Fizyka Procesów Klimatycznych Wykład 13 Chmury

Transkrypt

1 Fizyka Prcesów Klimatycznych Wykład 13 Chmury prf. dr hab. Szymn Malinwski Instytut Gefizyki, Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski dr hab. Krzysztf Markwicz Instytut Gefizyki, Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

2 Prcesy fizyczne prwadzące d kndensacji pary wdnej becnej w pwietrzu: rzprężanie adiabatyczne (np. w ruchach wstępujących); chładzanie izbaryczne (radiacyjne, przez przewdnictw); mieszanie izbaryczne.

3 Frmwanie się chmur wskutek adiabatyczne g spadku ciśnienia.

4 Pwstawanie chmur wskutek chładzania izbaryczneg (na gół wskutek wyprmieniwan ia w pdczerwieni).

5 Pwstawanie chmur wskutek mieszania izbaryczneg dwóch mas pwietrza różnych temperaturach.

6 Kndensacja hetergeniczna: : -efekt zakrzywienia pwierzchni utrudnia kndensację (pdwyższają ciśnienie nasycenia pary) -efekty higrskpwe (sle rzpuszczalne) bniżają ciśnienie nasycenia pary.

7 KROPLE CHMUROWE I OPADOWE

8 Masa typwej krpli deszczu jest MILION razy większa d masy krpli chmurwej pwstałej w wyniku kndensacji. Takie krple padwe mgą pwstać tylk w prcesie zderzeń I zlewania się krpli (cllisin callescence), ale żeby mógł n zajść ptrzebne są na pczątku krple

9 Pwstawanie padu w chmurze ewlucja rzmiarów krpel w wyniku kalescencji/kagulacji (zderzeń i zlewania się krpli) After Shaw, 2003.

10 Inny mechanizm pwstawania padu: prces Bergerna (Wegenera, Findeisena)

11 Efekty aerzlw-chmurwe wg. V Raprtu IPCC

12 Efekty aerzlwe Efekt Twmey Efekt Albrechta

13 Pśredni wpływ aerzli ślady statków większe albed :: :: :: :: :: Stratcumulus :: :::: :: Większa kncentracja krpel, Mniejszy prmień r e

14 Pierwszy pśredni wpływ aerzli Chmury czyste i zanieczyszczne Czyste pwietrze, mała ilść jąder kndensacji. Mała kncentracja. Duże rzmiary krpelek. Zanieczyszczne pwietrze, duża ilść jąder kndensacji. Duża kncentracja. Małe rzmiary krpelek.

15 Optyczny mdel chmury Albed chmury w przybliżeniu dwu-strumieniwym R F F (1 g) 2 (1 g) 2 1 g gdzie g jest parametrem asymetrii związanym z rzpraszaniem prmieniwania na krpelkach lub kryształach ldu, zaś grubścią ptyczna chmury. Przyjmując parametr asymetrii dla chmury równy kł g=0.85 trzymujemy R 13 Rzważmy jednrdną chmurę mndyspersyjnym rzkładzie wielkści h r 2 Q ext N Przyjmując, że dla bszaru widzialneg parametr wielkści x=2 r/ >>1 stąd Q ext =2

16 Wyznaczamy zależnśd albeda chmur R d liczby krpelek N przy stałej zawartści wdy ciekłej w pinwej klumnie chmury (LWP) dr dn LWP dr d d dn LWP 4 3 r 3 w hn Zakładając, że LWC nie zależy d wyskści dlwp h w (dn r 3 dr3n r 2 ) 0 stąd dr r dn 3N Obliczmy wielkśd d 2 h(dn 2 2 r hn dr2rn 2 r ) dn N 2dr r d dn N 2 3 dn N 1 3 dn N

17 dr d ( 13 13) 2 ( 13 13) 2 statecznie dr dn LWC dr d d dn ( 13 13) N 13 3N R 1 13 dr dn LWC R 3N 13R R(1 3N R) Tylk w przypadku chmur zawierających mała liczbę krpel N<100 cm -3 albed chmury zależy silnie d kncentracji, a tym samym d kncentracji aerzlu.

18 Przykład Rzważmy dwie chmury mndyspersyjnym rzkładzie krpel, grubści pinwej 400 metrów, przy czym pierwsza składa się z krpelek wdy prmieniu r 1 =10 m i kncentracji N 1 =1000 1/cm 3, zaś druga z krpel prmieniu r 2 =20 m. Zakładając, że wdnść bu chmur jest identyczna mżemy wyznaczyć kncentracje krpel w drugiej chmurze ze wzru (125 1/cm 3 ) Stsując terię rzpraszania MIE wyznaczamy parametry asymetrii dla bu chmur. Wynszą ne dpwiedni 0.86 i Grubść ptyczny chmur wynsi: 188 i 94 Albed chmur: 0.93 i 0.86.

19 Wpływ chmur na klimat Chmury pkrywają kł 50% pwierzchni Ziemi, dlateg, też są ne bardz ważne z klimatyczneg punktu widzenia. Chmury zwiększają albed planetarne d 14 d 30%. Z drugiej zmniejszają ucieczkę prmieniwania długfalweg w przestrzeń ksmiczną zapbiegając w ten spsób utracie energii. Wpływ chmur na klimat zależy d ich własnści ptycznych raz temperatury.

20 Czy chmury są dsknale czarne?

21 Prsty radiacyjny mdel iztermicznej chmury Bilans energii całej chmury jest ujemy i wynsi H T 4 s 2 T 4 T 4 s 1 2 T T s 4 Ochładzanie t jest tym silniejsze im wyższa jest temperatura chmury a zatem im bliżej ziemi znajduje się chmura.

22 Rzważmy bilans prmieniwania długfalweg na dlnej raz górnej pwierzchni chmury. Ograniczenie się tylk d prmieniwania długfalweg dpwiada sytuacji ncnej. Strumień nett na dlnej granicy chmury wynsi 4 4 N F F (T T ) base gdzie T base jest temperaturą pdstawy chmury, zaś T s temperaturą pwierzchni ziemi Przy czym załżyliśmy, że chmura jest na tyle gruba, że mżna ją traktwać jak ciał dsknale czarne. Pwyższy wzór jest tylk szacwaniem górnym gdyż, nie całe prmieniwanie emitwane przez pwierzchnie ziemi siąga pdstawę chmury. Rzpatrzymy chmurę grubści 700 m pdstawie znajdującej się na pzimie 300 m. Niech temperatura pwierzchni ziemi wynsi 288 K, zaś d pstawy chmury panuje suchadiabatyczny gradient temperatury. Zatem temperatura na wyskści pdstawy chmury wynsi 285 K. W tym przypadku strumień nett na wyskści pdstawy chmury wynsi N base 16 W/m 2. s base

23 Strumie nett na szycie chmury mżna zapisad w pstaci N tp (T 4 tp Pnieważ w chmurze gradient temperatury z wyskścią jest gradientem wilgtnadiabatycznym (6 K/km), dlateg temperatura na szczycie chmury wynsi kł 281 K. Pnadt, jeśli przyjmiemy, ze zdlnśd emisyjna atmsfery p wyżej chmury wynsi 0.8 (w rzeczywistej atmsferze zmienia się d 0.7 w Arktyce d 0.95 w rejnach trpikalnych) t strumie nett na szczycie chmury wynsi k.211 W/m 2. Zauważmy, że z definicji strumieni nett wynika, że pdstawa chmury jest słab grzana (16 W/m 2 ), zaś wierzchłek chmury silnie chłdzny (211 W/m 2 ). Zatem, chmura jest silnie chłdzna jak całśd (196 W/m 2 ). Obliczmy, jakie jest temp chładzania radiacyjneg chmury T 4 a ) dt dt rad N base C p N Z tp 14 K/dzie

24 Chmury wyskie grzewają a niskie chłdzą T h Albed 10-30% Albed 60-80% T l T s T s T l T s >> T h

25 Wpływ chmur Scu na glbalny bilans radiacyjny Występwanie Scu: + Własnści radiacyjne : ALB cean = 5-10 % IR VIS ALB Scu = % IR VIS Hartmann (1992) ~ % pwierzchni ceanów (Warren et al., 1986) ALB Scu ~ 5-10*ALB cean Ujemne wymuszenie radiacyjne ~ 3-4 % strumienia prmieniwania słneczneg trzymywaneg średni przez układ Ziemia-Atmsfera

26 Sprzężenia zwrtne związane z działywaniem aerzl chmura + Albed Długść życia i rzciągłść przestrzenna Kncentracja krpelek Intensywnść padu Strumień ciepła utajneg i dczuwalneg CCN Zanieczyszczenia T Ocean DMS

27 Wymuszanie radiacyjne chmur Jeśli przez F znaczymy strumie prmieniwania zdefiniwany jak sumę prmieniwania bezchmurneg nieba raz bszaru pkryteg chmurami F Fc (1 C) F C t wymuszenie radiacyjne chmur mżna zapisad w pstaci CFrcing F Fc C(F Fc ) gdzie C jest częścią bszaru pkryteg przez chmury, Fc strumieniem prmieniwania czysteg nieba, zaś F strumieniem prmieniwania związany z chmurami.

28 Wymuszanie radiacyjne chmur

29 Chmury i ich rla w prcesach radiacyjnych. Jak zmiany w zachmurzeniu wpływaja na bilans energii?

30 Kim and Ramanathan (2008) 30

31 Efekty sprzężeń związanych z chmurami wskutek z zmian kncentracji CO2 w atmsferze.

32 Chmury I aerzle, a ściślej cykl hydrlgiczny wpływają nie tylk na strumienie radiacyjne, ale i na dynamikę atmsfery i ceanu.

33 Zmiany w strukturze i dynamice atmsfery związane ze zmianami zachmurzenia na cieplającej się Ziemi.

34

35

36 Zaliczenie przedmitu IPCC, Intrductin 2. Observatins: Atmsphere and Surface 3. Observatins: Ocean 4. Observatins: Crysphere 5. Infrmatin frm Paleclimate Archives 6. Carbn and Other Bigechemical Cycles 7. Cluds and Aersls 8. Anthrpgenic and Natural Radiative Frcing 9. Evaluatin f Climate Mdels 10.Detectin and Attributin f Climate Change: frm Glbal t Reginal 11.Near-term Climate Change: Prjectins and Predictability 12.Lng-term Climate Change: Prjectins, Cmmitments and Irreversibility 13.Sea Level Change 14.Climate Phenmena and their Relevance fr Future Reginal Climate Change