Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych

Meteorologia

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”.

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)

 

 

 

wtorek, 18 maja 2010

To jest blog dla fizyków. Dla mnie fizyka atmosfery i badania klimatu są dziedzinami podobnymi do astrofizyki jeżeli chodzi o metodologię nauki. Dlaczego?  Zarówno astrofizyka i fizyka atmosfery (meteorologia, badania klimatu) używają fizyki i matematyki stosowanej w podobny sposób.  W astrofizyce jest to olbrzymi zakres klasycznej i nowoczesnej fizyki oparty na mechanice klasycznej - ruch planet,  równaniu transferu - rozchodzenie się światła w chmurach pyłu kosmicznego, klasycznej optyce - obserwacje teleskopami, i wielu innych działów fizyki.  W fizyce atmosfery stosuje się podobnie szeroki zakres fizyki stosowanej. Mechanika cieczy opisuje ruch powietrza, równanie transferu promieniowania opisuje podstawy obliczeń efektu cieplarnianego,  elektrodynamika opisuje jak rozprasza się światło na kroplach wody i kryształach lodu. Niektóre analogie są zaskakujące. Dla przykładu zarówno zderzenie się kropel wody w chmurach jak i zwiększanie się pewnych obiektów astronomicznych opisywane jest tym samym równaniem Smoluchowskiego.  Oczywiście krople wody są znacznie mniejsze niż powiedzmy planety, ale procesy prowadzące do zderzeń mają podobną charakterystykę, są to głównie zderzenia dwóch obiektów w jednej chwili. Innym zdumiewającym przykładem jest zrozumienie efektów cieplarnianych czyli tego jak rozprzestrzenia się promieniowanie słoneczne i podczerwone w atmosferze. Podstawy teorii opracowało dwóch astrofizyków  Sir Arthur  Schuster i Sir Arthur  Eddington. Teraz przybliżenie dwustrumieniowe opisujące rozchodzenie się promieniowania słonecznego w atmosferze  jest używane w modelach klimatu i prognozach pogody. Inną zdumiewajaca analogią są zjawiska rozpraszania światła na małych obiektach. W astrofizyce istnieją pasy pyłu kosmicznego, którego cząstki są podobne do cząstek piasku, często nie są sferyczne. W sposób w jaki rozprasza się światło na takich cząstkach opisuję się podobnymi technikami zarówno w astrofizyce jak i w fizyce atmosfery  – np. przybliżeniem dyskretnych dipoli. 

W modelach klimatu używa się wielu zdobyczy klasycznej fizyki ale i technik rozwiniętych na potrzeby meteorologii. Wielokrotnie to właśnie obserwacje atmosferyczne doprowadzały do nowych hipotez fizycznych.  Dobrym przykładem jest wiele aspektow klasycznej termodynamiki. Mało kto wie, że początkowy rozwój komputerów był związany z prognozami pogody - pierwsze komputery służyły do prognoz pogody (John von Neuman w Princeton). Znany teraz każdemu fizykowi "efekt skrzydeł motyla",  czyli teoria chaosu, został opracowany przez meteorologa - Edwarda Lorenza, żeby zrozumieć przewidywalność pogody.
http://pl.wikipedia.org/wiki/Edward_Lorenz

Po co to piszę? Parafrazując powiedzenie Stefana Banacha - dobrzy fizycy dostrzegają analogie.  Tak na marginesie, Banach uważał także, że wielcy [matematycy] dostrzegają analogie pomiędzy analogiami; stąd tytuł bloga.

wtorek, 23 marca 2010

W Polsce dyskusja o zmianach klimatu została porwana przez grupę dobrze zorganizowanego emerytowanego lekarza popierającego rozwój energii atomowej, fizyka materii skondensowanej, inzyniera i jednego geologa. Dlatego dziś będzie o kuchni fizyki atmosfery w Polsce. Przyznaję, że piszę to trochę z rozpaczy. Zacznijmy od tego jak wygląda fizyka atmosfery na uczelniach amerykańskich. Popatrzmy na listę profesorów na wydziale fizyki atmosfery w Uniwersytecie Stanowym w Kolorado.

http://www.atmos.colostate.edu/faculty/index.php

Thomas Birner jest dynamikiem atmosfery; dokładniej zajmuje się składem atmosfery i oddziaływaniem pomiędzy górną troposferą, czyli tam gdzie latają samoloty na trasach międzykontynentalnych, jakieś 10-15km ponad powierzchnią Ziemi; jest z Niemiec.  Jeff Collett skończył słynną uczelnię Caltech w Pasadenie (tam pracował Noblista Richard Feynman) i zajmuje sie chemią atmosfery czyli w jaki sposób powstają  cząstki płynnych zanieczyszczeń i w jaki sposób te zanieczyszczenia są wymywane przez deszcz.  Podobnie jak Sonia Kreidenweiss, która ukończyła Caltech, i zajmuje się atmosferycznymi pyłami zawieszonymi,  bada jak piasek wędrujący przez Pacyfik z Chin tworzy wysokie chmury (nazywają się cirrusy, ale nie „pcirrusy”). Dalej na liście profesorów jest Bill Cotton -  fizyk od chmur, napisał klika książek o tym jak powstają chmury, jak łączą się w wielkie kompleksy w skali 100 kilometrów. Bill zajmuje się też mikrofizyką chmur, tym jak oddziaływują ze sobą drobne kropelki wody opisywane równaniem wymyślonym przez polskiego fizyka  Mariana Smoluchowskiego (Smoluchowski zajmował się też geofizyka, fałdowaniem gór, kolorem nieba, zagadnieniem górnej granicy atmosfery; patrz Roman Teisseyre, Publ. Inst. Geoph. Pol. Acad.Sc. 1996 M-18 (273) s.47-50, Marian Smoluchowski jako geofizyk).  W Polsce podobnymi problemami fizyki chmur zajmuje się Szymon Malinowski i Hanka Pawłowska.  Cotton jest żeglarzem, miał własny zaprzęg psów huskies i biega po okolicznych górach ze swoimi studentami.  Dave Randall używa komputerowego modelu klimatu, którym stara się teraz zrozumiec jak uwzględnić chmury i ich cykl życia.  Sama technika uwzględniania tych chmur w modelach klimatycznych zostala wymyślona niedawno przez polsko-amerykańskiego fizyka atmosfery Wojtka Grabowskiego a metody numeryczne używane w tego typu modelach sa rozwijane przez polsko-amerykanskiego fizyka atmosfery Piotra Smolarkiewicza.  Dalej  jest Wayne Schubert. Geniusz matematyki stosowanej i dynamiki atmosfery. Wayne  wymyślił parametryzację Arakawy-Schuberta (to był jego doktorat w UCLA), której wersje używane są w wielu modelach klimatu i modelach wielkoskalowych prognoz pogody.  Dalej na liście profesorów jest Steve Rutledge – postawny  facet, kiedyś szef wydziału, zajmuje się meteorologią radarową. Jego grupa ma radar koło Denver, ale czasami używa podobnego radaru na statkach w eksperymentach meteorologicznych. Takie radary są używane w Polsce w prognozach powodzi i burz. Ostatnio spotkałem Steva , kiedy planowaliśmy eksperyment DYNAMO w tropikach w 2010 roku - nie wiem czy dojdzie do skutku. Dalej jest Graeme Stephens, który  jest  Australijczykiem. Uwielbia grać w piłkę nożną i w golfa, jego syn spędził rok na fizyce w Krakowie. Graeme ma własny program satelitarny  (Cloudsat) i zajmuje się problemami teledetekcyjnymi – jak z satelity zmierzyć własności chmur. Jego grupa ma osobny budynek.  Jest „dziadkiem naukowym” polskiego fizyka atmosfery – Krzysztofa Markowicza. Dalej jest Tom von der Haar - legenda metorologii satelitarnej, uczył się u samego Vernera Suomi „ojca meteorologii satelitarnej”. Innym profesorem jest Dick Johnson – to synoptyk. Zna się na mapach atmosferycznych, kiedy przyjdzie front i jaka będzie pogoda. Scott Denning – zajmuje się cyklami geochemicznymi w atmosferze. Colette Head – skończyła słynny uniwersytet Harvarda, zajmuje się modelami transportu zanieczyszczeń. No i na koniec  Bill Gray, patykowaty emerytowany profesor, jeden z najbardziej znanych na świecie przeciwników hipotezy o globalnym ociepleniu.  Dodam, że na wydziale uczy się około 100 doktorantów.

Jak wygląda uniwersytecka fizyka atmosfery w Polsce w 2010 roku? Przypomnijmy, jesteśmy już po olbrzymich przemianach, po wejściu Polski do Unii Europejskiej, gdzie sprawy klimatu, konwencji klimatycznych, chemii atmosfery, wpływu człowieka na pogodę są wielkimi problemami.  Jedynym ośrodkiem uniwersyteckim  fizyki atmosfery  w Polsce jest  Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.  W zakładzie pracuje klika osób, profesorami są tylko Szymon Malinowski, Krzysztof Haman, Hanka Pawłowska (szefowa), z młodszych osób jest Krzysztof Markowicz.  Jakby rozszerzeniem zakładu jest współpraca z kilkoma naukowcami, którzy wyemigrowali w latach 1980 – Piotrem Smolarkiewiczem, Wojtkiem Grabowskim, którzy pracują w amerykańskim Narodowym Centrum Badań Atmosfery (NCAR) i Piotrem Flatauem z Uniwersytetu Kalifornijskiego.

http://www.igf.fuw.edu.pl/

W Polsce meteorologia jest też wykładana na wydziałach rolniczych i wydziałach geografii. Tylko, że współczesne badania klimatu i prognozy pogody nie opierają się na metodach statystycznych i klasyfikacyjnych.  Natomiast opierają się na fizyce, chemii, symulacjach komputerowych, danych radarowych, modelach transportu zanieczyszczeń, asymilacji danych, równaniu transferu promieniowania,  metodach teledetekcyjnych, dynamice atmosfery.

I to by było na tyle. Właśnie dlatego emerytowany lekarz jest przesłuchiwany jako ekspert od klimatu w polskim Sejmie.

PS Rektorem Uniwersytetu Warszawskiego jest Katarzyna Macukow, która pracuje w Instytucie Geofizyki (gdzie jest Zakład Fizyki Atmosfery) Uniwersytetu Warszawskiego. I własnie dla niej napisałem ten tekst. Ciao Kasia.