FYZIKA KLIMATICKÉHO SYSTÉMU ZEME (KSZ),

SKRÁTENÁ VERZIA

Milan LAPIN, FMFI UK, časť z podkladov k profesorskej

inauguračnej prednáške 20.IX.2004Text je na www.dmc.fmph.uniba.sk

(kompletná verzia je u autora)

Prečo o KSZ ? 1992 – UNCED v Rio de Janeiro – UN FCCC

(Rámcový dohovor OSN o klimatickej zmene) Hneď začalo spochybňovanie FCCC (náklady) Pokročila analýza fyziky a chémie KSZ Táto prednáška je akousi nadstavbou

dvojsemestrálneho kurzu magisterského a prípravy prednášok doktorandského štúdia

V prednáške sa venujeme iba dôležitým, menej frekventovaným a novším faktom

Pozrite si text na www.dmc.fmph.uniba.sk obrázky sú väčšinou z Peixoto a Oort (1993), IPCC (2001) - stránky www.ipcc.ch a z iných podkladov podľa literatúry v texte

Energetická bilancia Zeme Zemský povrch a dôležité hladiny B = LE + H + Q – energetická bilancia, LE – tok tepla na

výpar, H, Q – tok „cíteného“ tepla do atmosféry a pôdy B = Ik.(1-Ak) – (Ez - EA.(1-Ad)) – radiačná bilancia

zemského povrchu, Ik, EZ, EA – prichádzajúce krátkovlnné žiarenie, dlhovlnné vyžarovanie zemského povrchu/atmosféry

Ik = S+D – funkcia s významnými periódami 24 h, rok, 12 h, 6 dní, 0,5 roka a i., S,D – priame a difúzne prichádzajúce slnečné žiarenie

Ak a Ad – závisia od typu povrchu (aerosólu), od vlnovej dĺžky a uhla dopadu žiarenia (albedo)

Toky energie najmä turbulentným prenosom a advekciou v atmosfére a oceánoch majú väčšinou porovnateľný význam

SCHÉMA ENERGETICKEJ BILANCIE ZEME AKO CELKU

Schéma energetickej bilancie celej Zeme v priemernej hustote toku radiácie [W.m-2] Spracované podľa 3. správy Medzivládneho panelu pre klimatickú zmenu (IPCC, 2001) (I – prichádzajúce žiarenie, A1 – albedo atmosféry, aerosólov a oblačnosti, A2 – albedo zem-ského povrchu, B – bilancia krátkovlnného žiarenia na zemskom povrchu, C – absorpcia krát-kovlnného žiarenia v atmosfére, D a E – spotreba energie na turbulentný tok tepla do atmosfé-ry a na výpar, F – dlhovlnné vyžarovanie zemského povrchu, G – dlhovlnné spätné žiarenie atmosféry, H – únik dlhovlnného vyžarovania zemského povrchu cez atmosférické okno ab-sorpcie H2O, K – dlhovlnné vyžarovanie atmosféry (165) a oblačnosti (30), O – dlhovlnné žiarenie Zeme do medziplanetárneho priestoru. Ide o zjednodušenú schému reálneho stavu.

I=342 W.m-2

C=67 W.m-2

A1=77 W.m-2

Atmosféra s obsahom radiačne aktívnych (skleníkových) plynov a s oknom absorpcie H2O pre = 8,5 - 12,5 m

Povrch Zeme

A2=30 W.m-2

B=168 W.m-2 D=24 W.m-2 E=78 W.m-2 F=390 W.m-2 G=324 W.m-2

O=235 W.m-2

H=40 W.m-2 K=165+30 W.m-2

Albedo

ATMOSFÉRA

Priemerné ročné albedo Zeme merané z výšky asi 200 km

CharakteristickévyžarovanieSlnka a Zeme

Kumulatívne absorpčnépásy na zemskom povrchua vo výške 11 km

Absorpčné pásy plynov: CH4, N2O, O2 a O3, CO2, H2ODajú sa ľahko zmerať aj vlaboratóriu

Atmosférické okno pre vodnúparu je v páse 8,5 – 12 m,tam majú iné radiačne aktívneplyny najväčší význam

Viditeľné Infračervené

Prichádzajúce Odchádzajúce

Stredný tok absorbovanej prichádzajúcej krátkovlnnej radiácie na Zemi ako celku

Stredný tok odchádzajúcej terestriálnej dlhovlnnej radiácie zo Zeme ako celku

Stredný tok radiačnej bilancie na hornej hranici atmosféry Zeme

Stredný tok celkovej radiačnej bilancie na zemskom povrchu

Hustota toku slnečného žiarenia na hornej hranici atmosféry, hore relatívne čísla počtu slnečných škvŕnDolná krivka (1995 L) sa dnes považuje za spoľahlivejšiu ako horná (1993 HS)

1993 H&S

1995 L

Slnečné škvrny

1367 W.m-2

Mauderovo minimum

Solárna konštanta

Zmeny v hustote toku slnečného žiarenia od roku 1750

Vplyv vulkanických erupcií

Vplyv hlavných skleníkových plynov na radiačné zosilnenie

Vplyv aerosólov – väčšinou spôsobujú radiačné zoslabenie

1861-2003, odchýlky od priemeru 1961-1990

Ročné priemery teploty vzduchu na Zemi (dole), vrátane oceánov a ľadovcov. Hore severná pologuľa, v strede južná pologuľa

Výpočet je urobený po zvážení kvality meraní na jednotlivých stani-ciach (viac ako 200, teraz viac ako 1000)

Oceánická cirkulácia Podľa Gibbovho teorému je termodynamický stav

oceánu charakterizovaný tromi nezávislými premennými – teplotou, salinitou a tlakom

Stavová rovnica má teda vš. tvar = (T,S,p) =0,2 kg.m-3 ~ T=1 °C ~ S=0,02% Obvyklé hodnoty sú od 1000 do 1040 kg.m-3

Hustota vody sa mení s hĺbkou, keďže v takom veľkom objeme musíme brať do úvahy aj stlačiteľnosť vody, p sú tam významnejšie ako T

Pre uvedené príčiny má význam aj potenciálna teplota morskej vody

Podmienky THC na Zemi THC – termohalinná oceánická cirkulácia Je ovplyvnená teplotou a salinitou vody Výsledkom je rôzna hustota vody (75% podiel na

oceánickej cirkulácii, 25% atmosf. cirkulácia) Na povrchu od 1021,0 okolo Indonézie po 1027,5 v

Nórskom mori, v hĺbke 500 m od 1028,4 E od Číny po 1030,3 NW od Škandinávie

Pre oceány môžeme použiť v podstate tie isté rovnice ako pre atmosféru a modelovať cirkuláciu

Vplyvom cirkulácie sa udržuje aj charakteristická salinita hlbokomorských prúdov a určuje tak THC

Výsledkom je relatívna topografia geopotenciálnych výšok 1000 m vrstvy (v cm nad 1000 m)

ANIMÁCIA TERMO-HALINNEJ CIRKULÁCIE V OCEÁNOCH

Energetická interakcia atmosféry a oceánu v % prichádza-júceho žiarenia na hornú hranicu atmosféry v priemere

100% = 342 W.m-2

Planetárne albedo = 30%

Atmosférické okno H2O

Odchádzajúce dlhovlnné žiarenie

Interanuálne efekty „Forced“ variabilita klímy má pravidelné cykly (1 a 6

dní, 12 a 6 mesiacov, 11 rokov je slabo vyjadrené) Popri tom existujú objektívne iné cykly (QBO, ENSO,

NAO, AO...), ktoré zrejme súvisia s oceánickou cirk. QBO – skoro pravidelná zmena stratosférickej cirk.,

pôvod je asi v slnečnej radiácii, výmena medzi SH a NH ENSO – 2 až 7 r. zmena v ekv. E Pacifiku, Walkerova

cirkulácia a zmeny tlaku vzduchu (Darwin v N Austrálii a E Pacifik)

NAO – zmeny intenzity a smeru polárnej FZ v NW E Indexy sa zostavujú väčšinou z korelačných

koeficientov alebo z rozdielov tlaku vzduchu

Južná oscilácia v PacifikuKorelačný koeficient tlaku vzduchu v Darwine a na celej Zemi

Normálne podmienky priestorového rozloženia teploty povrchu Pacifiku

Austrália

Južná Amerika

Podmienky priestorového rozloženia teploty povrchu Pacifiku pri El-Niňo

Austrália

Južná Amerika

Podmienky priestorového rozloženia teploty povrchu Pacifiku pri La-Niňa

Austrália

Južná Amerika

Hodnoty SOI od roku 1881 dole – El-Niňo, hore – La-Niňa

Severoatlantická osciláciaKorelácia tlaku vzduchu na 65°N a 20°W a na celej Zemi

Popri 12- a 6-mesač-ných osciláciách exis-tujú viaceré cykly v poli tlaku vzduchu

Ovplyvňujú režim polárnych frontálnych porúch, atmosféric-kých zrážok a hydrolo-gickej bilancie v širo-kom okruhu

NAO predovšetkým v Škandinávii, v západ-nej a strednej Európe a v Stredomorí

TREND SEZÓNNYCH PC NAO Ivysoké indexy – veľa zrážok v Škandinávii a málo v Stredomorí, predovšetkým v zime (a od X do III)

-3

-2

-1

0

1

2

3

190

01

902

190

41

906

190

81

910

191

21

914

191

61

918

192

01

922

192

41

926

192

81

930

193

21

934

193

61

938

194

01

942

194

41

946

194

81

950

195

21

954

195

61

958

196

01

962

196

41

966

196

81

970

197

21

974

197

61

978

198

01

982

198

41

986

198

81

990

199

21

994

199

61

998

200

0

Winter Spring Summer Autumn AnnualPol W Pol Sp Pol Su Pol Au Pol Yr

PCNAO Seasonal Principal Components NAO indices in 1900-2001 and 3rd order polynomial trends (High PC NAO indices indicate more precipitation in Scandinavia and less in Mediterranean during Winter)

Kompletné podklady sú u autora prednášky

Náš web: www.dmc.fmph.uniba.sk

Pri použití podkladov prosím citovať pôvodný zdroj alebo moju prednášku (ďakujem)