Obserwacje zmian klimatu z orbity Ziemi.

1
Obserwacje zmian klimatu z orbity Ziemi.
Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki,
UW e-mail kmark_at_igf.fuw.edu.pl
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja
2
Plan wykladu

• Rys historyczny
• Wstep do pomiarów satelitarnych
• Podstawowe informacje o promieniowaniu w
  atmosferze
• Mechanizmy prowadzace do zmian klimatu
• (wymuszanie i odpowiedz systemu klimatycznego)
• Badania i obserwacje zmian klimatycznych
• Podsumowanie

3
Rozwój satelitarnych badan atmosfery i oceanów

• 1959 satelita Exporer 7 do badania budzetu
  energetycznego Ziemia-Atmosfera
• 1960 TIROS I pierwszy satelita meteorologiczny
  wykonujacy fotografie chmur
• 1969 NIMBUS III zaopatrzony w dwa spektrometry
  IRIS sluzace do wyznaczania profilu pionowych
  temperatury powietrza, pary wodnej, ozonu oraz w
  przyrzad do pomiaru promieniowania UV. Sluzyl on
  do wyznaczania calkowitej zawartosci ozonu w
  pionowej kolumnie powietrza.
• 1972 NIMBUS V zastosowano pierwsze detektory
  mikrofalowe do wyznaczania temperatury atmosfery
  oraz calkowitej zawartosci pary wodnej.
• 1974 SMSI pierwszy satelita geostacjonarny
  uzywany do fotografowania chmur nad pólkula
  pólnocna, jego nastepcy to GOES
• 1977 METEOSAT I satelita Europejskiej Agencji
  Przestrzeni Kosmicznej poczatkujacy serie
  METEOSATOW

4
Dlaczego pomiary satelitarne?

• Jeden przyrzad na satelicie moze objac swym
  zasiegiem znacza czesc powierzchni Ziemi oraz
  cala pionowa kolumne atmosfery a zatem
• umozliwia monitoring zjawisk meteorologicznych
• i warunków atmosferycznych w duzej skali w
  przeciwienstwie do punktowych pomiarów
  naziemnych czy sondazy atmosferycznych

5
Pomiary satelitarne obserwacje zdalne

• Obserwacje wykonywane przy uzyciu przyrzadów
  umieszczonych na orbitach dokonuja pomiarów
  zdalnych teledetekcyjnych (na odleglosc) .
• Metody teledetekcyjne sa jednak na ogól bardziej
  skomplikowane w sensie metodologicznym niz tzw.
  pomiary w miejscu (in-situ).
• Glówny problem stanowi przetwarzanie danych
  pomiarowych dlatego kluczowa role odgrywa
  walidacja danych satelitarnych na podstawie
  obserwacji in-situ.

6
Pasywna i aktyna teledetekcja
7
Kilka slów o promieniowaniu elektromagnetycznym

• Wszystkie ciala ( T gt 0 K) promieniuja energie.
• Ilosc energii emitowanej przez cialo jest zalezna
  od temperatury i w przypadku tzw. ciala doskonale
  czarnego wynosi

Prawo Stefana-Boltzmanna
F - natezenie promieniowania T - temperatura
powierzchni Ziemi ? - Stala Stefana Boltzmanna
8

• Maksimum emitowanej energii przypada na tym
  krótsze fale im temperatura ciala jest wyzsza
• W przypadku powierzchni Slonca (T5780 K)
  maksimum energii przypada dla dlugosci fali 0.55
  ?m (fale odpowiadajace barwie zielonej).
• W przypadku powierzchni Ziemi (T300 K) maksimum
  energii przypada dla dlugosci fali okolo 10 ?m
  (podczerwien poza zakresem detekcji oka
  ludzkiego). Tym samym Ziemia jest dla nas czarna
  w nocy.

9
Promieniowanie krótko- i dlugofalowe

• W meteorologii wyrózniany promieniowanie
  krótkofalowe (sloneczne dla dlugosci fali
  mniejszej od 4 ?m) oraz dlugofalowe (ziemskie) o
  dlugosci fali wiekszej od 4 ?m.

Atmosfera jest w zasadzie przezroczysta dla
promieniowania krótkofalowego i pólprzepuszczalna
dla dlugofalowego
10
Prawo Lamberta-Beera

• I natezenie bezposredniego promieniowania
  slonecznego po przejsciu przez atmosfere
• I 0 natezenie bezposredniego promieniowania
  slonczego na górnej granicy atmosfery
• - grubosc optyczna atmosfery

11
Transfer promieniowania w atmosferze
12
Kolejny problem pomiarów satelitarnych
zagadnienie odwrotne

• Wszystkie satelity meteorologiczne mierza
  promieniowanie elektromagnetyczne wychodzace w
  przestrzen kosmiczna, które podczas wedrówki
  oddzialywalo z atmosfera oraz powierzchnia Ziemi.
  
• Na podstawie zmian zwiazanych z tym
  oddzialywaniem staramy sie powiedzie cos o
  atmosferze.
• Analogiczna sytuacje mamy gdy np. na podstawie
  sladów na sniegu chcemy powiedziec cos o
  gatunku zwierzat.
• Jest to tak zwane zagadnienie odwrotne.
• W teledetekcji satelitarnej bardzo czesto
  zagadnienie to
• z matematycznego punktu widzenia jest zle
  postawione
• i mamy mozliwe nie jedno a kilka rozwiazan.

13
Rozwazmy cialo doskonale czarne o temperaturze T.
Dokonujmy pomiaru promieniowania emitowanego
przez o cialo w dowolnej odleglosci. Zakladamy
jednak brak atmosfery miedzy detektorem a cialem.
Wyznaczenie temperatury tego ciala (zgodnie ze
wzorem Plancka) wymaga pomiaru promieniowania
jedynie dla pojedynczej dlugosci fali.
T
14
W przypadku gdy miedzy detektorem a cialem
znajduje sie izotermiczna atmosfera o
temperaturze TA oraz grubosci optycznej t wówczas
promieniowanie docierajace do detektora zalezy od
3 zmiennych (nie uwzgledniajac dlugosci fali).
Tak, wiec musimy mierzyc promieniowanie na co
najmniej 3 dlugosciach fali aby wyznaczyc
niewiadome wielkosci. W atmosferze temperatura
zmienia sie z wysokoscia wiec sytuacja jest
znacznie bardziej skomplikowana
15
Satelita geostacjonarny czy polarny?
16
Satelity polarne (np. NOAA 14,17, MODIS)
umozliwiaja obserwacje równiez w wyzszych
szerokosciach geograficznych. Ich olbrzymia
zaleta jest fakt, ze jeden satelita zdolny jest
do pomiarów calej powierzchni ziemi jednak w
róznych momentach czasu. Satelita wykonuje dwa
przyloty nad danym rejonem w ciagu doby a zatem
nie umozliwia ciaglych pomiarów jak w przypadku
satelity geostacjonarnego.
17
Satelity idealnie ale

• w danym momencie czasu nie obejmuja swoim
  zasiegiem calej powierzchni Ziemi.
• skanowanie calej Ziemi wymaga czasu w przypadku
  satelitów polarnych czas ten wynosi od doby do
  okolo 10 dni.
• skanowanie odbywa sie pod róznymi katami co
  komplikuje analize danych.
• skanowanie odbywa sie w róznych godzinach
  (problem z cyklem dobowym). Rozwiazaniem sa tzw.
  orbity synchroniczne ze Sloncem.

18
A moze umieszczac satelity w punkach libracyjnych?
Satelita w punkcie L1 i L2 obraca sie z ta sama
predkoscia katowa co Ziemia w ruchu orbitalnym
wokól Slonca. W punkcie L1 widoczna jest dzienna
a w punkcie L2 nocna czesc Ziemi.
Rozmieszczenie punktów libracyjnych w ukladzie
Ziemia-Slonce Lagrange'a. L2 1 500 000 km od
Ziemi
19
Deep Space Climate Observatory (DSCOVR)
20
KLIMAT
monitoring zmiennosci
wymuszanie
odpowiedz
konsekwencje
predykcja
21
Skladniki systemu klimatycznego
Obieg wegla
Obieg wody i energii

polaczenie chaotyczne nieliniowe
Dynamika atmosfery i oceanu
Reakcje chemiczne w atmosferze
22
Bilans energetyczny a zmiany klimatu.
23
Odpowiedz systemu klimatycznego na zaburzenia
Odpowiedz systemu klimatycznego
Zewnetrzne Zaburzenie (wymuszanie)
Wplyw
Sprzezenie okolo 60
24
Budzet Energetyczny Ziemi
25
Wymuszanie wewnetrzne
Zmiany bilansu energii na skutek zmian albeda
planetarnego i przezroczystosci atmosfery
(aerozole, gazy cieplarniane, chmury)
Zmiany dystrybucji poludnikowej energii Zmiany
energii w pionowej kolumnie powietrza
26
Badanie budzetu promieniowania na górnej granicy
atmosfery

• Maja na celu oszacowania bilansu energii
  docierajacej i opuszczajacej ziemska atmosfere.
  Bilans decyduje bezposrednio o zmianach
  klimatycznych w systemie.
• Obejmuja pomiary promieniowania dochodzacego od
  Slonca, promieniowania odbijanego przez atmosfere
  i powierzchnie Ziemi (albedo) oraz promieniowania
  dlugofalowego emitowanego przez atmosfere i
  powierzchnie Ziemi.
• Idealnie do tego celu nadaja sie satelity
  meteorologiczne, którego dokonuja obserwacji z
  góry.

27
Obserwacje stalej slonecznej ilosci
promieniowania dochodzacego od Slonca
28
Zmiany stalej slonecznej w ostatnich latach
29
Zmiany albeda planetarnego
30
Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy
atmosfery
31
Strumien promieniowania dlugofalowego na górnej
granicy atmosfery w obszarze tropikalnym
(20S-20N).
32
Rola chmur

• Przyczyniaja sie do wzrostu albeda planetarnego z
  14 do 31 (srednie zachmurzenie na ziemi
  przekracza 60)
• Nie oznacza to jednak, ze chmury chlodza klimat.
• Chmury wysokie zdecydowanie ogrzewaja system
  klimatyczny.
• Chmury niskie silnie chlodza go.

Trend zachmurzenia Lipiec
33
CERES calkowite wymuszanie radiacyjne chmur
(Lipiec, 2000)
34
Czy mozemy wplywac na chmury? Posredni wplyw
aerozoli slady statków
35
Pierwszy posredni wplyw aerozoliChmury czyste
i zanieczyszczone
Czyste powietrze, mala ilosc jader
kondensacji. Mala koncentracja. Duze rozmiary
kropelek.
Zanieczyszczone powietrze, duza ilosc jader
kondensacji. Duza koncentracja. Male rozmiary
kropelek.
36
Wplyw aerozolu na klimat

• Efekt posredni
• oddzialywanie aerozolu na wlasnosci chmur oraz
  ich czas zycia

• Efekt bezposredni
• poprzez rozpraszanie i pochlanianie
  promieniowania slonecznego dochodzacego do
  powierzchni Ziemi.

Aerozole chlodza klimat!
37
Projekt A-trainbadanie wplywu aerozolu na klimat
38
Topex Poseidon badania poziomu oceanu
39
Zmiany poziomu morza

• Srednio (1993-2003) poziom morza podnosi sie
  srednio (1993-2003) poziom morza podnosi sie 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 bedzie kosztowal 330 M i pozwoli na
precyzyjna obserwacje cyrkulacji w oceanach.
Poprzez wykorzystanie pomiaru wysokosci oceanu,
pola grawitacyjnego badanie beda zmiany
klimatyczne w skali calego Globu.
41
Wielka niewiadoma - cyrkulacja oceaniczna
42
Obserwacje pokrywy lodowej w Arktyce
Obszary polarne podlegaja szczególnie silnym
zmianom klimatycznym dzieki efektowi wzmocnienia
wymuszen zwiazanemu ze zmianami pokrycia sniegiem
i lodem.
43

• Pólwysep Antarktyczny jest jednym
• z najszybciej ogrzewajacych sie miejsc na Ziemi.
• Dlugosci obserwacji meteorologicznych,
  obserwowane trendy temperatury ºC/stulecie z
  bledem oraz istotnosc trendu.

44
Satelitarna altimetria zdaje sie wskazywac, ze
wewnatrz Antarktydy przybylo 45 7 Gt rocznie
(1992-2003) sniegu i lodu. Satelita nie widzial
poza 81.5º S. Byc moze zle skorygowano róznice
gestosci sniegu i lodu (mniej wiecej trzykrotna).

• Nie potwierdza sie hipoteza o przyrastaniu masy
  Wschodniej Antarktydy pod wplywem zwiekszonych
  opadów sniegu.
• Bilans masy Antarktydy wykonany metoda
  grawitacyjna projekt GRACE (wskazuje na
  równowage masy Wschodniej i ubytek masy
  Zachodniej Antarktydy
• (równowazny 0.4 0.2 mm/rok zmianie poziomu
  oceanu).

45

• Przykladowe wyniki
• modelowania (srednia dla
• zestawu modeli). Rysunki
• przedstawiaja srednia
• zmiane temperatury dla lat
• 2071-2100 w porównaniu
• do lat 1910-1990 dla
• scenariusza A2 i B2.
• Zwraca uwage szczególnie
• duzy wzrost temperatury w
• Arktyce, nawet o osiem
• stopni. Te same prognozy
• przewiduj znaczny wzrost
• opadów w Arktyce (rzedu
• 40)

46
Huragany w aspekcie globalnego ocieplenia.

• Calkowita moc huraganów w czasie danego roku
  oraz srednia calkowita moc huraganów w czasie
  danego roku oraz srednia
• temperatura obszaru ich generacji na Atlantyku
  (po lewej) i Pacyfiku
• (po prawej) silnie koreluje (odpowiednio r20.65
  i r20.67).

47
(No Transcript)
48

• Huragany (cyklony i tajfuny) powstaja na oceanie
  o temperaturze ponad 28 C.
• Istnieje znaczaca korelacja miedzy ich sumaryczna
  moca a temperatura akwenu (szczególnie silna dla
  Atlantyku gdzie istnieje najdluzsza seria
  wiarygodnych pomiarów)
• Moc huraganów nie koreluje z innymi parametrami
  meteorologicznymi (mimo przeslanek
  teoretycznych).
• Obserwuje sie coraz wiecej silnych huraganów
  zamiast przewidywanej w modelach coraz wiekszej
  maksymalnej predkosci wiatru.
• Po rekordowym sezonie 2005 nastapil spokojny
  2006. Przyczyna zmniejszonej temperatury
  tropikalnego Atlantyku w 2006 roku moze byc El
  Nino albo burze pylowe znad Sahary

49
Róznice wyników miedzy pomiarami naziemnymi a
satelitami - niedawno koronny argument
przeciwników globalnego ocieplania.

• Do roku 1998 pomiary satelitarne NOAA nie
  potwierdzaly trendu rosnacej temperatury dolnej
  troposfery (lt 15 km). Przyczyna okazaly sie
  rosnace z czasem bledy uzywanej metody korekcji
  czujników, poslugujacej sie róznica pomiedzy
  sygnalem podczerwonym w pionie i pod katem. Nie
  uwzgledniono faktu, ze pod wplywem oporu
  powietrza orbita satelity obniza sie i ten sam
  kat wobec pionu oznacza inna grubosc optyczna
  atmosfery. Po korekcji tego bledu pomiary
  satelitarne potwierdzily rosnacy trend
  temperatury dolnej troposfery.

50
Rok 2004 ciagle rozbieznosci dla troposfery

• Dlaczego pomiary naziemne, satelitarne i z
  balonów meteorologicznych pokazywaly rózne trendy
  dla troposfery (góra)? Wyniki stratosferyczne
  zmienialy sie podobnie (oziebienie spowodowane
  m.in. ubytkiem ozonu).
• Kluczem do rozwiazania zagadki stal sie bledny
  algorytm, w którym przy obliczaniu temperatury
  troposfery nie wzieto pod uwage ochladzania sie w
  stratosferze.

51
Zmiany temperatury powietrza
52
Podsumowanie

• Pomiary satelitarne odgrywaja kluczowa role w
  monitoringu globalnych zmian klimatu.
• Pozwalaja ma obserwacje zmian bilansu
  energetycznego systemu klimatycznego.
• Umozliwiaja badanie procesów klimatycznych.
• Pomiary satelitarne pozwolily na odkrycie miedzy
  innymi dziury ozonowej nad Antarktyda, obserwacje
  zjawisk majacych znaczenie w skali globalnej jak
  ElNino.
• Glównym problemem wykorzystania danych
  satelitarnych jest interpretacja danych
  wymagajaca zarówno wykonywania wysokiej jakosci
  kalibracji jak i walidacji danych jak równiez
  stosowanie skomplikowanych algorytmów do
  wyznaczania parametrów atmosferycznych.

53

• Stad tez wiele udoskonalen poczynionych w
  ostatnich latach pozwolilo na uzyskanie spójnego
  obrazu zmian globalnych zachodzacych w atmosferze
  i oceanach.
• Mimo tego bardzo wiele jest jeszcze do zrobienia

54
Dziekuje za uwage