Obserwacje zmian klimatu z orbity Ziemi.

1. Obserwacje zmian klimatu z orbity Ziemi. Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, UW e-mail: kmark@igf.fuw.edu.plwww.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

2. Plan wykładu • Rys historyczny • Wstęp do pomiarów satelitarnych • Podstawowe informacje o promieniowaniu w atmosferze • Mechanizmy prowadzące do zmian klimatu (wymuszanie i odpowiedz systemu klimatycznego) • Badania i obserwacje zmian klimatycznych • Podsumowanie Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

3. Rozwój satelitarnych badań atmosfery i oceanów • 1959 satelita Exporer 7 do badania budżetu energetycznego Ziemia-Atmosfera • 1960 TIROS I – pierwszy satelita meteorologiczny wykonujący fotografie chmur • 1969 NIMBUS III – zaopatrzony w dwa spektrometry IRIS służące do wyznaczania profilu pionowych temperatury powietrza, pary wodnej, ozonu oraz w przyrząd do pomiaru promieniowania UV. Służył on do wyznaczania całkowitej zawartości ozonu w pionowej kolumnie powietrza. • 1972 NIMBUS V – zastosowano pierwsze detektory mikrofalowe do wyznaczania temperatury atmosfery oraz całkowitej zawartości pary wodnej. • 1974 SMSI – pierwszy satelita geostacjonarny używany do fotografowania chmur nad półkulą północną, jego następcy to GOES • 1977 METEOSAT I – satelita Europejskiej Agencji Przestrzeni Kosmicznej początkujący serie METEOSATOW

4. 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 Instytut Geofizyki UW

5. 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. Instytut Geofizyki UW

6. Pasywna i aktyna teledetekcja

7. 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: Prawo Stefana-Boltzmanna F - natężenie promieniowania T - temperatura powierzchni Ziemi  - Stała Stefana Boltzmanna Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

8. 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. Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

9. 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 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

10. Prawo Lamberta-Beera • I – natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego po przejściu przez atmosferę • I 0– natężenie bezpośredniego promieniowania słonczego na górnej granicy atmosfery • - grubość optyczna atmosfery Instytut Geofizyki UW

11. Transfer promieniowania w atmosferze

12. Kolejny problem pomiarów satelitarnych – zagadnienie odwrotne • Wszystkie satelity meteorologiczne mierzą promieniowanie elektromagnetyczne wychodzące w przestrzeń kosmiczną, które podczas wędrówki oddziaływało z atmosferą oraz powierzchnią Ziemi. • Na podstawie zmian związanych z tym oddziaływaniem staramy się powiedzie „cos” o atmosferze. • Analogiczną sytuacje mamy gdy np. na podstawie śladów na śniegu chcemy powiedzieć „coś” o gatunku zwierząt. • Jest to tak zwane zagadnienie odwrotne. • W teledetekcji satelitarnej bardzo często zagadnienie to z matematycznego punktu widzenia jest źle postawione i mamy możliwe nie jedno a kilka rozwiązań. Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

13. 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

14. TA τ T W przypadku gdy między detektorem a ciałem znajduje się izotermiczna atmosfera o temperaturze TA 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

15. Satelita geostacjonarny czy polarny? Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

16. Satelity polarne (np. NOAA 14,17, MODIS) umożliwiają obserwacje również w wyższych szerokościach geograficznych. Ich olbrzymia zaleta jest fakt, ze jeden satelita zdolny jest do pomiarów całej powierzchni ziemi jednak w różnych momentach czasu. Satelita wykonuje dwa przyloty nad danym rejonem w ciągu doby a zatem nie umożliwia ciągłych pomiarów jak w przypadku satelity geostacjonarnego. Instytut Geofizyki UW

17. Satelity idealnie ale… • w danym momencie czasu nie obejmują swoim zasięgiem całej powierzchni Ziemi. • skanowanie całej Ziemi wymaga czasu w przypadku satelitów polarnych czas ten wynosi od doby do około 10 dni. • skanowanie odbywa się pod różnymi kątami co komplikuje analizę danych. • skanowanie odbywa się w różnych godzinach (problem z cyklem dobowym). Rozwiązaniem są tzw. orbity synchroniczne ze Słońcem. Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

18. A może umieszczać satelity w punkach libracyjnych? Satelita w punkcie L1 i L2 obraca się z tą samą prędkością kątową co Ziemia w ruchu orbitalnym wokół Słońca. W punkcie L1 widoczna jest dzienna a w punkcie L2 nocna cześć Ziemi. Rozmieszczenie punktów libracyjnych w układzie Ziemia-Słońce Lagrange'a. L2: 1500000 km od Ziemi Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

19. Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

20. KLIMAT monitoring zmienności wymuszanie odpowiedz konsekwencje predykcja Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

21. Składniki systemu klimatycznego Obieg węgla Obieg wody i energii połączenie chaotyczne nieliniowe Dynamika atmosfery i oceanu Reakcje chemiczne w atmosferze

22. Bilans energetyczny a zmiany klimatu. Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

23. Odpowiedz systemu klimatycznego na zaburzenia Odpowiedź systemu klimatycznego Zewnętrzne Zaburzenie (wymuszanie) Wpływ Sprzężenie około 60%

24. Budżet Energetyczny Ziemi

25. Wymuszanie wewnętrzne Zmiany bilansu energii na skutek zmian albeda planetarnego i przeźroczystości atmosfery (aerozole, gazy cieplarniane, chmury) Zmiany dystrybucji południkowej energii Zmiany energii w pionowej kolumnie powietrza Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

26. Badanie budżetu promieniowania na górnej granicy atmosfery • Mają na celu oszacowania bilansu energii docierającej i opuszczającej ziemska atmosferę. Bilans decyduje bezpośrednio o zmianach klimatycznych w systemie. • Obejmują pomiary promieniowania dochodzącego od Słońca, promieniowania odbijanego przez atmosferę i powierzchnie Ziemi (albedo) oraz promieniowania długofalowego emitowanego przez atmosferę i powierzchnię Ziemi. • Idealnie do tego celu nadają się satelity meteorologiczne, którego dokonują obserwacji z góry. Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

27. Obserwacje stałej słonecznej – ilości promieniowania dochodzącego od Słońca Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

28. Zmiany stałej słonecznej w ostatnich latach Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

29. Zmiany albeda planetarnego Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

30. Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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

32. 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 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

33. CERES całkowite wymuszanie radiacyjne chmur (Lipiec, 2000)

34. Czy możemy wpływać na chmury? Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . większe albedo Stratocumulus . . . . . . . . . . . :: . . . . . . . . . . :: . . . . :: :: . . . . . . . . . . :: . . . . . . . . . . . . . . . . :: :::: :: Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re :: . . Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

35. Pierwszy pośredni wpływ aerozoliChmury ‘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. Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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

37. Projekt A-trainbadanie wpływu aerozolu na klimat Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

38. Topex Poseidon badania poziomu oceanu Instytut Geofizyki UW

39. Zmiany poziomu morza Średnio (1993-2003) poziom morza podnosi się średnio (1993-2003) poziom morza podnosi się o 3.1 ± 0.7 mm/rok z czego rozszerzane termiczne to 1.6 ± 0.5 mm/rok (Raport IPCC, 2007).

40. Pomiary pola grawitacyjnego Projekt będzie kosztował 330 M€ i pozwoli na precyzyjna obserwacje cyrkulacji w oceanach. Poprzez wykorzystanie pomiaru wysokości oceanu, pola grawitacyjnego badanie będą zmiany klimatyczne w skali całego Globu. Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

41. Wielka niewiadoma - cyrkulacja oceaniczna Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

42. Obserwacje pokrywy lodowej w Arktyce Obszary polarne podlegają szczególnie silnym zmianom klimatycznym dzięki efektowi wzmocnienia wymuszeń związanemu ze zmianami pokrycia śniegiem i lodem. Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

43. Półwysep Antarktyczny jest jednym z najszybciej ogrzewających się miejsc na Ziemi. Długości obserwacji meteorologicznych, obserwowane trendy temperatury [ºC/stulecie] z błędem oraz istotność trendu.

44. Satelitarna altimetria zdaje się wskazywać, że wewnątrz Antarktydy przybyło 45 ± 7 Gt rocznie (1992-2003) śniegu i lodu. Satelita nie widział poza 81.5º S. Być może źle skorygowano różnicę gęstości śniegu i lodu (mniej więcej trzykrotną). • Nie potwierdza się hipoteza o przyrastaniu masy Wschodniej Antarktydy pod wpływem zwiększonych opadów śniegu. • Bilans masy Antarktydy wykonany metodą grawitacyjną – projekt GRACE (wskazuje na równowagę masy Wschodniej i ubytek masy Zachodniej Antarktydy (równoważny +0.4 ± 0.2 mm/rok zmianie poziomu oceanu).

45. Przykładowe wyniki modelowania (średnia dla zestawu modeli). Rysunki przedstawiają średnią zmianę temperatury dla lat 2071-2100 w porównaniu do lat 1910-1990 dla scenariusza A2 i B2. Zwraca uwagę szczególnie duży wzrost temperatury w Arktyce, nawet o osiem stopni. Te same prognozy przewiduj znaczny wzrost opadów w Arktyce (rzędu 40%)

46. Huragany w aspekcie globalnego ocieplenia. Całkowita moc huraganów w czasie danego roku oraz średnia całkowita moc huraganów w czasie danego roku oraz średnia temperatura obszaru ich generacji na Atlantyku (po lewej) i Pacyfiku (po prawej) silnie koreluje (odpowiednio r2=0.65 i r2=0.67).

48. Huragany (cyklony i tajfuny) powstają na oceanie o temperaturze ponad 28 C. • Istnieje znacząca korelacja między ich sumaryczną mocą a temperaturą akwenu (szczególnie silna dla Atlantyku gdzie istnieje najdłuższa seria wiarygodnych pomiarów) • Moc huraganów nie koreluje z innymi parametrami meteorologicznymi (mimo przesłanek teoretycznych). • Obserwuje się coraz więcej silnych huraganów zamiast przewidywanej w modelach coraz większej maksymalnej prędkości wiatru. • Po rekordowym sezonie 2005 nastąpił spokojny 2006. Przyczyną zmniejszonej temperatury tropikalnego Atlantyku w 2006 roku może być El Nińo albo burze pyłowe znad Sahary

49. Różnice wyników między pomiarami naziemnymi a satelitami - niedawno koronny argument przeciwników globalnego ocieplania. Do roku 1998 pomiary satelitarne NOAA nie potwierdzały trendu rosnącej temperatury dolnej troposfery (< 15 km). Przyczyną okazały się rosnące z czasem błędy używanej metody korekcji czujników, posługującej się różnicą pomiędzy sygnałem podczerwonym w pionie i pod kątem. Nie uwzględniono faktu, że pod wpływem oporu powietrza orbita satelity obniża się i ten sam kąt wobec pionu oznacza inną grubość optyczną atmosfery. Po korekcji tego błędu pomiary satelitarne potwierdziły rosnący trend temperatury dolnej troposfery.

50. Rok 2004: ciągle rozbieżności dla troposfery • Dlaczego pomiary naziemne, satelitarne i z balonów meteorologicznych pokazywały różne trendy dla troposfery (góra)? Wyniki stratosferyczne zmieniały się podobnie (oziębienie spowodowane m.in. ubytkiem ozonu). • Kluczem do rozwiązania zagadki stał się błędny algorytm, w którym przy obliczaniu temperatury troposfery nie wzięto pod uwagę ochładzania się w stratosferze.