Fizyka Klimatu ZiemiWykład monograficzny 8

Wulkany i cykle Milankowicia

Krzysztof MarkowiczInstytut Geofizyki

Uniwersytet Warszawskikmark@igf.fuw.edu.pl

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

2

Wpływ wulkanów

04/19/2304/19/23Krzysztof Markowicz Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.plkmark@igf.fuw.edu.pl

Wpływ wybuchów wulkanów

Aerosol emitowany przez wulkany Aerosol emitowany przez wulkany redukuje przeźroczystość atmosferyredukuje przeźroczystość atmosfery

4

Największe erupcje w ciągu ostatnich 250 lat

5

http://data.giss.nasa.gov/modelforce/strataer/

The relation between the optical thickness and the forcings are roughly :instantaneous forcing Fi (W/m2) = -27 τ adjusted forcing Fa (W/m2) = -25 τ SST-fixed forcing Fs (W/m2) = -26 τ effective forcing Fe (W/m2) = -23 τ

6

Zmiany transmisji atmosfery związane z wybuchami wulkanów.

• Zmiany czasowe stosunku emisji antropogenicznych CO2 do emisji wulkanicznych.

Gerlach , 2011

Skład procentowy emitowanych gazów

Zmiany klimatu po wybuchu Pinatubo

• Hansen i in. w 1992 oszacowali, na podstawie modelu klimatu, spadek temperatury na ziemi o ok. 0.5oC

• Późniejsze obserwacje potwierdziły, że średnia globalna temperatura powietrza przy powierzchni ziemi obniżyła się o ok. 0.5-0.6oC

10

11

Parker et al., 1996

Parker et al., 199612

Tempo radiacyjnego ochładzania lub ogrzewania

po wybuchu Pinatubo

Porównanie obserwowanych i symulowanych anomalii temperatury po wybuchu Pinatubo

Zmiany klimatu

• Wybuchy wulkanów w niskich szerokościach geograficznych prowadzą do:

- ochładzania rejonów równikowych w dolnej troposferze i ogrzewania w stratosferze

- ocieplania (szczególnie w okresie zimowych) w umiarkowanych szerokościach geograficznych

- Oddziaływanie wulkanów na opady jest zróżnicowane i zależy w głównej mierze od zmian cyrkulacji powietrza. W jednych rejonach opady rosną winnych maleją

• Ogrzewanie stratosfery w obszarach równikowych wzmaga południkowy gradient temperatury zwiększając wir polarny.

• Silniejszy wir zwiększa indeks NAO, powodując cieplejsze zimy w szerokościach umiarowych i wysokich.

Wulkan Eyjafjoll w kwietniu 2010 r.

18

19

Pył wulkaniczny nad Warszawą

Grubość optyczna pyłu wulkanicznego nie przekraczała 0.05 (500 nm), co jest wartością bardzo niską. Efekt klimatyczny wulkanu był praktycznie zaniedbywalny. Aerozol nie dostał się do stratosfery i po kilku dniach nie był w zasadzie już obserwowany.

20

Cykle Milankowicia• Zmiany aktywności Słońca nie są jedyną przyczyną zmian stałej

słonecznej.

• Na wartość natężenia promieniowania słonecznego na zewnątrz atmosfery mają również wpływ parametry orbity Ziemi. Parametry te zmieniają się w ramach tzw. cykli Milankowicia.

• Orbita Ziemi jest elipsą o niewielkim mimośrodzie wynoszącym aktualnie 1.67 %. Wartość mimośrodu ziemskiej orbity nie jest wielkością stałą i może osiągać wartości od 0.5 do 5.8 % (różnica pomiędzy maksimum i minimum natężenia promieniowania słonecznego wynosi wówczas 23 % a nie jak obecnie 3.3%),

• Mimośród zmienia się cyklicznie z nakładającymi się dominującymi cyklami o okresach około 95 136 i 413 tyś. lat.

• Aktualnie ekscentryczność orbity Ziemi zdąża do swojej minimalnej wartości, którą osiągnie za około 27 tys. lat.

21

Precesja i nachylenie osi• Dwa inne parametry ruchu orbitalnego Ziemi, nie decydują już o

zmianach stałej słonecznej jednak prowadzą do zróżnicowania promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic warstw atmosfery w zależności od szerokości geograficznej.

• Tymi parametrami są nachylenie osi obrotu Ziemi do płaszczyzny jej orbity (ekliptyki) oraz związane z nachyleniem osi zjawisko jej precesji.

• Nachylenie osi Ziemi, wynoszące aktualnie 2326’, odpowiada za zmianę kąta deklinacji słonecznej oraz zmianę długości dnia.

• Kąt ten zmienia się cyklicznie z okresem około 41 tyś. lat w zakresie od 21,1 do 24,5.

• Stosunkowo niewielkie zmiany spowodowane są stabilizującym działaniem Księżyca. Wartość kąta nachylenia osi Ziemi będzie się zmniejszała aż do około 10000 roku.

• Mniejsza wartość kąta oznacza mniejsze sezonowe różnice promieniowania słonecznego a tym samym zacieranie różnic pomiędzy porami roku.

22

Precesja• Zjawisko precesji osi obrotu Ziemi powoduje zmianę kierunku osi

Ziemi w ten sposób, że zatacza ona pełny obrót wokół kierunku prostopadłego do płaszczyzny orbity.

• Skutkiem tego zmienia się dzień roku, w którym Ziemia przechodzi przez peryhelium i aphelium swojej orbity.

• W przypadku, gdy oś Ziemi w trakcie przejścia przez peryhelium krzyżuje się z osią orbity, ekscentryczność orbity powoduje na jednej z półkul, północnej lub południowej, maksymalne zwiększenie sezonowych różnic w dziennych sumach promieniowania, a na przeciwległej ich maksymalne zmniejszenie.

• Aktualnie najbliżej Słońca, czyli w peryhelium swojej orbity Ziemia znajduje się 3-go stycznia natomiast w aphelium, czyli w największej odległości od Słońca, Ziemia znajduje się 4-go lipca. Jesteśmy, więc w takim położeniu osi orbity Ziemi, w którym na półkuli północnej sezonowe różnice promieniowania są zmniejszane na skutek zmiany odległości Ziemi od Słońca w trakcie jej drogi po orbicie.

23

24

- Ze względu na małą ekscentryczność orbity Ziemi nie ma to jednak większego wpływu na wyraźną sezonowość nasłonecznienia, ponieważ różnica natężenia promieniowania na granicy atmosfery pomiędzy aphelium i peryhelium wynosi 6.6 %. - Okres precesji osi ziemskiej wynosi około 26 tys. lat, jednak ze względu nałożenie się na precesję ruchu obrotowego wielkiej osi orbity Ziemi dookoła Słońca, kolejne przejście przez peryhelium w tym samym momencie roku słonecznego następuje co około 21 tys. lat. - Czas przejścia przez punkty charakterystyczne orbity w kolejnych latach przesuwa się zgodnie z przebiegiem kalendarza i za około 5 tys. lat przejście przez peryhelium orbity nastąpi w dniu równonocy wiosennej.

25

26

Modele zmian klimatu oparte na fluktuacjach wielkości astronomicznych.

27

Podsumowanie

• Nie ma wątpliwości, że cykle Milankowica jak również aktywność wulkaniczną są przyczyną obserwowanych na ziemi zmian klimatu.• W pierwszym przypadku zmiany te były obserwowane w długiej skali czasowej mierzonej w dziesiątkach tysięcy lat. • W przypadku wulkanów zmiany klimatu są niemal natychmiastowe. Ustępują one jednak w ciągu kilku lat. • Wyjątkiem są tu superwulkany, które w historii Ziemi powodowały prawdopodobnie katastrofalne zmiany klimatyczne.