Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych
niedziela, 26 września 2010

Istnieją dwie zwlaczające się grupy myślenia o efekcie szklarniowym. Jedni uważają, że w szklarni jest cieplej dlatego bo promieniowanie słoneczne jest przepuszczane przez szklany dach szklarni natomiast promieniowanie cieplne jest pochłaniane przez szkło. Druga grupa uważa, że efekt cieplarniany nie ma nic wspólnego z promieniowaniem cieplnym lub promieniowaniem słonecznym a szklarnia po prostu osłania rośliny od wiejącego na zewnątrz wiatru, innymi słowy że szklarnia ogranicza konwekcję (wymianę ciepła) z otoczeniem. Awantury z tego powodu przetaczają się w czasopismach fizycznych od  1909 roku. W tym roku R. B. Wood  (Wood pierwszy wprowadził termin efekt cieplarniany) opublikował artykuł, w którym badał dwie szklarnie. Jedna miała dach ze szkła, a druga dach z soli.  Szklarnia z soli (obecnie można użyć folii plastikowej)  przepuszcza zarówno promieniowanie słoneczne jak i promieniowanie cieplne. W  związku z tym nie może w niej wystąpić efekt szklarniowy związany z promieniowaniem słonecznym i cieplnym. A mimo to, w obu szklarniach temperatura była jednakowa.

Czy to oznacza, że nie ma efektu cieplarnianego w szklarniach związanego z efektem radiacyjnym?  Craig Bohren, który napisał uroczą książkę „Chmury w szklance piwa” uważa, że obie strony sporu mają trochę racji.   Czym grubsze i bardziej pochłaniające szkło i słabszy wiatr  tym efekty promieniowania słonecznego i cieplnego są bardziej istotne. Czym cieńsze szkło (lub folia) i silniejszy wiatr tym efekt osłaniania od wiatru jest silniejszy. Nie jest to zaskakujące. W domu podczas wichury jest cieplej nie dlatego, że występuje efekt cieplarniany lecz dlatego, że dom osłania nas od wiatru. Istnieją nawet sytuacje w których temperatura wewnątrz szklarni jest mniejsza niż na zewnątrz. Dzieje się tak kiedy szkarnia osłania powietrze wewnątrz szklarni od mieszania z cieplejszym powietrzem  na zewnątrz. Natomiast wnioskowanie o tym czy zachodzi efekt cieplarniany w atmosferze ziemskiej  na podstawie eksperymentu Wood’a nie jest takie proste. Fakt, że temperatura wewnątrz szklarni w przypadku pochłaniającego szkła w podczerwieni jest podobna do sytuacji gdzie mamy tylko folię plastikową nie oznacza, że nie ma radiacyjnego efektu cieplarnianego.  Dzieje się tak, ponieważ efekt cieplarniany związany z promieniowaniem powoduje, że  różnica temperatury szkła wewnątrz i na zewnątrz szklarni jest duża. Wtedy wymiana ciepła z otoczeniem jest większa. 

Dla tych, którzy nic nie zrozumieli podsumowuję, że mimo prób przeciwników zmian klimatu, fakt że szklarnia osłania rośliny od wiatru, nie oznacza, że atmosferyczny efekt cieplarniany jest lipą. Jeżeli państwo myślicie, że sprawa jest prosta to proszę przeczytać artykuł o efekcie cieplarnianym na polskiej Wikipedii. Na końcu tego artykuł jest opis działania szklarni, który jest częściowo błędny. W dodatku ten artykuł ja sam pisałem, ale fragment o szklarni dodał nauczyciel fizyki z południa Polski i nie miałem się z nim siły awanturować. Dlatego wszyscy uczniowie szkół średnich w Polsce  odrabiający zadania domowe o efekcie cieplarnianym na podstawie Wikipedii, z pewnością robią błędy.

http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_cieplarniany

PS Tutaj trochę literatury.
Abbot, C. G., Philosophical Magazine, 18, 32-35, 1909, Note on the theory of the greenhouse.
Berry, E. X., Comments on The Greenhouse Effect, Journal of Applied Meteorology, 13, 603-604, 1974.
Hanson, K., The radiative effectivness of plastic films for greenhouses,  Journal of Applied Meteorology, 1963, 2, 793
Silverstein, S. D., Effect of infrared transparency on the heat transfer through windows: a clarification of the greenhouse effect, Science, 193, 229-231, 1976.
Wagoner, P. Lio, C., Tobin, R.G., Climate change in a shoebox: Right result, wrong physics, American Journal of Physics, 78, 536-540, 2010 (dobry artykuł na seminarium studenckie z fizyki atmosfery + fajny eksperyment)
Wood, R. B. Philosophical Magazine, 1909, 17, 319-320, Note on the theory of the greenhouse.
Young, M.,  The greenhouse effect, Phys. Teach. 21, 194–195, 1983.

wtorek, 14 września 2010

Dziś byłem na seminarium o wiązkach, czyli o tym jak zbadać klimat za pomocą wielu modeli. Pokłóciłem się na koniec z  prelegentem bo mnie te wiązki denerwują, ale skoro to przyszłośc to warto je opisać.

Zacznijmy od prognozy pogody. Każdy wie, że prognozy pogody, zwłaszcza w Anglii, Francji, Niemczech, Polsce, Rosji, Kanadzie i innych krajach czasami się nie sprawdzają. Dlatego wiele lat temu Europejskie Centrum Prognoz Średnioterminowych zdecydowało prognozować pogodę za pomocą nie jednego przebiegu modelu, ale za pomocą kilku. Używa przy tym podobnych, ale nie identycznych, warunków początkowych. Na całym świecie w tym samym czasie dokonuje się jednocześnie pomiarów. Te początkowe pomiary się nieco zaburza. Z początku prognoza jest bardzo podobna, ale po kilku dniach jest inna. Tak jak  bukiety, które są związane, z początku wychodzą z jednego miejsca, a na końcu  rozchodzą się (patrz rysunek).  Prognozy pogody oparte na wiązkach dają prognozę statystyczną. Jest w tym pewna myśl przewodnia i ład dlatego bo pomiary są najczęściej obarczone błędem. W metodzie wiązek czasami pada, a czasami nie pada, wtedy prognoza jest w stylu "będzie padał deszcz na 80%, albo będzie świeciło słoneczko na 20%".   Istnieją warianty. Zaburzać można fizykę modelu a nie warunki początkowe. Dla przykładu, możemy zmienić opis tego jak powstają w modelu chmury (fachowo mówimy o „parametryzacji konwekcji”). Ta metoda nazywa się "stochastyczną fizyką". Jest też  "metoda wiązek dla ubogich". W tej metodzie wykorzystuje się prognozę z kilku różnych modeli, których wyniki się uśrednia. Wydaje się to absurdalne, ale najlepsza prognoza rozwoju i propagacji cyklonów tropikalnych jest oparta obecnie na właśnie takim podejściu.

Na czym polegają wiązki w badaniach klimatu? Z początku chodziło o to, żeby sprawdzić wiarygodność scenariuszy klimatycznych. Scenariusze polegają na założeniu różnych wartości koncentracji dwutlenku węgla i przewidywaniu klimatu za pomocą modeli numerycznych liczonych na komputerach. Ponieważ było kilka modeli to zaczęto je porównywać ze sobą i sprawdzać, czy te same scenariusze dają podobne prognozy globalnego ocieplenia. Ale obecnie zaczyna się prognozować klimat specjalnie za pomocą wiązek.  Chodzi o to, żeby jak w prognozie pogody, znaleźć probablistyczną ocenę zmian klimatu. To jest ważne zwłaszcza dla oceny ekstremalnych warunków, dla przykładu ile lat może (statystycznie) potrwać susza.

Na zdjęciu jest wiązka prognoz możliwych torów cyklonu tropikalnego na Pacyfiku z 14 września 2010 (niebieskie krzywe).  Wygląda jak bukiet kwiatów.

 

PS Słowo  "wiązki" nierozłącznie kojarzę ze snopami i podwiązkami a dokładniej z książką profesora Krzysztofa Maurina
http://pl.wikipedia.org/wiki/Krzysztof_Maurin

"Analiza. Cz. II. – Ogólne struktury, funkcje algebraiczne, całkowanie, analiza tensorowa", którą katowani byli fizycy teoretycy z UW na Hożej. O ile pamiętam  w drugiej części "Analizy"  jest rozdział „Snopy, wiązki i podwiązki” lub cos w tym stylu.

PS2. Też o wiązkach:

Bukiety wiejskie, jak wiadomo,
Wiązane były wzwyż i stromo.
W barwach podobne do ołtarza,
Kształt serca miały lub wachlarza...

Ja nie o wiechciach z byle chwastu,
Stawianych na werandzie na stół,
Nie o wiązankach z kwiatów polnych...

Ja o bukietach z kunsztem, ładem,
Z przewodnią myślą i układem.

sobota, 11 września 2010

Ach moda. Jak w życiu tak i w nauce tematy są modne lub nie. W badaniach klimatu i fizyce atmosfery są chmury modne jak i chmury zapomniane. Do chmur retro należą obecnie altocumulusy, altostratusy, oraz  altostratocumulusy.

Natomiast modnymi chmurami są stratocumulusy i cirrusy, wszyscy w nie latają i badają. Chmury bada się latając samolatami z instrumentami, które mierzą ilość wody w chmurach, rodzaj cząstek, np czy są to kryształy lodu czy krople wody i jakiej wielkości są te cząstki (mówimy fachowo hydrometeory).  Ta informacja to mikrofizyka chmur.  Większość z czytelników zna opis makroskopowy chmur.  Innymi słowy, mówimy że chmura jest pierzasta, stratyfikowana lub rozległa, albo że wygląda jak kowadło. Na tym polegała pierwsza klasyfikacja chmur i do tej pory jest używana. Do tej pory mówimy, że chmury są  warstwowe lub, że to „stratus”. Jeżeli chmura wygląda jak wznoszący się balon (baranki na niebie) to jest kumulus; a kombinacja tych chmur to stratocumulus. Wysokie chmury to cirrus, a warstowe wysokie chmury to cirrostratus. Z punktu widzenia klimatu taka klasyfikacja chmur jest bezużyteczna bowiem promienie Słońca i ciepło odchodzące od Ziemi są pochłaniane lub odbijane przez pojedyńcze kryształy lub krople wody a nie przez „pierzastość”.  Dlatego badania chmur koncentrują się teraz na ich mikrofizycznych własnościach oraz na morfologii chmur. Morfologia chmur to opis ich niejednorodności, sposobu w jaki powietrze miesza się w chmurach. Dla przykładu chmury rzadko są naprawdę warstwowe ale składają się z wielu pojedyńczych podwarstw. W nauce naturalną tendencją jest badanie z początku prostych zjawisk. Dolne chmury, powstające od 0-2 kilometrów ponad Ziemią są zazwyczaj złożone z samych kropelek wody. Natomiast chmury wysokie, powyżej 7 kilometrów nad powierzchnią są złożone zazwyczaj tylko z kryształów lodu. Tego typu jednofazowe chmury – albo woda albo lód – są stosunkowe proste do badania. Natomiast  chmury średnich wysokości (mówimy o nich fachowo „alto”),  których dolna warstwa jest pomiędzy 2 do 7 kilometrów mają mieszany skład, występuje w nich zarówno lód jak i krople wody. Dlatego altocumulusy i altostratusy były długo chmurami zapomnianymi, których nikt nie chciał badać.

Na zdjęciach jest panorama nieba, na której widać chmury "alto". Natomiast na następnym zdjęciu jest przekrój przez tę samą chmurę zrobiony lidarem, który jest wrażliwy na mikrofizykę chmur. Na tym zdjęciu widać, że podstawa chmur jest około 5km nad powierzchną Ziemi. Widać też morfologię tych chmur i ich niejednorodności. Ilościowe badania klimatu i fizyki chmur koncentrują się obecnie na zrozumieniu takich detali mikrofizycznych. Te zdjęcia są z eksperymentu na Florydzie i zrobione zostały z mojego lidaru 27 sierpnia 2010 koło Przylądka Canaveral. Na osi pionowej jest wysokość na powierzchnią Ziemi, a na osi poziomej jest pokazany czas. Kolory oznaczaja  intensywność tego jak pojedyńcze cząstki odbijaja światło i można z tych danych wywnioskować wielkość i rodzaj kropli lub kryształów lodu. Niech nikt nie mówi, że nie macie państwo najnowszych wiadomości. Zdjęcia świeże jak ciepłe bułeczki.

 

czwartek, 02 września 2010

To jest odcinek dlla Gospodyń Domowych.  Przez wiele lat ogólną cyrkulację atmosfery badano w obracającej się miednicy. Wystarczy postawić miednicę na obracającym się stole, podgrzać obramowanie i oziębić środek a wytworzą się dziwaczne fale, które nazywa się falami Rossbiego a przypominają fale jakie tworzą się w atmosferze.  Jeżeli stół obraca się wolno to w miednicy nie będzie żadnych fal tylko przepływ od obramowania do środka (cyrkulacja Hadleya). Natomiast jeżeli zmienimy prędkość obracania się miednicy to fale zmienią swój charakter, np będzie mniej dolin i gór.  Jeżeli do miednicy wstawi się klocek, to woda zaczyna opływać ten klocek i tworzą się zawirowania takie jak za górami. Można ten klocek zwiększyć i wtedy zamiast Karkonoszy mamy Himalaje. O co tu chodzi? Ogrzewanie obramowania miednicy to tak jak ogrzewanie atmosfery przez Słońce na równiku, a oziębianie to sytuacja taka jak  na biegunie. Ziemia obraca się, tak jak ten obracający się stół. Przepływ ciepła z jednego miejsca do drugiego może mieć różny charakter. Przy małych różnicach temperatur (tak jak dla przykładu w lecie na Ziemi) pomiędzy brzegiem miednicy i środkiem przepływ ciepła jest bezpośredni, ale dla większych różnic temperatury efektywniej jest przekazywać ciepło za pomocą fal.  Takie analogowe eksperymentu mają długą historię w fizyce, czasami buduje się zmniejszone modele mostów czy budynków, które testuje się w tunelu, w którym wieje wiatr. Idea polega na tym, że most jest wprawdzie mniejszy, ale dmuchamy na niego powiedzmy szybciej, tak że kombinacja rozmiaru mostu i warunków zewnętrznych, powinna być podobna do tego co prawdziwy most napotka w przyrodzie. Inżynierowie wprowadzają pewne kombinacje parametrów fizycznych – wielkości, prędkości, różnicy temperatur, które starają się zachować przez przeskalowaniu problemu. Czasami tym parametrów jest kilkanaście.    Analogowe modele atmosfery, czyli ekperymenty w miednicy, prowadzone były na szeroką skalę w Uniwersytecie w Chicago przez Dawida Fultza od mniej więcej 1946 roku.  Początkowo działo się to pod okiem Rossbiego, którey stworzył  jeden z najlepszych wydziałów meteorologicznych w tym czasie.  Jeszcze przez wiele lat po wojnie, aż do lat 1980  istniało laboratorium  i kiedyś specjalnie się tam wybrałem i miałem przjemność zwiedzać laboratorium w podziemiach budynku gdzie mieścił się wydział fizyki atmosfery. Po śmierci Fultza stoworzono laboratorium jego imienia
http://geosci.uchicago.edu/~nnn/LAB/

 

i do tej pory studenci uczą się tam geofizycznej mechaniki cieczy na podstawie eksperymentów jakie zapoczątkowano 70 lat temu. Obecnie modelowanie atmosfery Ziemi jest przeprowadzane za pomocą modeli cyfrowych a nie analogowych. Przyczyną jest to, że trudno w miednicy wymodelować deszcz. Ale o tym kiedy indziej.