Wstęp do Geofizyki. Hanna Pawłowska Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

Wstęp do Geofizyki Hanna Pawłowska Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

Atmospheric Science. An Introductory Survey, J. Wallace, P. W. Hobbs Fizyka Atmosfery, Iribarne i Cho The Atmosphere, F. K. Lutgens, E. J. Tarbuck Essentials of Meteorology, C. D. Ahrens Meteorology Today, C. D. Ahrens Fundamentals of Atmospheric Physics, M. L. Salby An Introduction to Dynamic Meteorology, J. Holton Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 2 /44

99% powietrza w atmosferze znajduje się w warstwie o grubości 30 km Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 3 /44

Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 4 /44

Atmosfera jest mieszaniną gazów. Opis jej zachowania w zmieniających się warunkach temperatury i ciśnienia jest niezbędny do prognozowania pogody i klimatu. Promieniowanie słoneczne jest pierwotnym źródłem energii zasilającym układ klimatyczny Oddziaływanie między promieniowaniem i materią stanowiącą atmosferę ustala profil temperatury zgodnie z prawami termodynamiki Skład atmosfery Promieniowanie, oddziaływanie pomiędzy materią i promieniowaniem Termodynamika Przestrzenny rozkład temperatury jest związany z przestrzennym rozkładem ciśnienia i gęstości zgodnie z równaniem stanu gazu Przestrzenny rozkład ciśnienia steruje wiatrem Przemiany fazowe wody odgrywają ogromną rolę w układzie klimatycznym (chmury, opady). Przemiany fazowe są opisane prawami termodynamiki. Dynamika Chmury Klimat Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 5 /44

Skład i struktura atmosfery Własności optyczne atmosfery, bilans promieniowania w atmosferze Termodynamika, chmury Dynamika atmosfery Klimat Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 6 /44

Wykład 1 Aktualny skład atmosfery Jak powstała atmosfera? Dlaczego cząstki nie uciekają w przestrzeń kosmiczną? Czy atmosfera jest jednorodna w swoim składzie? Elementy składu atmosfery: para wodna gazy cieplarniane ozon aerozole Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 7 /44

O2; 21% inne; 1% Ar; 96% N2; 78% inne; 4% inne; 7% H 2 O, O 3, H 2, CH 4 CO2; 93% Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 8 8 /44

Skład atmosfery O2 inne N2 Azot i tlen są głównymi składnikami atmosfery 99% Ar inne Z pozostałego 1% - 96% stanowi argon, który jest szlachetnym gazem nieaktywnym CO2 inne Z pozostałych 4% - 93% stanowi dwutlenek węgla Wszystkie pozostałe gazy ok. 2 części na 100 000 to tzw. gazy śladowe Gazy śladowe są ważnym chemicznym składnikiem atmosfery Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 9 /44

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 0,000004 Warstwa ozonowa, pochłania UV Cząstki stałe (pyły, sadze), tzw aerozole 0,000001 Budżet energii; tworzenie chmur Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 10 /44

Jak powstała atmosfera 4,6 miliardów lat temu z części materii słonecznej złożonej z wodoru i helu powstały planety Wodór i hel są za lekkie, żeby mogły być utrzymane przez pole grawitacyjne Ziemi 4,4 miliarda lat temu, kiedy Ziemia uległa ochłodzeniu, aktywne wulkany wyrzuciły do atmosfery pyły zawierające parę wodną, dwutlenek węgla (CO 2 )i amoniak (NH 3 ) Para wodna skondensowała tworząc oceany Dwutlenek węgla został uwięziony w oceanach i skałach O2 inne N2 Amoniak został rozbity przez promieniowanie słoneczne i został uwolniony a z o t T l e n powstał w wyniku rozbijania cząsteczek wody przez promieniowanie słoneczne, następnie przez fotosyntezę Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 11 /44

Dlaczego cząstki atmosfery nie uciekają w przestrzeń kosmiczną? Aby cząstka mogła się oderwać od pola grawitacyjnego Ziemi jej e n e r g i a k i n e t y c z n a powinna być równa e n e r g i i p o t e n c j a l n e j potrzebnej aby przenieść tę cząstkę z powierzchni Ziemi do nieskończoności 1 mv 2 2 Rz mg o dr r a 2 R z Cząstka taka powinna mieć prędkość v e 2g o R z 11 kms 1 zwaną drugą prędkością kosmiczną. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 12 /44

Rozkład Maxwella równanie określające, jaka część ogólnej liczby cząsteczek gazu doskonałego porusza się w danej temperaturze z określoną prędkością przy założeniu równowagi termicznej tego gazu. Rozkład ten ma postać dp m f v 4π dv 2ππk 3 2 1 2 2 mv v exp kt gdzie: v szybkość cząsteczki gazu m masa cząsteczki gazu (m = M/N A, gdzie M masa molowa gazu, N A stała Avogadra) k stała Boltzmanna, k = R/N A (R stała gazowa) T temperatura dp prawdopodobieństwo, że cząsteczka będzie dv miała prędkość z zakresu (v, v + dv) 2 Rozkład Maxwella dla t l e n u. Na 1 milion cząsteczek, n będzie poruszać się z prędkością v. Przestawiono liczbę cząstek dla trzech różnych temperatur ( 100 C, temperatura pokojowa i 600 C) Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 13 /44

Dlaczego cząstki powietrza nie uciekają z atmosfery? Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery /44 14 Czas potrzebny, aby wszystkie molekuły uciekły z poziomu krytycznego (500 km) jest równy dla: t l e n u 10 46 s (10 39 lat)!!!! w o d o r u : 1 dzień!!!!

Poniżej wysokości 100 km atmosfera jest jednorodna ruchy turbulencyjne w atmosferze są bardzo słabo tłumione przez procesy dyfuzyjne transport turbulencyjny ma większe znaczenie od transportu ruch turbulencyjny jest jednakowo wydajny w mieszaniu różnych gazów w atmosferze; składowe atmosfery są dobrze wymieszane O2 inne N2 Powyżej wysokości 100 km atmosfera nie jest jednorodna średnia droga swobodna staje się większa (wydajniejsza dyfuzja) niż skala związana z ruchem turbulencyjnym ruch turbulencyjny jest silnie tłumiony przez dyfuzję dyfuzja turbulencyjna zależy od masy molowej składników; atmosfera przestaje być dobrze wymieszana Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 16 /44

TERMODYNAMIKA Powietrze suche: Azot: 78% Tlen: 21% Para wodna WŁASNOŚCI RADIACYJNE Powietrze (azot+tlen) Para wodna Gazy cieplarniane (CO 2, CH 4 ) Gazy śladowe (O 3.) Aerozole Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 17 /44

absorpcja i emisja rozpraszanie Gazy i cząstki w atmosferze rozpraszają i pochłaniają w różny sposób promieniowanie słoneczne i termiczne emitowane przez Ziemię. Własności rozpraszania i pochłaniania zależą od rodzaju gazu i cząstek oraz od długości fali promieniowania. Własności rozpraszania bardzo silnie zależą od wielkości cząstek. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 18 /44

Para wodna i woda pochłaniają promieniowanie termiczne emitowane przez Ziemię - efekt cieplarniany. Kropelki wody rozpraszają promieniowanie słoneczne. http://www.rkm.com.au/imagelibrary/index.html#molecular Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 19 /44

Woda Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery /44 20 Woda uczestniczy w bilansie hydrologicznym całego układu klimatycznego. Woda jest j e d y n y m składnikiem atmosfery, który w warunkach naturalnych może występować w jednym z trzech stanów skupienia: Para wodna Woda ciekła (kropelki chmurowe, krople opadu) Lód Przemiany fazowe wody łączą się z wydzielaniem lub pochłanianiem ciepła.

Rozkład pary wodnej w całej grubości atmosfery Sierpień 2010. Nawet w najbardziej wilgotnych rejonach Ziemi cała para wodna gdyby ją skondensować stworzyłaby warstwę o grubości 60 mm. (NASA image by Robert Simmon, using AIRS & AMSU data.) Ilość wody w atmosferze w każdej chwili czasu wynosi 12 900 km 3 nieznaczna część całej wody znajdującej się na Ziemi. Gdyby cała woda zawarta w atmosferze miała wypaść w postaci deszczu to stworzyłaby na Ziemi warstwę o grubości 2,5 cm. Znacznie większa ilość wody 495 000 km 3 cyrkuluje przez atmosferę w ciągu roku. Oznacza to, jakby cała woda zawarta w atmosferze była z niej wymywana i dostarczana ponownie 40 razy. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 21 /44

Pochłaniają promieniowanie termiczne emitowane przez Ziemię Dwutlenek węgla CO2 Metan CH4 Tlenek azotu N 2 O http://www.rkm.com.au/imagelibrary/index.html#molecular Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery /44 25

Koncentracja głównych gazów cieplarnianych (CO 2, CH 4, N 2 O) w czasie ostatnich 2 000 lat. Wzrost od ok. 1700 roku jest przypisywany procesowi industrializacji. Koncentracje są wyrażone: dla CO2 w liczbie cząstek na milion cząstek powietrza (ppm), lub dla CH 4 i N 2 Ow liczbie cząstek na miliard (bilion) cząstek powietrza (ppb). AR4 Raport IPCC 2007, www.ipcc.ch Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 26 /44

.Wyniki ciągłych pomiarów z Mouna Loa (Hawaje) czarny, i Baring Head (Nowa Zelandia) niebieski. Zmienność sezonowa na półkuli północnej jest większa niż na półkuli południowej z powodu większej ilości biosfery. W prawym dolnym rogu pokazana jest zmienność tlenu atmosferycznego O 2 mierzonego w Alert (Kanada) i Cape Grim (Australia). Praw oś jest odwrócona. Koncentracja jest podana w jednostkach per meg czyli ilość cząstek O 2 na milinon cząstek N 2 - odchylenie O 2 /N 2 w stosunku do wartości referencyjnej.. AR4 Raport IPCC 2007, www.ipcc.ch Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 27 /44

Pochłania promieniowanie ultrafioletowe Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 30 /44

Tlen ulega ulega fotodysocjacji pod wpływem promieniowania UV O 2 h 2O Ozon pod wpływem promieniowania ulega rozkładowi na tlen atomowy i cząsteczkowy h O O O3 2 Tlen atomowy ulega następnie rekombinacji z tlenem cząsteczkowym, tworząc ozon O O M O3 2 M jest cząstką, która zabiera nadmiar energii produkowanej w czasie reakcji. M Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 31 /44

Średni stosunek zmieszania dla ozonu (ilość cząstek ozonu na milion cząstek powietrza) jest największy na wysokości ok. 30 km. Największe koncentracje (gęstość) ozonu (masa ozonu na jednostkę objętości) znajduje się w dolnej stratosferze. Spowodowane jest to gęstością powietrza, która spada z wysokością. Średnia gęstość ozonu jest największa na wysokości 10-20 km. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 32 /44

100 280 nm 280 315 nm 315 400 nm Promieniowanie UV-C (100 280 nm) jest bardzo szkodliwe dla człowieka Promieniowanie UV-B (280 315 nm) jest szkodliwe dla ludzkiej skóry (główna przyczyna oparzeń słonecznych); zbytnia ekspozycja może powodować zmiany genetyczne objawiające się rakiem skóry Promieniowanie UV-A (315 400 nm) jest zdecydowanie mniej szkodliwe, chociaż również może wywoływać zmiany genetyczne UVc 100% absorpcji UVb 90% abs Uva 50% abs Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 33 /44

Całkowitą zawartość ozonu w kolumnie powietrza mierzy się w jednostkach Dobsona (DU; Dobson Units). 100DU = jeden milimetr grubości warstwy ozonowej, gdyby ją sprowadzić do standardowych warunków ciśnienia i temperatury. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 34 /44

Pomiary przyrządami umieszczonymi na ziemi (w Halley), oraz na satelitach (the Total Ozone Mapping Spectrometer [TOMS] and Ozone Monitoring Instrument [OMI]) pokazują gwałtowny spadek całkowitej zawartości ozonu w październiku na początku i w połowie lat 80tych. Dziura ozonowa (220 jednostek Dobsona i mniej) w dniu 4.10.2004 r. Dane pochodzą z the Ozone Monitoring Instrument on NASA s Aura satellite. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 35 /44

Dobrze rozpraszają i nieznacznie pochłaniają promieniowanie słoneczne. Oddziaływanie z promieniowaniem termicznym jest w przybliżeniu zaniedbywalne. Zawiesina płynnych i stałych cząsteczek w gazie Cząstki ciekłe mgła Cząstki stałe dym, pył, kurz, fruwające zanieczyszczenia Smog dym+mgła Rozmiary od 1 nm do 100 m Dwie główne klasy: aerozol drobny (średnica mniejsza niż 2,5 m (PM2,5) i aerozol gruby (d>2,5 m) Drobne cząstki są zazwyczaj pochodzenia antropogenicznego; grube cząstki są pochodzenia naturalnego Koncentracje od 1 do 100 g/m 3 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 37 /44

Pył pustynny Lotne związki organiczne Pożary lasów Pyły wulkaniczne Rozbijanie fal morskich Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 38 /44

10 kwietnia 13 maja 1991 16 czerwca 25 lipca 1991 23 sierpnia 30 września 1991 5 grudnia 1991 16 stycznia 1992 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 40 /44

The A-Train series of satellites collecting aerosol information; Image via NASA A-Train (dosł. "pociąg A") konstelacja satelitów Cloudsat, Aqua, CALIPSO, PARASOL, Aura, które od 2006, przez kilka lat, mierzą prawie jednocześnie te same punkty na powierzchni Ziemi. Satelity znajdują się na orbicie biegunowej. Instrumenty na satelicie CloudSat (radar) i CALIPSO (lidar), są przykładem aktywnej teledetekcji. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 41 /44

Automatyczna sieć aerozolowa (ang. AErosol RObotic NETwork, w skrócie AERONET) sieć fotometrów słonecznych służących do pomiaru ilości i rodzaju pyłów zawieszonych (sulfaty, sól morska, sadza) oraz ilości pary wodnej w powietrzu. W skład sieci wchodzi około 500 fotomoetrów słonecznych, rozmieszczonych w stacjach pomiarowych na całym świecie Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 42 /44