Menu. Pomiar bilansu promieniowania Ziemi

Transkrypt

1 Menu Pomiar bilansu promieniowania Ziemi

2 Uśredniając globalnie, Ziemia jest 0.75 C cieplejsza niż była w Jedenaście z ostatnich 12 lat jest w 12 najcieplejszych lat od czasu 1850.

3 Ocieplenie jest pewne Wzrost temperatury powietrza Wzrost poziomu mórz Spadek pokrywy śnieżnej na Płk. Pn.

4 Paleoklimat: Nowe niezależne dowody z przeszłości np., zmiany w lodowcach, wskazujące na zmianę temperatury w XX w. zgodną ze wskazaniami termometrów. I korale. I pierścienie drzew. I odwierty. I rdzenie lodowe.

5 Arktyka ociepliła sie również w latach , ale to ocieplenie nie było powszechne. Spodziewane są duże zmiany zasięgu lodu morskiego w Arktyce. Zmiany lodu morskiego nie mają wpływu na poziom oceanu. Zmiany lodu w lodowcach na kontynentach tak. Spadek zasięgu lodu morskiego w Arktyce jest wyraźny w ostatnich latach

6 śnieg i lód na powierzchni Ziemi

7 Rozkład zmian temperatury lata od cag.html Są pewne wyjątki od ogólnych trendów, a także wzrosty i spadki w kolejnych latach Upalne lato 2003 prawdopodobnie nie było bezpośrednim skutkiem ocieplenia

8 Lato 2003: średnia temperatura powietrza w środkowej Europie wg ECMWF (European Center for Medium range Weather Forecasting ). Dane z godzin 00, 06, 12, 18 GMT i średnie dobowe (linia gruba) w porównaniu ze średnią wieloletnią (ERA-40). Anomalie temperatury w Europie na podstawie danych ECMWF, okres referencyjny: (ERA-40). Emily Black, i in., Weather, Vol. 59, No. 8 F. Grazzini, i in.,2003, ECMWF Newsletter No. 99

9

10

11 Eksplozywne erupcje wulkaniczne: dowód na szybką odpowiedź klimatu Jeśli wulkany mogą powodować ochłodzenie, to gazy cieplarniane powodują ocieplenie

12 Obecna koncentracja gazów cieplarnianych i tempo jej wzrostu są bezprecedensowe Dwutlenek węgla Metan Tlenki azotu

13 dwutlenek węgla (ppmv) 350 ostatni intergalacjał 300 Ostatnia Epoka Lodowa [n apodstawie Figure 6.3, IPCC 2007: WG1-AR4] Tysiące lat temu Człowiek oddziałuje na system klimatyczny w inny sposób. Wzrost CO 2 jest skutkiem głównie spalania paliw kopalnych. Poziom CO 2 w atmosferze nie był tak wysoki od milionów lat Zlodowacenia nie pojawiają się przypadkowo. Są spowowodowane przez cykle zmian orbity ziemskiej, zmiany ilości energii słonecznej

14 Edme Mariotte (1681) promieniowanie słoneczne przenika przez szkło, a ciepło z innych źródeł nie Horace Benedict Saussure (1760) eksperyment z heliotermometrem wczesny analog cieplarni

15 Joseph Fourier francuski matematyk ( ) Opracował koncepcję bilansu radiacyjnego Ziemi. W 1824 roku opublikował tezę, że gazy w atmosferze mogą powodować wzrost temperatury przy powierzchni Ziemi (pojęcie "efekt cieplarniany"). Odkrył, że planety emitują promieniowanie podczerwone w stopniu zależnym od ich temperatury. Dopływ i straty energii równoważą się, a atmosfera działa w kierunku, zmniejszenia strat energii.

16 John Tyndall fizyk irlandzki ( ) gazy w atmosferze są zdolne do absorpcji i emisji promieniowania pierwszy spektrofotometr do pomiaru absorpcji przez azot, tlen, dwutlenek węgla, para wodna najlepiej absorbuje promieniowanie ozon, to postać tlenu

17 Svante Arrhenius chemik szwedzki ( ) laureat nagrody Nobla w dziedzinie chemii za osiągnięcia w zakresie elektrochemii W 1896 zasugerował, że 40% przyrost lub spadek zawartości CO2 może wywołać rozwój lub zanik lodowców. Rozważał niską aktywność wulkaniczną (i związaną z nią niską zawartość CO2 w atmosferze) jako możliwą przyczynę zlodowaceń Oszacował zmianę temperatury przy podwojeniu koncentracji CO2 na 5 C.

18 Guy Stewart Callendar angielski inżynier ( ) Zaproponował teorię łączącą stężenie dwutlenku węgla w atmosferze z temperaturą globalną. Opublikował szereg prac na temat ocieplenia globalnego, promieniowania podczerwonego i antropogenicznego dwutlenku węgla. Podobnie ja Arrhenius uważał, że zwiększona koncentracja CO2 chroni Ziemię przed kolejnym zlodowaceniem.

19 krzywa Keelinga

20 Kilka słów o promieniowaniu elektromagnetycznym Wszystkie ciała ( T > 0 K) promieniują energie. Ilość energii emitowanej przez ciało jest zależna od temperatury i w przypadku tzw. ciała doskonale czarnego wynosi: 4 F T Prawo Stefana-Boltzmanna F - natężenie promieniowania T - temperatura powierzchni Ziemi - Stała Stefana Boltzmanna 9/21/2012 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

21 Maksimum emitowanej energii przypada na tym krótsze fale im temperatura ciała jest wyższa W przypadku powierzchni Słońca (T=5780 K) maksimum energii przypada dla długości fali 0.55 m (fale odpowiadające barwie zielonej). W przypadku powierzchni Ziemi (T=300 K) maksimum energii przypada dla długości fali około 10 m (podczerwień poza zakresem detekcji oka ludzkiego). Tym samym Ziemia jest dla nas czarna w nocy. 9/21/2012 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

22 Promieniowanie krótko- i długofalowe W meteorologii wyróżniany promieniowanie krótkofalowe (słoneczne dla długości fali mniejszej od 4 m) oraz długofalowe (ziemskie) o długości fali większej od 4 m. Atmosfera jest w zasadzie przeźroczysta dla promieniowania krótkofalowego i półprzepuszczalna dla długofalowego 9/21/2012 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

23 Prawo Lamberta-Beera I I o e I natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego po przejściu przez atmosferę I 0 natężenie bezpośredniego promieniowania słonczego na górnej granicy atmosfery - grubość optyczna atmosfery 9/21/2012 Instytut Geofizyki UW

24 F f (,T) 4 F T Rozważmy ciało doskonale czarne o temperaturze T. Dokonujmy pomiaru promieniowania emitowanego przez o ciało w dowolnej odległości. Zakładamy jednak brak atmosfery miedzy detektorem a ciałem. Wyznaczenie temperatury tego ciała (zgodnie ze wzorem Plancka) wymaga pomiaru promieniowania jedynie dla pojedynczej długości fali. T 24

25 F f (,T,TA, ) F τ (1 e ) T T A 4 e T 4 A W przypadku gdy między detektorem a ciałem znajduje się izotermiczna atmosfera o temperaturze T A oraz grubości optycznej τ wówczas promieniowanie docierające do detektora zależy od 3 zmiennych (nie uwzględniając długości fali). Tak, więc musimy mierzyć promieniowanie na co najmniej 3 długościach fali aby wyznaczyć niewiadome wielkości. W atmosferze temperatura zmienia się z wysokością więc sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana T 25

26

27

28 Transfer promieniowania w atmosferze

29 Pomiar bilansu promieniowania Ziemi Budżet promieniowania jest to równowaga między promieniowaniem padającym ze Słońca na powierzchnie Ziemi a promieniowaniem odbitym, rozproszonym oraz emisją promieniowania podczerwonego w przestrzeń kosmiczną.

30 Efekt cieplarniany energia docierająca do całej powierzchni Ziemi S R 2 S0 energia docierająca przez jednostkową powierzchnię Ziemi 2 R S 4 R 1353 W S m 338W 2 m

31 Efekt cieplarniany S a ( ) S 243W m 2 energia absorbowana przez jednostkową powierzchnię Ziemi E z T 4 z energia wyemitowana przez jednostkową powierzchnię Ziemi E z S a zrównoważenie bilansu promieniowania T z temperatura efektywna Ziemi 255.9K C

32 Model szklarni T z 4 T z 4 T d 4 T z d 2 2 T T d T z K 304.5K C

33 Dlaczego pomiary satelitarne? Jeden przyrząd na satelicie może objąć swym zasięgiem znaczą część powierzchni Ziemi oraz całą pionową kolumnę atmosfery a zatem: umożliwia monitoring zjawisk meteorologicznych i warunków atmosferycznych w dużej skali w przeciwieństwie do punktowych pomiarów naziemnych czy sondaży atmosferycznych

34 Pomiary satelitarne obserwacje zdalne Obserwacje wykonywane przy użyciu przyrządów umieszczonych na orbitach dokonują pomiarów zdalnych teledetekcyjnych (na odległość). Metody teledetekcyjne są jednak na ogół bardziej skomplikowane w sensie metodologicznym niż tzw. pomiary w miejscu (in-situ). Główny problem stanowi przetwarzanie danych pomiarowych dlatego kluczową role odgrywa walidacja danych satelitarnych na podstawie obserwacji in-situ. 9/21/2012 Instytut Geofizyki UW

35 Pasywna i aktyna teledetekcja 35

36 Pomiar bilansu promieniowania Ziemi Instrumenty dzieli się w zależności od pomiaru rożnych części składowych bilansu promieniowania Ziemi: Pełnego zakresu promieniowania przychodzącego od Słońca (0,2 4,0 mikrometrów) Monitorowanie promieniowania emitowanego z powierzchni Ziemii (3 100 mikrometrów) Pomiar promieniowania odbitego z powierzchni Ziemii

37 Pomiar bilansu promieniowania Ziemi Instrumenty oferują bardzo dokładne pomiary bezwzględne (~ 1 W/ m^2) Większość przyrządów ma małe pole widzenia i są stosowane do pomiaru w określonym kierunku. Wykorzystując informacje o kierunku obserwacji można wyznaczyć przestrzenny rozkład strumienia energii. Instrumenty posiadają dodatkowo możliwość badania anizotropii i polaryzacji promieniowania.

38 Pomiar bilansu promieniowania Ziemi Instrumenty dokonują pomiary co 15 minut co pozwala na dobrze badać cykl dobowy rozkładu energii.

39 Pomiar bilansu promieniowania Ziemi Wkład energii ze Słońca do bilansu energetycznego Ziemi nie jest stała i małe zmiany związane z plami słonecznymi i innych czynników powodują pewne drobne, ale znaczące zmiany klimatu Ziemi. Pozornie niewielka (0,5%) zmiana całkowitego natężenia promieniowania słonecznego w ciągu wieku, może spowodować znaczne zmiany klimatyczne. Modele sugerują, że aż 25% ostatniego globalnego ocieplenia Ziemi mogą być pochodzenia słonecznego.

40 Obserwacje stałej słonecznej ilości promieniowania dochodzącego od Słońca 9/21/2012 Krzysztof Markowicz

41 Zmiany stałej słonecznej w ostatnich latach 9/21/2012 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

42 Zmiany albeda planetarnego 9/21/2012 Krzysztof Markowicz

43 Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery 9/21/2012 Krzysztof Markowicz

44 Strumień promieniowania długofalowego na górnej granicy atmosfery w obszarze tropikalnym (20S-20N).

45 Rola chmur Przyczyniają się do wzrostu albeda planetarnego z 14 do 31% (średnie zachmurzenie na ziemi przekracza 60%) Nie oznacza to jednak, że chmury chłodzą klimat. Chmury wysokie zdecydowanie ogrzewają system klimatyczny. Chmury niskie silnie chłodzą go. Trend zachmurzenia Lipiec 9/21/2012 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

46 Pomiar bilansu promieniowania Ziemi Pomiary promieniowania opuszczającego Ziemie sugerują pewne zmiany w poszczególnych częściach widma tego promieniowania.

47 Czy możemy wpływać na chmury? Pośredni wpływ aerozoli ślady statków większe albedo :: :: :: :: :: Stratocumulus :: :::: :: Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień r e 9/21/2012 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

48 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. 9/21/2012 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

49 Wpływ aerozolu na klimat 1) Efekt bezpośredni poprzez rozpraszanie i pochłanianie promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni Ziemi. 2) Efekt pośredni oddziaływanie aerozolu na własności chmur oraz ich czas życia Aerozole chłodzą klimat!

50 9/21/2012 Krzysztof Markowicz Projekt A-train badanie wpływu aerozolu na klimat

51 Pomiar bilansu promieniowania Ziemi Instrumenty:

52 Pomiar bilansu promieniowania Ziemi Clouds and the Earth s Radiant Energy System (CERES)

53 Pomiar bilansu promieniowania Ziemi Clouds and the Earth s Radiant Energy System (CERES)

54 Pomiar bilansu promieniowania Ziemi Clouds and the Earth s Radiant Energy System (CERES)

55 CERES całkowite wymuszanie radiacyjne chmur (Lipiec, 2000)

56 Pomiar bilansu promieniowania Ziemi Clouds and the Earth s Radiant Energy System (CERES)