0.65±0.28
Stuber et al., GRL, 2001
Low Strat.
Efficacy:
λO3
λCO2
1.455
0.805
λO3/ λCO2=1.807
Извод: Уточняването на вариациите
в концентрацията на озона в
ниската стратосфера биха могли да
внесат по-голяма яснота в
разбирането ни за наблюдаваните
изменения в климата.
Много автори напоследък изразяват съмнение
относно приложимостта на концепцията за RF в
случаите на пространствено нехомогенно
разпределение на озона (вертикално и
хоризонтално).
Stuber et al., GRL, 2001; Clim.Din. 2005
показват, че увеличаването на
концентрацията на О3 в ниската стратосфера
=> повишава “чувствителността “ на климата
(λ) към промени в интензитета на слънчевата
радиация.
Lindzen & Choi (GRL, 2009) – анализирайки 11
модела показват: 1.) моделите имат много повисока “климат. чувствителност” от измерената на
ERBE (Earth radiation budget experiment);
2.) вторичните влияния върху климата по данни от
ERBE се дължат на SW излъчване на Сл., докато в
моделите вторичните влияния се дължат най-вече
на LW радиация => преувеличаване на ефекта13на
GHGs, проблеми с прогноза!
Хипотези:
• Вариациите в слънчевата активност
Пространствено разпределение на ефекта от въздействието на 2 глобални
фактора – 1.) вариациите в слънчевата активност; 2.) вулканизма
Регионални различия
във въздействието на
слънчевата активност
върху приземната Т
Ефекта от вулканизма
(усреднен за
продължит. период от
време) е хомогенно и
относително слабо
понижение на
приземната Т
Shindell & Smith , J. Climate, 2003.
14
Механизми на влияние на слънчевата радиация върху
климата (1)
•
•
Интегралното
електромагнитно
излъчване на Слънцето,
т.нар. “слънчева константа”;
Излъчването в UV
диапазона (стратосферен
озон – индиректно влияние
върху климата;
1.
2.
върху динам. на с-мата
страто-тропосфера;
честотата на поява на
стратосф. Затопляния;
Lean & Rind, J. Climate, 1998
15
Механизми на влияние на слънчевата радиация върху
климата (2)
• Слънчевия вятър –
P. Laut, J. Sol-Terr Phys., (2003) Sol Activ. & Terr Clim: some
purported correlations; - CRs; - Low clouds
въздействие върху
високата атмосфера;
• Модулация на
галактичните
космични лъчи
(протони, електрони и
хелиеви ядра);
• Слънчеви протони
и релативистични
електрони - SPE;
M. Kulmala et al., Atmos. Chem. Phys. Disc., 2009
16
Сравнение на вариациите в приземната Т (за периода
1960-2006) с екстремния слънчев UV и космичните лъчи
Корелация между глобалната тропосферна T (данни oт радио-сондажи – Hadley Centre of
Climate Predictions) с F10.7 и космичните лъчи (Climax)
17
Final report of ISAC (Influence of Solar Activity. Cycles on Earth’s climate) Danish National Space Centre
Kilifarska N. (2009) Do we understand the Decadal variability of the
Ozone layer?, Climate Dynamics, submitted
Десет годишни вариации в аномалиите на озона и температурата
по данни от ЕRА 40 и ЕRА Interim (1960-2009)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
70 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Height /km
80 -ies
40
30
20
10
80 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Height /km
40
30
20
10
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
90 -ies
90 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
00 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Northern Latitude [deg]
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
00 -ies
Height /km
40
30
20
10
Height /km
Height /km
70 -ies
Height /km
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
Height /km
40
30
20
10
Height /km
40
30
20
10
Total O3 trend, 60S-60N, WMO 2007
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Northern Latitude [deg]
Height /km
Height /km
Mean dacadal variability of atmospheric T, O3 anomalies
Temperature
Ozone
60 -ies
60 -ies
19
Принос на различните фактори в средната 10 годишна
изменчивост на Озона [%]
Percentage impact of different factors in MEAN decadal OZONE variability
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
70-ies)
70-ies)
70-ies)
Height /km
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
80-ies
80-ies
Height /km
Height /km
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
90-ies
90-ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Northern Latitude [deg]
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
00-ies
00-ies
00-ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Northern Latitude [deg]
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Northern Latitude [deg]
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
80-ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
90-ies
Northern Latitude [deg]
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
00-ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Height /km
70-ies)
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
90-ies
00-ies
40
30
20
10
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
40
30
20
10
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
90-ies
40
30
20
10
40
30
20
10
80-ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Height /km
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
80-ies
40
30
20
10
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
70-ies)
40
30
20
10
40
30
20
10
EPz
60-ies
Height /km
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
AO
60-ies
Height /km
40
30
20
10
QBO
60-ies
Height /km
40
30
20
10
CRs
60-ies
20
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Northern Latitude [deg]
Height /km
Height /km
F10.7
60-ies
Разлики между 10 годишните средни на Т и Озона
Decadal variability of OZONE anomalies
Height /km
40
30
20
10
Northern Latitude [deg]
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Northern Latitude [deg]
40
30
20
10
90-80 -ies
00-90 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Northern Latitude [deg]
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Height /km
00-90 -ies
40
30
20
10
Height /km
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Height /km
80-70 -ies
40
30
20
10
40
30
20
10
00-90 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
00-90 -ies
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
90-80 -ies
90-80 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
40
30
20
10
Height /km
Height /km
40
30
20
10
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
90-80 -ies
Height /km
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
Height /km
40
30
20
10
HIGH CRs intensity
70-60 -ies
80-70 -ies
80-70 -ies
Height /km
Height /km
40
30
20
10
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
80-70 -ies
Height /km
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
Height /km
40
30
20
10
Height /km
40
30
20
10
LOW CRs intensity
70-60 -ies
HIGH CRs intensity
70-60 -ies
Height /km
Height /km
LOW CRs intensity
70-60 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
21
Northern Latitude [deg]
Height /km
Decadal variability of TEMPERATURE anomalies
Регресионни коефициенти на O3 – минимум на CRs
Decadal variability of OZONE partial regression coefficients
LOW level of CRs intensity
Northern Latitude [deg]
11500
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Northern Latitude [deg]
2007
2004
2001
1998
1995
1992
1989
1986
1983
1980
1977
F10.7(L)
CR(Mosc)(R)
SPEs flux and O3 m ass deficiency (1 Jan-15 Apr)
poleward from 35N
5000
14000
4000
12000
10000
3000
8000
2000
6000
1000
4000
0
Ann avrg SPEs flux
(L)
O3 m ass def(R)
2006
2004
2002
2000
1998
1996
1994
1992
1990
1988
1986
1984
1982
1980
1978
-1000
2000
1976
40
30
20
10
1974
1971
1968
10500
1965
40
1962
11000
1959
80
CRs counting rates
12000
120
1974
00 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
00 -ies
40
30
20
10
12500
160
1972
Height /km
90 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Height /km
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
90 -ies
40
30
20
10
13000
1970
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
13500
200
80 -ies
Annualy average SPEs flux [pfu]
Height /km
40
30
20
10
14000
240
1956
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
80 -ies
Height /km
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
Height /km
40
30
20
10
Height /km
Height /km
70 -ies
F10.7 [1022 W.m-2Hz -1]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
70 -ies
40
30
20
10
40
30
20
10
Height /km
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
14500
60 -ies
Height /km
Height /km
40
30
20
10
280
with CRs
60 -ies
0
22
Ozone mass deficiency in [Mt]
with F10.7
Monthly values of F
10.7 and CRs(Moscow)
Регресионни коефициенти на O3 – максимум на CRs
Decadal variability of OZONE partial regression coefficients
HIGH level of CRs intensity
with F10.7
with CRs
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
70 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Height /km
80 -ies
40
30
20
10
Height /km
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
90 -ies
40
30
20
10
90 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
00 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Northern Latitude [deg]
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
00 -ies
40
30
20
10
Причини?
80 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Height /km
40
30
20
10
Height /km
Height /km
70 -ies
Height /km
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
30
20
10
Height /km
40
30
20
10
Многофакторния анализ
показва наличие на 22
годишна модулация на
стратосферния озон
Height /km
40
30
20
10
60 -ies
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Northern Latitude [deg]
Height /km
Height /km
60 -ies
23
Зависимост на концентрацията на O3 от оптичната му
дебелина
Jackman & McPeters, JGR,
1985 => self-healing effect
Jackman et al., JGR, 2000
O2  h
OO
J2
O3  h
 O2  O
J3
O2  O  M  O3  M
O3  O
 2O2
k2
Моделиране на аномалиите в концентрацията
на O3 на ширина 75N за периода 1972-1975
k3

Ox
k 2 T   k3 T   exp( OR3 ) 
 const 

 1
Ox
k 2 rT   k3 rT   exp( O 3 ) 
Ox res pons e toa 30% reduction ofO3 optical depth
and 2% decreas e of Tem perature
90
80
where:

  , z      , z   n(s)  l (s)  ds
z
70
Height in km.
1 for Schuman - Runge bands
 
0.5 for Hartley band
60
50
40
30
20
10
1
-20
0
20
40
60
80
100
Percentage change in O3 concentration
dOx(250nm ,1980s )
dOx(250nm , 2000s )
120
140
24
Изчисляване ефекта от само-възстановяване на O3 смесена
атмосфера (HOx и NOx)
O3 response to reduction of its optical depth; lat=40N
80
65
Altitude [km]
52.5
40
32.5
20
13.75
9.4
4.38
1.56
-5E12
5E12
1.5E13
2.5E13
3.5E13
O3 dencity [cm-3]
O3 ERA(13.01)
O3 ERA(20.01)
modeled O3 [cm-3]
25
Ефекта се усилва с увеличаването на зенитния ъгъл на
Слънцето
O3 self-healing dependence on solar zenith angle
Ozone optical depth at lat=40N
for two different solar zenith angles
80
80
65
52.5
52.5
Altitude [km]
Altitude [km]
65
40
32.5
20
13.75
40
32.5
20
13.75
9.4
9.4
4.38
4.38
1.56
-2
0
2
4
6
8
O3 optical depth
O3 Opt. Depth (hi=45 deg)
reduced O3 Opt. Depth (hi=45 deg)
O3 Opt. Depth (hi=65 deg)
reduced O3 Opt. Depth (hi=65 deg)
10
1.56
-5E12
5E12
1.5E13
2.5E13
3.5E13
O3 density [cm-3]
O3(hi=65)
dO3(hi=45)
26
На какво се дължи 22 годишната модулация на озона?
Garcia-Munoz
Garcia-Munoz et
et al.,
al., The
The dependence
dependence of
of Solar
Solar modulation
modulation on
on th
th sign
sign on
on
the
the CR
CR particles
particles charge,
charge, JGR,
JGR, 1986
1986
27
Понижението на O3 във високата стратосфера вероятно е свързано с
засилената протонна активност на Слънцето, а възстановяването му –
с потока релативистични протони
Interannual OZONE variabilty: 2000-2009
winter 2004-2005
40
30
30
20
20
20
10
10
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
40
40
40
30
30
30
20
20
20
10
10
10
40
30
30
30
20
20
20
10
10
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Geodetic Latitude [deg]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Geodetic Latitude [deg]
2008
2007
2007
2006
2005
2004
2004
2003
2002
2001
2001
4000
0
-1000
2000
Ann avrg SPEs flux
(L)
O3 m ass def(R)
0
28
Ozone mass deficiency in [Mt]
40
2006
40
6000
1000
2004
winter 2008-2009
2002
Height /km
winter 2003-2004
8000
2000
2000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
1998
10
1996
10
1994
10
10000
3000
1992
20
1990
20
12000
1988
20
4000
1986
30
1984
40
30
14000
1982
40
30
5000
1972
Height /km
winter 2007-2008
40
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
SPEs flux and O3 m ass deficiency (1 Jan-15 Apr)
poleward from 35N
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
winter 2002-2003
2000
10
1980
20
10
1999
20
10
1978
20
-2E+04
1976
30
1999
40
30
1974
40
30
1998
winter 2006-2007
40
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
2E+04
1970
Height /km
winter 2001-2002
4E+04
0E-01
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Annualy average SPEs flux [pfu]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Height /km
winter 2005-2006
6E+04
Height /km
Height /km
winter 2000-2001
Height /km
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
8E+04
Electrons (GOES 10)
40
30
Height /km
40
Electrons with E>2 MeV measured on GOES 10
Height /km
Height /km
winter 1999-2000
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
•
Отрицателния тренд не е единственото изменение
в озоновия слой наблюдавано през последните 50
години;
Наблюдава се 22 годишна вариация, която е
свързана с с модулацията на галактичните
космични лъчи от хелиосферата. Тази модулация
зависи от знака на заряда носен от частиците (α
частици и електрони) и създава условия за
разрушаването или образуването на озон, в
зависимост от направлението на слънчевото
магнитно поле;
Периодите на силен озонов дефицит в края на 80те и 90-те години на 20 век по-вероятно са резултат
от съвместното действие на:
•
•
–
–
двете вулканични изригвания – Еl Chichon и Pinatubo
интензивни Слънчеви ерупции на “твърди” (високо
енергийни) протони.
а не на ограничените емисии на хлорни съединения;
29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ (2)
• От друга страна, тенденцията към възстановяване на
озоновия слой в последното десетилетие по всяка
вероятност се дължи на съвместното действие на
два фактора:
– отрицателната полярност на хелиомагнитното поле и
електроните като доминираща компонента на галактичните
космични лъчи;
– интензивните потоци от релативистки електрони (по данни
от спътниците GOES 7 и 10) и ниско-енергетични протони с
енергии около 1 МeV;
Тези два фактора способстват за унищожаването на
озона във височина, но същевременно и неговото
образуване в средната и ниска стратосфера.
30