Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych
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.   

 

 q oraz RH

 

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
http://rtweb.aer.com/rrtm_frame.html

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. 

podział większej cząstki na wiele małych

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


Przybliżenie dyskretnych dipoli jest jedną z kilku obecnie technik do rozwiązania numerycznego równań Maxwella na niesferycznych cząstkach. Inne techniki, patrz 

http://code.google.com/p/scatterlib/

piątek, 23 września 2011

Niedawno umarł Masao Kanamitsu, jeden z autorów najbardziej cytowanego artykułu (około 8000 razy)  kiedykolwiek napisanego przez fizyka atmosfery. Był  z pochodzenia Japończykiem. Urodził się w Kumamoto  6 listopada  1943 i mieszkał w młodości w Saporo. Magisterium zrobił  w Uniwersytecie Hokkaido a doktorat w Stanowym Uniwersytecie Florydy w 1975.  Kana pracował nad reanalizą danych meteorologicznych – innymi słowy stworzeniem wiarygodnej bazy danych o temperaturze, ciśnieniu, wietrze na całej kuli ziemskiej.  Taka reanaliza danych polega na  połączeniu danych z modelem prognozy pogody. Sytuacja jest nieprawdopodobnie skomplikowana, bo dane meteorologiczne są z rozmaitych źródeł – bezpośrednich pomiarów, pomiarów satelitarnych, samolotów.  Jakość tych pomiarów i ich ilość zmieniała się w różnych dziesięcioleciach tak, ze stworzenie w miarę jednolitego zbioru danych jest niezwykle skomplikowanym procesem.   Artykuł Kanamitsu pozwolił po raz pierwszy analizować zmiany klimatyczne, niezależnie od sposobu zbierania danych.

Wszyscy, którzy go znali mówili o nim po prostu Kana. Przez ostatnie lata pracował w Uniwersytecie Kalifornijskim.  Kiedy kilka lat temu prowadziłem zajęcia z meteorologii synoptycznej  Kana dał wykład  o asymilacji danych meteorologicznych. Na początku wykładu mówił o historii meteorologii dynamicznej  - to dziedzina meteorologii zajmująca się  wielkoskalowym przepływem powietrza - i opowiedział o wybitnych fizykach japońskich, którzy po wojnie tworzyli podstawy numerycznych prognoz pogody: Syukuro Manabe (twórca pierwszego modelu zmian klimatu), Taroh Matsuno (twórca teorii fal w atmosferze tropikalnej), Kikuro Miyakoda czy Akio Arakawa (profesor meteorologii w UCLA znany ze schmematów numerycznych oraz parametryzacji konwekcji w modelach numerycznych).  Ostatnio Kana pracował nad dekadalnymi zmianami klimat i  lokalnym modelowaniem zmian klimatu. Do tego wykorzystuje się wyniki modeli klimatycznych, ale uwzględnia się też lokalną topografię terenu i inne procesy ważne na skali kilkunastu kilometrów.

czwartek, 22 września 2011

Firma iRobot produkuje bardzo sprytne odkurzacze, które same się uczą gdzie wędrować po pokoju, same odkurzają, a potem parkują i same się ładują. Firmę założyło kilku facetów z MIT

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

Ta sama firma sprzedaje też szybowiec wodny iRobot SeaGlider, który jest wykorzystywany do pomiarów oceanu (temperatury, zasolenia,  ilości chlorofilu).  Szybowiec płynie do góry i do dołu i robi pomiary. Ponieważ może wypłynąć blisko powierzchni oceanu może zmierzyć jak temperatura oceanu zmienia się w czasie dnia. Te dobowe przebiegi temperatury są ważne dla powstawania konwekcji (głębokich chmur) nad oceanem. Do tej pory w globalnych modelach prognoz pogody najczęściej zakładano, że temperatura oceanu jest stała w czasie dnia.  Dwa tygodnie temu zaczął się program pomiarowy na Oceanie Indyjskim, którego zadaniem jest m.in. zbadanie amplitudy dobowych zmian temperatury w oceanie.  

iRobot seaglider

Mój student z Instytutu Geofizyki UW napisał mi dziś email, w którym opisuje pomiary z amerykańskiego statku należącego do Instytutu Oceanografii im. Scripps (R/V Revelle). Ten email jest ciekawy bo pokazuje naukę "w praniu". Przepisuje go tutaj prawie w całości z pewnymi spolszczeniami. 

"Właśnie puściliśmy ostatni sondaż. Za 1.5 godziny przekraczamy linie indyjskiej strefy ekonomicznej w związku z czym wyłączamy wszystkie pomiary na statku (nie można robić pomiarów nukowych z amerykańskich statków w tej strefie i nie można publikować rezultatów badań z tego obszaru).  Poza tym ścigamy zacumowaną boję  Narodowej Służby Meteorologicznej i Oceanicznej USA (NOAA),  która się zerwała i zamierza się wpakować na jakąś wyspe, a Służba by tego bardzo nie chciała. Szybowiec jest w wodzie. Bylo to trochę jak z Monthy Pythona - kapitan statku zrobił nam alarm przeciwpożarowy w trakcie wsadzania szybowca do wody, potem wyłączyli nam internet bo ludzie z NASA chcieli sobie pójść do radaru na statku, a nam internet był potrzebny do komunikacji z szybowcem, ale udało się umieścic go w wodzie bez przykrych niespodzianek. Potem bylo troche gorzej bo okazalo sie że iRobot nie zna się ani na odkurzaczach ani na szybowcach. Żle wycechowany, rozregulowany a wszelkie pytania o pomoc iRobot kierował do podręcznika,  który choć liczy 600 stron to opisy ma raczej mgliste i często sprzeczne. Tym sposobem cały tydzień zabrało Adrianowi dochodzenie do tego o co w tym tak naprawde chodzi. Pomagałem mu w tym. Patrzyłem na te wszystkie wykresy i już naprawdę nieźle rozumiem jak to dziala, jak tym sterowac i co to może. To niezła wprawka, bo dzieki temu wiem na starcie dużo więcej o danych. Np o tym, że pomiar soli ma histerezę (zależność czasową).  Szybowiec  robi pomiary w sposób ciągly z zadanym przedziałem czasowym (miniumum  5 sekund). W zwiazku z tym robi profil 'do dolu' i 'do góry'. Jak się je porówna to widać,  że zasolenie się różni, tworząc krzywą histerezy. Dzieje się tak dlatego,  że do policzenia zasolenia potrzebna jest znajomość temperatury i ciśnienia w danym punkcie,  które z jakiegos powodu (pewnie czasu potrzebnego na procesowanie danych) brane są z poprzedniego punktu. Tym sposobem zasolenie jest zawsze "opóżnione". To samo tyczy  wszystkich profili zależnych od innych zmiennych (chlorofil i tlen). Naturalnie ta histereza jest mała w stosunku do zmienności samego zasolenia, tym niemniej to widać. Po tygodniu mniej więcej udało się wszystko okiełznąć i jest szansa,  że glider wytrzyma do lutego kiedy ma zostać wyciągnięty. Póki co kolejne nurkowania byly podporzadkowane bardziej walczeniu z ustawieniami niż nauce, tym niemniej kilka ciekawych rzeczy już widac. Po pierwsze rzeczywiscie on mierzy do 1m glebokosci. Widać bardzo dobrze cykl dobowy. Fenomenalne. Ma bardzo dobrą rozdzielczość -  robi pomiar co 5 sekund poniżej 1m w warstwie dobrze wymieszanej oceanu. Po drugie widać zmiany o większej częstości wewnątrz termokliny. Poki co glider robil głownie pomiary do 1000m. Docelowo miał robić dziennie 5-6 nurkowań do 300m i jeden głębszy do 1000m. Nurkowanie do 1000m zajmuje 6 godzin (w tym czasie 2 profile). Może się okazać,  że pomiary do 300m w tym systemie są zbyt częste i baterie tego nie wytrzymają (zżeraja znacznie więcej pradu niż powinny, prawdopodobnie przez zle ustawienia balastu). Zaproponowałem Adrianowi pewną korekcję danych. Póki co struktura tych danych jest dość koszmarna, ale napisalem już skrypty w Matlabie, które to czytają. Darek"