Na podstawie swoich obserwacji badacze atmosfery proponują bardzo uproszczone modele bilansu energetycznego między powierzchnią i atmosferą ziemską.

Transkrypt

1 Na podstawie swoich obserwacji badacze atmosfery proponują bardzo uproszczone modele bilansu energetycznego między powierzchnią i atmosferą ziemską.

2

3

4 Albedo jest to stosunek ilości promieniowania odbitego do padającego na daną powierzchnię

5

6 Duża część, bo ok. 70% docierającej do powierzchni Ziemi energii słonecznej, steruje procesami obiegu wody w cyklu hydrologicznymi.

7

8 Przepływ ciepła na Ziemi Ilość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi, jest nierównomiernie rozłożona na całej jej powierzchni. Wynika to z faktu: nachylenia zwiększonego szerokościach większego osi nagrzewania geograficznych. odbicia obrotu i Ziemi zmniejszonego obszarów do płaszczyzny w pobliżu pochłaniania ekliptyki, równika światła (niskie słonecznego szerokości geograficzne), w wyższych Cyrkulacja atmosferyczna

9

10

11

12 Rzeźba dna oceanicznego 12

13 Pionowy rozkład temperatury wody w oceanie Temperatura wody jest kolejnym istotnym parametrem hydrologicznym pozwalającym na dokonanie strukturalnego podziału wód oceanicznych. Głównym źródłem dostarczania ciepła do oceanu światowego jest promieniowanie słoneczne. Ze względu na kryterium temperaturowe, wody podzielono na wody powierzchniowe i głębinowe, oddzielone warstwą termokliny. Termoklinę stanowi warstwę wody, w której występuje duży gradient zmiany temperatury z głębokością. 13

14 Dynamika wód oceanicznych Falowanie morza

15 Podział fal morskich dotyczy głębokości akwenu, po którym fale się przemieszczają. W tym wypadku fale dzielimy na tarcia cząsteczek wody o dno, prędkość fali i jej długość ulegają zmniejszeniu 299

16 Fale wiatrowe Fale wiatrowe są to fale powstające w wyniku oddziaływania wiatru z powierzchnią morza. Na tworzące się fale działa siła grawitacji, stabilizująca cały układ. Kiedy długość fal kapilarnych przekroczy 1,47 cm, stają się one falami grawitacyjnymi. Dzieje się tak przy prędkości wiatru ok. 6 7 m/s. 399

17 W falach wiatrowych głębokowodnych, cząsteczki wody zataczają okręgi wokół położenia równowagi. Na podstawie teorii fal o małej amplitudzie, można wyznaczyć średnicę ich orbit ze wzoru średnica orbit zmniejsza się wraz z głębokością

18 W przypadku fal płytkowodnych, gdzie zaczyna działać siła tarcia o dno. Cząsteczki powierzchniowe zaczynają zataczać elipsy, ze średnicami pionowymi równymi wysokości fali i wydłużonymi średnicami poziomymi. Przy samym dnie mamy jedynie do czynienia z poziomym ruchem cząsteczek ruchem oscylacyjnym. 18

19 Skala Beauforta siły wiatru i stanu morza. 19

20 Fale baryczne Fale baryczne są falami powstającymi wskutek szybkiego przemieszczania się nad danym akwenem układów barycznych przeważnie niżów. W zasięgu obszaru obniżonego ciśnienia, następuje podniesienie lustra wody, co powoduje powstanie fali barycznej. Szacuje się, że przy spadku ciśnienia o 1 hpa w stosunku do ciśnienia odniesienia 1013 hpa, poziom lustra wody podnosi się o 1 cm (Trzeciak, 2000). Obszar niskiego ciśnienia docierając do lądu, może spowodować spiętrzenie wody dochodzące nawet do kilku metrów. 20

21 Fale sejsmiczne (tsunami) Swobodne fale sejsmiczne są falami długimi o długości średnio od 100 do 200 km, poruszającymi się z dużą prędkością. Na otwartym oceanie wysokość fali tsunami jest niewielka, zaledwie kilka centymetrów często niezauważalna. Docierając do brzegu fala zwalnia i wypiętrza się, zwiększając swoją wysokość do kilkudziesięciu metrów. 21

22 Wysokość pływów 22

23 Prądy wiatrowe Prądy wiatrowe powstają wskutek powstających naprężeń ścinających na styku woda wiatr, oraz napierania wiatru na nawietrzną stronę fal. Prądy wiatrowe sięgają do głębokości ok. 200 m Wraz z głębokością ich siła jak i kierunek ulegają zmianie. Zjawisko to przedstawia spirala Ekmana Spirala Ekmana, model obrazujący jednorodny słup wody wprawiony w ruch przez wiatr wiejący nad powierzchnią wody. Przypowierzchniowe masy wody znajdujące się pod działaniem dwóch sił: siły tarcia wiatru wprowadzającego je w ruch postępowy i skierowanej w prawo (na półkuli północnej) siły Coriolisa. 23

24 Chmury

25

26

27

28 Fizyka Procesów Klimatycznych Co dzieje się z klimatem?

29 Zmiany klimatyczne w Polsce

30

31 Główne wymuszenia klimatyczne

32 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". 32

33 Pogoda i klimat.

34

35 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 -4 o C. Można to zrobić przy założeniu, że funkcja gęstości nie zmienia się w czasie (brak zmian klimatycznych). Z matematycznego punktu widzenia oznacza to, że mamy do czynienia ze stacjonarnym procesem losowym.

36 Temperatury latem w Europie po 1500 roku

37 Częstość Częstość Częstość Przykład: zmiany w rozkładzie temperatur wzrost średniej wzrost wariancji chłodno średnio ciepło chłodno średnio ciepło wzrost średniej i wariancji chłodno średnio ciepło

38 częstość Przykład: zmiany w rozkładzie intensywności opadów słabe umiarkowane silne

39 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

40 Anomalie pogodowe i klimatyczne

41 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 prawdopodobieństwa temperatury.

42

43 Dygresja: Oscylacja Północno-Atlantycka NAO Faza dodatni łagodne ale dynamiczne zimy w Polsce Faza ujemna surowe zimy w Polsce Indeks NAO został zdefiniowany w latach 20. XX w. przez Gilberta Walkera z wykorzystaniem południkowej znormalizowanej różnicy ciśnienia atmosferycznego między dwoma quasistacjonarnymi układami barycznymi Wyżem Azorskim i Niżem Islandzkim

44 Indeks NAO

45 Czy możemy przewidywać zmiany klimatyczne gdy nie potrafimy przewidzieć pogody na kilka tygodni na przód? Modele klimatu mają bardzo podobną strukturę do modeli prognozujących pogodę na kuli ziemskiej, ale są od nich mimo wszystko różne. W prognozie pogody symulacje są dosyć krótkie - maksymalnie kilka dni. Modele prognozy pogody wymagają bardzo precyzyjnych danych początkowych - zazwyczaj obserwacji ze stacji synoptycznych połączonych z asymilacją danych. Modele prognozy są robione zazwyczaj na znacznie gęstszej siatce Mimo, że prognozy numeryczne pogody po kilku dniach tracą dokładność to nie znaczy, że symulacje klimatu są niedokładne. Dzieje się tak dlatego, ponieważ w problemie klimatu istotne są wartości statystyczne (średnie, trendy itd.).

46 Różnice pomiędzy modelem klimatu a modelem prognoz pogody widoczne są na przykładzie ćmy poruszającej się w pokoju w którym jednym źródłem światła jest żarówka przy suficie. Nie jesteśmy w stanie przewidzieć położenia ćmy po kilku sekundach za to możemy powiedzieć jakie jest jej średnie położenie nawet po godzinie

47 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). 47

48 słabe rozpraszanie promieniowania intensywne rozpraszanie promieniowania atmosfera

49 Skład atmosfery gazy stałe Gaz Symbol % objętości Dlaczego ważny? Azot N 2 78,08 biosfera Tlen O 2 21 Pochłanianie UV, oddychanie Argon Ar 0,9 Gaz nieaktywny, właściwie nieistotny

50 Skład atmosfery - Gazy zmienne Gaz Symbol % objętości Dlaczego ważny? Para wodna H 2 O 0-4 Transport ciepła, gaz cieplarniany, uczestniczy w tworzeniu różnych zjawisk (chmury) Dwutlenek węgla CO 2 0,036 Gaz cieplarniany, biosfera (fotosynteza) Metan CH 4 0,00017 Gaz cieplarniany, bardziej wydajny niż CO 2 Tlenek azotu N 2 O 0,00003 Gaz cieplarniany Ozon O 3 0, Warstwa ozonowa, pochłania UV Cząstki stałe (pyły, sadze), tzw aerozole 0, Budżet energii; tworzenie chmur

51 Homosfera z<100 km Heterosfera z>100 km Rozkład śladowych gazów w atmosferze

52 Podział atmosfery

53 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.

54 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. 54

55 Struktura pionowa oceanów warstwa mieszania warstwa przejściowa termoklina głębia oceaniczna 55

56 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. 56

57 Interakcje pomiędzy atmosferą a oceanem Wymiana: energii pędu pary wodnej dwutlenku węgla soli morskiej (produkcja aerozolu morskiego) 57

58 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)

59 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

60 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

61 Rola biosfery w systemie klimatycznym Obieg węgla, produktywności biosfery Wpływ na bilans energii, wymianę pary wodnej (transpiracja) Emisja DMS będącego prekursorem aerozoli

62 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). Strumień ciepła geotermalnego litosfery ma zaniedbywalny wpływ na globalny bilans energetyczny!

63 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.

64 Przykład sprzężenia zwrotnego w systemie klimatycznym Ziemi- Atmosfera Promieniowanie słoneczne Podwojenie koncentracji CO 2 Albedo+ Ocean T+ Strumień ciepła utajonego i odczuwalnego T- ujemne sprzężenie zwrotne