Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych
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.

 

komorki w Sc 

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/