Fizyka Klimatu ZiemiWykład monograficzny: 2

Monitoring zmian klimatycznych

Krzysztof MarkowiczInstytut Geofizyki

Uniwersytet Warszawskikmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

Monitoring zmian klimatycznych

• Badania paleoklimatyczne• Naziemna i morska sieć obserwacyjna• Sieć obserwacji radiosondażowych• Obserwacje satelitarne

2

Badania paleoklimatyczne – rekonstrukcje klimatyczne

Badania na podstawie:• Słojów drzew• Rdzeni lodowych• Osady• Datowanie radioaktywnym węglem

3

Rdzenie lodowe

• Uwięzione pęcherzyki powietrza w lodzie są źródłem informacji o składzie atmosfery

• Zmiany grubości warstw lodu świadczą o opadach i temperaturze powietrza

• Zmienność zawartości izotopu tlenu w lodzie (δ18O) mówi o zmianach średniej temperatury powierzchni oceanów (SST). Cząsteczki wody zawierające cięższe izotop (δ18O) parują w wyższej temperaturze niż molekuły zawierające normalny tlen (δ16O). Tak więc, stosunek δ18O do δ16O rośnie ze wzrostem SST

• Fragmenty roślin zawarte w lodzie świadczą o temperaturze i opadach w okresie w którym zostały w nim uwiezione.

• Pył wulkaniczny uwięziony w rdzeniach lodowych jest używany do szacowania czasu tworzenia danej warwy. Każdy wulkan emituje cząstki o różnym składzie chemicznym, kształcie, kolorze itd.

4

Metoda dendrochronologiczna

• Wykorzystuje sposób przyrostu słojów drzew w zależności od warunków klimatycznych, cech podłoża i aktywności słonecznej. 

• W dendrochronologii wykorzystuje się pnie drzew ściętych współcześnie oraz pnie starsze, pochodzące ze starych budynków, zachowane w torfowiskach itp.

• Porównując wzorzec słojów z pni o różnym wieku, pochodzących z tego samego obszaru, można określić sekwencję pierścieni przyrostowych za czas znacznie przekraczający długość życia pojedynczego drzewa.

• Sporządzono skale dendrologiczne służące do dokładnego datowania próbek drewna, najdłuższe liczą w Europie 7272 lata (dęby z Irlandii), w Ameryce - ok. 10 tys. lat (sosna oścista w USA). Najdłuższa rekonstrukcja zmian klimatu (średniej temperatury lata za ostatnie 1400 lat) opiera się na analizie dendrochronologii sosny zwyczajnej (Pinus silvestris), rosnącej w północnej Szwecji.

5

Metoda iłów warwowych

• polega na badaniach osadów na dnie jeziora zastoiskowego (jezioro takie tworzy się na przedpolu lodowca).

• W ciągu roku powstają dwie warstwy osadów: letnia jest jaśniejsza i grubsza - tworzy się w warunkach utleniających (rozwój planktonu, promieniowanie słoneczne, falowanie) i składa się z ilastego osadu kwarcowego, z domieszką frakcji grubszych, a zimowa jest ciemniejsza i cieńsza - powstaje w warunkach redukujących (zamarznięcie zastoiska, brak falowania i dopływu energii słonecznej, obumieranie planktonu) i składa się z minerałów ilastych, z domieszką tlenków żelaza powodujących jej ciemne zabarwienie.

• Ilość warw pozwala na określenie czasu istnienia jeziora i tempa recesji lodowca

6

Metody radioizotopowe -węgiel

Izotopy węgla obecne występują w następujących proporcjach:

• C12 -98,89% (stabilny)

• C13 -1,11% (stabilny)

• C14 -0,0000000001% (radioaktywny)

Okres połowicznego rozpadu C14 wynosi 5730 lat plus/minus 40 lat.

Izotop ten jest produkowany w górnej troposferze i dolnej stratosferze poprzez promieniowanie kosmiczne atomów azotu.

Roślina w procesie fotosyntezy pobierająca z atmosfery dwutlenek węgla wchłania też odpowiednią ilość węgla-14 Gdy potem ginie, przestaje wchłaniać dwutlenek węgla, a udział węgla -14zaczyna stopniowo maleć.

Metoda węgla-14 zakłada zatem, że po pierwsze tempo produkcji węgla-14 w górnych warstwach atmosfery jest niemal stałe, a po drugie- tempo wchłaniania węgla-14 przez organizmy żywe jest bez porównania większe od tempa jego rozpadu. Wydaje się, że obydwa te założenia są uzasadnione. 7

• Metoda węgla-14 zakłada zatem, że po pierwsze tempo produkcji węgla-14 w górnych warstwach atmosfery jest niemal stałe, a po drugie- tempo wchłaniania węgla-14 przez organizmy żywe jest bez porównania większe od tempa jego rozpadu. Wydaje się, że obydwa te założenia są uzasadnione.

Niepewności datowania węglem

Wpływ przemysłu

Od mniej więcej roku 1890 różnego rodzaju fabryki i maszyny wyemitowały do atmosfery znaczne ilości dwutlenku węgla. Ponieważ paliwa używane przez człowieka są pochodzenia organicznego (ropa naftowa, węgiel) i są bardzo stare, nie zawierają one C14, a ich spalanie powoduje jedynie emisję zwykłego dwutlenku węgla 12 - brak dwutlenku węgla 14. Obliczono, że w latach 1890-1959 zawartość dwutlenku węgla 14 w atmosferze zmalała o około 2%. 8

Zmiany klimatu w skali geologicznej

9

Źródło wikipedia

Stanowisko Komitetu Nauk Geologicznych Polskiej Akademii Nauk

w sprawie zagrożenia globalnym ociepleniem

10rekonstrukcji EPICA

Monitoring Środowiska

Monitoring – to system wielokrotnych obserwacji parametrów zmiennych w czasie i przestrzeni mający określony program badawczy.

GEMS - Globalny System Monitoringu EEA - Europejska Agencja Ochrony ŚrodowiskaEMEP - Europejski program monitoringu i Oceny

Transportu Zanieczyszczeń Powietrza na Dalekie Odległości

WMO- Światowa organizacja meteorologicznaTEGIMO – Komisja techniczna

Typy badań (pomiarów) środowiska

1) In Situ – pomiary w miejscu (ustalone ,,h,t)

2) Metody teledetekcyjne (zdalne) przy wykorzystaniu fal elektromagnetycznych (mikrofale, ultrafiolet, promieniowanie widzialne i podczerwone) fale akustyczne. Pozwalają wyznaczyć rozkład przestrzenny parametru

• 1612 termoskop- przyrząd do mierzenia różnic temperatur

• 1643 Torricelli konstruuje barometr rtęciowy• 1644 pierwszy termometr (bez skali)• 1714 pierwsza skala Fahrenheita • 1736 Celsius konstruuje nowa skale• 1783 Powstaje higrometr włosowy• 1825 August buduje psychrometr

• 1892 pierwsze pomiary balonowe• 1928 pierwsza radiosonda• 1960 wystrzelenie I satelity meteorologicznego

Zarys historii pomiarów meteorologicznych

• 1964 demonstracja barometru rtęciowego w Warszawie• 1654 pierwsza meteorologiczna sieć pomiarowa, sieć

florentyńska (11 stacji)• Od 1779 zachowały się dane pomiarowe z terenów

Warszawy prowadzone na tarasie zamku królewskiego (ciśnienie, wiatr, zachmurzenie i temperatura powietrza)

• 1781 działa 30 stacji meteorologicznych w Europie w tym jedna w Polsce (Żagan)

• 1792 Zaczyna działać obserwatorium astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego

• Od 1825 Obserwatorium astronomiczne w Warszawie prowadzi nieprzerwane obserwacje meteorologiczne

Rozwój sieci obserwacyjnej w Polsce

• W latach 1886-1915 Muzeum przemysłu i rolnictwa w Warszawie prowadzi serie obserwacji meteorologicznych

• 1932 powstaje stacja na Okęciu• 1938 stacja na Bielanach• 1959 Stacja na Uniwersytecie Warszawskim

Miejsce obserwacji meteorologicznych In-Situ

• Ogródek meteorologiczny o minimalnych rozmiarach 10x15 m. • Obszar otwarty i reprezentacyjny dla danego (jak największego)

obszaru. • Pokrycie terenu niska trawa• Oddalony od przeszkód terenowych (dokładne informacje

specyfikuje WMO)

Położenie ogródka

• w odległości 30 m od ogródka nie mogą znajdować się żadne budowle, drzewa, krzewy oraz uprawy sztucznie zraszane;

• w odległości ponad 30 m od ogródka mogą stać małe pojedyncze obiekty np. parterowy dom czy drzewo, jednak ta odległość nie może być mniejsza niż 10-cio krotna ich wysokość;

• w odległości ponad 100 m od ogródka może być luźna zabudowa i małe grupy drzew

• w odległości ponad 300 m od ogródka mogą znajdować się zwarte zespoły drzew (sady i parki);

• w odległości co najmniej 500 m od ogródka mogą stać już wielopiętrowe bloki mieszkalne.

Typy stacji• Meteorologiczne (około 60 w Polsce) –

wykorzystywane głownie przez służby meteorologiczne WMO. Obserwacje prowadzone co godzinę

• Posterunki meteorologiczne (około 260). Obserwacje 3 razy w ciągu doby (06 12 18 UTC)

• Posterunki opadowe (około 2300) pomiary wysokości opadu i pokryw śnieżnej o godzinie 06 UTC

• Stacje specjalne:1. Aerologiczne (3 w Polsce)2. Agrometeorologiczne3. Biometeorologiczne4. Fenologiczne5. naukowe

Współczesne zmiany klimatu

Jones and A. Moberg (2003). , Journal of Climate, 16: 206-223 19

global average temperatures as compiled by the Climatic Research Unit of the University of East Anglia and the Hadley Centre of the UK Meteorological Office. Data set HadCRUT3 was used. HadCRUT3 is a record of surface temperatures collected from land and ocean-based stations. (Brohan et al., 2006). "Uncertainty estimates in regional and global observed temperature changes: a new dataset from 1850". J. Geophysical Research 111: D12106. The zero on this figure is the mean temperature from 1961-1990.

20

21NASA GISS Surface Temperature Analysis (GISTEMP)

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Anomalie temperatury powierzchni Atlantyku w obszarze tropikalnym

Rekonstrukcje klimatyczne• GISS (Goddard Institute for Space Studies)• HadCRUT3 (Met Office Hadley Centre observations

datasets). Konserwatywna seria danych w której nie interpoluje się danych w obszarach braku stacji pomiarowych (ok. 20% powierzchni w szczególności obszary Arktyki gdzie zmiany klimatu są najszybsze)

• UAH (University of Alabama in Huntsville satellite temperature dataset)

• RSS (Remote Sensing Systems, prywatna firma z Santa Rosa, California)

• NCEP-NCAR - re-analiza• ERA40 - re-analiza ECMWF

23

24

Porównanie trendów temperatury z różnych baz danych

25

• The lower troposphere trend derived from UAH satellites (+0.128 °C/decade) is currently lower than both the GISS and Hadley Centre surface station network trends (+0.161 and +0.160 °C/decade respectively), while the RSS trend (+0.158 °C/decade) is similar.

• However, the expected trend in the lower troposphere, given the surface data, would be around 0.194 °C/decade, making the UAH and RSS trends 66% and 81% of the expected value respectively.

• For some time, the UAH satellite data's chief significance was that they appeared to contradict a wide range of surface temperature data measurements and analyses showing warming.

• In 1998 the UAH data showed a cooling of 0.05K per decade (at 3.5 km - mid to low troposphere). Wentz & Schabel at RSS in their 1998 paper showed this (along with other discrepancies) was due to the orbital decay of the NOAA satellites.

• Once the orbital changes had been allowed for the data showed a 0.07K per decade increase in temperature at this level of the atmosphere.

Comparison of ground based measurements of surface temperature (blue) and satellite based records of mid-tropospheric temperature (red: UAH; green: RSS) since 1979. Trends plotted since January 1982.

26

Problem z danymi satelitarnymi – koronny argument przeciwników globalnego ocieplenia

Do 2004 roku analizy danych satelitarnych nie potwierdzały globalnego ocieplania dolnych warstw atmosfery.

Popełniono błąd podczas analizy danych.

Skorygowane dane pokazują ogrzewanie przy powierzchni Ziemi.

Globalne ocieplenie

To obserwowane od połowy XX wieku podwyższenie średniej temperatury atmosfery przy powierzchni ziemi i oceanów.

• Średni wzrost temperatury powietrza w latach 1906-2005 w pobliżu powierzchni Ziemi wyniósł 0,74 ±0,18°C.

• Istotą problemu związanego z wyjaśnieniem globalnego ocieplenia jest ustalenie w jakim stopniu na to zjawisko wpływa działalność człowieka, a w jakim czynniki naturalne.

28

Co z ociepleniem w ostatnich latach?

Anomalia temperatury globalnej (względem okresu bazowego 1961-1990) z danych HadCRUT3 ,Piskozub, IOPAN 29

Globalne ocieplenie w Polsce

30Średnia z ponad 100 stacji w Polsce

Zmiany średniej rocznej temperatur powietrza na Kasprowym Wierchu

31

Zmiany średniej rocznej, maksymalnej i minimalnej temperatury 32

Zmiany klimatu w Polsce na podstawie re-analizy

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany temperatury w Polsce za ostatnie 50 lat pokazują , że klimat się ociepla!

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Obserwuje się rosnący trend prędkości wiatru i silniejszą cyrkulację strefowa.

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany albeda planetarnego nad Polską pokazują, że w ostatnich 20-latach atmosfera pochłania 1-2% więcej promieniowania słonecznego

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Tendencja spadkowa całkowitej zawartości pary wodnej w atmosferze.

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany globalne temperatury, wysokości oceanów oraz zasięgu

pokrywy śnieznejw IXX i XX wieku

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany w kriosferze

Obserwacje pokrywy lodowej w Arktyce

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Obszary polarne podlegają szczególnie silnym zmianom klimatycznym dzięki efektowi wzmocnienia wymuszeń związanemu ze zmianami pokrycia śniegiem i lodem.

Półwysep Antarktyczny jest jednymz najszybciej ogrzewających się miejsc na Ziemi.

Długości obserwacji meteorologicznych, obserwowane trendy temperatury [ºC/stulecie] z błędem oraz istotność trendu.

• 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).

Satelitarna altimetria zdaje się wskazywać, że wewnątrz Antarktydy przybyło 45 ± 7 Gt rocznie (1992-2003) śniegu i lodu. Satelita nie widział jednak poza 81.5º S. Być może źle skorygowano różnicę gęstości śniegu i lodu (mniej więcej trzykrotną).

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany pary wodnej w atmosferze

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany rocznych sum opadów

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Trend zachmurzenia

+1.4% (obserwacje naziemne)+2 % ISCCP (klimatologia satelitarna)

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany bilansu promieniowania na górnej granicy atmosfery

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zmiany poziomu oceanów

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Globalne ocieplenie a ochłodzenie stratosferyczne

dane aerologiczne dane satelitarne

04/21/23 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Globalne zmiany temperatury w atmosferze i na powierzchni Ziemi

ICCP, 2007

49

Microwave sounding unit lower troposphere and lower stratosphere 1979-2010 temperature trend (°C/decade) and 12 months running mean global temperature time series with respect to 1979-1998. Data source:http://www.remss.com/data/msu/data

lower troposphere

lower stratosphere