Fizyka Klimatu Ziemi Wykład monograficzny 7 Wpływ Słońca na klimat

Fizyka Klimatu ZiemiWykład monograficzny 7Wpływ Słońca na klimat

Krzysztof MarkowiczInstytut Geofizyki

Uniwersytet [email protected]

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

mailto:[email protected]

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

O czym będzie mowa?O czym będzie mowa?

• Co wiemy o aktywności słonecznej?Co wiemy o aktywności słonecznej?

• Monitoring aktywności słonecznejMonitoring aktywności słonecznej

• Mechanizmy oddziaływania Słońca na klimat Mechanizmy oddziaływania Słońca na klimat ZiemiZiemi

• Pojęcie wymuszania radiacyjnego i zmiany Pojęcie wymuszania radiacyjnego i zmiany bilansu energii systemu klimatycznegobilansu energii systemu klimatycznego

• Hipoteza wpływu promieniowania kosmicznego Hipoteza wpływu promieniowania kosmicznego na klimatna klimat

[email protected] [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjawww.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

Słonce -główne źródło energii na ZiemiSłonce -główne źródło energii na Ziemi

• Moc promieniowania Moc promieniowania elektromagnetycznego elektromagnetycznego emitowanego przez fotosferę emitowanego przez fotosferę Słoneczną wynosi około Słoneczną wynosi około 3.827×103.827×102626W W

• Tylko niewielka część tego Tylko niewielka część tego promieniowania dociera do promieniowania dociera do górnych granic atmosfery. górnych granic atmosfery.

Przy średniej odległości Ziemi od Słońca (149.6×106 km) moc promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery wynosi około 1368 W/m2. Wielkość ta zwana jest stałą słoneczną.

Średnie dobowa wartość promieniowania słonecznego na Średnie dobowa wartość promieniowania słonecznego na szczycie atmosfery jako funkcja szerokości geograficznej szczycie atmosfery jako funkcja szerokości geograficznej i miesiąca. i miesiąca. Linia przerywana oznacza szerokość geograficzną gdzie Linia przerywana oznacza szerokość geograficzną gdzie występuje górowanie Słońca (Hartmann, 1994). występuje górowanie Słońca (Hartmann, 1994).

44

Zmienność dopływu energii słonecznej do górnych granic atmosfery z szerokością geograficzną

Zmiany energii docierającej Zmiany energii docierającej od Słońca do Ziemiod Słońca do Ziemi

• Cykl roczny Cykl roczny 3.4% (98W/m3.4% (98W/m22) związany ze zmianą ) związany ze zmianą odległości Ziemia-Słońceodległości Ziemia-Słońce

• Zmiany aktywności słonecznej w cyklu 11 letnim Zmiany aktywności słonecznej w cyklu 11 letnim wynoszą ok. 1.3 W/mwynoszą ok. 1.3 W/m22 co stanowi zaledwie ok. co stanowi zaledwie ok. 0.1% stałej słonecznej0.1% stałej słonecznej

• Zmiany aktywności słonecznej w skalach Zmiany aktywności słonecznej w skalach dłuższych są słabo poznane ale prawdopodobnie dłuższych są słabo poznane ale prawdopodobnie nie są większe niż kilka W/mnie są większe niż kilka W/m22. .


Aktywność słonecznaAktywność słoneczna• to zmiany zachodzące na powierzchni i w atmosferze Słońca to zmiany zachodzące na powierzchni i w atmosferze Słońca

• Zmiany te powodują fluktuacje promieniowania Zmiany te powodują fluktuacje promieniowania emitowanego w postaci fal elektromagnetycznych oraz emitowanego w postaci fal elektromagnetycznych oraz strumienia cząstek emitowanych przez Słońce (wiatr strumienia cząstek emitowanych przez Słońce (wiatr słoneczny). słoneczny).

• Do aktywności słonecznej zalicza się też zmiany w liczbie i Do aktywności słonecznej zalicza się też zmiany w liczbie i rozmieszczeniu plam słonecznych oraz koronalnych rozmieszczeniu plam słonecznych oraz koronalnych wyrzutów masy.wyrzutów masy.

• Ze zmianą pola magnetycznego Słońca wiążą się liczne Ze zmianą pola magnetycznego Słońca wiążą się liczne zjawiska, które stanowią o aktywności słonecznej. zjawiska, które stanowią o aktywności słonecznej.

• Przejawia się onaPrzejawia się ona

w fotosferze w postaci plam i pochodni; w fotosferze w postaci plam i pochodni;

w chromosferze jako rozbłyski i protuberancje; w chromosferze jako rozbłyski i protuberancje;

w koronie słonecznej jako rozbłyski i wyrzuty materii.w koronie słonecznej jako rozbłyski i wyrzuty materii.


Rys historycznyRys historyczny

• Pierwsze obserwacje przejawów aktywności słonecznej Pierwsze obserwacje przejawów aktywności słonecznej prowadzono około 800 lat. p.n.e w Chinach. prowadzono około 800 lat. p.n.e w Chinach.

• Od 1Od 1610610 r. astronomowie zaczęli używać teleskopów r. astronomowie zaczęli używać teleskopów do obserwacji plam i ich przemieszczania się. do obserwacji plam i ich przemieszczania się.

• WW 1845 1845 r. prof. r. prof. Joseph HenryJoseph Henry i prof. i prof. Stephen Alexander Stephen Alexander z Uniwersytetu w Princeton używając termopary z Uniwersytetu w Princeton używając termopary zauważyli, że plamy słoneczne emitują mniej energii w zauważyli, że plamy słoneczne emitują mniej energii w porównaniu do obszarów ich otaczających. Ponadto porównaniu do obszarów ich otaczających. Ponadto odkryli obszary o wyższej emisyjności zwane flokule odkryli obszary o wyższej emisyjności zwane flokule (flokuły) słoneczne.(flokuły) słoneczne.

• W 1843 r. niemiecki astronom amator Samuel W 1843 r. niemiecki astronom amator Samuel Schwabe odkrył wzrost a następnie spadek rocznej Schwabe odkrył wzrost a następnie spadek rocznej liczby plam słonecznych. Sugerował, że cykl plam na liczby plam słonecznych. Sugerował, że cykl plam na Słońcu trwa 10 lat. Słońcu trwa 10 lat.


• Szwajcarski astronom Rudolf Wolf używając badań Szwajcarski astronom Rudolf Wolf używając badań swoich poprzedników zrekonstruował cykle swoich poprzedników zrekonstruował cykle słoneczne do 1745 r. W 1849 r. zdefiniował liczbę słoneczne do 1745 r. W 1849 r. zdefiniował liczbę plam zwaną obecnie liczbą Wolfa R: plam zwaną obecnie liczbą Wolfa R:

R=k(10g+p)R=k(10g+p)

• gdzie gdzie gg to liczba grup plam, to liczba grup plam, pp - ilość plam, a - ilość plam, a kk to to wielkość, która umożliwia porównanie wyników wielkość, która umożliwia porównanie wyników uzyskanych przez obserwatorów dysponujących uzyskanych przez obserwatorów dysponujących różniącymi się powiększeniem lunetami. różniącymi się powiększeniem lunetami.

• Około Około 1852 1852 r. czterej astronomowie zauważyli, że r. czterej astronomowie zauważyli, że okres cyklu plam słonecznych był identyczny z okres cyklu plam słonecznych był identyczny z okres zmian aktywności geomagnetycznej na okres zmian aktywności geomagnetycznej na Ziemi, dając początek badań tzw. "pogody Ziemi, dając początek badań tzw. "pogody kosmicznej".kosmicznej".


Cykle słoneczneCykle słoneczne

• Podstawowy 11 letni (9-12 letni cykl) w czasie Podstawowy 11 letni (9-12 letni cykl) w czasie którego liczba plam stopniowo rośnie a następnie którego liczba plam stopniowo rośnie a następnie dość szybko spada. dość szybko spada.

• 22 letni22 letni

• 87 letni – modulacja amplitudy cyklu 11 letniego87 letni – modulacja amplitudy cyklu 11 letniego

• inne…inne…


Przejawy Przejawy aktywności aktywności słonecznejsłonecznej

wyrzuty koronalne

flokule

plamy słoneczne

Pole magnetyczne blokuje strumień ciepła

Plamy słoneczne

B

Heat Flux F

Quiet Bright Spot Bright Quiet Sun Ring P U P Ring Sun

Photosphere

Convection Zone

Flokule - model jasnej ściany

Tf 6200 K

z 50 km

BB

F

< 250 km

Współczesny monitoring aktywności Współczesny monitoring aktywności słonecznejsłonecznej

• Od 1977 r. prowadzony za pomocą detektorów Od 1977 r. prowadzony za pomocą detektorów umieszczonych na satelitach umieszczonych na satelitach

• Obserwacje naziemne - utrudnione przez Obserwacje naziemne - utrudnione przez zmienności własności optycznych atmosfery ale zmienności własności optycznych atmosfery ale możliwe w stacjach wysokogórskichmożliwe w stacjach wysokogórskich

• Rekonstrukcje historyczne – przy użyciu różnych Rekonstrukcje historyczne – przy użyciu różnych technik paleoklimatycznych.technik paleoklimatycznych.


Misje satelitarne ACRIMSATMisje satelitarne ACRIMSAT• Trzy misje satelitarne w latach 1980, 1991 i 1999 Trzy misje satelitarne w latach 1980, 1991 i 1999

(ACRIMSAT I, II i III)(ACRIMSAT I, II i III)

• ACRIM (ACRIM (Active Cavity Radiometer Irradiance Active Cavity Radiometer Irradiance MonitorMonitor), pierwszy instrument satelitarny, który ), pierwszy instrument satelitarny, który zaobserwował zmienność stałej słonczej na zaobserwował zmienność stałej słonczej na poziomie 0.1% w czasie jednego cyklu 11 poziomie 0.1% w czasie jednego cyklu 11 letniego. letniego.


[email protected] [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/metewww.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjao/stacja


Pomiary satelitarne stałej słonecznej - Pomiary satelitarne stałej słonecznej - SORCESORCE

• Od 2003 TOd 2003 The Solar Radiation and Climate Experiment he Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE)(SORCE). Pomiary promieniowania w zakresie (. Pomiary promieniowania w zakresie (x-ray, x-ray, UV VIS, NIRD, TSI), UV VIS, NIRD, TSI), 1nm 1nm -- 2000nm 2000nm obejmującym obejmującym 95% 95% energii docierającej od Słońcaenergii docierającej od Słońca

SORCE SORCE wyposażony jest wyposażony jest 4 instrumenty: 4 instrumenty: instruments Spectral instruments Spectral Irradiance Monitor (SIM), Irradiance Monitor (SIM), Solar Stellar Irradiance Solar Stellar Irradiance Comparison Experiment Comparison Experiment (SOLSTICE), (SOLSTICE), Total Irradiance Monitor Total Irradiance Monitor (TIM) (TIM) XUV Photometer System XUV Photometer System (XPS). (XPS).

Problem dryfu instrumentów Problem dryfu instrumentów satelitarnychsatelitarnych


Gray et al., 2009

Zmiany Zmiany aktywności aktywności

słonecznej w słonecznej w

ostatnich 35 ostatnich 35 latachlatach


Zmiany aktywności Zmiany aktywności słonecznej w słonecznej w ostatnich 250 latachostatnich 250 latach

www.spaceweather.comwww.spaceweather.com


Pomiary z powierzchni ziemi -Pomiary z powierzchni ziemi -metoda Langley’ametoda Langley’a

• Metoda Langley’a pozwala Metoda Langley’a pozwala wyznaczyć spektralną stała wyznaczyć spektralną stała słoneczną na podstawie pomiarów słoneczną na podstawie pomiarów prowadzonych na powierzchni prowadzonych na powierzchni ziemi. ziemi.

Wymagania:Wymagania:

1.1.Bezchmurne warunki blisko Bezchmurne warunki blisko zachodu lub po wschodzie słońca zachodu lub po wschodzie słońca

2.2.Brak zmian czasowych własności Brak zmian czasowych własności optycznych atmosfery podczas optycznych atmosfery podczas kalibracji ok. 2-2.5hkalibracji ok. 2-2.5h

3.3.Horyzontalna jednorodnośćHoryzontalna jednorodność

4.4.Najlepsze do tego celu są Najlepsze do tego celu są obserwacje prowadzone wysoko obserwacje prowadzone wysoko

w górachw gó[email protected] [email protected]

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

• Zmiany aktywności Słońca wpływają na wielkość strumienia Zmiany aktywności Słońca wpływają na wielkość strumienia cząstek promieniowania kosmicznego, wytwarzających w cząstek promieniowania kosmicznego, wytwarzających w atmosferze promieniotwórczy węgiel atmosferze promieniotwórczy węgiel 1414C ( i C ( i 1616Be) z azotu Be) z azotu atmosferycznego i magazynowany potem przez rośliny. atmosferycznego i magazynowany potem przez rośliny.

• Skala tej zmienności wprowadza błąd w wynikach datowania Skala tej zmienności wprowadza błąd w wynikach datowania radiowęglowego. Jeszcze większe zmiany powodują wahania radiowęglowego. Jeszcze większe zmiany powodują wahania natężenia ziemskiego pola magnetycznego, w skalach natężenia ziemskiego pola magnetycznego, w skalach czasowych rzędu kilku tysięcy lat.czasowych rzędu kilku tysięcy lat.

• Z wyników badań radiowęglowych wynikałoby, iż w ciągu Z wyników badań radiowęglowych wynikałoby, iż w ciągu ostatnich 8000 lat było 18 minimów.ostatnich 8000 lat było 18 minimów.


Rekonstrukcje zmian aktywność słonecznej

Szacowanie zmienności strumienia Szacowanie zmienności strumienia promieniowania słonecznego na promieniowania słonecznego na

podstawie liczby plam słonecznychpodstawie liczby plam słonecznych

• Badania aktywności geomegetycznej, aktywności Badania aktywności geomegetycznej, aktywności zórz polarnych czy izotopów powstających wskutek zórz polarnych czy izotopów powstających wskutek promieniowania kosmicznego wskazują na promieniowania kosmicznego wskazują na dodatkową zmienność aktywności słonecznej, która dodatkową zmienność aktywności słonecznej, która nie jest odzwierciedlona w ilości plam słonecznych.nie jest odzwierciedlona w ilości plam słonecznych.

• Niemal wszystkie minima słoneczne charakteryzują Niemal wszystkie minima słoneczne charakteryzują się zerową lub niemal zerową ilością plam na Słońcu się zerową lub niemal zerową ilością plam na Słońcu podczas gdy inne wskaźniki aktywności słonecznej podczas gdy inne wskaźniki aktywności słonecznej pokazują, że Słońce nie powraca do tego samego pokazują, że Słońce nie powraca do tego samego poziomu aktywności. poziomu aktywności.


Porównanie rekonstrukcji stałej Porównanie rekonstrukcji stałej słonecznej za ostatnie 400 lat.słonecznej za ostatnie 400 lat.


Mechanizmy oddziaływania aktywności Mechanizmy oddziaływania aktywności słonecznej na klimatsłonecznej na klimat

• Poprzez zmianę bilansu energetycznego całego Poprzez zmianę bilansu energetycznego całego systemu klimatycznegosystemu klimatycznego

• Poprzez zmiany promieniowania UV i struktury Poprzez zmiany promieniowania UV i struktury termicznej stratosferytermicznej stratosfery

• Poprzez oddziaływanie na wysokie warstwy Poprzez oddziaływanie na wysokie warstwy atmosferyatmosfery

• Oddziaływanie promieniowania kosmicznego na Oddziaływanie promieniowania kosmicznego na atmosferę (chmury)atmosferę (chmury)


Zaburzenia prowadzące do zmian Zaburzenia prowadzące do zmian klimatycznych.klimatycznych.


Gray et al., 2009


Wymuszanie radiacyjne związane aktywnością słoneczną w ostatnich 160

latach.

Dla porównania wymuszanie radiacyjne związane z działalności człowieka wzrosło od roku 1750 do dziś o ok. 1.6 W/m2


Rekonstrukcja wymuszania radiacyjnego dla ostatniego milenium, Bard et al., (2000)

Uwagi:1.Nie ma konsensusu wśród naukowców co do skalowania zmian czasowych stałej słonecznej.2.Lean et al., 2002 i Foukal et al., 2004 amplituda zmian stałej słonecznej jest mniejsza.


Czy wymuszanie radiacyjne Słońca może zmieniać temperaturę na Ziemi?

FTs

Zmiana temperatury powierzchni ziemi TZmiana temperatury powierzchni ziemi Tss związana z związana z wymuszanie wymuszanie radiacyjnym radiacyjnym ΔΔF dana jest wzorem (po F dana jest wzorem (po ustaleniu nowego stanu równowagi)ustaleniu nowego stanu równowagi)

gdzie gdzie αα oznacza współczynnik wrażliwości klimatu. oznacza współczynnik wrażliwości klimatu. Współczynnik ten jest bardzo trudny do określenia i Współczynnik ten jest bardzo trudny do określenia i szacuje się, że wynosi 0.5-0.7 K/W/mszacuje się, że wynosi 0.5-0.7 K/W/m22. . Zakładając wymuszenie radiacyjne na poziomie 0.2 Zakładając wymuszenie radiacyjne na poziomie 0.2 W/mW/m22 dostajemy zmianę temperatury o ok. 0.1 K. dostajemy zmianę temperatury o ok. 0.1 K. Wyznaczona zmiana temperatury na poziomie 0.1 K w Wyznaczona zmiana temperatury na poziomie 0.1 K w ciągu jednego cyklu wyznaczona została przy założeniu ciągu jednego cyklu wyznaczona została przy założeniu „natychmiastowej” odpowiedzi systemu klimatycznego „natychmiastowej” odpowiedzi systemu klimatycznego na zaburzeniena zaburzenie


Opóźnienie systemu klimatycznego w dochodzeniu do nowego stanu

równowagi. • System klimatyczny składający się z atmosfery, System klimatyczny składający się z atmosfery,

hydrosfery, kriosfery, biosfery i litosfery wykazuje hydrosfery, kriosfery, biosfery i litosfery wykazuje dużą bezwładność.dużą bezwładność.

• Stała czasowa takiego systemu jest szacowana w Stała czasowa takiego systemu jest szacowana w dziesiątkach lat. dziesiątkach lat.

• Zaburzenia takiego systemu mające skalę 11 lat Zaburzenia takiego systemu mające skalę 11 lat charakteryzują się niewielką odpowiedzą w charakteryzują się niewielką odpowiedzą w systemie. systemie.

• 11 letni cykl słoneczny nie jest w stanie 11 letni cykl słoneczny nie jest w stanie efektywnie pobudzać systemu klimatycznego efektywnie pobudzać systemu klimatycznego (jesteśmy daleko od rezonansu)(jesteśmy daleko od rezonansu)


-0.14

-0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0 10 20 30 40

time (years)

Fo

rcin

g (

Wm

-2)

or

T

(K

)

Forcing

Equilibrium Response

Transient Response

Przykład• Rozważmy model aktywności słonecznej o Rozważmy model aktywności słonecznej o

sinusoidalnej oscylacji 11 letniej z amplitudą sinusoidalnej oscylacji 11 letniej z amplitudą wymuszania radiacyjnego 0.24 W/mwymuszania radiacyjnego 0.24 W/m22..

• Pomijamy tutaj uproszczony model matematyczny Pomijamy tutaj uproszczony model matematyczny ziemi będącej jednym wielkim oceanem. ziemi będącej jednym wielkim oceanem.

• Temperatura równowagowa zaznaczona jest cienką Temperatura równowagowa zaznaczona jest cienką linią przerywaną, zaś rzeczywista odpowiedz systemu linią przerywaną, zaś rzeczywista odpowiedz systemu grubą linią przerywaną.grubą linią przerywaną.


• Zauważmy, że wyznaczone z naszego modelu Zauważmy, że wyznaczone z naszego modelu zmiany temperatury są znacznie mniejsze (około zmiany temperatury są znacznie mniejsze (około 20%) niż zmiany związane ze stanem równowagi. 20%) niż zmiany związane ze stanem równowagi.

• Wynika to z faktu, iż wymuszenie radiacyjne Wynika to z faktu, iż wymuszenie radiacyjne zmienia się zbyt szybko dla bezwładnego systemu zmienia się zbyt szybko dla bezwładnego systemu klimatycznegoklimatycznego

• Stąd też wynika przesuniecie w fazie pomiędzy Stąd też wynika przesuniecie w fazie pomiędzy wymuszeniem a odpowiedzią systemu wymuszeniem a odpowiedzią systemu klimatycznego. klimatycznego.

• Tak, więc wpływ 11 cyklu słonecznego jest Tak, więc wpływ 11 cyklu słonecznego jest prawdopodobnie znacznie mniejszy niż wynika to z prawdopodobnie znacznie mniejszy niż wynika to z wartości wymuszenia radiacyjnego. wartości wymuszenia radiacyjnego.

• Zmiany aktywność słonecznej w dłużej skali Zmiany aktywność słonecznej w dłużej skali czasowej mogą odgrywać większe znaczenie ze czasowej mogą odgrywać większe znaczenie ze względu na dłuższy okres czasowy wymuszenia względu na dłuższy okres czasowy wymuszenia oraz większa amplitudę w porównaniu do cyklu 11 oraz większa amplitudę w porównaniu do cyklu 11 letniego. letniego.

Wpływ długookresowych zmian aktywności słonecznej na klimat – minimum Maundera

Minimum plam słoneczny w latach 1610-1700 pokrywa się częściowo z okresem zwanym małą epoką lodową

Naukowcy próbują powiązać oba fakty

Minimum MaunderaMinimum Maundera


• Najnowsze oszacowania stałej Najnowsze oszacowania stałej słonecznej dla tego okresu mówią słonecznej dla tego okresu mówią o jej redukcji o jedynie 1.3 o jej redukcji o jedynie 1.3 0.3 0.3 W/mW/m2 2 w stosunku do w stosunku do współczesnego poziomu. współczesnego poziomu.

• Tym samy trudno jedynie Tym samy trudno jedynie zmianami całkowitej ilości energii zmianami całkowitej ilości energii docierającej od Słońca docierającej od Słońca wytłumaczyć niższe temperatury wytłumaczyć niższe temperatury w okresie małej epoki lodowej. w okresie małej epoki lodowej.

• Być może inne mechanizmy Być może inne mechanizmy spowodowały spadek temperaturyspowodowały spadek temperatury

Mechanizmy odpowiedzi systemu Mechanizmy odpowiedzi systemu klimatycznego na małe zaburzenia klimatycznego na małe zaburzenia

Odpowiedz systemu na zmiany promieniowania Odpowiedz systemu na zmiany promieniowania słonecznegosłonecznego

a) zmiany bilansu energiia) zmiany bilansu energii

b) zmiany w stratosferze i górnych warstwach b) zmiany w stratosferze i górnych warstwach atmosfery przez promieniowanie UVatmosfery przez promieniowanie UV

Odpowiedz systemu na energetyczne cząstki Odpowiedz systemu na energetyczne cząstki

a) wiatr słonecznya) wiatr słoneczny

b) Promieniowanie galaktyczne (kosmiczne) i wiatr b) Promieniowanie galaktyczne (kosmiczne) i wiatr międzygwiezdnymiędzygwiezdny


Zmienność widma promieniowania Zmienność widma promieniowania słonecznegosłonecznego• Największe zmiany w natężaniu Największe zmiany w natężaniu

promieniowania słonecznego promieniowania słonecznego występują w zakresie UV. występują w zakresie UV.

• W zakresie 200-300 nm to ok. W zakresie 200-300 nm to ok. 1.5% pomiędzy min i max cyklu 1.5% pomiędzy min i max cyklu 11 letniego. Dla fal ok. 200 nm 11 letniego. Dla fal ok. 200 nm zmiana ta wynosi już 6%, zaś dla zmiana ta wynosi już 6%, zaś dla 100 nm prawie 100%,100 nm prawie 100%,

• Podczas minimum Maundera Podczas minimum Maundera promieniowanie UV był mniejsze promieniowanie UV był mniejsze o ok. 4.3% niż obecnie. o ok. 4.3% niż obecnie.

• W zakresie promieniowania X W zakresie promieniowania X zmiany te sięgają 2 rzędów zmiany te sięgają 2 rzędów wielkość (w ciągu 11 lat)wielkość (w ciągu 11 lat)

[email protected] [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjawww.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja Leon 1991

Zmiany w wysokiej atmosferzeZmiany w wysokiej atmosferze• Zmiany temperatury związane z pochłanianiem Zmiany temperatury związane z pochłanianiem

promieniowania o długości 100 nm w egzosferze (500-promieniowania o długości 100 nm w egzosferze (500-1000 km) sięgają 1000K!1000 km) sięgają 1000K!

• W stratosferze wynoszą już tylko ok. 2K w tropikalnej W stratosferze wynoszą już tylko ok. 2K w tropikalnej atmosferze na wysokości 50 km oraz 20-25 km.atmosferze na wysokości 50 km oraz 20-25 km.

• Ogrzewanie stratosfery w czasie wysokiej aktywności Ogrzewanie stratosfery w czasie wysokiej aktywności słonecznej związane jest ze wzrostem UV oraz słonecznej związane jest ze wzrostem UV oraz sprzężenie zwrotnym z ozonem, który powoduje sprzężenie zwrotnym z ozonem, który powoduje pochłanianie tego promieniowania. pochłanianie tego promieniowania.

• Z oczywistych względów zmiany w stratosferze są Z oczywistych względów zmiany w stratosferze są wstanie wpływać na warunki panującej w dolnej wstanie wpływać na warunki panującej w dolnej troposferze. Wpływ wyższych warstw atmosfery na troposferze. Wpływ wyższych warstw atmosfery na klimat panujący przy powierzchni ziemi jest ciągle klimat panujący przy powierzchni ziemi jest ciągle mało poznany ale prawdopodobnie jest niewielki. mało poznany ale prawdopodobnie jest niewielki.


Odpowiedź stratosferyOdpowiedź stratosfery

• W stratosferze panuje równowaga radiacyjna to W stratosferze panuje równowaga radiacyjna to znaczy, że temperatura powietrza określona jest znaczy, że temperatura powietrza określona jest przez bilans promieniowania (promieniowanie jest przez bilans promieniowania (promieniowanie jest jedynym źródłem energii). W troposferze jedynym źródłem energii). W troposferze dodatkowe źródła energii stanowi konwekcyjny dodatkowe źródła energii stanowi konwekcyjny transport ciepła odczuwalnego oraz utajonego. transport ciepła odczuwalnego oraz utajonego.

• Równowaga radiacyjna ustala się w stratosferze Równowaga radiacyjna ustala się w stratosferze relatywnie szybko bo w okresie ok. 2-4 miesięcy. relatywnie szybko bo w okresie ok. 2-4 miesięcy. Tym samym stratosfera może efektywnie Tym samym stratosfera może efektywnie odpowiadać na zaburzenia na Słońcu. odpowiadać na zaburzenia na Słońcu.

• Zróżnicowanie promieniowania UV w zależności od Zróżnicowanie promieniowania UV w zależności od szerokości geograficznej prowadzi do kontrastów szerokości geograficznej prowadzi do kontrastów termicznych i zmian w cyrkulacji stratosferycznej. termicznych i zmian w cyrkulacji stratosferycznej.


Zmiany temperatury Zmiany temperatury stratosfery i zawartości stratosfery i zawartości ozonu pomiędzy fazą ozonu pomiędzy fazą

maksymalną i minimalnąmaksymalną i minimalną


Zmiany wiatru strefowego pomiędzy Zmiany wiatru strefowego pomiędzy fazą maksymalną i minimalnąfazą maksymalną i minimalną


Wpływ na QBO (quasi-biennial Wpływ na QBO (quasi-biennial oscillation)oscillation)

• QBO to cyklicznie zmiany wiatru strefowego w QBO to cyklicznie zmiany wiatru strefowego w tropikalnej dolnej stratosferze z okresem 28-29 tropikalnej dolnej stratosferze z okresem 28-29 miesięcy propagujące się z górnej stratosfery do miesięcy propagujące się z górnej stratosfery do tropopauzy gdzie zaburzenie ulega dyssypacji. tropopauzy gdzie zaburzenie ulega dyssypacji.


• Aktywność słoneczna wpływa na długość cyklu QBO. Aktywność słoneczna wpływa na długość cyklu QBO. Zachodnia faza QBO jest istotnie dłuższa podczas wysokiej Zachodnia faza QBO jest istotnie dłuższa podczas wysokiej aktywności słonecznej niż podczas małej aktywności. aktywności słonecznej niż podczas małej aktywności.


Podczas QBO-W pole Podczas QBO-W pole geopotencjału rośnie ze geopotencjału rośnie ze wzrost aktywności wzrost aktywności słonecznejsłonecznejPodczas QBO–E jest na Podczas QBO–E jest na odwrót. odwrót. Tym samym aktywność Tym samym aktywność słoneczna oddziaływuje słoneczna oddziaływuje na intensywność QBO na intensywność QBO oraz na tzw. wir oraz na tzw. wir polarny. polarny.

Wpływ aktywność słonecznej na Wpływ aktywność słonecznej na troposferę w tropikachtroposferę w tropikach

• Zmiany temperatury w Zmiany temperatury w górnej troposferze północnej górnej troposferze północnej półkuli sięgają 0.2-0.4Kpółkuli sięgają 0.2-0.4K

• Zauważono silniejsza Zauważono silniejsza cyrkulację Handleya w cyrkulację Handleya w czasie wysokiej aktywności czasie wysokiej aktywności słonecznej oraz przesuwanie słonecznej oraz przesuwanie się na północ tropikalnego się na północ tropikalnego prądu strumieniowego. prądu strumieniowego.


Intensyfikacja Intensyfikacja cyrkulacji Hadleyacyrkulacji Hadleya


Cyrkulacja WalkeraCyrkulacja Walkera

• Ostatnie badania pokazują również intensyfikację Ostatnie badania pokazują również intensyfikację cyrkulacji Walkera podczas wysokiej aktywności cyrkulacji Walkera podczas wysokiej aktywności słonecznej.słonecznej.

• Tym samym cyrkulacja Hadleya na zachodnim Tym samym cyrkulacja Hadleya na zachodnim Pacyfiku zwiększa się, zaś na wschodnim słabnie Pacyfiku zwiększa się, zaś na wschodnim słabnie podczas maksimum aktywności słonecznej. podczas maksimum aktywności słonecznej.


Anomalie Anomalie temperatury i temperatury i opadów podczas opadów podczas maksimum maksimum aktywności aktywności słonecznejsłonecznej


Zmiany w szerokościach Zmiany w szerokościach umiarkowanych umiarkowanych

i wysokichi wysokich• (a) zmiany ciśnienia (a) zmiany ciśnienia atmosferycznego (linie) atmosferycznego (linie) oraz temperatury (skala oraz temperatury (skala kolorów) (b) te same kolorów) (b) te same anomalie związane z NOA anomalie związane z NOA (oscylacją (oscylacją północnoatlantycką)północnoatlantycką)


Oscylacja północno atlantycka NAO Oscylacja północno atlantycka NAO

[email protected] [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/metewww.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjao/stacja


Związek aktywności słonecznej Związek aktywności słonecznej z indeksem NAOz indeksem NAO


Symulacje klimatyczneSymulacje klimatyczne• Symulacje klimatyczne odpowiedzi systemu na zaburzenie Symulacje klimatyczne odpowiedzi systemu na zaburzenie

związane ze wzrostem promieniowania słonecznego związane ze wzrostem promieniowania słonecznego ukazuje znaczące ocieplenie w obszarach polarnych pól. N ukazuje znaczące ocieplenie w obszarach polarnych pól. N i ochłodzenie w rejonach polarnych pół. S. i ochłodzenie w rejonach polarnych pół. S.


• Prawdopodobnie dość Prawdopodobnie dość skomplikowany skomplikowany mechanizm sprzężeń mechanizm sprzężeń zwrotnych odpowiada za zwrotnych odpowiada za taki stan rzeczy. taki stan rzeczy.

• Symulacje modelami Symulacje modelami klimatu pokazują klimatu pokazują oddziaływanie aktywności oddziaływanie aktywności słonecznej na indeks NAO. słonecznej na indeks NAO.

• NOA odpowiada na NOA odpowiada na zaburzenie po bardzo zaburzenie po bardzo długim okresie czasu (ok. długim okresie czasu (ok. 20-50 lat). 20-50 lat).

Propagacja długookresowych zaburzeń - Propagacja długookresowych zaburzeń - hipoteza hipoteza

1.1. Wzrost aktywność słonecznej niemal natychmiastowo zwiększa cyrkulacje Wzrost aktywność słonecznej niemal natychmiastowo zwiększa cyrkulacje Walkera i konwekcje w północnej ITCZWalkera i konwekcje w północnej ITCZ

2.2. Powolny transport anomalnie ciepłych wód tropikalnych oceanu spokojnego Powolny transport anomalnie ciepłych wód tropikalnych oceanu spokojnego poprzez cyrkulację podzwrotnikowe do północnego Pacyfiku w okresie kilku poprzez cyrkulację podzwrotnikowe do północnego Pacyfiku w okresie kilku dziesięcioleci.dziesięcioleci.

3.3. Po ustąpieniu zaburzenia słonecznego anomalia SST zanika w rejonie Po ustąpieniu zaburzenia słonecznego anomalia SST zanika w rejonie równika po około 30-40 latachrównika po około 30-40 latach

4.4. Co prowadzi do południkowego gradientu SST w tropikach i przesuwania się Co prowadzi do południkowego gradientu SST w tropikach i przesuwania się ITCZ na północ.ITCZ na północ.

5.5. Prowadzi to do wzrostu konwekcji w północnych rejonie tropikalnym Prowadzi to do wzrostu konwekcji w północnych rejonie tropikalnym oceanu spokojnego co powoduje dodatni ą anomalię ciśnienia na oceanu spokojnego co powoduje dodatni ą anomalię ciśnienia na północnym Pacyfiku. północnym Pacyfiku.

6.6. Ta anomalia propaguje się za pośrednictwem prądu strumieniowego na Ta anomalia propaguje się za pośrednictwem prądu strumieniowego na ocean Atlantycki powodując ok. 40 letnie opóźnienie w stosunku do ocean Atlantycki powodując ok. 40 letnie opóźnienie w stosunku do zaburzenia słonecznego. zaburzenia słonecznego.


Mechanizmy oddziaływania Słońca na Mechanizmy oddziaływania Słońca na NOANOA


Wpływ wiatru słonecznego i promieniowania kosmicznego

Wiatr słoneczny powoduje:Wiatr słoneczny powoduje:

• jonizację tlenu i azotu w górnej atmosferze. jonizację tlenu i azotu w górnej atmosferze.

• powstające cząsteczki NOpowstające cząsteczki NOxx przyczyniają się do przyczyniają się do niszczenia warstwy ozonowejniszczenia warstwy ozonowej

Promieniowanie kosmiczne:Promieniowanie kosmiczne:

• hipoteza wpływu na zachmurzenie niskich chmurhipoteza wpływu na zachmurzenie niskich chmur


Hipoteza oddziaływania promieniowania kosmicznego na

chmury• promieniowanie kosmiczne powoduje jonizację, która przyczynia się to wzrostu nukleacji aerozolu

• część aerozolu stanowi jądra kondesacji CCN, które tworzą chmury

• teoretycznie, wzrost promieniowania kosmicznego może prowadzić do wzrostu zachmurzenia

• nie ma co do tego konsensusu naukowego. Mechanizm ten jest słabo poznany.

E. J. Snow-Kropla et al. 2011

Wg wielu naukowców badania Marsha i Svensmarka [2003] nie mają potwierdzenia w pomiarach.

Antykorelacja promieniowania kosmicznego Antykorelacja promieniowania kosmicznego z promieniowaniem słonecznymz promieniowaniem słonecznym


Korelacja zachmurzenia Korelacja zachmurzenia z promieniowaniem z promieniowaniem kosmicznymkosmicznym


Naciągane dane Marsh i Svensmarka z 2003

Oddziaływanie słońca na system Oddziaływanie słońca na system klimatyczny Podsumowanieklimatyczny Podsumowanie


Documents

Fizyka Klimatu Ziemi Wykład monograficzny 7 Wpływ Słońca na klimat