Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych
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.

Roman Paszke Gemini III na wdozie

Gemini III na wodzie. Paszke chce opłynąć świat ze wschodu na zachód. Jego strona sieciowa 
http://www.paszke360.com/będzie gotowa za jakieś 2 tygodnie.

 

Poniżej trochę linków dla żeglarzy, którzy chcą opłynąć świat.

Programy do nawigacji (optymalizacja drogi):
http://www.tidetech.org/  Prądy, stan morza
http://www.predictwind.com/ Routing (pierwszy bezpłatny serwis)

Stan oceanu:
http://sst.jpl.nasa.gov/SST/  Temperatura
http://www.scp.byu.edu/current_icebergs.html Lód

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”.

 

 

Terminy naukowe, które mają różne znaczenie dla naukowca i dla ogólnej publiczności

Termin naukowy

Znaczenie potoczne

Lepsze określenie

Aerozol

Puszka ze sprejem

Małe cząstki zawieszone w powietrzu

Dodatnia zmiana

Dobra zmiana

Wzrost

Pozytywna odpowiedź

Dobra odpowiedź

Cykl, który się sam wzmacnia

Teoria

Spekulacja

Naukowe zrozumienie tematu

Niepewność

Ignorancja

Rozrzut wyników

Błąd

Błąd, źle, nieprawidłowo

Różnica w stosunku do prawdziwej wielkości

Błąd systematyczny

Źle, nieprawidłowo

Odchylenie od obserwacji

Znak

Wskazówka, znak astrologiczny

Znak plus lub minus

Wartość

Wartość etyczna

Liczba, ilość

Przekształcenie

Zmiana

Naukowe przetwarzanie danych

Schemat

Oszukiwanie

Systematyczny plan

Anomalia

Coś dziwnego

Odchylenie od długoterminowej średniej

 

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.

 

 

 skaterometr

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.

 Tort Czeski

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.

 

  mixed layer schematics ocean

(źródło: http://www.lodyc.jussieu.fr/~cdblod/mld.html)