|
Archiwum
|
niedziela, 29 stycznia 2012
Polska dostosowała swoje prawo do dyrektyw unijnych dotyczących dostępu do informacji publicznej. Ustawa z dnia 16 września 2011 o zmianie ustawy o dostępie do informacji publicznej oraz niektórych innych ustaw okreśła, że Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej jest obowiązany udostępniać nieodpłatnie informacje o stanie atmosfery i hydrosfery, przetwarzane w wyniku realizacji standardowych procedur, organom władzy publicznej oraz właścicielom wód lub działającym w ich imieniu zarządcom, jak również uczelniom, instytutom naukowobadawczym dla potrzeb badań naukowych i dydaktycznych. To jest ważne ze względu na to, że Polska jest jedynym krajem w Europie, który zablokował dostęp do swoich danych klimatycznych. http://www.uea.ac.uk/mac/comm/media/press/2011/July/crutem3 Podobnie, IMGW blokuje dostęp do danych dla celów mezosokalowych prognoz pogody, które wymagaja lokalnych danych (tak jest w przypadku modeli z Uniwersytetu Warszawskiego - ICM). IMGW udostępnia dane radarowe bez opóźnień tylko gdy występują groźne zjawiska atmosferyczne. Oczywiście groźne z punktu widzenia IMGW. Często jest tak, że IMGW nie wydaje ostrzeżeń, i wtedy dane radarowe są opóźnione. Dla ekspertów:
czwartek, 19 stycznia 2012
Rozwijany jest polski program do pogody i nawigacji morskiej "Naviweather". Szef tej firmy, Jacek Pietraszkiewicz, poprosił mnie, żeby opisać wzory jakie są wykorzystywane do oceny szkwałów; chodziło o niedawny rejs Romana Paszke, ale sprawa jest bardziej złożona. W czasie rejsów transoceanicznych problem wiatrów, które nie są prognozowane bezpośrednio przez modele globalne pojawia się w kilku sytuacjach - m.in. w strefie konwergencji tropikalnej oraz na frontach. Tam modele numeryczne, nawet mezoskalowe, mają problemy. Zacząłem pisać odpowiedż na tym blogu, ale ten tekst lepiej się nadaje na Wikipedię. M. in. opisuje tam różnego rodzaje szkwały (tarcie, warstwy granicznej, konwekcyjne, linii frontalnych). Hasło jest napisane trochę "pod żeglarzy". Nawet sam byłem ciekaw niektórych pomysłów, bo pamietam z kursów żeglarskich i z książek o meteo dla żeglarstwa, że wytłumaczenia zachowań szkwałów - tak często obserwowanych na Mazurach - nie zgadzały się z praktyką. Np czytałem, że szkwały na powierzchni wody skręcają zgodnie ze wskazówkami zegara - ale to chyba nie jest tak do końca. To dość typowe w nauce, że różne grupy - np optycy i fizycy atmosfery - mają różne opisy i nie czytają swoich prac.
Tutaj jest link http://pl.wikipedia.org/wiki/Szkwał
wtorek, 10 stycznia 2012
W dniu 5 stycznia 2012 o godzinie 19:57UTC na pozycji (50.715S, 64.8961W) Gemini3, jacht Romana Paszke żeglujący na południe w stronę Cieśniny Drake’a i przylądka Horn. znalazł się w strefie sztormowych wiatrów, których maksymalna prędkość wyniosła 57.5 węzłów z kierunku 197 stopni. Silne wiatry przyszły w czasie dnia. Tutaj jest opis sytuacji meteorologicznej. Rysunek. Prędkość w węzłach mierzona na jachcie Gemini3 w dniu 5 stycznia 2012 (copyright Flatau/Janecki). Wiatry o prędkości większej niż 40 węzłów utrzymywały się przez około godzinę pomiędzy 19:30UTC a 20:34UTC. Wiatry o prędkości około i powyżej 50kt były obserwowane przez 10 minut pomiędzy godziną 19:47UTC a 19:59UTC. Pokazana tutaj mapa pogody oparta jest na analizie danych powierzchniowych z Centrum Hydrografii Marynarki Wojennej Brazylii, Serwis Meterorologii Morskiej z 5 stycznia 2012 o godzinie 12UTC. Poniżej 50S widoczne są trzy systemy niżowe. W centrum rysunku jest niż (oznaczony literą B) z minimum 964mb z centrum na pozycji (47S, 40W) oraz mniejszy system koło Falklandów z centrum niżu 994mb. Front chłodny rozciąga się od centrum niżów aż do wybrzeża Argentyny gdzie kończy się na lądzie na (50S, 68W). Na szerokości 35S (Buenos Aires) widoczny jest wyż koło wybrzeża Argentyny. Jacht Paszke był pod wpływem niżu pomiędzy Falklandami i Argentyną.
W czasie rejsu do prognozy pogody używaliśmy m.in. modeli ECMWF, GFS, CMC i modeli mezoskalowych. Prognozę można przeanalizować m.in. na podstawie Antarktycznego Systemu Prognoz Mezoskalowych (ang. Antarctic Mesoscale Prediction System - AMPS). Model prognozuje wiatry do około 25 węzłów koło Falklandów dla godziny 21UTC. Koło Falklandów model prognozował chmury i opady.
Rysunek. Kierunek i prędkość wiatru [m/s] na powierzchni. Koło Falklandów prognoza wiatrów nie przekraczała 25 węzłów. Model Antarktycznego Systemu Prognoz Mezoskalowych, siatka Palmer 1-way nest. Wyniki po 9 godzinach prognozy; 5 styczeń 2012 o godzinie 21UTC, model inicjalizowany dla 5 stycznia 2012, 12UTC.
Rysunek. Całkowita zawartość wody w kolumnie atmosferycznej oraz prognoza temperatury wierzchołków chmur w podczerwieni („pseudochmury”). Model Antarktycznego Systemu Prognoz Mezoskalowych, siatka Palmer 1-way nest. Wyniki po 6 godzinach prognozy; 5 styczeń 2012 o godzinie 18UTC, model inicjalizowany dla 5 stycznia 2012, 12UTC.
Meteogram dla pozycji Gemini3 w czasie sztormu na podstawie modelu globalnego modelu prognozy pogody GFS opracowanej przez Narodową Administracje Oceanów i Amosfery (NOAA) jest przedstawiony na rysunku. Model był incjalizowany na podstawie danych GFS z 5 stycznia 2012 o godzinie 12UTC. Prognoza pogody obejmuje 192 godziny. Maksymalna prędkość wiatru prognozowana na 5 stycznia wynosiła około 30 węzłów z kierunków południowych z możliowsciami szkwałów. Progozowane ciśnienie wzrasta aż do piątku 6 stycznia, 2012 o godzinie 12UTC. Na jachcie Gemini3 mierzone ciśnienie atmosferyczne wynosiło 998mb 5 stycznia 2012 o godzinie 12UTC i wzrosło do 1013 mb 6 stycznia 2012 o godzinie 12UTC. Innymi słowy gradient ciśnienia wynosił 15mb przez 24 godziny i wzrastał w czasie największego wiatru. Model GFS prognozował wzrost ciśnienia o mnie więcej tę samą wartość co obserwowana na jachcie.
Podsumowanie. Jacht Gemini3 znalazł sie w strefie frontalnej pomiędzy Falklandami i wybrzeżem Ameryki Południowej. Prędkości wiatrów ponad 40 węzłów - 9 w skali Beauforta - były obserwowane przez około godzinę pomiędzy 19:30UTC a 20:34UTC. Maksymalne zmierzone wiatry wynosiły przez kilka minut około 57.5 węzła (ok. 106.5km/godzinę, 11 w skali Beauforta). Wiatry o prędkości około i powyżej 50kt były obserwowane przez 10 minut pomiędzy godziną 19:47UTC a 19:59UTC. Progozy pogody z modelu wielkoskalowego GFS (z rozdzielczością około 60km) oraz z modelu AMPS o większej rozdzielczości (15km), uwzględniającego dodatkowe dane meteorologiczne, były podobne i przewidywały wiatry do 30 węzłów z możliwością szkwałów do 40kt. Analiza powierzchni 500mb (nie pokazana) pokazuje na przemieszczającą się na wschód zatokę niskiego ciśnienia koło Falklandów, adwekcję wirowości i związane z tym opady, przemieszczanie się zimnego frontu i możliwość lokalnych burz i silnych wiatrów. Zarówno pomiary na jachcie jak i prognozy wskazują, że silne wiatry wystąpiły podczas rosnącego ciśnienia atmosferycznego o 15mb (hPa) na dzień.
Prognozy pogody wykorzystywane w kierowaniu jachtów w żeglarstwie pełnormorskim przez nawigatorów opierają się na wynikach z modeli globalnych i czasami na modelach mezoskalowych prognoz pogody. Zwłaszcza w okolicach lądów, gdzie są dodakowe dane meteorologiczne i ukształtowanie terenu wypływa na wiatry, prognozy mezoskalowe mają zalety. W odległych rejonach morskich, jak to jest w południowym stożku Ameryki Południowej koło przylądka Horn i Cieśniny Drake’a, ilość pomiarów meteorologicznych jest ograniczona. Tutaj używamy Model Antarktycznego Systemu Prognoz Mezoskalowych, który wykorzystuje dodatkowe dane m.in. z pomiarów wiatrów ze śledzenia prędkości chmur i danych z automatycznych stacji pogodowych w Antarktydzie. Inne modele wykorzystywane operacyjnie do prognozy w czasie sztormu to model Europejskiego Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF), model kanadyjski CMC, i model amerykański GFS.
Dla ekspertów: Na stronie sieciowej
środa, 04 stycznia 2012
Roman Paszke na swoim jachcie Gemini 3 po wyjściu z obszarów podtropikalnych był pod wpływem bardzo typowego na Półkuli Południowej systemu niżowego, który tworzy się po wschodniej stronie Andów na wysokości około 42S. Żeglarze mówią na to pasmo szerokości geograficznych "ryczące czterdziestki". Niże atmosferyczne można śledzić na kilka sposobów a ich droga na mapie to trajektorie. Na całym świecie są pewne wybrane miejsca gdzie niże się tworzą i umierają. Fachowo mówimy o tym cyklogeneza i cykloliza.
Na rysunku są zaznaczone wszystkie niże, obserwowane przez kilkanaście lat, ale tylko z obszaru po wschodniej stronie Andów koło 42S. Widać obszar cyklogenezy po wschodniej stronie Andów. Przepływ nad górami wiru (niż jest wirem) powoduje efekt podobny do tego co robi łyżwiarz na lodzie wirując. Rozkładając ramiona zmniejsza wirowanie, a składając je do siebie zwiększa szybkość obrotów. Podobnie oddziałują góry na niże. Niże „rozkładając ręce” nad górami, bo kolumna atmosfery się „spłaszcza” i „składają ręce” po wschodniej części gór bo kolumna atmosfery jest po tej stronie dłuższa. Przy okazji przechodzenia przez góry pada deszcz – dlatego zawsze wschodnie stoki Andów są deszczowe a po wschodniej stronie jest sucho (myśl stepy Patagonii). Cykloliza tych systemów zachodzi na Atlantyku w kierunku Afryki na południe od Przylądka Dobrej Nadziei oraz przy wybrzeżach Antarktydy (na środku rysunku). Długość trajektorii definiuje okres istnienia cyklonu, natomiast kolor określa intensywność. Niże się śledzi na podstawie modeli numerycznych pogody lub danych z analizy pomiarów meteorologicznych. Poniżej jest wczorajsza prognoza wszystkich trajektorii na Południowej Półkuli. Kropkami zaznaczone są godziny 0 i 12 (samo południe w Greenwich), a krzyżykami 6 i 18. Na początku każdej trajektorii jest opisane kiedy się ten niż zaczyna. Prognozy na więcej niż 5 dni są obarczone dużym błędem dlatego prognozy trajektorii czasami się nazywa "wykresem spaghetti". Dla zespołu nawigacyjnego grupy Paszke jest istotne, żeby okno pomiędzy przejściem niżów w Cieśninie Drake’a pomiędzy Ameryką Południową i Przylądkiem Antarktydy wynosiło około 2-3 dni. Dlatego patrzymy się m.in. na trajektorie. Widać, że niże przechodzące koło Przylądka Horn mają swoją cyklogenezę na Pacyfiku. Dla ekspertów 1. Pierwszy rysunek jest z 2005 roku "A New Perspective on Southern Hemisphere Storm Tracks", B. J. Hoskins, K. I. Hodges, J. Climate, 18, 4108 2. Rysunek drugi jest ze strony prognozy trajektorii cyklonów tropikalnych i niżów http://www.emc.ncep.noaa.gov/mmb/gplou/emchurr/glblgen/ 3. Mezoskalowe systemy wirowe powstają też blisko brzegu lodu koło Antraktydy i czasami nie są identyfikowane przez modele globalne. Są dostępne dzienne przebiegi modelu mezoskalowego WRF w obszarze Antarktydy (patrz link na stronie http://gemini3meteo.wikidot.com)
piątek, 30 grudnia 2011
Roman Paszke jest teraz (12/30/2011 o godzinie 00GMT), około 1500 mil od Hornu. Tak, że dziś będzie o prognozach pogody dla żeglarzy i jak to robi nasz zespół. Istnieje kilka niezależnych modeli prognoz pogody w skali globu, dla przykładu: Model Europejskiego Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF), model Marynarki Wojennej USA (NOGAPS), model Narodowej Administracji Oceanów i Atmosfery (GFS), czy model kanadyjski (CMC). Nasza grupa, zajmująca się prognozą dla Paszke, ma dostęp do tych danych. Modele wielkoskalowe prognozują pogodę do 14 dni, z tym że prognozy powyżej tygodnia obarczone są dużym błędem. Globalne prognozy zależą od pomiarów pogody na całym świecie w określonym czasie. Mówimy o takich pomiarach synoptyczne, bo po grecku „syn” oznacza razem, a „opsis” oznacza „ogląd”. Czyli „ogląd w tym samym czasie”. Wyniki są przedstawiane co około 30-60km na całym świecie i przesyłane są z centrów prognoz zazwyczaj 2-4 razy dziennie. My patrzymy na m.in. prędkość i kierunek wiatru na 10m nad powierzchnią Ziemi, ciśnienie na powierzchni Ziemi, opad deszczu, wysokość i kierunek fal. Modele przewidują falowanie na podstawie m.in. prędkości wiatru, jeden z tych modeli to Wavewatch III. W niektórych odcinkach trasy mamy dostęp do tzw. modeli mezoskalowych, które prognozują z większą rozdzielczością przestrzenną, np na siatce punktów na Ziemi rozmieszczonych co 10km. Dzięki temu można uwzględnić efekty lokalne, takie jak góry. Dla przylądka Horn, Cieśniny Drake'a, Brazylijska Marynarka Wojenna umożliwia dostęp na sieci do wyników z modelu mezoskalowego HRM. Wyniki z modeli rozprowadzane są w różnych formach. M.in. dostępne są dane w formacie GRIB opracowanym przez Światową Organizację Meteorologiczną. Ważnym elementem jest wyświetlanie danych. Robi się to za pomocą programów do wyświetlania graficznego danych GRIB połączonych z możliwościami wybierania najlepszej drogi, nakładania map czy tez nakładania kilku pół meteorologicznych i oceanograficznych na siebie. Można robić filmy zmian pogody i znając możliwości jachtu starać się wybrać odpowiednią trasę i strategię.
Przed trudnym zadaniem żeglarsko-meteorologicznym określa się podstawowe założenia. Dla przykładu w przypadku jachtu Gemini 3, dla przejścia Hornu chcielibyśmy mieć wiatry poniżej 35 węzłów w Cieśninie Drake'a przez około dwa dni, chcemy być daleko od strefy lodów ze względu na możliwość zderzenia z „growlerami” (fragmentami lodu). Chcielibyśmy mieć wiatry spoza kierunków zachodnich z pewną składową z północy, przynajmniej na wschodnim odcinku Cieśniny Drake'a. Dla ekspertów: 1. Dla rejsu Paszke jachtem Gemini3 część linków jest gromadzona na stronie 2. Jest teraz kilka dobry wyświetlarek danych w formacie GRIB. Jedną z nich jest „naviweather” opracowana przez polską firmę z Bolesławca. Inne linki są na stronie http://gemini3meteo.wikidot.com/routing
wtorek, 27 grudnia 2011
Problem z przejściem jachtem Przylądka Horn ze wschodu na zachód polega na tym, że silne wiatry są z zachodu i są one związane są z niżami, które przechodzą przez Cieśninę Drake’a raz na 2-5 dni. Ale ... W lecie australijskim, które na Półkuli Południowej jest teraz, sztormy są rzadsze, ale ilość i intensywność sztormów jest zależna także od ogólnej różnicy ciśnienia pomiędzy szerokościami Cieśniny Drake’s (pomiędzy 55-60S) a ciśnieniem w szerokościach około 40S. Ta różnica średniego ciśnienia w dwóch pasmach wokół równoleżników na Ziemi (40S oraz 65S) jest po prostu jedną liczbą i zmienia się w czasie w skali 10 dni. Czasami jest dodatnia, a czasami jest ujemna. Dodatnia jest wtedy kiedy ciśnienie w pasie około 65S wokół ziemi jest niższe niż zazwyczaj, lub gdy wyż koło wybrzeży Chile na 40S, tzw. Wyż Południowego Pacyfiku, jest silniejszy niż zazwyczaj. Różnica ciśnienia powoduje kilka innych efektów. Jednym z nich są silniejsze wiatry kiedy różnica ciśnień jest większa. Ponieważ te zmiany ciśnienia zależą od czasu – mówimy o oscylacjach. Ponieważ są opisywane za pomocą jednej liczby, to nazywamy je „indeksem”. Stąd nazwa „Indeks Oscylacji Antarktycznej” (AAO). W modelach numerycznych prognozy jak i z pomiarów ciśnienia na Ziemi można policzyć Indeks Oscylacji Antarktycznej. Innymi słowy można zrobić prognozę jakie będę ogólne, w skali globu, warunki rozkładu ciśnienia. Na te stosunkowo wolne w skali czasowej oscylacje nakładają się przejściowe zaburzenia, czyli układy niżowe, których częstotliwość wzrasta kiedy indeks AAO jest większy. Obecnie indeks AAO jest dodatni i przewidywania na początek stycznia są, że będzie się zmniejszał, ale zostanie dodatni. To oznacza, że średnia ilość systemów frontalnych i ich intensywność koło Przylądka Horn może być większa. Warto podkreślić, że indeksy tego typu pokazują prawdopodobieństwo zajścia pewnego zdarzenia. W rzeczywistości może być różnie i do tego wykorzystuje się modele numeryczne prognoz pogody. Indeks AAO ma także wpływ na wiatry koło Nowej Zelandii i Australii. Prognoza Indeksu Oscylacji Antarktycznej z kilkunastu przebiegów modelu globalnej prognozy pogody (tzw wiązki prognoz). Prognoza na początek stycznia 2012 utrzymuje dodatni indeks AAO. Na osi x jest czas na osi y indeks AAO. Czerwone kreski na górnym diagramie pokazują zakres możliwych indeksów dla róznych przebiegów modelu (wiązki modelu). Dla ekspertów: 1. Indeks AAO ma także nazwę SAM (Southern Annular Mode) i jest coraz częściej liczony za pomocą empirycznych funkcji ortogonalnych (odchodzi się od indeksów liczonych na podstawie różnic ciśnień w wybranych stacjach). 2. Indeks AAO ma znaczenie dla zmian klimatu bo istnieje korelacja pomiędzy temperaturą Przylądka Antarktycznego i AAO.
wtorek, 20 grudnia 2011
Dziś korespondowałem z Jabesem (Robertem Janeckim) na temat burz w strefie konwergencji. Robert jest nawigatorem w czasie Rejsu Romana Paszke. Paszke właśnie wpływa do strefy konwergencji i jest wyczulony na temat porywistych wiatrów bo kiedyś na jachcie Warta doświadczył szkwałów o prędkości do 40 węzłów w podobnej sytuacji. Ma w tej strefie ustawione budzenie na co 15 minut i płynie skoncentrowany. Robert chciał wiedzieć czy widać komórki burzowe i czy można ocienić jakoś siłę wiatru. Problem jest ciekawy meteorologiczne. Jacht Gemini 3 jest w momencie kiedy pisze ten blog, czyli o godzinie 2011-12-20:15GMT, na pozycji 5.54W, 23.62W i wpływa w strefę konwergencji, która ma około dwa stopnie szerokości geograficznej, płynie w stronę równika na południe. Wiatr jest słabszy, bo jest już w strefie ciszy strefy konwergencji. Do prognozy mieliśmy informację głównie ze zdjęć satelitarnych, bo modele numeryczne w tych obszarach nie są najlepsze. Kilka parametrów otrzymanych ze zdjęć satelitarnych można wykorzystać do prognozy burz w tropikach. Po pierwsze zdjęcia pokazują gdzie są chmury; bez chmur nie ma burz. Innym parametrem jest struktura chmur, czym bardziej niejednorodna – tym bardzie przypomina to burze. O takich chmurach mówi się, że maja strukturę popcornu bo wyglądają jak prażona kukurydza tyle, że są biało-szare. Jasność chmury na zdjęciu satelitarnym (w podczerwieni) określa temperaturę jej wierzchołków. Jest tak dlatego, bo chmury mają temperaturę otoczenia a temperatura otoczenia jest związana z wysokością - czym wyżej tym zimniej. Wysokie wierzchołki chmur konwekcyjnych pokazują na potencjalnie silne wiatry na powierzchni Ziemi, bo z prądami wstępującymi, wynoszącymi wierzchołki chmur, związane są też prądy zstępujące, tworzące szkwały. Burze występują w tropikach dość niechętnie same z siebie i trzeba je jakoś wymusić. Albo przez naprawdę dużą temperaturę oceanu, około 31 stopnia C – mówimy wtedy o wymuszaniu termodynamicznym. Albo przez konwergencję powietrza w dolnych warstwach atmosfery lub przez "zassanie powietrza od góry" – mówimy wtedy o wymuszaniu dynamicznym. Wierzchołki chmur są teraz w strefie konwergencji na około 10-12km. W Polsce to byłoby bardzo wysoko. Ale w atmosferze tropikalnej tropopauza – czyli koniec troposfery jest znacznie wyżej niż w Polsce, nawet na 16 kilometrach, więc naprawdę wysoka konwekcja byłaby jeszcze wyżej. Jednym z ciekawych sposobów oceny wysokości chmur są dane radarowe.
Dane z radaru CloudSat dla obszaru dzie jest jacht Gemini 3. CloudSat oblatuje ziemię w kosmosie i obserwuje wąski pas atmosfery patrząc w dół. Ponieważ jest to radar - jego wiązka mikrofalowa jest w stanie przeniknąć przez atmosferę (tak jak kuchenka mikrofalowa przenika przez kartofel) i pokazać przekrój pionowy odbijalności atmosfery. Ponieważ krople wody i kryształy odbijają w pewnym stopniu promieniowanie mikrofalowe to służy to do oceny intensywności chmur. M.in. dzięki tego typu danym można ocenić potencjał szkwałów na powierzchni Ziemi. Na dole po lewej stronie pokazane są dane dla obszaru na Ziemi w strefie konwergencji wiatrów pasatowych. Na środku oceanu radarów nie ma, ale jest radar umieszczony na satelicie CloudSat, który od czasu do czasu leci nad konkretnym punktem w tropikach. Radar jest w przestrzeni kosmicznej więc świetnie widzi wierzchołki chmur, ale ma trudności z chmurami blisko Ziemi. Na zdjęciu jakie dodaję widać trajektorię lotu CloudSat nad Ziemią. W szczególności satelita przelatuje blisko równika koło Afryki, tam gdzie dziś jest Paszke. Widać strefę konwergencji tropikalnej koło 4N. Przekrój przez atmosferę (dolny rysunek po lewej)pokazuje rozległe wierzchołki chmur, przypominające kowadło – ze skoncentrowanym obszarem opadu przy powierzchni Ziemi i rozpływającą się chmurą na około 12km. Najwyższa część atmosfery na tym rysunku to około 30km. Opisuję tutaj tę część rysunku, która jest na szarym tle. Kolorowa linia pokazuje trajektorię Cloudsata.
Dla ekspertów: Ucząc wstępu do fizyki atmosfery warto wykorzystywać CloudSat. Można pokazać podstawowe elementy modelu norweskiego cyklonów (chmury), przekroje przez cyklony tropikalne, ITCZ, itd. Dane są na
niedziela, 18 grudnia 2011
Roman Paszke, który stara się pobić rekord opłynięcia Ziemi na jachcie, jest teraz (18 grudzień 2011, godzina 00GMT) na szerokości 12.3N i długości 23.15W na Atlantyku i płynie w kierunku równika. Pod koniec przyszłego dnia zacznie dopływać do strefy konwergencji powietrza pomiędzy półkulą północną i południową. W tych szerokościach spotykają się wiatry pasatowe i powodują wypychanie powietrza do góry. Dlatego jest to obszar gdzie zdarzają się burze tropikalne a więc i szybkie porywy wiatry (szkwały). Burze w tropikach mają większe prawdopodobieństwo do powstawania we wczesnych godzinach rannych. Koło strefy konwergencji są, ogólnie mówiąc, słabe wiatry (ang. doldrums). Strefa zbieżności ma angielska nazwę Intertropical Convergence Zone a skrót ITCZ jest bardzo często używany wśród meteorologów.
ITCZ jest na na 6N pomiędzy dłygością 15W a 50W. Ale widać też inne chmury koło 40W na północ od strefy ITCZ.
Paszke będzie musiał uważać na sporadyczne gwałtowne wiatry a jednocześnie starać się przepłynąć pas ciszy tropikalnej w najwęższym miejscu. Jak to prognozować? Modele numeryczne nie są tutaj najbardziej pomocne, bo burze często powstają "podskalowo", innymi słowy globalne model prognozy nie maja dostatecznie dobrej rozdzielczości. Przychodzą tu z pomocą techniki obserwacji satelitarnych. Popatrzmy na zdjęcie poniżej. Widać chmury, jest strefa konwergencji około 6N, ale nie bardzo wiadomo co się z tymi chmurami stanie. Z pomocą przychodzi tutaj diagram Hovmöllera, który wykorzystuje kilka zdjęć z różnych godzin ułożonych blisko siebie. Widać, że chmury na 40W powoli wędrują sobie na wschód. Natomiast chmury na 6N są dość stacjonarne. Dzięki temu można postawić prognozę co się stanie z chmurami. Jeżeli do tego dodać opad, co też można ocenić z danych satelitarnych, to możemy wywnioskować gdzie jest konwekcja i gdzie trzeba uważać, i w jakim miejscu starać się przekraczać strefę konwergencji.
Diagram Hovmöllera. Ostatni dzień jest na samej górze. Kilka zdjęć tego samego obszaru dobrze pokazuje ruch chmur. Trochę tak jak na poklatkowym filmie. Widać grupę chmur wędrujących na wschód. Ale na 5-6N widać też dobrze ITCZ.
Dla ekspertów 1. Storna sieciowa rejsu Paszke 2. Diagram Hovmöllera został zaproponowany przez Ernest Aabo Hovmöllera (1912-2008) w czasopiśmie Tellus w 1949 roku. 3. Diagramy Hovmöllera pochodzą ze strony w Colorado State University z wydziału fizyki atmosfery w Kolorado, który mieści się u podstawy Gór Skalistych. Dlaczego zajmują się tam meteorologią tropikalną (to chyba najlepszy wydział meteorologii tropikalnej na świecie) do końca nie wiem.
sobota, 17 grudnia 2011
Kilka dni temu, 12 grudnia 2011, Roman Paszke zaczął rejs dookoła świata na katamaranie Gemini 3. "Dzień 3. Nareszcie płynę tak jak planowaliśmy przez ostatnie 3 lata. W nocy był pewien kłopot co zrobić z piaskiem pustynnym z Zachodniej Sahary. Mimo, że do brzegu było ponad 100 mil nawiało sporo piaskowego pyłu i jest wszędzie na pokładzie. Zmywam najpierw słoną, potem słodką wodą. Nie mam niestety odkurzacza i muszę poczekać aż pierwszy tropikalny deszcz zmyje wszystko do czysta. Póki co mam namiastkę brązowej plaży w każdym miejscu na pokładach…. Pozdrawiam wszystkich. Roman Paszke." Trzeci dzień rejsu Paszke to 16 grudnia 2011 roku. Był wtedy w nocy na szerokości geograficznej 20.4N i długości geograficznej 18.4W koło wybrzeży Północno-Zachodniej Afryki. Jak pisze z pokładu - piasek jest przywiewany z zachodniej Afryki, ale popatrzmy dokładniej skąd i jak się to bada. Otóż do prognozy piasku w atmosferze potrzebne są dane meteorologiczne i geofizyczne. Pierwsza grupa danych jest potrzebna do oceny mobilizacji piasku – czyli tego czy można na tyle wzruszyć piasek, żeby mógł się dostać do atmosfery. Do tego trzeba znać gdzie piasek jest, mówimy o tym "źródła emisji". Są to pustynie ale też wyschnięte jeziora, ważna jest znajomość roślinności i jej sezonowej zmiany. Druga grupa danych to informacja o warunkach meteorologicznych w dniach poprzedzających mobilizację piasku - prędkość wiatru przy ziemi jest najbardziej istotna. Ale innymi parametrami są opad i pokrywa śniegu; dla przykładu mobilizacja piasku na pustyni Gobi w Mongolii jest mała w czasie zimy ze względu na śnieg i niską temperaturę. Następnym elementem jest emisja i unoszenie piasku do atmosfery. Tutaj ważny jest rozkład temperatury w atmosferze bo prądy wstępujące mogą piasek unieść do wyższych warstw atmosfery - co jest ważne dla transportu. Istotna jest też geografia. Dla przykładu - olbrzymia pustynia Taklimakan w Chinach otoczona jest górami i dlatego zachowuje się jak olbrzymia piaskownica. Bardzo często piasek się wzbija do góry i opada na dół. Następnym elementem prognozy jest znajomość rozkładu wiatru na wszystkich wysokościach w powietrzu i to na całym świecie. Dzięki temu można ocenić transport piasku na duże odległości.
Wyniki z modelu transportu pyłu piaskowego. Rozkład grubości optycznej (koncentracji pyłu) nałożone na Google Earth. Jacht Paszke był w zasiegu piasku emitowanego w północno zachodniej Afryce. Na rysunku jest wykres grubości optycznej (skrót AOD- ang. Aerosol Optical Depth) na podstawie modelu transportu piasku dla 16 grudnia 2011 dla północnej Afryki. Skala jest logarytmiczna i żółto zielone kolory pokazują olbrzymie zawartości piasku w atmosferze – grubość optyczną ponad 3.2. Przy takiej grubości optycznej pył prawie zakrywa słońce na niebie. Najmniejsze wartości to ciemno zielony kolor. Piasek z Sahary jest łatwo mobilizowany i ma kilka dróg transportu – na zachód, na północny-wschód przez Morze Śródziemne gdzie czasami dochodzi do Europy i na wschód gdzie czasami dochodzi do Ameryki Północnej. Piasek, który spadł na jacht Paszke pochodził z północno-zachodniej Afryki. Pewnie słońce zachodziło na czerwono. Można też popatrzeć na trajektorie wsteczne – jest to fachowe określenie na to skąd wiał wiatr. Trajektorie wsteczne i trajektorie "do przodu" używane są w ocenie niebezpieczeństwa związanego z transportem zanieczyszczeń w powietrzu – np podczas katastrof reaktorów jądrowych. Dla ekspertów: 1. Dane transportu pyłu piasku w atmosferze można znależć na stronie NRL. W części "model NAAPS" są wyniki dla 5 dniowej prognozy transportu pyłu piaskowego. Model globalny opiera się na danych z modelu NOGAPS. Fajna jest opcja wyświetlania filmu z prognozy na Google Earth. 2. AOD raportowane przez model NAAPS jest w 500nm w świetle widzialnym. 3. Trajektorie wsteczne dla danego położenia na świecie można dostać z modelu Hysplit. Trajektorie wsteczne (72 godziny) z Hysplit dla pozycji jachtu Gemini 3 w dniu 16 grudnia 2011 na powierzchni oceanu.
środa, 14 grudnia 2011
Kilka dni temu odbyło się spotkanie w San Francisco Amerykanskiej Unii Geofizycznej, w którym uczestniczyło ponad 20,000 geofizyków. Część z nich zajmuje się zmianami klimatu, ale są też sejsmolodzy, geodeci, oceanografowie, itp. Na tych spotkaniach pokazuje się ostatnie wyniki naukowe, ale są też wygłaszane retrospektywne, przeglądowe seminaria. Jednym z takich seminariów było wystąpienie Graeme Stephensa. Graeme Stephens zajmuje się wpływem promieniowania słonecznego i podczerwonego na chmury, czyli fizyką zmian klimatu. Dla wyjaśnienia - w modelach symulujących klimat na podstawie równań opisujących zjawiska fizyczne w atmosferze i oceanie można, używając obliczeń komputerowych, przewidzieć zmiany klimatu powodowane, dla przykładu, podwojeniem koncentracji dwutlenku węgla. Modele takie są przedmiotem krytyki ze strony przeciwników badań zmian klimatycznych. Stephens nie jest przeciwnikiem badań zmian klimatu. Mimo to, wygłosił seminarium jakie można uznać za nieco heretyczne, jeżeli jest się bezkrytycznie po stronie zwolenników tezy o tym, że zmiany klimatu są już do końca wyjaśnione. Przetłumaczyłem, z pewnymi zmianami, wstęp wystąpienia Stephensa. Warto powiedzieć, że krytyka Stephensa ma też receptę na wyjście z pewnego kryzysu badań zmian klimatu. Uważa on, że należy skoncentrować się na badaniach satelitarnych procesów chmurowych w skali kuli ziemskiej, za pomoca aktywnych pomiarów – czyli pomiarów radarowych lub lidarowych (patrz zdjęcie).
"Pociąg-A" - zestaw satelitów, które przylatują nad danym punktem nad Ziemią, w krótkim okresie czasu po sobie. Cześć z pomiarów odbywa się za pomocą radaru (CloudSat) i lidaru (CALIPSO), czyli aktywnych pomiarów teledetekcyjnych, dzięki którym można dostać informację o globalnej strukturze chmur i ich własnościach fizycznych takich jak wielkość kropel, opad, czy całkowita ilość wody (wodność chmur). Rezultaty "Pociągu-A" są wykorzytywane w eksperymentalnych wersjach modeli prognoz pogody do lepszego zrozumienia procesów chmurowych. "Tematyką o jakiej będę mówił zajmuję się przez około 40 lat, od momentu kiedy byłem doktorantem. Zacząłem kiedy oddziaływanie pomiędzy chmurami i promieniowaniem nie było ważnym przedmiotem badań w fizyce atmosfery. Związane było to z faktem, że modelowanie klimatu zaczęło się od numerycznych prognoz pogody. W numerycznych prognozach pogody oddziaływanie pomiędzy chmurami i promieniowaniem słonecznym i podczerwonym nie jest aż tak istotne. Kiedy zaczynałem swoje badania większość modeli klimatu miało wbudowane założenie, że pokrywa chmur zależy od szerokości geograficznej ale nie zależy od długości geograficznej. Chmury wpływały na promieniowanie słoneczne ale tak, żeby ogólny bilans energii promieniowania słonecznego i podczerwonego był prawidłowy. Innymi słowy, nie było żadnych mechanizmów sprzężeń zwrotnych. Miałem olbrzymie trudności, żeby przekonać modelarzy klimatu, że oddziaływanie promieniowania słonecznego z chmurami jest ważne. Już na początku lat 1970 pokazałem w swoich pracach, że grubość optyczna chmur jest istotna. Wskazywałem też na fakt, że grubość optyczna chmur zależy od ilości wody w chmurach i dlatego musi to być ważny parametr. Odpowiadano mi wtedy, że grubość optyczna chmur nie będzie używana w modelach klimatu. Podobne uwagi dotyczyły opisu mikrofizyki chmur. W roku 2011 widać dramatyczne przemiany -zarówno mikrofizyka chmur jak i grubość optyczna chmur są używane jako parametry w modelach klimatu. W moim referacie chciałbym opowiedzieć o postępie jaki nastąpił w opisie wpływu chmur na klimat. Chciałbym się też zastanowić co jest powodem, że badania zmian klimatycznych stanęły obecnie jakby w miejscu. Czy jest recepta na to, żeby znowu nastąpił postęp?
Moim zdaniem powodem dlaczego zmiany średniej temperatury na powierzchni Ziemi są trudne do oceny jest to, że oddziaływanie klimatu (ruchu powietrza i innych procesów zachodzacych w atmosferze) z chmurami jest skomplikowane, ma wiele różnych aspektów, jest zmienne w przestrzeni i w czasie, i po prostu nie może zależeć od jednego parametru jakim jest średnia globalna temperatura na Ziemi. Skomplikowany charakter oddziaływania klimatu z chmurami powoduje, że różne modele w różny sposób przewidują te sprzężenia zwrotne. Jeżeli nie zmienimy myślenia to za dziesięć, dwadzieścia lat nadal będziemy w tej samej sytuacji. Mimo tych uwag uważam, że nastąpił ostatnio postęp w zrozumieniu procesów chmurowych. Dla przykładu, jesteśmy bardzo blisko pełnego zrozumienia w jaki sposób zachodzi transport wody i pary wodnej. Moim zdaniem fundamentalnym sposobem polepszenia modeli klimatu jest zrozumienie procesów fizycznych chmur w skali globalnej..." Dla ekspertów: 1. Całość wystąpienia Stephensa, łącznie z kilkoma referencjami, jest na stronie AGU 2. G. L. Stephens był szefem projektu CloudSat. 3. CALIPSO z początku nazywał się PICASSO ale ze względu na znanego malarza zmieniono nazwę.
sobota, 10 grudnia 2011
John Tyndall był naukowcem, opublikował 17 książek, i dzięki temu drobił się dużej forsy. Czego nie można powiedzieć o wszystkich naukowcach. W jednej, z nich (koło 1861) opisuje aparaturę do pomiaru efektu absorpcji energii cieplnej przez gazy. Tyndall użył galwanometru i termoelementów. W termoelemencie, z powodu różnicy pochłaniania promieniowania wytwarza się różnica temperatur. Ta różnica temperatur między końcami termobaterii wytwarza siłę elektromotoryczną powodująca wychylanie się wskazówki galwanometru.
Na rysunku widać tubę, to najdłuższy element, o wielkości około 1 metra. Za tubą stoi na stole po lewej stronie termoelement (takie jakby dwa lejki złączone czubkami), od którego wychodzą dwa druty, które idą do galwanometru na mniejszym i niższym stoliku obok. Za termoelementem jest ekran cieplny, trochę tylko pochłaniający ciepło. Ten ekran można przesuwać i dzięki temu regulować ilość ciepła padającego na termoelement z lewej strony. Za długą tubą po prawej stronie też jest źródło promieniowania cieplnego. Ono jest oddalone trochę dalej niż źródło ciepła po lewej stronie. Źródło promieniowania cieplnego to może być ogrzana kostka lub patelnia, no coś ciepłego. Tuba była w środku wypolerowana i zrobiona z mosiądzu dzięki czemu odbijała i nie absorbowała promieniowania podczerwonego (długofalowego, cieplnego – to wszystko to samo). Wyobraźmy sobie, ze termoelement jest ocieplany z prawej i lewej strony jednakowo. Wtedy nie ma różnicy temperatur i galwanometr nie powinien zmierzyć żadnego prądu. Jeżeli z tuby usunąć całe powietrze to można wtedy tak przesunąć ekran cieplny, żeby wskazówka galwanometru nie wychylała się. Następnie możemy przesłonić koniec tuby wypolerowanym metalem, który odbija promieniowanie podczerwone, wtedy całe ciepło przychodzące z prawej strony zostanie zasłonięte przez tę przesłonę i galwanometr pokaże różnicę związana z maksymalną różnicą temperatur po prawej stronie i lewej stronie termoelementu. Teraz najważniejsze. Do tuby wpuszczamy gaz, który absorbuje promieniowanie cieplne a oba końce tuby są zakończone szybkami, które przepuszczają promieniowanie cieplne, np sól kuchenna, myśl Wieliczka, ma takie właściwości. Termoelement po prawej stronie będzie inaczej ogrzewany niż po lewej stronie a odczyt galwanometru będzie proporcjonalny do absorpcji promieniowania cieplnego przez gaz. W ten sposób zmierzono po raz pierwszy efekt cieplarniany dwutlenku węgla. Następnie pomysł, że dwutlenek węgla jest istotnym gazem cieplarniany nie był szeroko akceptowany, aż do gdzieś tak lat 1960.
Dla ekspertów 1. W 1951 roku w autorytatywnej książce o grubości cegły "Compendium of Meteorology" ekspert od spraw zmian klimatu C. E. P. Brooks zaobserwował, że pomysł, że CO2 wpływa na zmiany klimatu popularyzowany przez Arrheniusa i Chamberlina, "nigdy nie był szeroko zaakceptowany wśród naukowców i został porzucony kiedy zorientowano się, że promieniowanie długofalowe absobowane przez CO2 jest także absorbowane przez parę wodną". Brooks uważał wyniki Callendara, korelujące CO2 z globalnymi zmianami klimatu za "przypadek". Uwaga dla przeciwników badań zmian klimatu: obecnie wiemy, że jest inaczej. 2. Pomysł na ten blog przeszedł mi do głowy po wykładzie Richarda Somervilla w czasie spotkania Amerykańskiej Unii Geofizycznej w grudniu 2011 w San Francisco. Podobny wykład Ryszard wygłosił w Dublinie w tym samym roku
środa, 07 grudnia 2011
Nowe rozporządzenie Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego (22 września 2011) określa, że do wniosku o habilitację należy podać informację o działalności popularyzującej naukę. Ja robię tę popularyzację przez wpisy na tym blogu, które z kolei są najczęściej popularnonaukowym omówieniami artykułów jakie piszę na podobne tematy na Wikipedii (WP). Stan haseł naukowych na polskiej WP jest słaby dlatego, bo naukowcy nie mają specjalnej motywacji. Nie wydaje mi się, że nowa ustawa to zmieni. W pewnych dziedzinach – dla przykładu – zmianach klimatu, brak popularyzacji nauki prowadzi do katastrofalnych problemów - stąd zresztą ten blog. Oczywiście polskie środowisko naukowe jest płytkie w porównaniu do obszaru anglojęzycznego. Dlatego hasła naukowe na angielskiej Wikipedii są obszerniejsze. Jednak jednym ze sposobów pisania artykułów na WP jest tworzenie „stubów”, krótkich tekstów, w których zlinkowane są odnośniki do haseł angielskich - tzw. interwiki. Takie początkowe artykuły są ważne bo ustalają słownictwo. Bardzo często wymyślam nowe terminy naukowe, co jest pewnego rodzaju przyjemnością. Ostatnio tłumaczyłem na polski „rip current” i „undertow”. Ciekawe jak by „rip current” przetłumaczyli moi Czytelnicy - proszę sprawdzić jak ja to zrobiłem na WP. Wikipedię można też traktować jako duży notatnik naukowy. Wprawdzie istnieje nakaz „braku twórczości własnej”, ale nie trzeba od razu wpisywać swoich pomysłów naukowych, ale to co zrobiono do tej pory. Jeżeli pracuję nad nowym tematem, to wpisuję to na Wikipedię i potem mam spis odnośników jaki potrzebuję. Czasami wykorzystuję to jako sposób pracy ze studentem. Tak prowadziłem jedno magisterium z fizyki atmosfery i oceanografii. A czasami zadaję studentom pracę domową – wpis nowego hasła na Wikipedii. Pewien problem polega na tym, że prace magisterskie i doktorskie mają w Polsce nikomu niepotrzebne „wstępy”. No i jak student wpisze coś na Wikipedię, to nie bardzo wiadomo czy to co ma w pracy magisterskiej jest jego czy nie – wprawdzie można to prześledzić przez historię wpisów - ale pojawia się sprawa „samoplagiatu”. Na WP są głosowania nad hasłami „na medal” i wtedy wymienia się kto jest autorem. A może zamiast nieznośnych „przeglądów literatury” w polskich pracach magisterskich i doktorskich nakazać ich wpisywanie na WP i przestać opowiadać o „samoplagiatach”? Inną metodą rozszerzania WP jest dokumentacja do stron sieciowych. Dla przykładu, od lat gromadzę na sieci programy do obliczeń rozpraszania światła na małych cząstkach, ale ostatnio dokumentację do tej strony sieciowej prowadzę prawie wyłącznie na WP http://code.google.com/p/scatterlib/
„Katastrofa zaczyna się wtedy kiedy chmura zniża się do Ziemi z wielkim hałasem często opisywanym jakby jechało tysiąc wagonów kolejowych na raz, albo jakby strzelało działo armatnie tylko, że jego dźwięk pozostawał słyszany w powietrzu przez kilka minut. Osoby, które były blisko tornada opisują czasami jego dźwięk, jak jakiś szczególny świszczący odgłos milionów pszczół, odgłos który zazwyczaj dochodzi wtedy kiedy chmury są wysoko nad powierzchnią Ziemi. Zazwyczaj ten dźwięk jest zagłuszony kiedy chmura dotyka Ziemi i kiedy zaczyna się zniszczenie ...”
Z powyższego opisu wydaje się, że dźwięki związane z tornadem mają dwojakie źródło. Jedno źródło to jest muzyczny ton opisywany jako świst lub buczenie a drugie związane jest z destrukcją jaka się zaczyna kiedy tornado dosięga Ziemi i wszystko dookoła zaczyna latać w powietrzu. Tornada są skoncentrowanymi wirami o różnej wielkości. Tornado może oscylować, a oscylacje mogą się propagować zarówno do góry i do dołu jak i w kierunku od i do osi tornada. Tornado może drgać tak jak powiększający się i zmniejszający się bąk. My jesteśmy w stanie usłyszeć dźwięk o częstotliwości powyżej 20 drgań na sekundę, chociaż słyszalność zależy to też od tego jak silne jest źródło. Okazuje się, że tornada śpiewają w częstotliwości odwrotnie proporcjonalnej do promienia. Tornado o średnicy 200m wydaje infradźwięki o częstotliwości ok. 1 razy na sekundę. Im mniejsze tornado tym dźwięk jest wyższy. Infradźwięki (poddźwieki) są używane do oceny innych zjawisk w atmosferze, m.in. eksplozji jądrowych i do przewidywania gwałtownych zjawisk – tornad, burz, wybuchów wulkanów.
poniedziałek, 21 listopada 2011
Właśnie skończyłem wpis na polskiej Wikipedii na temat Henri Benarda, bo ciekawią mnie komórki w altocumulusie. Poniżej jest trochę materiału na jego temat i zastosowań w meteorologii. W 1898 roku Henri Bénard zaobserwował, dość przypadkowo, regularne komórki w rozpuszczonej parafinie, do której dodał pył grafitowy. Następnie przeprowadził szereg eksperymentów, w których obserwował komórki w cieczy pomiędzy dwiema bliskimi siebie płytkami. Płytki miały średnicę około 20cm i były w odstępie kilku milimetrów. W 1916 roku Rayleigh wyjaśnił to zjawisko jako ruch ciepłego płynu do góry i osiadanie zimnego płynu na peryferiach komórek. Rayleigh podał warunek na występowanie komórek termicznych, ale jego teoria nie opisuje jaki kształt te komórki mogą przybierać. W eksperymencie Bénarda najczęściej komórki miały heksagonalny kształt, ale zależało to też od różnicy temperatur i odległości płytek pomiędzy sobą. Jeżeli płytki zaczęto przesuwać względem siebie to wtedy powstawały rolki. Komórki te mają obecnie nazwę komórek Rayleigha-Bénarda. Od początku Bénard był zafascynowany analogiami do zjawisk w przyrodzie. W szczególności uważał, że chmury podobne do łusek makreli (altocumulus stratiformis) są przykładem komórek podobnych do tych obserwowanych w laboratorium. Obecnie wiemy, że promieniowanie cieplne na wierzchołku i podstawie tych chmur powoduje oziębianie i ocieplanie podobnie jak pomiędzy płytkami w doświadczeniu Bénarda. W 1937 roku w Paryżu odbyła się Światowa Wystawa Sztuki i Techniki. W budynku, który obecnie mieści paryski Pałac Nauki - Palais de la Découverte, najstarsze muzeum naukowe na świecie (dla przypomnienia - Centrum Nauki w Warszawie powstało niedawno) Bénard ze swoimi współpracownikami pokazywał w pawilonie meteorologicznym eksperymenty obrazujące powstawanie rolek (ścieżek chmurowych) w cieczy. Zresztą swoje ostatnie dwie prace poświęcił zastosowaniom komórek Bénarda w meteorologii między innymi opisowi zjawiska chmur mammatus („chmur piersiowych”). Bénard zmarł w 1939 roku.
Otwarte i zamknięte komórki w chmurach stratocumulus. Widać olbrzymią różnicę w jasności tych dwóch systemów, a co za tym idzie zdolności odbijania promieniowania słonecznego.
Niedawno (2010) opublikowano fascynujące rezultaty dotyczące komórek Rayleigha-Bénarda obserwowane w chmurach stratocumulus (chmury te są najczęściej występującymi chmurami na świecie). Okazało się, że komórki Bénarda w stratocumulusie mogą się diametralnie zmieniać w zależności od wielkości kropli. Jeżeli chmury znajdują się w otoczeniu gdzie jest dużo zanieczyszczeń wtedy komórki są zamknięte - jest dużo chmur. Wtedy kiedy powstają w czystym powietrzu, komórki są otwarte, z małą ilością chmur. Zmienia to drastycznie odbicie promieniowania słonecznego od tych chmur.
Dla ekspertów: 1. Opis wpływu opadu na strukturę komórek Bénarda można znaleźć w pracy opublikowanej w Nature: Graham Feingold, Ilan Koren, Hailong Wang, Huiwen Xue, Wm. Alan Brewer, Precipitation-generated oscillations in open cellular cloud fields, Nature, 466, 12 August 2010, doi:10.1038/nature09314 2. Komisja naukowa w ENS Paryżu, w roku 1901 uważała, że praca doktorska Bénarda była taka sobie i początkowo wylądował w Lionie.
czwartek, 03 listopada 2011
Piszę akurat artykuł o altocumulusie i mam przed nosem rysunek olbrzymich zmian temperatury w małej chmurze. Dla przykładu niebieskim kolorem zaznaczone jest oziębianie o około -10 stopni na godzinę związane z promieniowaniem cieplnym. Z drugiej strony, bliżej podstawy chmury, następuje jej ogrzewanie – znacznie mniejsze bo około +2 stopnie na godzinę. Na osi pionowej jest wysokość nad Ziemią, na osi poziomej jest czas. Akurat ta chmura była (na Florydzie w lecie 2010 roku) pomiędzy wysokością 6650m a 6850m. Czyli miała jakieś 200 metrów grubości. Nie wiem co bym zrobił gdybym był chmurą, bo przecież 6850 metrów nad Ziemią i tak jest już dosyć zimno – tak koło 0C, jak nie mniej, a tu jeszcze dodatkowe oziębianie o 10C na godzinę. Powodem tego wypromieniowania jest fakt, że powyżej chmury jest jeszcze zimniej, więc nie ma jej co ogrzewać. Czy jest jakaś szansa, żeby ta chmura nie zamarzła na smierć? Tak. Po pierwsze, zimne powietrze na górze chmury jest cięższe więc może opadać i mieszać się z cieplejszym powietrzem. Po drugie, jeżeli jest w powietrzu para wodna wodna to przy kondensacji (zmianie na wodę) wydziela się ciepło. Można by też nałożyć na tę chmurę kołderkę – np. inną chmurę nieco wyżej. Wtedy nie byłoby jej tak zimno. I dlatego w nocy kiedy są chmury blisko nad Ziemią nie jest aż tak zimno; to się nazywa efekt cieplarniany.
Dla ekspertów. Chmura była obserwowana radarem o bardzo wysokiej rozdzielczości, który był wykorzystywany do oceny odprysków przy startach Promu Kosmicznego na Przylądku Canaveral. Tyle, że w tym wypadku obserwowaliśmy niebo patrząc radarem do góry. Tutaj jest opis radaru i eksperymentu z ostatniego numeru czasopisma "Meteorological Technology International" http://viewer.zmags.com/publication/80eaaeef#/80eaaeef/52 Przejście od odbijalności do LWC zostało zrobione zakładając R = a LWC^2 (dzięki pomiarom samolotowym). A z tego, za pomocą RRTM, "heating rates" - moim zdaniem sprytne?
wtorek, 01 listopada 2011
Popatrzmy się na dzisiejszy diagram Wheelera-Hendona, bo to jest sprytna i ciekawa metoda średnioterminowej prognozy pogody w tropikach.
Diagram Wheelera-Hendona.
Jest tak. Diagram ma 8 faz. Każda z faz określa pozycję na Ziemi w atmosferze tropikalnej. Faza 2 to zachodni Ocean Indyjski. Faza 3 to wschodni Ocean Indyjski. Faza 4,5 to Kontynent Morski (tak meteorolodzy nazywają Południowo-wschodnią Azję – Indonezja, Malazja), faza 6,7 to Ocean Spokojny, faza 1 to Afryka. Na osiach są dwa wektory RMM1, RMM2, które określają gdzie (faza) na Ziemi znajduje się w danym momencie czasu konwekcja związana z wielkoskalowymi oscylacjami w atmosferze tropikalnej oraz jej intensywność. Najczęściej oscylacja porusza się cyklonicznie wokół Ziemi w pasie tropikalnym. To właśnie czerwona linia pokazuje obserwacje z ostatnich 30 dni (cyfry 1,2,3,4,..30) i ten przebieg wokół Ziemi. Tego typu obserwacji dokonuje się na podstawie zdjęć satelitarnych oraz na podstawie prędkości wiatru stosunkowo blisko Ziemi i wyżej w atmosferze. Zdjęcia satelitarne pokazują gdzie w tropikach są chmury. Ale te zdjęcia są porównywane względem dwóch innych „typowych zdjęć” (fizycy atmosfery mówią o tym, że są „rzutowane na empiryczne wektory własne”). Czym bardziej podobne są te zdjęcia tym lepsza zgodność - i to opisują liczby RMM1, RMM2 ("wartości własne"). Można o tym myśleć tak. Każdy z nas ma pewne odczucie tego jak, powiedzmy, wyglądają cztery pory roku - zima, wiosna, lato, i jesień. Ale konkretny dzień (dla przykładu dziś) może byc bardziej lub mniej podobny do tego idealnego jesiennego. Na diagramie jest też czarne kółko w środku. Otóż w tym kółku intensywność konwekcji jest mała - tam konwekcja umiera, a właściwie przygasa. Jest zdumiewające, że konwekcja czyli chmury, przebiegają w czasie około 40-60 dni wokół Ziemi i nawet przechodzą przez Afrykę. Inna ciekawa sprawa, nie rozwiązana do tej pory - dość często ta wiekosklowa oscylacja nie chce przechodzić nad Kontynentem Morskim (Indonezja) gdzie jest dużo wysp ale przecież i dużo oceanu. Widać to dobrze z dzisiejszego diagramu Wheelera-Hendona. Na żółto pokazane są wiązki 15 dniowych prognoz. Wiązki to znaczy kilka prognoz pogody zrobionych z pewnym zaburzeniem warunków początkowych. Wygląda na to, że chmury nie będą w tym czasie intensywne wokół Kontynentu Morskiego. O tyle jest to wszystko ciekawe, że przewiduje się tutaj zjawisko w skali czasowej 15 dni. Czyli więcej niż typowa prognoza krótkoterminowa. A dla mnie jest to wszystko o tyle ważne, że uczestniczymy w eksperymencie na Oceanie Indyjskim i bardzo nam zależy, żeby te chmury jednak były na Wschodnim Oceanie Indyjskim, bo tam mamy statki, radary, i pomiary. A z drugiej strony nie możemy tych wszystkich pomiarów przestawić bardziej za zachód - bo koło Afryki są piraci i nie mamy zgody na pomiary w tej strefie. Dla ekspertów: http://cawcr.gov.au/staff/mwheeler/maproom/RMM/
czwartek, 27 października 2011
Dostałem email od Roberta Janeckiego, że jacht Romana Paszke jest gotowy do rejsu i że Paszke może wypłynie z Lorient pod koniec listopada lub na początku grudnia na rejs dookoła świata. Nawigację będziemy robić z Polski i z USA; ale jeżeli ten blog czyta jakiś dobry synoptyk to proszę do mnie napisać. Tymczasem bloguję o meteorologii w żeglarstwie solo przez oceany. Pisze na podstawie artykułu jaki dziś skończyłem na Wikipedii. Optymizację trasy przeprowadza się obliczając linie stałego czasu (izochrony) i znajdując minimalny czas. Wykorzytywane są do tego specjalne programy - m.in. MaxSea, RayTech, czy Expedition. Programy wykorzystują globalne modele falowania, dane satelitarne, prognozy pogody. Większość danych cyfrowych używanych w jachtowej nawigacji meteorologicznej przesyłanych jest na jacht w postaci zbiorów w formacie GRIB. Inne czynniki meteorologiczne i oceaniczne istotne w regatach transoceanicznych to temperatura powierzchni oceanu a zwłaszcza różnica temperatury pomiędzy oceanem i atmosferą, które wpływają na strumienie ciepła z oceanu i rozwój lokalnej konwekcji w czasie dnia w tropikach. W obszarach biegunowych istotną rolę odgrywa znajomość położenia lodu dryfującego i lodowców. Nawigator i metorolog mogą przesyłać informację na jacht za pomocą połączenia satelitarnego.
Gemini III na wodzie. Paszke chce opłynąć świat ze wschodu na zachód. Jego strona sieciowa
Poniżej trochę linków dla żeglarzy, którzy chcą opłynąć świat. Programy do nawigacji (optymalizacja drogi): Stan oceanu:
piątek, 21 października 2011
Przypuszczam, że ta informacja będzie dyskutowana na wszystkich blogach klimatycznych w Polsce i zastanawiałem się nawet czy ten wpis ma sens. Ale - grupa Richarda Mullera opublikowała wyniki analizy temperatury Ziemi. Muller napisał 20 pażdziernika 2011 w Wall Street Journal, że: "Kiedy zaczynaliśmy nasze badania, przeciwnicy badań zmian klimatycznych wysuwali rozmaite zastrzeżenia, które wydawały się rozsądne. Zaczęliśmy badania nie wiedząc jakie otrzymamy wyniki. Okazało się jednak, że nasze rezultaty są bliskie do tych jakie zostały już opublikowane przez inne grupy badawcze. Wobec tego wydaje nam się, że grupy te przeprowadziły bardzo uważną analizę - mimo, że nie udało im się przekonać o tym krytyków. Grupy te nie popełniły systematycznych błędów w wyborze danych, ujednorodnieniu danych, i przy wprowadzaniu innego rodzaju poprawek. Globalne ocieplenie zachodzi. Być może nasze rezultaty pomogą ostudzić tę część debaty na temat klimatu." Richard Muller należał do sceptyków poprawności badań przeprowadzonych przez grupy w NASA GISS (Hansen), HadCru (w Anglii), oraz Narodowego Ośrodka Meteorologii i Ocanografii USA oraz rekonstrukcji temperatury przeprowadzonych przez Michaela Manna. Przeciw tym ośrodkom toczyły się niedawno nagonki personalne. W Polsce prym w tym wiódł m.in. Łukasz Turski i Zbigniew Jaworowski. Niewąpliwie jest to dla fizyków atmosfery i badaczy zmian klimatycznych dzień, w którym moga powiedzieć "a nie mówiliśmy". Mimo to zastanawiam się do jakiego stopnia powinniśmy tryumfować. Otóż grupa Mullera, złożona z 10 osób przeprowadziła analizę w stosunkowo szybkim czasie (1-2 lata). Wygląda na to, że wyniki są dobrze opracowane (chociaż 4 artykuły jakie ta grupa wysłała do publikacji w JGR nie są jeszcze zrecenzowane). Napisałem wczoraj do Judith Curry, jednej z autorek raportu Mullera, która odpisała, źe wyniki Mullera są lepiej opracowane niż te dostępne do tej pory i były tańsze (grupa ta dostała około $500,000 na badania). Do jakiego stopnia jest to wynikiem stopniowego postępu budowania na tym co już zostało zrobione, a do jakiego stopnia wynikiem jakościowej zmiany w analizie danych, pozostaje dla mnie sprawą do wyjaśnienia.
środa, 19 października 2011
W ostatnim numerze czasopisma dla ogółu fizyków „Physics Today” jest artykuł na temat problemów sposobu wypowiedzi naukowców na temat badań klimatycznych. Artykuł napisał Richard Somerville, który jest profesorem w Instytucie Oceanografii im. Scripps i był członkiem IPCC. Oczywiście ten artykuł jest reakcją na „climategate”, rozmawiałem o tym z Somervillem wielokrotnie i kibicowałem jego potyczkom w tym czasie, a właściwie i teraz. Dokładniej - chodzi o to, że naukowcy są mało przgotowani do dyskusji na temat zmian klimatycznych. Na właśnie – dlaczego?
1. Naukowcy nie potrafią formułowac prostych tez i powtarzać ich w nieskończoność. Za często gubią się w niepotrzebnych szczegółach. Mówią swoim nieprzystępnym i zamkniętym żargonem naukowym. Powinni starannie dobierać słowa (patrz tabela). Wiele ze sformułowań świetnie zrozumiałych dla badaczy klimatu jest nieprawidłowo odbierana przez osobę bez wykształcenia naukowego. Np zamiast „antropogeniczna” zmiana klimatu, lepiej powiedzieć „zmiana klimatu wywoływana przez człowieka”. Naukowcy nie powinni zakładać, że przeciętna osoba jest w stanie przeprowadzic nawet nieskomplikowane oszacowania samodzielnie. 2. Naukowcy nie umieją opisać odkryć naukowych w kontekście innych zjawisk. Większość wypowiedzi naukowych koncentruje się na ostatnich badaniach. Jest istotne, żeby powtarzać znane naukowo fakty, które mimo to większość osób uważa za pewnego rodzaju tajemnicę. Innym potocznym błędem jest rozpoczynanie dyskusji od tego czego nie wiemy a nie od tego co wiadomo. Np, często badacze zmian klimatu są pytani czy jakieś katastrofalne zjawisko atmosferyczne, powiedzmy powódź, jest związane za zmianą klimatu. Zamiast odpowiedzi – „nie wiadomo”, lepiej jest powiedzieć, że badania naukowe pokazują, że przy większej temperaturze powietrza, w atmosferze może być więcej pary wodnej, co może być przyczyną większych opadów. 3. Typowym błędem jest nieużywanie przenośni oraz analogii. Dla przykładu – opisując, że w 2005 roku stopiło się 220 km3 lodowców, warto dodać, że Los Angeles zużywa rocznie mniej niż 1 km3 wody. 4. Nie reagując na różnorodne braki w zrozumieniu zjawisk naukowcy sami wzmacniają nieporozumienia. Dobrym przykładem jest zmiana ilości ozonu w atmosferze przy zmianach klimatycznych. Naukowcy nie powinni mówić o wpływie aerozolu na ozon w atmosferze. Dla większości ludzi aerozol jest w puszkach w „spreju” do włosów, a używanie związków chemicznych odpowiedzialnych za zmianę ozonu już dawno zostało wyeliminowane jako składnik w tych puszkach. 5. Jest wiele innych lingwistycznych problemów. Dla przykładu na pytanie „czy wierzysz w zmiany klimatyczne” nie należy odpowiadać „tak”. Lepszą odpowiedzią jest podkreślenie, że nie jest to kwestia wiary lecz faktów. Nawet użycie słowa „konsensus” powoduje, że część ludzi uważa, że zmiany klimatyczne to tylko opinia. Stwierdzenie, że aktywność ludzi jest „przyczynkiem” do zmian klimatycznych jest w istocie mylące – bo jest to główny efekt. 6. Kiedy naukowcy twierdzą, że ocieplenie jest „nieuniknione” daje to możliwość interpretacji „że nic się nie da zrobić”. Oczywiście nie o to chodzi i badacze powinni starannie wyjaśniać, że społeczeństwa mają możliwość wyboru. 7. Naukowcy mają tendencję do używania sfomułowań „możliwe” - „coś jest możliwe”, „bardzo możliwe” w sytuacji kiedy chcą w przybliżeniu ocenić prawdopodobieństwo jakiegoś zjawiska. Powoduje to jednak wrażenie, że mało wiedzą na temat tego co mówią. 8. W swoich wypowiedziach jako naukowiec staraj się mówich o sprawach ważnych dla ludzi. Opisuj to co się może lokalnie zdarzyć, a nie o sprawach wielkiego świata. Łącz fakty pomiędzy zmianami klimatu i działalnością ludzi. Powtarzaj to co uważasz za słuszne i staraj się mówić w sposób zrozumiały i łatwy do zapamiętania. Używaj przenośni i metafor. Innymi słowy „wypowiadaj swoją prawdę jasno i spokojnie”.
Physics Today, Communicating the science of climate change, Richard C. J. Somerville i Susan Jay Hassol, 64, 48-53, 2011 (październik).
wtorek, 11 października 2011
Stany Zjednoczone od Kanady aż do Zatoki Meksykańskiej są pochylone w stronę oceanu. W czasie zimy i wczesną wiosną zimne powietrze z Kanady stacza się po tej pochyłości w dół tak jak płynie woda po zboczu (fachowo mówimy o tym prąd grawitacyjny). To ciężkie i zimne powietrze dostaje się nad Zatokę Meksykańską i nadal płynie nad oceanem, wdziera się pomiędzy Meksykiem a Gwatemalą nad ląd i przedostaje się pomiędzy górami Sierra Madre i wypływa już nad Oceanem Spokojnym nad Zatoką Tehuantepec. Nad Zatoką Meksykańską tworzą się fantastyczne chmury - długie ścieżki chmurowe związane z zimnym powietrzem przepływającym nad ciepłym oceanem. Wiatry te są przykładem wiatrów przełęczowych. W Europie w Cieśninie Gibraltarskiej występują podobne wiatry.
Wiatr przełęczowy pomiędzy Atlantykiem i Oceanem Spokojnym.
Ocenę prędkości wiatru z pomiarów satelitarnych można uzyskać ze skaterometrów. Skaterometry ("rozpraszacze") mikrofalowe działają na zasadzie aktywnego radaru, wysyłają w kierunku oceanu fale mikrofalowe i odbierają ich odbicie od powierzchni oceanu. Fizyczny mechanizm jest podobny do badania odblasku słońca na wodzie. Jeden ze skaterometrów przyczynił się do upadku szefa Narodowego Centrum Huraganów w USA. Szef ten powiedział w publicznym wywiadzie, że utrata skaterometru QuickScat spowoduje, że prognoza huraganów będzie gorsza o 16%. Spowodowało to awanturę polityczną. W końcu 23 pracowników centrum wywaliło swojego dyrektora. „My, niżej podpisani pracownicy Narodowego Centrum Huraganów, uważamy, że Centrum potrzebuje nowego dyrektora”.
sobota, 08 października 2011
Odblask słonca na wodzie składa się olbrzymiej ilości rozbłysków słońca na wodzie. Ponieważ odblask słońca od oceanu jest najsilniejszym naturalnym źródłem światła na Ziemi to warto się zastanowić jak taki odblask powstaje. Zakrzywiony odblask słońca na wodzie Wyobrażmy sobie, że powierzchnia oceanu pokryta jest wieloma milionami (a może i więcej) bardzo małych lusterek o wielkości od 1mm aż do około 1m. Te lusterka mogą być umieszczone pod pewnym kątem od płaskiej powierzchni oceanu, a to jakie są te odchylenia od poziomu zależy głównie od prędkości wiatru. Od tych lusterek odbija się słońce i każde z tych lusterek jest teraz małym słońcem. Kiedy patrzymy na powierzchnię wody zmarszczoną przez wiatr, to widzimy słońce dochodzące od lusterek o różnych nachyleniach. Intensywność dochodzącego światła zależy od tego ile jest lusterek i jak te lusterka są nachylone i przekręcone – lusterko może mieć to samo nachylenie od płaskiej powierzchni, ale „zajączek” może być puszczany w innym kierunku. Mówimy fachowo, że lusterka mają pewne prawdopodobieństwo rozkładu nachylenia i kąta azymutalnego. A właściwie fachowo nie mówimy o lusterkach tylko o falach kapilarnych i krótkich falach grawitacyjnych (uwaga – fizycy z jakiegoś powodu uważają, że fale grawitacyjne muszą mieć coś wspólnego z teorią względności, ale tu nie o te fale chodzi). Fale kapilarne to zmarszczki na powierzchni wody - bardzo małe odchylenia od płaskiej powierzchni wody. Fale te pojawiają się przy najmniejszym wietrze, ale występują nawet przy wiatrach huraganowych. Fale kapilarne mogą powstawać przy zderzeniu kropli wody z jej powierzchnią i przez kilka innych mechanizmów. To właśnie te krótkie fale są lusterkami odpowiedzialnymi za odblask światła. Dlaczego odblask światła czasami się zwęża, a czasami rozszerza? Może tak być jeżeli lusterka mają w różnych obszarach wody różny rozkład. Dla przykładu, jeżeli rozlać na wodzie olej, to powoduje to zmianę rozkładu lusterek – żeglarze wiedzą, że olej rozlany wokół jachtu uśmierza fale. Odblask słońca na wodzie zazwyczaj jest w jednym kierunku, ale jeżeli nastąpiła pewna asymetria w rozkładzie lusterek, to odblask słońca może się skręcić. Taka asymetria rozkładu może nastąpić jeżeli krótkie fale zaczynają oddziaływać z długimi. Np jeżeli na jeziorze przepływała motorówka, to długie fale przez nią wywołane mogą zmodyfikować rozkład lusterek w sposób asymetryczny. Inną możliwością jest kierunek wiatru: rozkład lusterek jest inny od strony nawietrznej (skąd wieje wiatr) niż od strony zawietrznej i jeżeli kierunek wiatru jest prostopadły do kierunku pomiędzy obserwatorem i słońcem to może nastąpić zakrzywienie odblasku. Wspomniałem już, że prędkość wiatru określa rozkład odchylenia od poziomu. Te odchylenia mogą dochodzić do około 30 stopni. Skoro tak, to z odblasku słońca na wodzie można określić prędkość wiatru. Podobny efekt, jest wykorzystywany w pomiarach prędkości wiatru z satelitów. Natomiast nie bardzo można określić wielkość lusterek za pomocą obserwacji słonca na wodzie. Innymi słowy fale o wielkości 1mm, 1cm, 1m będą dawać identyczne efekty. Rozbłysk światła Okazuje się też, że lusterka nie są na wodzie rozmieszczone przypadkowo. Dlatego odblask słońca składa się z milionów uporządkowanych rozbłysków słońca. To tak jakby lusterka układały się w pętle na wodzie i specjalnie ustawiały nachylenie i kierunek tak, żeby dawać jednocześnie sygnał w tym samym czasie. Te pętle mają bardzo ciekawe własności. Nagle sie pojawiają i znikają. Pomiary odblasku słońca metodą obserwacji nachyleń zaczęto w roku 1822 w Morzu Tyrreńskim, ale najsłynniejszą metodą są zdjęcia zrobione przez Coxa i Munka i opublikowane w 1954 roku. Cox i Munk wymyślili, że rozkłady nachyleń można wyznaczyć za pomocą oceny różnych części jasności zdjęcia fotograficznego odblasku słońca. Specjalnie robili zdjęcie tak, żeby nie było ostre („rozmyte”). W tym celu robili zdjęcia za pomocą aparatu fotograficznego bez obiektywu. Analizując jasność zdjęć robionych z samolotu przy różnych prędkościach wiatru dostali rozkłady nachyleń lusterek na wodzie. Tę samą procedurę powtórzono niedawno za pomocą analizy kilku milionów zdjęć satelitarnych (instrument POLDER) i wyniki okazały się być podobne. Odblask słońca ma wiele ciekawych zastosowań. Np obserwując oblask słońca z satelity można wyznaczyć zanieczyszczenia atmosferyczne w atmosferze. Ale to już temat na inną bajkę. Dla expertów: Rozróżnienie pomiędzy odblaskiem słońca na wodzie i rozbłyskiem słońca na wodzie zostało zaproponowane kilka dni temu przez Davida Lyncha w artykule z 1 października 2011 – „Glitter and glints on water”, David K. Lynch, David S. P. Dearborn, and James A. Lock, Applied Optics, vol. 50, F39-F49. Teoria rozbłysków słońca jest interesująca i opiera się na procesach tworzenia oraz anihilacji. Źródłem odblasku mogą być teź inne obiekty (Księżyc, Wenus) ale i chmury. Analogia z lusterkami zakłada odbicie Fresnela od powierzchni.
piątek, 07 października 2011
W fizyce atmosfery i oceanu istnieją analogie. Jeną z nich jest warstwa dobrze wymieszana w ocanie i atmosferze. Procesy są podobne. Mechaniczne mieszanie
Zastanówmy się kiedy ocean się miesza? Po pierwsze miesza się bo wieje wiatr. Jest to mieszanie mechaniczne powodowane tym, że woda na różnych głębokościach ma różną prędkość horyzontalną. Gdyby włożyć wiatraczek pomiędzy warstwy o różnej prędkości oceanu to ten wiatraczek zacząłby się obracać. Ale, uwaga, uwaga, mieszanie niekoniecznie zachodzi na górze oceanu mimo, że tam wiatr oddziaływuje bezpośrednio z powierzchnią wody. Mieszanie związane z wiatrem następuje też kilkadziesiąt metrów poniżej powierzchni oceanu na granicy warstwy z zimniejszą wodą poniżej, patrz filoletowe strzałki na rysunku. Apropos, kiedykolwiek w oceanografi jest jakaś zmiana stratyfikacji to mówimy o tym „klin” – jest więc termoklina, piknoklina, haloklina, fotoklina. To mechaniczne mieszanie transportuje zimną wodę do góry oceanu i cieplejszą wodę z powierzchni oceanu. W oceanie są też chmury, a właściwie procesy podobne do burz. W czasie nocy woda się oziębia co powoduje, że jest gęstsza. W związku z tym zaczyna opadać w głąb oceanu. Te prądy zstępujące w oceanie są podobne do prądów wstępujących w atmosferze związanych z chmurami burzowymi. Mówimy wtedy, że w oceanie jest konwekcja – burza. Konwekcja przyczynia się także do procesów mieszania. Para wodna jest ważnym składnikiem w powietrzu. Istnieje w wodzie analogiczny składnik do pary wodnej – zasolenie. Zasolenie wpływa na gęstość wody, podobnie jak para wodna wpływa na gęstość powietrza. Dlatego zasolenie oddziaływuje na konwekcję wody w oceanie. Tworzą się nawet „kliny” zasolenia – haloklina, które mogą być różne od stratyfikacji temperatury w oceanie. Te kliny powodują powstawanie warstw ograniczających konwekcję w oceanie, trochę tak jak warstwy suchego powietrza w atmosferze ograniczają powstawanie chmur. Sól, podobnie jak para wodna może nawet kondensować i przyczynia się do ogólnej cyrkulacji oceanu - ale to na inny odcinek bloga. Procesy mieszania – zarówno konwekcja jak i mieszanie mechaniczne powodują, że w oceanie tworzy się warstwa dobrze wymieszana przy powierzchni. Identycznie jest w atmosferze gdzie mieszanie mechaniczne i konwekcja mieszają dolne warstwy atmosfery. Istnieją jednak mechanizmy stabilizujace ocean. Jednym z nich jest promieniowanie słoneczne. Otóż promieniowanie słoneczne podgrzewa wodę w czasie dnia a cieplejsza woda, mniej gęstsza, nie chce opadać w głąb oceanu - Archimedes. W dodatku promieniowanie słoneczne jest w stanie przeniknąć w głąb oceanu, penetrujac powierzchnie oceanu (promieniowanie w podczerwieni nie jest w stanie tego zrobić i jest pochłaniane w pierwszym milimetrze wody). W ten sposób tworzy się warstwa 2-5 metrowa, która jest stabilna, no chyba że wieje wiatr, który stara się tą stabilną warstwę zniszczyć. Podobnie jest, ale w nocy, w atmosferze, kiedy tworzy się stabilna warstwa tuż przy powierzchni Ziemi.
(źródło: http://www.lodyc.jussieu.fr/~cdblod/mld.html)
piątek, 30 września 2011
Niby nic skomplikowanego – a jednak. Zastanówmy się co widać na rysunku poniżej. Górny rysunek to ilość pary wodnej w powietrzu w gramach pary wodnej na kilogram powietrza. Kilogram powietrza przy powierzchni Ziemi to około 1 metr sześcienny. Natomiast dolny rysunek pokazuje wilgotność powietrza w procentach. 100% odpowiada powietrzu, które jest całkowicie nasycone parą wodną, a 0% odpowiada powietrzu, które jest suche. Na osi poziomej jest szerokość geograficzna, a na osi pionowej jest ciśnienie. Na powierzchni Ziemi ciśnienie jest 1000 hPa (hekto Pascal) a wysoko w atmosferze ciśnienie jest na tym rysunku 100 hPa. Szerokość geograficzna 0 to jest równik. Szerokości około tropikalne są poniżej 30 stopni w stronę równika. Dodatnie szerokości to półkula północna, gdzie leży Polska.
Na pierwszy rzut oka widać, że rozkład ilości pary wodnej i wilgotności są bardzo różne od siebie. Rozkład ilości pary wodnej jest dość intuicyjny. W cieplejszym klimacie ilość pary wodnej jaką powietrze może utrzymać bez skraplania jest większa i może dochodzić nawet do kilkunastu gramów na metr sześcienny. Widać, że na równiku jest więcej pary wodnej nie tylko przy Ziemi ale w całej kolumnie powietrza od Ziemi do górnej warstwy. Okazuje się też, że ilość pary wodnej zmienia się znacznie z wysokoścą. Mniej więcej o połowę co jeden kilometr. Np jeżeli na powierzchni Ziemi jest 20 gramów to na wysokości 1 kilometra nad Ziemią jest 10 gramów na kilogram, na 2 kilometrach jest 5 gramów na kilogram, itd. Ten spadek ilości pary wodnej z wysokością powoduje, że większość pary wodnej jest w dolnej atmosferze – proszę zwrócić uwagę, że skala po lewej stronie jest logarytmiczna a nie liniowa! Podobną zależność od temperatury widać też pomiędzy obszarami polarnymi (szerokość geograficzna około 90) a równikiem. Ilość pary wodnej w atmosferze maleje drastycznie w obszarach polarnych. Tak, że większość pary wodnej jaka przyczynia się do opadów w umiarkowanych szerokościach geograficznych (np w Polsce) pochodzi z obszarów około tropikalnych. Okazuje się też, że ta olbrzymia ilość pary wodnej w obszarach równikowych powoduje, że para wodna przy powierzchni Ziemi działa wprawdzie jako gaz cieplarniany, ale nie ma większego wpływu podczas zmian klimatycznych. Jest tak, ponieważ w podczerwieni para wodna zachowuje się na dużym obszarze Ziemi prawie jak chmura położona blisko powierzchni. Dodanie większej ilości pary wodnej i tak by już nic nie zmieniło. Dlatego para wodna jest istotna klimatycznie głównie tam gdzie jest jej mało. Dolny rysunek jest jeszcze bardziej intrygujący. Porównująć oba rysunki, górny i dolny widzimy, że ilość pary wodnej nie ma bezpośredniego wpływu na wilgotność powietrza. Transport pary wodnej z oceanu zależy od prędkości wiatru – czym szybciej wieje tym więcej pary wodnej przedostaje się z wody do powietrza, i od wilgotności powietrza blisko nad oceanem. Jeżeli wilgotność jest bliska nasyceniu pary wodnej w powietrzu to tyle samo pary skrapla się co paruje i transport z oceanu jest mały. Intrygujące jest to, że na całej prawie kuli ziemskiej przy powierzchni Ziemi wilgotnośc jest około 80% - kolor niebieski. Wiemy, że wilgotność przy samej powierzchni Ziemi nie może być 100% bo wtedy nie byłoby transportu pary wodnej do górnych warstw atmosfery. Natomiast bardzo sucha atmosfera przy powierzchni Ziemi powodowałaby olbrzymi transport pary wodnej. Większośc modeli klimatycznych przewiduje, ze nawet podczas zmian klimatycznych te 80% nie zmieni się. Jest to ciekawe i zaskakujące, ponieważ wilgotność w atmosferze nie jest regulowana przez samą temperaturę, ale także przez to jak wieją wiatry. Popatrzmy się teraz na wąski obszar około -10 na Półkuli Południowej szerokości geograficznej - bo to jest rysunek z grudnia-lutego. W tym obszarze od powierzchni Ziemi do górnych warstw wilgotność jest dośc stała - około 60% (kolor zielony). Jest to stosunkowo wąski obszar strefy konwergencji powietrza (ITCZ), gdzie tworzą się wysokie deszczowe i burzowe chmury. Dlaczego w tym obszarze wilgotność jest w całej kolumnie powietrza wysoka? Nie jest to takie oczywiste -przecież deszcz to jest skondensowana para wodna a skoro w tym obszarze pada dużo deszczu, to wilgotnośc powinna być być może mała a nie duża? Wytłumaczenie nie jest proste. W pewnym przybliżeniu dzieje się tak, bo chmury deszczowe powstają tylko tam gdzie powietrze jest wilgotne (dokładniejsze wytłumaczenie na inny oddcinek). Innym intrygującym obszarem jest podwyższona wilgotność w górnych warstwach atmosfery blisko równika - niebieski kolor na 200hPa pomiędzy szerokością -15 półkuli południowej i 15 półkuli północnej. Ten obszar jest związany z prądami wstępującymi w chmurach burzowych i unoszeniem kropel wody i kryształów lodu, które następnie parują w górnych warstwach atmosfery podwyższając jej wilgotność. Natomiast dwa czerwone „migdały” bardzo suchego powietrza (pomiędzy 20-40%) związane są z osiadaniem powietrza w obszarach około tropikalnych. Para wodna jest transportowana z tropików do obszarów około tropikalnych ale dzieje się to jakby w olbrzymiej pralce (komórce Hadleya), gdzie przy jednej ściance powietrze się unosi, a przy drugiej opada. Dla ekspertów: Rysunek jest z niedawnego artykułu przeglądowego: Sherwood, S. C., R. Roca, T. M. Weckwerth, and N. G. Andronova (2010), Tropospheric water vapor, convection, and climate, Rev. Geophys., 48, RG2001, doi:10.1029/2009RG000301.
poniedziałek, 26 września 2011
Ostatnio używałem kodu radiacyjnego opisującego równanie transferu w atmosferze, stąd ten odcinek. W chmurach, atmosferze, pyle międzyplanetarnym, oceanie, stale przeciekają fotony (cząstki światła) jedne do góry a drugie do dołu. Część z tych fotonów jest tworzona na górze warstwy - dla przykładu Słońce, część jest tworzona na dole warstwy – dla przykładu wypromieniwanie z powierzchni Ziemi. Część z tych fotonów rozprasza się, cześć jest pochłaniana, część jest reemitowana. Wszystko to można opisać jednym z najbardziej eleganckich i prostych do zrozumienia przybliżeń – tzw. przybliżeniem dwustrumieniowym. W tym przybliżeniu, rozważamy tylko dwa strumienie – do dołu i do góry atmosfery. Definiujemy tylko odbicie od chmury i jej pochłanianie (no, dla ekspertów dodam, że mogą byc też człony źródłowe wewnątrz warstwy). Równanie transferu promieniowania, to „przeciekanie fotonów”, jest zdefiniowane przez dwie wielkości. Jest tutaj pewien kruczek. W przybliżeniu dwustrumieniowym wiemy ile fotonów dochodzi do górnej warstwy chmury, ale nie wiemy ile z niej płynie fotonów do góry. Podobnie jest na dole chmury, czasami wiemy ile fotonów dochodzi do podstawy chmury, ale nie wiemy ile z nich płynie w dół. W matematyce takie problemy nazywają się dwupunktowymi warunkami granicznymi. Fizycznie chodzi o to, że wewnątrz chmury zachodzi zjawisko (wielokrotnego) rozpraszania na kroplach wody i strumień do dołu "miesza się" ze strumieniem do góry - i odwrotnie.
Przykład przybliżenia dwustrumieniowego jest często reprodukowany w diagramie bilansu energetycznego atmosfery. W rzeczywistości atmosfera nie jest jednorodna i rozdziela się ją na kilka warstw. W każdej z tych warstw stosuje się przybliżenie dwustrumieniowe, a rezultaty dodaje się. Dzięki temu można policzyć w jakim miejscu chmury następuje jej podgrzewanie a w jakim miejscu oziębianie. Dla ekspertów: Przybliżenie dwustrumieniowe jest podstawą większości programów do wymiany promieniowania wykorzystywanych w modelach klimatu. Obecnie dominującym modelem promieniowania jest kod RRTM opracowany w AER i dostepny bezpłatnie na stronie sieciowej Rozdział w książce Bohrena ma dobre wprowadzenie do przybliżenia dwustrumieniowego (Craig F. Bohren, Eugene Edmund Clothiaux, Fundamentals of atmospheric radiation: an introduction with 400 problems, Wiley 2006). "Kiedy pytali mnie w czasie pisania książki jaki temat odciąga mnie od przyjemności normalnego życia, odpowiadałem, że o tym, jak małe cząstki pochłaniaja i rozpraszają światło. O mój Boże, brzmiała częsta odpowiedź, kogo to może interesować?" Tak napisał na początku swojej książki Craig Bohren (Craig jest/był meteorologiem z Uniwersytetu Stanowego w Pensylwanii). W 1986 roku Craig prowadził wykłady w Boulder, Kolorado, gdzie wspomniał en passant o tym, że z punktu widzenia rozpraszania światła można każdą cząstkę podzielić na mniejsze i traktować te mniejsze części jako mające jednorodne własności optyczne. Rysunek ilustrujący ten koncept był taki – młotek, cząstka, ktoś w nią wali i robią się mniejsze.
Cząstka (sześcian, złożona z dużej ilości dipoli) Rozpraszanie światła na małych cząstkach ma nieprawdopodobną liczbę zastosowań. Chmury rozpraszają światło, tęcza jest przykładem rozpraszania, zmiany klimatu są związane ze zjawiskami pochłaniania i rozpraszania światła. Fitoplankton, też "cząstka", w wodzie rośnie bo pochłania światło – i dzięki tej „produkcji pierwotnej biomasy” mamy ryby, radar jest przykładem rozpraszania - do tyłu i dzięki temu wiemy gdzie lecą samoloty, nano technologie związane są rozpraszaniem światła, a dzięki cytometri przepływowej opartej na rozpraszaniu światła, można zliczyć krwinki. No i tak dalej. Gdzieś koło 1990 roku wraz z Brucem Drainem, astrofizykiem z Princeton, zaczęliśmy pisać kod na rozpraszanie światła na niesferycznych cząstkach oparty na pomyśle walenia młotkiem w cząstki – piszę w przenośni. Niesferycznych cząstek jest w atmosferze dużo – np kryształy lodu. Artykuł jaki potem napisaliśmy na ten temat jest teraz jednym z najczęściej cytowanych artykułów dotyczących rozpraszania. Kod jest dostępny na google code http://code.google.com/p/ddscat/ Dla ekspertów
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
