Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych

Transfer promieniowania

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.

aparatura 1861

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

http://www.youtube.com/watch?v=5maT2CunT08

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/

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.

piątek, 28 maja 2010

Z punktu widzenia klimatu pewne zjawiska atmosferyczne nie mają znaczenia. Dla przykładu - tęcza, halo, miraże. Mimo to kiedy uczę o fizyce chmur czy o efekcie cieplarnianym wspominam o zjawiskach optycznych w atmosferze ponieważ daja one dobre wprowadzenie do metodologii używanej w wymianie promieniowania i rozpraszaniu światła w atmosferze. Monte Carlo to jedna z najbardziej intuicyjnych metod w fizyce.  Metoda jest bajecznie prosta do wytłumaczenia. Tutaj opiszę tylko jedno z wielu zastosowan Monte Carlo (sama technika została opracowana m.in. przez polskiego matematyka Stanisława Ulama). Światło od Słonca potraktujmy jako strumień cząstek (myśl o drobinach piasku, chociaż fachowo chodzi o fotony) czy o strumieniu promieni (myśl o aureoli na obrazkach świętych, chociaż fachowo chodzi o przybliżenie optyki geometrycznej). Postarajmy się prześledzić jedną taką cząstkę, która przedziera się do powierzchni Ziemi.  Po drodze ma przed sobą różne niespodzianki. Np może się zderzyć z kropelka chmurowa i odskoczyć w jakimś kierunku tak jak kula bilardowa, albo może się zderzyć z cząstką sadzy i wpaść do niej trochę tak jak mucha do beczki ze smołą. Każdemu z tych zdarzeń możemy nadać pewne prawdopodobieństwo.  Śledząc tylko jedną cząstkę nie mamy dobrej statystyki, musimy prześledzić ich bardzo wiele. To tak jak w grze w ruletkę. Z jednego obrotu kołem nic nie można wywnioskować, ale śledząc grę przez noc, możemy się zorientować czy większe szanse ma gracz czy kasyno.

Przykładem obliczeń opartych częściowo na technice Monte Carlo jest program HaloSim, który jest bezpłatny i działa pod Windowsami. Program został  napisany przez  Lesa Cowleya i Michaela Schroedera.  Na znakomitej stronie sieciowej Cowleya można znależć wyjaśnienie zjawisk rozpraszania światła takich jak słońca poboczne, halo, górny łuk styczny, łuk okołozenitalny, kręg parheliczny.
http://www.atoptics.co.uk/halosim.htm

W HaloSim od słońca wysyłane są promienie światła, które następnie oddziaływują z kryształkami lodu. Każdy z promieni pada na kryształ lodu pod nieco innym kątem i na różne powierzchnie. Kryształy mogą mieć rózne kształty – np płatki lub kolumny i w zależności od wielkości mogą opadać i odchylać się od pionu, tak jak liśce, które spadając w dół, oscylują. Uruchamiając HaloSim łatwo zobaczyć jak indywidulane promienie tworzą obraz końcowego zjawiska.

Zjawiska optyczne nie są same w sobie ważne w badaniach klimatu. Mimo to obeserwując halo czy tęczę można zorientować się o wielkości czy ułożeniu kropel i kryształów w chmurach. Łatwo powiedzieć czy chmura składa się z kropel czy z  kryształów lodu. Zrozumienie zjawisk optycznych w atmosferze to wstęp do zrozumienia technik teledetekcyjnych takich jak pomiary satelitarne. Pomimo tego, że techniki Monte Carlo są stosunkowo wolne obliczeniowo, często są niezastąpione zwłaszcza w analizie rozchodzenia się światła w skomplikowanych sytuacjach - np w analizie instrumentów optycznych lub w ocenie intensywności światła dla niejednorodnych sytuacji, np cienia od małych chmur.