El Niño a ruch obrotowy Ziemi Kosek Wiesław Centrum Badań Kosmicznych, PAN Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie 17 czerwca 2009r
Plan prezentacji Definicja El Niño Globalne skutki El Niño Indeksy Niño i ich analiza Historia obserwacji El Niño Mechanizm El Niño Obserwacje El Niño (TAO, pomiary mareograficzne, altimetria satelitarna) Wpływ El Niño na prędkość obrotową Ziemi Wnioski
Definicja: El Niño (hiszp. mały chłopiec lub dzieciątko Jezus) jest zaburzeniem w systemie atmosferyczno oceanicznym lub czasową zmianą w klimacie okołorównikowego Pacyfiku.
Zjawisku El Niño o zawsze towarzyszą klęski żywiołowe: owe: Powodzie w Peru i Ekwadorze spowodowane obfitymi opadami deszczu we wschodnich rejonach Pacyfiku, Susze w Indonezji i Australii połączone z rozległymi pożarami lasów.
Susze w Australii od 1965 do 1994 roku
Ekonomiczne straty spowodowane przez El Niño El Niño 1997/98 20-25 mld $
Indices of El Niño o and Southern Oscillation Sea surface temperature difference (Nino1+2, Nino 3, Nino 4 and Nino 3.4). Southern Oscillation index has been calculated based on the differences in air pressure between Tahiti and Darwin, Australia. Nino1+2: 0-10 S, 80 W-90 W Nino3: 5 S-5 N, 90 W-150 W Nino3.4: 5 S-5 N, 120 W-170 W Nino4: 5 S-5 N, 160 E-150 W
Nino 3.4, SOI
1567-68 1578 1624 1652 1661 1687-88 1701 1720 1728 1791 1803-04 1828 1844-45 1871 1877-78 1884 1891 1925-26 3 month running mean of SST anomalies in the Niño 3.4 region (5N-5S, 120-170W) Nino 1+2 1951-52 1953-54 1957-59 1963 1965-66 1969-70 1972-73 1976-77 1979 1982-83 1987-88 1991-92 1993 1994 1997-98 2002-03 2004-05 2006-07
Widma amplitudowe wyznaczone metodą FTBPF o C 0.5 Nino1+2 Nino3 Nino4 Nino3.4 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 hp 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 period (years) SOI 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 period (years)
Czasowo-częstotliwościowe widma amplitudowe wyznaczone metodą FTBPF period (years) 6 5 4 3 2 1 6 Nino1+2 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 SOI o C 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 hp 0.8 5 0.6 4 3 2 0.4 0.2 1 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 years
Historia obserwacji El Niño pomiar temperatury powierzchniowej oceanu ze statków pasażerskich i handlowych (ponad 100 lat), regularne pomiary temperatury powierzchniowej oceanu u wybrzeży Peru, pomiary ciśnienia i opadów na stacjach meteorologicznych Pacyfiku (stacja Darwin ponad 150 lat obserwacji), notatki osadników hiszpańskich sięgające XV wieku, dane dotyczące połowów od 1726 roku, badania raf koralowych, badania grubości słojów drzew.
High and low index Prof. Gilbert Walker Wzrostowi ciśnienia zachodniego Pacyfiku towarzyszy spadek ciśnienia u wybrzeży wschodnich. High index ciśnienie wyższe na zachodnim wybrzeżu Pacyfiku, Low Index wyrównanie ciśnień po obu stronach Pacyfiku. (słabnięcie a nawet ustanie wiatrów wschodnich).
Warunkom low index zawsze towarzyszyły obfite opady deszczu na wyspach centralnej części Pacyfiku.
Prof. Jacob Bjerkne nes 1897-1975 1975 Ciepłe prądy oceaniczne El Niño, oraz huśtawka ciśnień zwana Oscylacją Południową są częścią jednego zjawiska, które nazwał ENSO (El Niño Southern Oscillation).
Siała Coriolisa Siła Coriolisa powoduje, że na północnej i południowej półkuli przeważają wiatry zachodnie, Dla zachowania momentu pędu układu Ziemia+atmosfera Ziemia zwalnia swoją prędkość obrotową co powoduje powstawanie pozornego ruchu atmosfery w kierunku zachodnim w obszarach okołorównikowych.
Warunki normalne Wiatry wschodnie spychają powierzchniowe wody do zachodniej części Pacyfiku, We wschodniej części chłodniejsze wody z głębszych warstw wypływają na powierzchnię próbując zastąpić odpływającą wodę przesuwaną wiatrem na zachód.
Warunki normalne - upwelling Upwelling podpływanie zimnych wód we wschodniej części Pacyfiku co widoczne jest na zdjęciach satelitarnych wykonanych w podczerwieni.
Warunki normalne - termoklina Wiatry wschodnie i upwelling zmieniają profil temperaturowy wód Pacyfiku. Termoklina jest na mniejszej głębokości we wschodniej części Pacyfiku (ok. 50 m) niż w części zachodniej (ok. 200 m).
Warunki normalne - fitoplankton Zimna woda jest bogata w substancje organiczne, ze względu na większą zawartość tlenu. W obecności światła słonecznego fitoplankton wykorzystuje substancje organiczne do produkcji zielonkawej substancji zwanej chlorofilem.
La Niña 1998-99 W czasie normalnych warunków atmosferycznych może wystąpić zjawisko La Niña, które charakteryzuje się niższą niż zwykle temperaturą powierzchniową okołorównikowego Pacyfiku.
Początek El Niño o (ustawanie wiatrów w wschodnich) W czasie warunków normalnych wschodnia i centralna część Pacyfiku pozostaje bezdeszczowa. W momencie rozpoczynania się El Niño wschodnie wiatry ustają, woda spychana wcześniej tymi wiatrami powraca na wschód, we wschodniej części Pacyfiku mniejsze ilości chłodnej wody wypływają na powierzchnię.
Warunki El Niño Powietrze nad oceanem ogrzewa się i tworzą się chmury przynoszące opady deszczów, a strefa tych opadów i ciepła przemieszcza się z zachodniej do wschodniej części Pacyfiku, Ogrzane powietrze ma mniejszą gęstość co powoduje spadek jego ciśnienia, niższe ciśnienie na wschodzie Pacyfiku powoduje dalsze osłabienie wiatrów wschodnich. To sprzężenie zwrotne sprawia, że El Niño narasta.
Warunki El Niño - termoklina Napływ ciepłych wód powierzchniowych z zachodniej do wschodniej części Pacyfiku powoduje wyrównanie głębokości termokliny na całym Pacyfiku.
Warunki El Niño - upwelling Podniesienie temperatury powierzchniowej oceanu w centralnej i wschodniej części Pacyfiku może być obserwowane na zdjęciach satelitarnych wykonanych w podczerwieni.
SST: maximum El Niño w latach 1982/83 i 1997/98
Tropical Atmosphere Ocean Project
Tropical Atmosphere Ocean Project pomiary: prędkości wiatru, temperatury wody i powietrza, względnej wilgotności, opadów deszczu, promieniowania słonecznego (+ podczerwień), ciśnienia barometrycznego, zasolenia wody, prędkości prądów morskich. uśrednione co godzina i co dzień dane wysyłane są do NOAA w czasie prawie rzeczywistym
Zmiany poziomu oceanu powodowane przez El Niño Wzrost temperatury powierzchniowej oceanu powoduje spadek jego gęstości, Zmniejszenie gęstości oceanu powoduje zwiększenie jego objętości dlatego wzrasta poziom oceanu, Wzrost poziomu oceanu może zostać zaobserwowane za pomocą pomiarów mareograficznych lub altimetrii satelitarnej.
GLOSS GLOBAL SEA LEVEL OBSERVING SYSTEM Spośród ponad 1700 wszystkich stacji mareograficznych ok. 290 tych stacji tworzy Global Core Network (GCN). Stacje rozmieszczone są prawie równomiernie w celu mierzenia względnych zmian poziomu oceanu. Niektóre z tych stacji wyposażone są w odbiorniki GPS w celu monitorowania pionowych ruchów skorupy ziemskiej. Dane GLOSS dostępne są 1) University of Hawaii Sea Level Center, 2) Permanent Service for Mean Sea Level 3) British Oceanographic Data Centre
ALTIMETRIA SATELITARNA Altimetria satelitarna jest technika radarową, w której krótkie impulsy fal radarowych emitowanych wzdłuż linii pionu odbijają się od powierzchni oceanu i odbierane są przez antenę odbiorczą znajdującą się na pokładzie satelity altimetrycznego. Hdyn = Hcomp - (Haltim + corr) (Hgeoid + err) Analiza pomiarów w pozwala na wyznaczenie odległości od satelity do chwilowej powierzchni oceanu. Pomiar wysokości altimetrycznej wraz z precyzyjnie wyznaczoną orbitą dostarczają wysokości oceanu w geocentrycznym układzie współrz rzędnych odniesienia co pozwala na badanie globalnych i regionalnych cyrkulacji oceanu, a także e wyznaczenie geoidy na obszarach oceanu. Geoida nie pokrywa się z chwilową powierzchnią oceanu a różnica r ta nazywana jest dynamiczną wysokości cią oceanu lub topografią oceanu:
Zastosowania altimetrii satelitarnej: zmiany poziomu oceanów, mórz, rzek i jezior, El Niño, La Niña, prądy morskie i cyrkulacja oceanu, pływy, model geoidy, wiatry, modele meteorologiczne, topografia pokrywy lodowej oraz jej zmiany.
Satelity altimetryczne Skylab (May 1973 Feb 1974) h=435km i=50 GEOS 3 (Apr 1975 Dec 1978) h=845 km, i=115 Seasat A (Jun 1978 Oct 1978) h=800 km, i=108 Geosat (Mar 1985 Sep 1989) h=785km, i=108 ERS-1 (Jul 1991- Mar 2008) h=785 km, i=98 TOPEX/Poseidon (Aug 1992 Jan 2006) h=1336 km, i=66 ERS-2 (Apr 1995 - present) h=781 km, i=98 GFO-1 (Sep 1996 Sep 2006) h=800km, i=108 Jason 1 (Dec 2001 - present) h=1337km, i=66 Envisat (Mar 2002 - present) h=800km, i=98 Cryosat 1 (destroyed on launch Oct 8 2005) Jason 2 (Jun 2008 present) Cryosat 2 (Nov 2009 - ALTIKA (2010 Sentimel 3 (after 2012 -
Błąd wyznaczenia orbity w kierunku radialnym dla różnych satelitów altimetrycznych od 1992.
TOPEX/Poseidon Poseidon (TOPografic EXperiment/Poseidon) altimeters 5.3 & 13.6 GHz, Launched 10 August 1992, h=1336 km, i=66 o, mas=2500kg, footprint=2.2km, JGM3 gravity field model, CSR4.0 ocean tide model. Orbit determination: SLR DORIS GPS (TDRSS) - Tracking and Data Relay Satellite System
Jason 1 Start 7 grudzień 2001 (Boeing Delta II 7920), H=1337km, na tej samej orbicie co Topex/Poseidon 370km przed nim, Masa=500kg, footprint=2.2km
Siatka przelotów w T/P lub Jason-1 orbital period=112.47min., 1 cycle=9.9156 days = 254 orbital periods
Poprawki do pomiaru altimetrycznego: ze względu na pływ oceaniczny, odwrotnego barometru, ze względu na pływ bieguna ziemskiego, ze względu na lokalne nachylenie geoidy, troposferyczna, jonosferyczna, ze względu na pływ skorupy ziemskiej.
Globalny wzrost poziomu oceanu
ERS-2
DANE: TOPEX/Poseidon Poseidon i JASON 1 Sea Level Anomalies (SLA) 1 o 1 o ϕ <-65 o,65 o >, λ <0 o,359 o > - T/P: (10.01.1993-01.08.2002) - Jason 1: (04.02.2002-14.07.2003)
1 N 2Sφ, λ ocean cm 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 Mean FTBPF amplitude spectrum for entire ocean, ( T ) northern and southern hemispheres. 30 60 90 120 150 180 210 240 period (days) N S
Widma amplitudowe FTBPF danych SLA (T= 365, 182, 120, 90, 62, 30 dni) latitude 50 30 10-10 -30-50 50 30 10-10 -30-50 365 days 0 50 100 150 200 250 300 350 182 days 0 50 100 150 200 250 300 350 120 days 50 30 10-10 -30-50 0 50 100 150 200 250 300 350 longitude cm 16 14 12 10 8 6 4 2 0 7 6 5 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 50 30 10-10 -30-50 90 days 0 50 100 150 200 250 300 350 62 days 50 30 10-10 -30-50 0 50 100 150 200 250 300 350 30 days 50 30 10-10 -30-50 0 50 100 150 200 250 300 350 latitude cm 4 3 2 1 0 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2 1 0
Widma amplitudowe FTBPF danych SLA (T= 182.6211 dni)
Widma amplitudowe FTBPF danych SLA (T= 30 dni)
SST prediction (Niedzielski and Kosek 2008)
Wpływ El Niño na zmiany rotacji Ziemi W okresie El Niño następuje zahamowanie prędkości wiatrów wschodnich. W układzie zamkniętym jakim jest Ziemia z atmosfera całkowity moment pędu jest stały. Ustawanie wiatrów wschodnich powoduje spowolnienie prędkości obrotowej Ziemi gdyż Ziemia kręci się w kierunku wschodnim. Spowolnienie prędkości obrotowej Ziemi powoduje wzrost długości doby. Stephanic (1982) zaobserwował po raz pierwszy korelację pomiędzy SOI a wieloletnimi zmianami w rotacji Ziemi.
Gambis, 1992, Wavelet transform analysis of the length of day and the El Nino/Southern Oscillation variations at intraseasonal and interannual time scales, Ann. Geophysicae 10, 429-437.
Dickey et al. 1994, Angular momentum exchange among the solid Earth, atmosphere, and oceans: A case study of the 1982-1983 El Nino event, JGR Vol. 99, No B12, 23921-23937.
Dickey et al. 1994, cont.
Gross et al. 2001, Modulation of Seasonal Cycle in Length-of of-day and Atmospheric angular Momentum, IAG Symposium 125
Gross et al. 2001, cont.
Wnioski El Niño wpływa na wzrost poziomu oceanu w obszarach okołorównikowego wschodniego Pacyfiku oraz na wzrost długości doby Ziemskiej.