Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych

Chmury

wtorek, 02 października 2012

Dziś omawiam najpiękniejszy artykuł dotyczący pomiarów satelitarnych chmur z ostatnich lat. Artykuł pojawił się dwa tygodnie temu.  Napisał go Steve Miller, który ma nieprawdopodobny talent do znajdowania rzeczy, których nikt inny nie dostrzegł (w 2005 odkrył wielkie obszary świecącego oceanu – co opisywano uprzednio tylko w historiach o piratach). Otóż Steve tym razem odkrył, że można z  satelity ... rozpoznać chmury w świetle widzialnym nocą. Proszę przeczytać poprzednie zdanie jeszcze raz. Dodam, że można to zrobić bez światła księżyca. Intesywność nocnego światła - poświaty niebieskiej, światła zodiakalnego, gwiazd, aurory jest miliard razy mniejsza niż intesywność światła w czasie dnia (Słońce). Mimo to obecnie jest możliwe badanie chmur w świetle widzialnym w nocy. Jest tak dzięki nowym instrumentom pomiarowym z przestrzeni kosmicznej na satelicie NPP, który jest  na orbicie od 28 października 2011 roku.   Ten satelita nazywany jest też „Suomi” od nazwiska Vernera Suomi, który jest powszechnie uznawany za "ojca"  meteorologii satelitarnej.  Na Suomi jest instrument,  mierzący światło o bardzo małej intensywności.   Samo odkrycie było kompletnie przypadkowe i nieoczekiwane. Steve starał się zrobić kalibrację  instrumentu i patrzył na zdjęcia,  które powinny być idealnie czarne, ale cały czas były jakieś szumy. Wobec tego zaczął się przyglądać wynikom i zauważył że jest pewna regularność. Po analizie okazało się, że obeserwuje chmury nocą. Okazało się, że instrument jaki skonstruowano miał nieco przesuniętą długość fali w jakiej były prowadzone obserwacje  w stosunku do poprzednich instrumentów tego typu.  Dzieki temu przypadkowi dokonano odkrycia.  Dlaczego to jest  ważne? Do tej pory, mówimy tu o dziesiątkach lat,  obserwacje chmur w nocy w świetle widzialnym były bardzo sporadyczne.  Jest jednak wiele zjawisk atmosferycznych, które w nocy mogą zachodzić nieco inaczej.   Np intensywność burz jest inna w dzień a inna w nocy.  W tropikach – co przypuszczalnie będzie zaskoczeniem dla większości czytelników z Polski – intesywność burz jest największa nad ranem, a nie jak na Mazurach czy w Warszawie  po południu.  Do tej pory tak do końca nie wiadomo dlaczego (chociaż pomysły są). Poniżej jest nieprawdopodobne zdjęcie w świetle widzialnym.

Zdjęcie chmur z Suomi

 

Po prawej, górnej stronie widać światła miast w Stanach Zjednoczonych nocą i jednocześnie widać chmury w świetle widzialnym. To zdjęcie będzie uznane kiedyś za jedno z najbardziej spektakularnych zdjęć meteorologii satelitarnej. Okazuje się, że największym źródłem światła nocą jest bardzo słaba emisja, której źródłem jest atmosfera Ziemi – tzw poświata niebieska.  Poświata niebieska może być dostrzeżona z Ziemi i z przestrzeni kosmicznej. Poniżej jest zdjęcie z międzynarodowej stacji kosmicznej gdzie widać różne elementy nocnych źródeł światła.



 zdjęcie  różnych źródeł swiatła z ISS



Dla ekspertów

Suomi satellite brings to light a unique frontier of nighttime environmental sensing capabilitie, 2012, PNAS,  September 10, 2012, doi:10.1073/pnas.1207034109

http://www.pnas.org/content/early/2012/09/05/1207034109.full.pdf+html?with-ds=yes

 

 

piątek, 01 czerwca 2012

Dziś reklamuję artykuł, którego jestem współautorem, zresztą wraz z kilkoma osobami, m.in. ze swoim studentem z Instytutu Geofizyki Uniwersytetu Warszawskiego - Darkiem Baranowskim.  Artykuł ukazał się dwie godziny temu w Proceedings of the National Academy of Sciences – prestiżowym czasopiśmie naukowym a sprawa dotyczy kropli deszczowych.   Pomiary teledetekcyjne w atmosferze są coraz częściej wykorzystywane w reprezentacji procesów chmurowych w numerycznych modelach prognozy pogody. Publikacja pokazuje, że możliwe jest połączenie pomiaru wielkoskalowych własności chmury z pomiarem własności pojedynczych kropelek opadu.  Opisujemy obserwacje chmury burzowej w czasie jej przejścia nad radarem patrzącym do góry w dniu 27 sierpnia 2010 na Florydzie  koło Centrum Badań Kosmicznych. Możliwość takich unikalnych obserwacji daje specyficzna kombinacja własności radaru: 3 MW mocy skupione w bardzo wąskiej wiązce. Ten radar, o bardzo dużej mocy wiązki,
był poprzednio wykorzystywany przez NASA  w czasie startów promów kosmicznych na Przylądku Canaveral. Można nim obserwować obiekt o wielkości trochę większej niż piłeczka golfowa, ale zrobiona z metalu,  w przestrzeni kosmicznej. Zresztą tak się kalibruje ten radar.

krople radarem

Na rysunku na osi pionowej jest wysokość a na osi poziomej czas. Mniejszy kolorowy wykres prezentuje strukturę chmury w znacznie większej skali uzyskaną z wiązki radarowej o gorszej rozdzielczości, podczas gdy główny wykres prezentuje strukturę pozostawioną przez pojedyncze kropelki deszczu przecinające wiązkę radarową o wysokiej rozdzielczości. Na rysunku pokazujemy radarowe ślady pojedynczych
kropli. Krople daje się zauważyć jako maksima odbijalności.
Na wykresie pokazującym strukturę chmury w większej skali widać cząstki lodu powstałe w górnej warstwie chmury, które następnie opadają poniżej poziomu topnienia przekształcając się w krople deszczu.  Ślady na głównym wykresie, pod pewnym kątem do pionu, świadczą o ruchu cząstek w kierunku powierzchni Ziemi. Z wartości odbicia, dopplerowskiego przesunięcia fazy oraz kąta nachylenia pojedynczego śladu można wyliczyć koncentrację i rozmiar wielu kropli. To chyba pierwsze obserwacje tego typu.

Tagi: chmury
03:20, pcirrus , Chmury
Link Dodaj komentarz »
wtorek, 20 grudnia 2011

Dziś korespondowałem z Jabesem (Robertem Janeckim) na temat burz w strefie konwergencji. Robert jest nawigatorem w czasie Rejsu Romana Paszke. Paszke właśnie wpływa do strefy konwergencji i jest wyczulony na temat porywistych wiatrów bo kiedyś na jachcie Warta doświadczył szkwałów o prędkości do 40 węzłów w podobnej sytuacji.  Ma w tej strefie ustawione budzenie na co 15 minut i płynie skoncentrowany. Robert chciał wiedzieć czy widać komórki burzowe i czy można ocienić jakoś siłę wiatru. Problem jest ciekawy meteorologiczne. Jacht Gemini 3 jest w momencie kiedy pisze ten blog, czyli o godzinie 2011-12-20:15GMT, na pozycji 5.54W, 23.62W i wpływa w strefę konwergencji, która ma około dwa stopnie szerokości geograficznej, płynie w stronę równika na południe. Wiatr jest słabszy, bo jest już w strefie ciszy strefy konwergencji. Do prognozy mieliśmy informację głównie ze zdjęć satelitarnych, bo modele numeryczne w tych obszarach nie są najlepsze. Kilka parametrów otrzymanych ze zdjęć satelitarnych można wykorzystać do prognozy burz w tropikach. Po pierwsze zdjęcia pokazują gdzie są chmury; bez chmur nie ma burz. Innym parametrem jest struktura chmur, czym bardziej niejednorodna – tym bardzie przypomina to burze. O takich chmurach mówi się, że maja strukturę popcornu bo wyglądają jak prażona kukurydza tyle, że są biało-szare. Jasność chmury na zdjęciu satelitarnym (w podczerwieni) określa temperaturę jej wierzchołków. Jest tak dlatego, bo chmury mają temperaturę otoczenia a temperatura otoczenia jest związana z wysokością - czym wyżej tym zimniej. Wysokie wierzchołki chmur konwekcyjnych pokazują na potencjalnie silne wiatry na powierzchni Ziemi, bo z prądami wstępującymi, wynoszącymi wierzchołki chmur, związane są też prądy zstępujące, tworzące szkwały. Burze występują w tropikach dość niechętnie same z siebie i trzeba je jakoś wymusić. Albo przez naprawdę dużą temperaturę oceanu, około 31 stopnia C – mówimy wtedy o wymuszaniu termodynamicznym. Albo przez konwergencję powietrza w dolnych warstwach atmosfery lub przez "zassanie powietrza od góry" – mówimy wtedy o wymuszaniu dynamicznym. Wierzchołki chmur są teraz w strefie konwergencji na około 10-12km. W Polsce to byłoby bardzo wysoko. Ale w atmosferze tropikalnej tropopauza – czyli koniec troposfery jest znacznie wyżej niż w Polsce, nawet na 16 kilometrach, więc naprawdę wysoka konwekcja byłaby jeszcze wyżej. Jednym z ciekawych sposobów oceny wysokości chmur są dane radarowe.

cloudsat

Dane z radaru CloudSat dla obszaru dzie jest jacht Gemini 3. CloudSat oblatuje ziemię w kosmosie i obserwuje wąski pas atmosfery patrząc w dół. Ponieważ jest to radar - jego wiązka mikrofalowa jest w stanie przeniknąć przez atmosferę (tak jak kuchenka mikrofalowa przenika przez kartofel) i pokazać przekrój pionowy odbijalności atmosfery. Ponieważ krople wody i kryształy odbijają w pewnym stopniu promieniowanie mikrofalowe to służy to do oceny intensywności chmur. M.in. dzięki tego typu danym można ocenić potencjał szkwałów na powierzchni Ziemi. Na dole po lewej stronie pokazane są dane dla obszaru na Ziemi w strefie konwergencji wiatrów pasatowych.

Na środku oceanu radarów nie ma, ale jest radar umieszczony na satelicie CloudSat, który od czasu do czasu leci nad konkretnym punktem w tropikach. Radar jest w przestrzeni kosmicznej więc świetnie widzi wierzchołki chmur, ale ma trudności z chmurami blisko Ziemi. Na zdjęciu jakie dodaję widać trajektorię lotu CloudSat nad Ziemią. W szczególności satelita przelatuje blisko równika koło Afryki, tam gdzie dziś jest Paszke. Widać strefę konwergencji tropikalnej koło 4N. Przekrój przez atmosferę (dolny rysunek po lewej)pokazuje rozległe wierzchołki chmur, przypominające kowadło – ze skoncentrowanym obszarem opadu przy powierzchni Ziemi i rozpływającą się chmurą na około 12km. Najwyższa część atmosfery na tym rysunku to około 30km. Opisuję tutaj tę część rysunku, która jest na szarym tle. Kolorowa linia pokazuje trajektorię Cloudsata.

 

Dla ekspertów:

Ucząc wstępu do fizyki atmosfery warto wykorzystywać CloudSat. Można pokazać podstawowe elementy modelu norweskiego cyklonów (chmury), przekroje przez cyklony tropikalne, ITCZ, itd. Dane są na
http://cloudsat.cira.colostate.edu/dpcstatusQL.php

czwartek, 03 listopada 2011

Piszę akurat artykuł o altocumulusie i mam przed nosem rysunek  olbrzymich zmian temperatury w  małej chmurze. Dla przykładu niebieskim kolorem zaznaczone jest oziębianie o około -10 stopni na godzinę związane z promieniowaniem cieplnym. Z drugiej strony, bliżej podstawy chmury, następuje jej ogrzewanie – znacznie mniejsze bo około +2 stopnie na godzinę.  Na osi pionowej jest wysokość nad Ziemią, na osi poziomej jest czas. Akurat ta chmura była (na Florydzie w lecie 2010 roku) pomiędzy wysokością 6650m a 6850m. Czyli miała jakieś  200 metrów grubości.  Nie wiem co bym zrobił gdybym był chmurą, bo przecież 6850 metrów nad Ziemią i tak jest  już dosyć zimno – tak koło 0C, jak nie mniej, a tu jeszcze dodatkowe oziębianie o 10C na godzinę. Powodem tego wypromieniowania jest fakt, że powyżej chmury jest jeszcze zimniej, więc nie ma jej co ogrzewać.   Czy jest jakaś szansa, żeby ta chmura nie zamarzła na smierć?    Tak. Po pierwsze, zimne powietrze na górze chmury jest cięższe więc może opadać i mieszać się z cieplejszym powietrzem. Po drugie, jeżeli jest w powietrzu para wodna wodna to przy kondensacji (zmianie na wodę) wydziela się ciepło.  Można by też nałożyć na tę chmurę kołderkę – np. inną chmurę nieco wyżej. Wtedy nie byłoby jej tak zimno.  I dlatego w nocy kiedy są chmury blisko nad Ziemią nie jest aż tak zimno; to się nazywa efekt cieplarniany.

 

Dla ekspertów.  Chmura była obserwowana radarem o bardzo wysokiej rozdzielczości, który był wykorzystywany do oceny odprysków przy startach Promu Kosmicznego na Przylądku Canaveral.  Tyle, że w tym wypadku obserwowaliśmy niebo patrząc radarem do góry.  Tutaj jest opis radaru i eksperymentu z ostatniego numeru czasopisma "Meteorological Technology International"

http://viewer.zmags.com/publication/80eaaeef#/80eaaeef/52

Przejście od odbijalności do LWC zostało zrobione zakładając R = a LWC^2 (dzięki pomiarom samolotowym). A z tego, za pomocą RRTM, "heating rates" - moim zdaniem sprytne?

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.

 

niedziela, 01 sierpnia 2010

Pyrocumulonimbus (pyroCb) to chmura  związana z gwałtownymi pożarami. W 2010 zostanie wydrukowany w Biuletynie Amerykańskiego Stowarzyszenia Meteorologicznego artykuł na ten temat -  Nieopowiedziana historia pyrocumulonimbusa, a ja Państwu już, i to za darmo, donoszę o tym nowym wynalazku. Nazwa pyroCb pochodzi od pyro=pożary i Cb=cumulonimbus.  PyroCb mają stosunkowo dziwne nazewnictwo bo  w dotychczasowej nomenklaturze meteorologicznej "nimbus” oznaczał "opad" podczas gdy z pyroCb nie pada deszcz. Z pyroCb mogą być jednak związane tornada.

(patrz: The Untold Story of Pyrocumulonimbus, Michael Fromm1, Daniel T. Lindsey, René Servranckx, Glenn Yue, Thomas Trickl , Robert Sica, Paul Doucet, Sophie Godin-Beekmann, BAMS, 2010)

Zacznimy od struktury atmosfery.  Najpierw mamy troposferę i to jest coś w czego dolnej części żyjemy i najczęściej nazywamy atmosferą. Następnie jest tropopauza. Jeden z moich profesorów nazywał tropopauzę  pokrywką, czyli po angielsku LID - co jest skrótem od pierwszych trzech liter  Level of Insignificant Dynamics – poziom znikomej dynamiki.  Tropopauza jest istotnie obszarem, w którym wiele ruchów powietrza jest hamowanych, ze względu na dużą stabilność powietrza, trochę tak jak w zimie blisko Ziemi. Zaraz za tropopauzą zaczyna się ponadświat czyli dolna stratosfera. Struktura jest taka – od dołu: troposfera, pokrywka, i ponadświat.  Powszechnie uważa się, że ze względu na „pokrywkę” wymiana powietrza pomiędzy dolną atmosferą gdzie żyjemy i „ponadświatem” (stratosferą) odbywa się  za pomocą gwałtownych wydarzeń – wybuchów wulkanicznych, wojny jądrowej,  lub zjawisk związanych z gwałtownymi pożarami.   Wprawdzie wymiana pomiędzy stratosferą i troposferą jest mała, ale jeżeli już zachodzi to dostające się tam cząstki przebywają w niej długo i mogą wpłynąć na globalna temperaturę.

Co jest nowego w pyroCb?  Są to chmury konwekcyjne nad gorącym obszarem związane najczęściej z pożarami, z których najsilniejsze wznoszą pyły do dolnej stratosfery.  Do tej pory kiedy wzrastała koncentracja cząstek zawieszonych w stratosferze myślano, że jest to związane z wybuchami wulkanicznymi. Teraz wydaje się, że tak nie jest, i że część przypadków związana jest z  pyroCb.  Klimatologia pyroCb jest jeszcze mało zbadana. W roku 2002 w Kanadzie i w USA było takich przypadków 17.  Do tej pory opisano dobrze w literaturze około 10 przypadków.  

Inną sprawą jest jak się bada ilość pyłów zawieszonych w ponadświecie; o tym kiedy indziej.

PS Termin „ponadświat”  opisujący stratosferę pochodzi od Jima Holtona, fizyka atmosfery z Uniwersytetu Waszyngtona w Seattle. Biuletyn Amerykańskiego Stowarzyszenia Meteorologicznego jest powszechnie nazywany BAMS - jest  najpoważniejszym z niepoważnych czasopism popularyzującym fizykę atmosfery; jeżeli popularyzacje nauki uważać za coś niepoważnego.  Z tym, że ja piszę dla Państwa za darmo jest związana anegdota. W kabarecie  „Pod Egidą” w czasach kiedy bilety były tanie po 15 minutach przedstawienia wychodził Jonasz Kofta lub Jan Pietrzak,  i któryś z nich mówili - no to przez te 15 minut opowiedzieliśmy państwu już dowcipów za cenę biletu a reszta programu będzie za darmo.  A może to słyszałem w  „Piwnicy”?

Tagi: PyroCb
01:27, pcirrus , Chmury
Link Komentarze (2) »
czwartek, 24 czerwca 2010

Historia badań nad naturalnym termostatem temperatury oceanu w tropikach jest pasjonująca. Ostatnio hipoteza ta „wpadła w ręce” przeciwnikom zmian klimatu, ale została zaproponowana przez V. Ramanathana (Ram) i Billa Collinsa, którzy z pewnością nie planowali, że ich pomysły będą teraz służyć przeciw badaniom klimatycznym.

W skrócie Ramanathan i Collins zaproponowali (Ramanathan, V., and W. Collins. 1991. Thermodynamic regulation of ocean warming by cirrus clouds deduced from observations of the 1987 El Niño. Nature 351:27-32), że temperatura w ocenie tropikalnym jest regulowana przez burze, a dokładniej przez kowadła chmurowe związane z burzami.  Kowadło chmurowe to górna część rozbudowanej chmury burzowej  (patrz rysunek) a nazywa się kowadło bo wyglada jak kowadło. W pasie szerokości geograficznych pomiędzy równikiem do 30 stopni szerokości (na obu półkulach) około 50%  pomiarów temperatury oceanu ma zadziwiające własności – utrzymuje się w bardzo wąskim przedziale od 27 do 30 stopni Celsiusza.  Tylko w 0.01% przypadków temperatura oceanu w tym rejonie świata jest większa niż 31 stopni Celsiusza. Pomysł Ramanathana i Collinsa polegał na tym,  że przy pewnej temperaturze oceanu powstają gwałtowne burze i z tych burz dużo pary wodnej jest transportowana bardzo wysoko i tworzy  chmury złożone z kryształów lodu.  Od chmur odbija się promieniowanie słoneczne i to powoduje oziębianie powierzchni Ziemi. Hipoteza Ramanathana i Collinsa nigdy nie doczekała się ostatecznego wyjaśnienia. Dla przykładu oceanografowie twierdzili, że kontrola temperatury oceanu jest związana z transportem ciepła z równika na bieguny. W 1993 roku odbył się eksperyment poświęcony termostatowi.
http://www-c4.ucsd.edu/cepex/

i miał za zadanie zweryfikowanie hipotezy termostatu przez wykorzystanie różnic zachmurzenia pomiędzy Zachodnim i Centralnym Pacyfikiem. Tyle tylko, że w 1993 różnice w zachmurzeniu były małe (przyszło El Nino).

 

Sam mechanizm jest teraz miodem na serce przeciwników zmian klimatycznych, którzy twierdzą że termostat powoduje stabilizację temperatury powierzchni Ziemi. Podczas gdy sam pomysł termostatu jest intrygujący to wykorzystanie go przez przeciwników zmian klimatu jest wątpliwe bo  chmury nie zmieniają koncentracji gazów cieplarnianych i przy wzroście temperatury, możemy mieć do czynienia z trudną do przewidzenia sytuacją równowagi.

PS Trochę tu trzeba uważać, bo od „normalnych”, czyli cienkich chmury cirrus promieniowanie słoneczne odbija się w małym stopniu i raczej ocieplają one powierzchnię Ziemi. Piszę "raczej" bo ocieplanie lub oziębianie powierzchni Ziemi przez cienkie chmury lodowe zależy od wielkości kryształków lodu. Termostat działa tylko dla bardzo grubych chmur. Tak przy okazji - chmury blisko powierzchni Ziemi powodują oziębianie.     

sobota, 08 maja 2010

Ten blog mi chodzi po głowie bo przygotowuję się do eksperymentu na Florydzie na Przylądku Canaveral. Mam zamiar napisac o tym jak się mierzy ilość chmur i dlaczego to jest ważne.

Na początek trochę motywacji. Z punktu widzenia zmian klimatu zachmurzene jest ważnym parametrem bo chmury odbijają duże ilości promieniowania słoneczngo.  Każdy z nas dobrze wie, że w Polsce, w zimie, kiedy powyżej są chmury na dworze jest ponuro. Chmury odbijają około 50-70%  przychodzącego promieniowania słonecznego. Jest to olbrzymia ilość w porównaniu  z efektem cieplarnianym – około 100 razy większa. Czasami  nie zdajemy sobie nawet sprawy jak jest ciemno poniżej chmur, bo nasze oko ma nieprawdopodobną zdolność do adaptacji, ale pomiary pyranometrami
http://pl.wikipedia.org/wiki/Pyranometr

pokazują duży spadek natężenia.  Pomimo adaptacji reagujemy na zmianę natężenia promieniowania słonecznego – m.in. jest więcej depresji (psychicznych) w Polsce w zimie.  Wpływ na klimat poprzez  zmiany pokrywy chmur  jest jednym z wielu proponowanych mechanizmów. Jest  kilka proponowanych mechanizmów tego typu wpływu - regulacja temperatury w obszarach tropikalnych przez efekt termostatu, zmiany pokrywy chmur poprzez promieniowanie kosmiczne,  zmiany pokrywy chmur poprzez zmiany wilgotności w atmosferze.

Ale pomiary zachmurzenia są trudne. Przez kilka dziesiątków lat był to pomiar subiektywny, opierający się na ocenie zachmurzenia przez obserwatorów na stacjach meteorolgicznych. Robiło się to poprzez ocenę  zachmurzenia na trzech wysokościach  w jednostkach co 1/8; 0/8 – czyste niebo, 8/8 – całkowite zachmurzenie. Od czasu pomiarów satelitarnych ocenę pokrywy chmur można robić z przestrzeni kosmicznej. Nie jest to łatwe, zwłaszcza nad obszarami gdzie leży śnieg i ze względu na trudności oceny wysokości podstawy chmur, a także ze względu na  trudności technologiczne. Zmieniające się i coraz lepsze sposoby pomiarów satelitarnych powodowały, że inaczej oceniano zachmurzenie w kolejnych latach.  W końcu powstał projekt satelitarny ISCCP (wymawiaj  „iskip”), który miał za zadanie uniformizację wyników
http://isccp.giss.nasa.gov/

Projekt był prowadzony przez Billa Rossowa (uwielbia operetki) w ośrodku NASA GISS w Nowym Jorku, w tym samym miejscu gdzie pracuje znienawidzony przez przeciwników zmian klimatycznych Jim Hansen.   Wyniki projektu były bajecznie popularne i doprowadziły do tego, że zaczęto używać danych chmurowych ISCCP do oceny zmian klimatu. Bill Rossow łapał się za głowę, bo wiedział jak trudno jest zuniformizowć dane satelitarne z kilkunastu lat i używać je dla ocen klimatycznych; identyczny problem pojawil sie ostatnio w ocenie intensywności cyklonów tropikalnych tzw. metodą Dvoraka. Mimo to,  pojawiło się wiele (problematycznych) artykułów korelujących klimatologię zachmurzenia z różnymi procesami – np. aktywnością słońca; cześć z nich, m.in. hipoteza Svensmarka,  jest trudna do zweryfikowania.

sobota, 01 maja 2010

Jeden z najbardziej aktywnie badanych współczesnych problemów zmian klimatu opiera sie na pionierskich pracach polsko-amerykańskiego  fizyka atmosfery – Wojtka Grabowskiego. Wojtek pracuje od lat w Narodowym Centrum Badań Atmosferycznych w Boulder w Kolorado. To dzięki jego badaniom powstało centrum  nauki i technologii Wielkoskalowych Badań Procesów Atmosferycznych
http://www.cmmap.org/

Centrum stara się w realistyczny sposób uwzględnić procesy chmurowe w numerycznych modelach klimatu. Wojtek napisał kilka artykułów, które zapoczątkowały zainteresowanie tym tematem. Jeden z nich dotyczy parametryzacji konwekcji za pomocą modeli chmurowych (patrz np. Grabowski, W. W., and P. K. Smolarkiewicz, 1999: CRCP: A cloud resolving convection parameterization for modeling the tropical convective atmosphere. Physica D, 133, 171-178).

O co tutaj chodzi? Komputerowe modele zmian klimatu polegają na uwzględnieniu wielu wpływów na element powietrza.  To, że wieje wiatr zależy od tego jakie są różnice ciśnienia. To, ile promieniowania słonecznego dochodzi do Ziemi zależy od tego czy jest noc czy dzień i od tego ile promieniowania jest odbijane od chmur. To czy są chmury zależy od tego czy jest dostatecznie dużo wilgotności w atmosferze i od tego czy cząstce powietrza łatwo czy trudno przemieszczać się do góry (mówimy o stabilności atmosfery). Komputerowe modele  starają się uwzględniać wszystkie istotne procesy atmosferyczne:  transport promieniowania słonecznego, mieszanie turbulencyjne, tworzenie się chmur, oddziaływanie powietrza z przepływem nad górami, adwekcję powietrza z jednego miejsca do drugiego. Takich elementów powietrza może być szalenie dużo,  na wszystkie oddziaływują różne procesy i w zasadzie każdy z tych elementów ma wpływ na wszystkie inne. Ze względu na ograniczenia w szybkości obliczeń wyniki są liczone dla pewnej określonej rozdzielczości. Chcemy nie tylko uwzględnić dużą ilość elementów powietrza – daje to możliwość dobrej prognozy w konkretnym miejscu, ale też dokonać takiego podziału, w którym wszystkie istotne procesy są uwzględnione. Mimo to pewne procesy są zawsze podskalowe, innymi słowy nie są w sposób bezpośredni opisane.  Fizycy od dawna nauczyli się żyć z takimi podskalowymi zjawiskami.   Dla przykładu, temperatura w butelce jest przejawem ruchu wszystkich molekuł. Śledząc je wszystkie można wyznaczyć temperaturę.  Ale można też zmierzyć temperaturę termometrem, który mierzy uśrednioną wartość wszystkich molekularnych oddziaływań (uwaga tylko dla fizyków, którzy to czytają; chodzi o różnice pomiędzy opisem makroskopowym i mikroskopowym;  mechanika statystyczna vs termodynamika).

Jednym z procesów podskalowych w modelach prognozy pogody i klimatu jest powstawanie chmur. W globalnych modelach cyrkulacji ziemskiej rozważa się obecnie elementy powietrza w horyzontalnej skali około 100x100 kilometrów.  Chmury mają skalę zazwyczaj znacznie mniejszą niż 100x100 kilometrów. W tak dużym elemencie może być tysiące znacznie mniejszych chmur. Jednak pewną informację o uśrednionych własnościach można uzyskać nawet w tak dużym elemencie. Dla przykładu, jeżeli jest kompletnie sucho, to niezależnie od tego czy w środku  elementu jest góra czy jezioro, chmury nie mają szans powstać. Jest to przykład parametryzacji procesów podskalowych na podstwie informacji z większej skali.

Na czym polegał pionierski pomysł Grabowskiego?  Otóż Wojtek postanowił użyć do opisu chmur  „modelu w modelu”. Innymi słowy połączył ze sobą dwa modele. Jeden to ten jaki opisałem powyżej. W nim obliczane są prognozy dla elementu w skali 100x100km. Natomiast drugi model stara się obliczyć pole zachmurzenia wewnątrz elementu 100x100km dzieląc go na znacznie mniesze elementy.  Następnie wyniki z tego podskalowego modelu są uśredniane (np pole zachmurzenia) i przekazywane do modelu w większej skali. Tego typu schemat nazywany jest  obecnie w meteorologii superparametryzacją.

piątek, 26 marca 2010

Moja dzisiejsza przemowa dotyczy czegoś, co może wydawać się kompletnie niepraktycznym tematem: dotyczy zmienności chmur. Od momentu kiedy meteorologia stała się modnym tematem, badania różnych form wody zawieszonej w atmosferze stały się interesujące a nawet konieczne. Gdyby chmury były tylko rezultatem kondensacji pary wodnej w masie powietrza, gdyby ich zmienność związana była tylko z ruchem atmosfery, wtedy istotnie badania chmur byłyby bezużytecznym śledzeniem cieni, próbą opisu form, które są tylko igraszką wiatrów, ciągle zmieniające się, a więc niemożliwe  do opisania. Ale tak nie jest w przypadku chmur.  Tak pisał Luke Howard, twórca nowoczesnej klasyfikacji chmur, w roku 1802 (większość informacji w tym blogu pochodzi z czarującej ksiązki Richarda Hamblina, The Invention of Clouds, How an Amateur Meteorologist Forged the Language of the Skies, 2001, New York). Z drugiej jednak strony noblistka pisze

Z opisywaniem chmur
musiałabym się bardzo śpieszyć -
już po ułamku chwili
przestają być te, zaczynają być inne.

Ich właściwością jest
nie powtarzać się nigdy
w kształtach, odcieniach, pozach i układzie.
(W. Szymborska, Chmury) 

Dzięki Howardowi używamy do tej pory podstawowe nazwy cirrus, stratus i cumulus na powtarzalne w kształcie, odcieniach, pozach i układach chmury występujące w atmosferze.   W grudniu 1802  roku Howard przedstawił publicznie swoja klasyfikację w Londynie, a w 1803 opublikował "On the Modifications of Clouds" w czasopiśmie Philosophical Magazine. Publikacja wywołała duże wrażenie w Europie. Niemiecki poeta Goethe zapoznał się z nią w przedruku w Annalen der Physik w 1815 roku i napisał wiersz na cześć Howarda.  
http://pl.wikipedia.org/wiki/Luke_Howard

Makroskopowe klasyfikacje chmur wskazały na pewną powtarzalność zjawisk atmosferycznych wymuszających powstawanie chmur złożonych z kryształów lodu lub kropel wody (powtarzalność zjawisk chmurowych daje okazje, żeby je uwzględnić w komputerowych modelach zmian klimatycznych). W tym czasie odbywały się pierwsze loty balonem na rozgrzane powietrze. Dzięki temu można było się ostatecznie przekonać, że chmury złożone są z kropel wody a nie z malutkich baloników powietrza otoczonego cienką warstwą wody - ludziom wydawało, że krople wody są za ciężkie, żeby unosić się w powietrzu. Dało to początek badaniom mikrofizyki chmur. Okazało się, że chmury mają dobrze określony cykl życia –  rozwoju i zaniku - i pamietają o procesach, które je tworzyły poprzez kształt i wielkość kropel, zanieczyszczeń i rodzaju kryształów lodowych (z analizy rozgałęzień śnieżnych kryształków lodu można wywnioskować jaka była temperatura i wilgotność w atmosferze na róznych wysokościach w czasie opadania kryształu lodu na Ziemię).   Niektóre z nich, np chmury stratocumulus, żyją bardzo długo mimo że są cały czas przygniatane przez zstępujące powietrze. Pamiętają o tym, że przepływał poniżej nich statek poprzez zmienioną wielkość kropelek wody.


Nie obciążone pamięcią o niczym,
unoszą się bez trudu nad faktami.

Jacy tam z nich świadkowie czegokolwiek -
natychmiast rozwiewają się na wszystkie strony
(W. Szymborska, Chmury)

Wiadomo, że chmury mogą być modyfikowane przez działalność człowieka m.in. poprzez modyfikację wielkości kropli. Innymi słowy, dla tej samej całkowitej masy wody, mogą istnieć chmury, które mają mniej lub więcej kropli.  Bardzo cienkie chmury, zwłaszcza tam gdzie latają wysoko samoloty, są słabo widzialne gołym okiem. Mówimy o nich „ledwo widzialne”.  Ale większość chmur łatwo zaobserwować mimo, że krople wody są przeźroczyste.

Nie mają obowiązku razem z nami ginąć.
Nie muszą być widziane, żeby płynąć.
(W. Szymborska, Chmury)