Rola aerozoli w procesach klimatycznych.

1. Rola aerozoli w procesach klimatycznych. Krzysztof M. Markowicz Instytut Geofizyki UW

2. Dlaczego aerozole? • aerozole w przeciwieństwie do efektu cieplarnianego ochładzają klimat • pełnia kluczowa role w procesach powstawania chmur i opadów Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

3. Atmosfera h100 km R6378 km Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

4. Procesy klimatyczne • To procesy fizyczne zachodzące w atmosferze i oceanach prowadzące do zmian klimatu. Najczęściej zalicza się do nich obieg ociepla, cykl hydrologiczny oraz cyrkulację powietrza. • Determinują 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. Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

5. Przykład sprzężenia zwrotnego w systemie klimatycznym Ziemi-Atmosfera Promieniowanie słoneczne Podwojenie koncentracji CO2 Albedo+ Strumień ciepła utajonego i odczuwalnego ujemne sprzężenie zwrotne Ocean T- T+ Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

6. Najważniejsze elementy systemu klimatycznego • Para wodna • Chmury • Oceany • Powierzchnia ziemi, Lodowce • Stratosfera z warstwą ozonu • Pozostałe gazy cieplarniane (głównie CO2) Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

7. Przyczyny zmian klimatu • Efekt cieplarniany • Efekt aerozolowy (bezpośredni i pośredni) • Zmiany cyrkulacji oceanicznej • Wybuchy wulkanów • Zmienność aktywności słońca • Zmiany w ozonosferze Przyczyny długookresowe • Zmienność orbity ziemskiej • Dryf kontynentów • Zmiany składu atmosfery Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

8. Anomalie średniej temperatury względem okresu 1961-1990 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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

10. Globalne ochładzanie w stratosferze Globalne ocieplenie w troposferze Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

11. Zmiany klimatu związane są ze zmianą bilansu energii w układzie Ziemia-Atmosfera • Zasadniczą kwestią w badaniach zmian klimatu są obserwacje składowych bilansu energii oraz studia nad rozumieniem procesów prowadzących do zmiany stanu równowagi termodynamicznej Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

12. Podstawy promieniowania w atmosferze Stała słoneczna – natężenie promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery padającego na jednostkowa powierzchnie ustawiona prostopadle do padania promieniowania. Wynosi ona 1368 Wm2 i zmienia się 3.3% w ciągu roku. Uśredniona po całym globie wartość stałej słonecznej wynosi 342 Wm2 Promieniowanie ziemskie (podczerwone) związanie jest z temperatura powierzchni ziemi i w przypadku ciała doskonale czarnego wynosi F=T4, gdzie  jest stała Stefana Boltzmanna 5.67x10-8. Odstępstwo powierzchni ziemi od modelu ciała doskonale czarnego definiuje się przez zdolność emisyjna  ). W tym przypadku wzór S. Boltzmanna ma postać F= T4. Typowa wartość zmienności emisyjnej zmienia się w przedziale 0.93-0.99 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

13. Promieniowanie słoneczne oraz ziemskie Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

14. Bilans Energii w Atmosferze Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

15. Promieniowanie na szczycie atmosfery: • Promieniowanie Słoneczne Fo/4 • Promieniowanie odbite RFo/4 • Słoneczne pochłonięte: Fo(1-R)/4 • Ziemskie emitowane w kosmos: TreffTs4 • Przy założeniu równowagi radiacyjnej i braku atmosfery (Treff=1): • (temperatura efektywna) • Teff=255 K • średnia temperatura: 288 K • efekt cieplarniany= 288-255=33 K • wymuszenie radiacyjne- zaburzenie równowagi poprzez: • zmianę albeda R • zmianę efektywnej transmisji Treff Wymuszanie radiacyjne Podwojenie CO2 (2050 rok) prowadzi do wymuszania radiacyjnego +4Wm-2 T=1.2 K realna wartość 2.4 K (para wodna) Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

16. Termiczny wymiar efektu cieplarnianego gazy cieplarniane procentowy wkład koncentracja para wodna 20.6 62.1% 30 ppvt CO2 7.2 21.7% 350 ppmv 03 2.4 7.2% 50 ppbv N20 1.4 4.2% 320 ppbv CH4 0.8 2.4% 17 ppbv freony <0.8 2.4% 1 ppbv efekt cieplarniany 33.2 T Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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

18. Zanieczyszczenia atmosfery zwane inaczej aerozolamito małe cząstki stałe lub ciekłe powstające w sposób naturalny oraz w wyniku działalności gospodarczej człowieka. • Rodzaje aerozoli: • sól morska • drobiny piasku • pyły (wulkaniczny) • fragmenty roślin • sadza (elemental carbon), organic carbon • siarczany, azotany • związki organiczne i nieorganiczne Aerozole naturalne. Aerozole antropogeniczne Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

19. niehigroskopijny higroskopijny Inny podział aerozoli bardzo ważny z punktu widzenia fizyki atmosfery Sól morska Siarczany, azotany Aerozole organiczne Pył pustynny Sadze Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

20. Wielkość i kształt cząstek aerozolu Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

21. Zmętnienie atmosferypowstałe w wynikuobecności aerozoli Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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

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

24. Zakres wielkości cząstek aerozolu:R=0.001- 5 μm • W rozkładzie wielości aerozoli wyróżniany 3 charakterystyczne grupy cząstek: • cząstki Aitkena (nucleation mod), r<0.05 m • cząstki w modzie akumulacyjnym (accumulation mod), 0.05<r<0.5 m • cząstki duże (coarse mod), r>0.5 m • Szczególnie istotne znaczenie w atmosferze z klimatycznego punktu widzenia mają ostatnie dwa typy cząstek. Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

25. Cząstki Aitkena • powstają w czasie nukleacji homo- lub heterogenicznej pary nasyconej gazów zawartych w atmosferze. Znacznie tych cząstek w procesach klimatycznych jest marginalne Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

26. Cząstki w modzie akumulacyjnym powstają • w wyniku kondensacji pary wodnej na małych cząstkach Aitken’owskich. • w wyniku konwersji chemicznej gazu do cząstek • w wyniku produkcji mechanicznej Cząstki w tym modzie są reprezentowane przez niemal wszystkie typy aerozoli występujących w przyrodzie. Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

27. Aerozole duże powstają w wyniku : • koagulacji (łączenia się mniejszych cząstek w wyniku zderzeń). Zaliczają się do nich głownie aerozole w fazie ciekłej (np. krople kwasu siarkowego) ale również aerozole w fazie stałej (np. dołączanie się cząstek sadzy do drobin piasku) • produkcji mechanicznej (powstawanie soli morskiej podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie pyłu piaskowego w czasie silnego wiatru) Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

28. Objętościowy rozkład wielkości cząstek Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

29. Średnia grubość optyczna aerozolu (marzec- maj) Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

30. Grubość optyczna aerozoli o promieniu r<1 m (aerozol antropogeniczny i powstały w czasie pożarów) Grubość optyczna aerozoli o promieniu r>1 m (piasek i sól morska) Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

31. Usuwanie aerozoli z atmosfery • Sucha depozycja Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie usuwane tylko duże cząstki) • Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub krople deszczu). Efektywne usuwanie cząstek z modu akumulacyjnego Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

32. Wpływ aerozoli na klimat Ziemi • Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcje promieniowania) • Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie na własności mikrofizyczne chmur) Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

33. Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat wzrost albeda planetarnego wzrost absorpcji w atmosferze warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

34. Bilans promieniowania Bilans radiacyjny w atmosferze –100 Wm-2 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

35. Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . większe albedo Stratocumulus . . . . . . . . . . . :: . . . . . . . . . . :: . . . . :: :: . . . . . . . . . . :: . . . . . . . . . . . . . . . . :: :::: :: Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re :: . . Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

36. 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

37. Rola chmur z warstwy granicznej w systemie klimatycznym + Albedo Długość życia i rozciągłość przestrzenna Koncentracja kropelek Intensywność opadu Strumień ciepła utajonego i odczuwalnego CCN Zanieczyszczenia Ocean DMS T Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

38. Rola chmur w klimacie ziemskim 342 Wm-2 342 Wm-2 Ta4 Ta Ta4 Ts4 TTs Ts4 Ts4 Ts4 Ts Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

39. chmurywysokie ocieplają klimat chmuryniskie ochładzają klimat Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

40. Wymuszanie radiacyjne aerozoli oraz gazów cieplarnianych dla roku 2000 względem roku 1750 (raport IPCC 2001). Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

41. Efekt bezpośredni aerozol FTOA(Ro, Teff, T) Fo stałą słoneczna Fo/4 TeffσT4 Ro /4 W stanie równowagi: Fo (1-Ro)/4=TeffT4 R- planetarne albedo Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

42. Transfer promieniowana przez atmosferę prawo Lamberta Beera dla Promieniowania bezpośredniego Fo warstwa aerozolu Aerozol rozprasza i absorbuje promieniowanie Promieniowanie rozproszone  - grubość optyczna aerozolu związana z całkowitą zawartością aerozolu a atmosferze e- jest transmisja promieniowania w atmosferze  zmienia się najczęściej w przedziale 0-1 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

43. Różnica w promieniowaniu rozproszonym Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

44. Rozpraszanie w atmosferze Co byłoby gdyby nie było rozpraszania w atmosferze? • Rozpraszanie na molekułach i najmniejszych aerozolach - Rayleigh’owskie • rozpraszanie proporcjonalne do -4 • zjawisko to odpowiedzialne jest za błękitny kolor nieba. • charakterystyczna cechą jest to że promieniowanie jest symetrycznie rozpraszane do przodu jak i do tyłu. • 2. Rozpraszanie na aerozolu opisywane jest przez teorie MIE • rozpraszanie MIE nie zależy tak silnie od długości fali a zatem zarówno fale krótkie (niebieskie) jak i dłuższe (czerwone) są podobnie rozpraszane. W rezultacie niebo staje się „białawe” po rozpraszaniu na „dużych” cząstkach. • Rozpraszanie na „dużych” cząstkach uprzywilejowuje kierunek do przodu Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

45. Kiedy mamy doczynienia z rozpraszaniem Rayleigh’a a kiedy z MIE ? x=2r/  - parametr wielkości Gdy x<0.1 rozpraszanie Rayleigh’a (cząstka jest mniejsza niż długość fali) Gdy x>0.1 rozpraszanie MIE (cząstka ma rozmiary co najmniej porównywalne z długością fali) Rozpraszanie MIE Promieniowanie słoneczne: =0.5 m, x: 0.1-60 x=2r/  - parametr wielkości Promieniowanie ziemskie: =10 m, x: 0.006-3 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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

47. model radiacyjny aerozolu •  - grubość optyczna aerozolu • - albedo pojedynczego rozpraszania • =scat /ext • - cześć promieniowania rozpraszania do tyłu Dla molekuł =0.5 Dla aerozoli  (0.1 – 0.2) Fo Fo(1-exp(-)) Fo(1-)(1-exp(-)) Fo(1-)(1-exp(-)) Transmisja przez warstwę aerozolu t= exp(-)+ (1-)(1-exp(-)) Odbicie od warstwy aerozolu r= (1-exp(-)) Foexp(-) Rs Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

48. model radiacyjny aerozolu Fo Fo(1-exp(-)) Promieniowanie wychodzące z atmosfery: Fr= Fo (r+t2Rs +t2Rs2r+t2Rs3 r2+...) Fr= Fo [r+t2Rs /(1-Rsr)] Fo(1-)(1-exp(-)) Fo(1-)(1-exp(-)) Zmiana albeda planetarnego przez aerozol: Rs=[r+t2Rs /(1-Rsr)]-Rs Foexp(-) Rs Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

49. Dla <<1 ; typowa wartość 0.1-0.2 t= exp(-)+ (1-)(1-exp(-)) r= (1-exp(-)) t=1- +(1-) r=  dla > c Rs>0 : ochładzanie dla < c Rs<0 : ogrzewanie Rs=+[(1-Rs)2-2Rs(1/-1)/] wartość krytyczna  dla której Rs =0  =2Rs/[2Rs+(1-Rs)2] Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

50. Badania wpływu aerozolu na klimat Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl