Fysik C & D Projekt i klimatfysik

Transkript

1 Fysik C & D Projekt i klimatfysik Första timmen: Föreläsning: Strålning och klimat Andra timmen: Projektintroduktion

2 Temperaturstrålning Total temperaturstrålning från svart kropp: Φ = σt ; Enhet för Φ: [W m -2 ] σ = Stefan-Boltzmanns konstant Planck s strålningslag (svart kropp): Kirchhoff s lag: dφ = dλ 2πhc2 hc λ5(exp( ) 1) ktλ Ett objekt (t.ex. atmosfären) absorberar andelen ε [ - 1] vid våglängden λ emission av samma andel av svartkroppsstrålning vid objektets egen temperatur vid aktuella våglängden

3 Jordens strålningsbalans Solen emitterar ungefär som en svartkropp med temp 58 K strålning mot jorden (solarkonstanten): Satellitmätn. visar att jorden reflekterar 2 T 28% av instrålningen (albedo; A =.28) S RS 2 FS = σ = 137W/m 2 d Absorberad strålning i medeltal: Φ = F S (1-A)πR E2 /(πr E2 ) = F S (1-A)/ För balans krävs att jorden i medeltal emitterar lika mycket. Betrakta jorden som en svart kropp: σt E = F S (1-A)/; T E = 255 K Betraktad från rymden är jordens effektiva temperatur -18 C Klimat - Vad är temp på jordytan?

4 Atmosfärens absorption av strålning O 2 och O 3 abs UV effektivt Atm ganska transparent för solinstrålning (H 2 O) Emission H 2 O, CO 2, CH, N 2 O, O 3 och CFC abs stor andel av utstråln Atmosfäriska fönstret (8 13 µm): Stor andel ut i rymden Atm absorption

5 Jordens strålningsspektrum Temp avgör utstrålningen (σt ) Atmosfärstemp avtar med höjden Utstrålningen från jorden kan uppfattas som ett antal överlagrade svartkroppsstrålare med olika temperatur Svartkroppsspektrum för T = 32 K Spektrum taget med satellit över Nordafrika Atmosfärens fönster (8-13µm): Svag absorption i atm stråln jordytan T 32K (Nordafrika!) CO 2 vid 15 µm: T 215K effektiv emissionshöjd ca 1 km H 2 O (7 & 2 µm): T 26K effektiv emissionshöjd ca 5 km (H2O når ej högt pga nederbörd) Växthuseffekten: Atm absorption parat med atm tempavtagande med höjden del av utstråln sker vid lägre temp ( djupa dalar i strålningsspektrat) Balans kräver kraftigt höjd utstrålning från jordytan jfrt med eff temp (255K) Sker genom höjd yttemperatur

6 Klimatförändring orsakad av människan? Fossilt bränsle Oklart (jordbruk+ ändrad atmkemi?) Naturlig växthuseffekt höjer jordytans temp 33 C Pågående klimatförändring: Ökande luft- och oceantemp. Vidsträckt smältning av snö och is Global höjning av havsytan Konc. av viktiga gaser har ökats, vilket ökar jordens växthuseffekt Förklarar GHG-utsläpp pågående förändring av klimat? Tempsvängningarna historiskt betydligt större Pga variationer i solaktivitet(?) Konstgödsel Naturliga variationer förklarar temp.utvecklingen? Klimatmodellerna motsäger den förklaringen och förutspår ytterligare ökning - IPCC (FN:s klimatpanel): It is extremely likely that human influence has been the dominant cause of the observed warming since the mid-2 th century. Senaste istidens slut: år

7 Klimatsystemet Global energibalans(årsmedelvärde) Kortvågig stråln. (in): 28% refl. (19% moln) 72% abs. (7% ytan) Långvågig stråln: 96% atm till ytan 2+5% värmetransp. ytan till atm (ånga+konv.) Växthuseffekten Strålning mot jordytan: Φ rel = = 11% Växthusgaser och moln ökar kraftigt instrålningen mot ytan: 1% starkare än solens strålning in mot jorden

8 Förenklad modell för strålningsbalans Antaganden om atmosfären: Ett tunt, isotermt skikt Absorberar andelen f av långvågiga strålningen Transparent för solstrålning Strålningsbalans: Hela jorden : Solstrålning Långvågig strålning F S / F S A/ (1-f)σT j fσt a fσt j F S (1 A) = (1 f ) σt Atmosfären : fσt j = Fs (1 A) T j = σ (1 f / 2) j 1/ + fσt 2 fσt a a fσt a Jordens uppmätta medeltemperatur: 288 K - Fås med f =.77

9 Klimatförändring Ändring av strålningsegenskaperna leder till: Initial temperaturförändring Återkopplingsmekanismer ger tillsammans klimatförändring Beskrivs med General Circulation Models (GCM) Återkoppling pga temp-förändring komplicerad stora kvantitativa osäkerheter större säkerhet i det initiala förloppet Potentialen för klimatförändring från tex växthusgaser känd med hög noggrannhet Radiative Forcing - Strålningsdrivning Vi vet att vi påverkar jordens strålningsegenskaper påtagligt - Svårare att uppskatta temperaturförändringar pga återkoppling

10 Strålningsdrivning (Radiative Forcing) Vad blir den initiala strålningsdrivningen orsakad av förändrade strålningsegenskaper? Utgångsläget beskrivs (jämvikt) Strålningsmodell Specificerar sammansättning Beräknar temperaturer Systemet störs Specificerar nya sammansättningen Temperaturerna från utgångsläget behålls Ger upphov till obalans mellan inkommande och utgående strålning Strålningsdrivning F [W/m 2 ] F en teoretisk produkt (naturen fryser inte utgångsläget) F används mycket för att beskriva potentialen för klimatförändringar Ostört system F 1 = ; Stört system 1 2 F 2 = F in,2 F ut,2

11 Klimatkänslighet Hur förhåller sig F till temp-förändring, om man bortser från komplicerande återkopplingar? Strålningsdrivning (växthusgaser): f + f F = F S (1 A) / (1 ) σt 2 = f (1 ) f + f (1 ) f = σt 2 σt 2 = σt 2 Anta att ny temp-jämvikt inställer sig: F S (1 A) f = (1 ) σt = (1 2 Små förändringar: ( T + T ) T 3 + T T f + f ) σ ( T ) 2 + T (1) (2) (3) ur (1) och () fås : T där : λ = = λ F; (1 1 f ) σt 2 3 =.3 K/(W/m 2 ) Kombinera (2) och (3) och försumma andra ordn termer: T f T = () f 8(1 ) 2 (T = 288 K; f =.77) λ = klimatkänslighetsparametern

12 Strålningsdrivning FN följer upp forskningen kring klimatet (IPCC): Drivningen från långlivade växthusgaserna (+3 W/m 2 ) välkänd Stora osäkerheter kring aerosoler, speciellt moln Antropogen: F = +2.3 ( ) W/m 2 Klimatkänslighetsfaktorn (bortseende från återkoppling): T = Fλ = + 2.3x.3 =.7 K jfr observerade.8 K för senaste 15 åren

13 Återkoppling av temperaturförändring Återkoppling vattenånga H2O den viktigaste växthusgasen. Utsläppen mycket små jfrt naturliga förekomsten. Ökning av annan växthusgas ökad temp förångning H2O ytterligare ökad temp mer förångning... Motvikt: molnbildning och nederbörd hindrar vattenånga från att nå högt upp i atmosfären Oklart hur molnen påverkas av temp-ökning: mer vatten ökad molnighet ökat albedo mer vatten större molndroppar mer nederbörd minskad molnighet minskat albedo Stor osäkerhet kring molnens funktion i klimatsystemet (även vxv med aerosoler)

14 Projekt i Klimatfysik Tre träffar med mentor (obligatorisk närvaro) - Om någon gruppmedlem får förhinder försök att ändra tiden Examination: 1. Skriftlig rapport om tecken a) inlämnas inför sista handledarträffen för feedback b) Inlämnas slutgiltligt den 2 februari 2. Muntlig presentation (28 februari eller 1 mars) a) 15 min b) Alla deltar i presentationen 3. Obligatorisk närvaro vid två andra presentationstillfällen enligt spec. schema Projekten Jordens energibalans Geoengineering Moln Växthusgaser

15

16