Historia i symulacja klimatu Ziemskiego

Kurak · 31 Sierpnia 2011

Witam!

1. Wstęp

Jako że problem globalnego ocieplenia oraz symulowania klimatu od czasu do czasu przewija się na forum, postanowiłem przybliżyć wam trochę kwestie tej ciemnej materii. Z racji kierunku, na którym się znajduję (informatyka stosowana w fizyce) miałem tą przyjemność wygłaszania, krótkiego seminarium o tym temacie. Zaznaczam że nie jestem żadnym tam ekspertem w tej dziedzinie, jednak zgromadziłem dużą ilość danych i prac na ten temat, które nie są bezwartościowym biciem piany i je chciałbym przedstawić.

2. Problem definicji klimatu

Z Wikipedii:

Ogół zjawisk pogodowych na danym obszarze w okresie wieloletnim. Ustalany jest na podstawie wieloletnich obserwacji różnorodnych składników, najczęściej pomiarów temperatury, opadów atmosferycznych i wiatru. Standardowy okres to około trzydzieści lat.

Klimat nie jest pojęciem ścisłym, w tym sensie iż nie istnieje jego jedna definicja i metoda jego otrzymania. Jest to pojęcie statystyczne i umowne, jako takie powinno być postrzegane. Czyli klimat to nie tylko wartości średnie np. temperatury na Ziemi, ale cała masa innych wskaźników statystycznych, takich jak wariancje czy odchylenia standardowe. Trochę głupawym, ale dobrze ilustrującym ten fakt przykładem jest problem z przeprawy przez rzekę. Chcemy przejść przez rzekę, ale nie umiemy pływać, wiemy że średnia głębokość rzeki to jeden metr, ale cóż nam z średniej jak w najgłębszym miejscu jest ponad 2 metry i nagle grunt nam się ucieka z pod stóp.

3. Historia klimatu

Historia nauczyła nas jednego, nikt nie uczy się historii. A przecież historia lubi się powtarzać.

[Załącznik 1]

W historii klimatycznej Ziemi widać okresowe zmiany, na przemienne zlodowacenia i ocieplenia. Na tej podstawie można powiedzieć że nie istnienie na ziemi coś takiego jak stały nie zmienny klimat (czemu tak jest wyjaśnię w późniejszym rozdziale). Co jeszcze ważnego wynika z tego rysunku to fakt że dopiero dźwigamy się z okresu lodowcowego do interglacjału. Na Ziemi było cieplej i taka przyszłość nas czeka.

Ale na jakiej podstawie jesteśmy wstanie stwierdzić jaka była temperatura na Ziemi tysiące lat temu? Przecież nikt wtedy nie prowadził obserwacji pogody! Jesteśmy tylko wyliczyć przybliżoną temperaturę na podstawie pośrednich zjawisk. Jedno z nich to badanie zmienności izotopowej dla planktonu z rdzeni głębokomorskich.

[Załącznik 2]

Mierzymy tutaj w planktonie stosunek izotopów tlenu O16 do O18. Na tej podstawie wykreślamy krzywą, która opowiada nam o wielkości pokrywy śnieżnej na Ziemi. Mechanizm tego zjawiska opisuje rysunek:

[Załączniki 3 i 4]

W czasie parowania z oceanu wydostaje się lekki izotop tlenu O16. Jeżeli jest ciepło spada on z deszczem i spływa z powrotem rzekami do ocenu, stosunek O18/O16 pozostaje bez zmian. Jeżeli jest zimno, opada w formie śniegu i zalega na ziemi, a to powoduje że wzrasta stosunek O18/O16.

Oczywiście nie jest to jedyny sposób badania przeszłości klimatycznej. W rdzeniach lodowych na Grenlandii oraz na Antarktydzie wydobywamy pęcherzyki powietrza będące małymu próbkami ówczesnej atmosfery. A oto wyniki:

[Załącznik 5]

Warto tutaj przypomnieć jak dużą role odgrywają gazy cieplarniane efekcie o tej samej nazwie. Woda 36-66 %, dwutlenek węgla 9-26% oraz Metan 3-7%, inne gazy mają zdecydowanie mniejsze znaczenie. Dodatkowo razem z gazami w bąblach uwięzione są pyłki roślin inne zanieczyszczenia, dzięki którym możemy dowiedzieć się o stanie roślinności oraz ewentualnych wybuchach wulkanów lub innych wielkich katastrofach.

Dodatkowo bada się skamieliny roślin, na przykład ilość aparatów szparkowych liści brzozy z bagien duńskich, informują nas o stężeniu dwutlenku węgla w atmosferze. Innym przykładem jest dendrochronologia, czyli mierzenie grubości słojów drzew, co pośrednio informuje nas o warunkach panujących w atmosferze sprzyjającym wzrostowi roślin (wysoka temperatura i duże stężenie dwutlenku węgla).

[Załącznik 6]

Te wszystkie pośrednie metody mają niestety poważną wadę, są bardzo narażone na błędy. Rdzenie lodowe mogą być nie wiarygodne przez ciągłe przemieszczanie się lodu i jego rekrystalizacje. Osady oceaniczne analogicznie przemieszczone i zanieczyszczone. Opieranie się o skamiliny roślin mylne bo nie wiemy przecież co z dokładnie oddziaływało na roślinę oprócz atmosfery. Jednak prowadząc systematyczne badania i uśredniając wyniki z wielu miejsc otrzymujemy wiarygodne dane, wiarygodne bo z wielu nie zależnych źródeł mamy podobne wartości.

Ostatecznie temperatura na Ziemi wyglądał tak:

[Załącznik 7,8 i 9]

Warto zauważyć tzw. małą epokę lodowcową, gdy nam Szwedzi przez Bałtyk piechotą przechodzili

Z historycznego punktu widzenia nie dzieje się nic nie normalnego. Ale czy to oznacza że człowiek nie wpływa zupełnie na klimat, a te wszystkie doniesienia są wyssane z palca? Otóż nie całkiem, klimat ziemski jest zespołem bardzo skomplikowanych zjawisk nie do końca poznanych, ale o tym w następnym rozdziale.

[spojler w załączniku 10]

3. Czynniki klimatotwórcze

O ile będzie się wam chciało czytać?

[Edit] Błędy, błędy ...

Edytowane 1 Września 2011 przez Robert Bodzoń

pops · 1 Września 2011

bardzo ciekawe, proszę o jeszcze :notworthy:

lukaszp · 1 Września 2011

Może mało kto zdaje sobie sprawę ale aktualnie żyjemy w czasie cieplejszego okresu epoki lodowcowej:

„Wszystkie posiadane przez nas dowody wskazują na to, że Ziemia przez ostatnie 50 lub 60 milionów lat ulegała stopniowemu ochłodzeniu. Przedtem na większej części planety było ciepło – skamieniałości tropikalnych oraz subtropikalnych zwierząt i roślin z tamtych czasów są znajdowane nawet na północ od północnego koła podbiegunowego. Około 35 milionów lat temu nastąpił drastyczny spadek globalnej temperatury i to właśnie wtedy – jak sądzi większość badaczy – na Antarktydzie zaczęły tworzyć się lodowce. Jednak mimo dalszego spadku temperatury i przyrastania antarktycznych czap lodowych dopiero około 3 milionów lat temu, wraz z dalszym drastycznym spadkiem temperatury, pojawiła się na półkuli północnej wielka liczba lodowców. Uważa się to za początek obecnej epoki lodowcowej, a większość zmian klimatu na Ziemi przypisuje powiększaniu i zmniejszaniu się pokryw lodowych na półkuli północnej. Na szczęście podczas obecnego ciepłego okresu lodowce wycofały się wysoko w góry i na bliskie biegunom szerokości geograficzne. Jednak przez ostatnie kilka milionów lat Ziemia jest znacznie zimniejsza niż była przez cztery i pół miliarda lat swojego istnienia. W historii naszej planety, z wyjątkiem krótkich i rzadkich momentów, takie lodowce jak ten na Kilimandżaro w ogóle nie występowały. Natomiast w obecnej epoce lodowcowej można zauważyć zjawisko odwrotne - okresy ciepła i umiarkowanej temperatury, podobnej do tej, jaką mamy teraz, które są według standardów geologicznych krótkimi etapami, trwają przeważnie od 10 do 20 tysięcy lat. Obecny rozpoczął się już około 10 tysięcy lat temu. Jeśli historia jest dobrym przewodnikiem i jeżeli działalność człowieka nie doprowadzi do drastycznego ocieplenia klimatu, lód powróci, i to niebawem, oczywiści według geologicznej miary czasu. Takie miasta jak Montreal, Edynburg, Sztokholm, a może nawet Nowy Jork i Chicago zostaną pogrzebane pod grubą pokrywą lodu, podobnie jak to było w przeszłości”.

Doug Mcdougall Zamarznięta Ziemia, Historia dawnych i przyszłych epok lodowcowych 2008

Trzymajcie się ciepło po lato już dobiega końca, zbliża się jesień no i zima… :rolleyes:

Pozdrawiam

JaLe · 1 Września 2011

Kurak, a kija hokejowego nie masz ?

Edytowane 1 Września 2011 przez JaLe

ekolog · 1 Września 2011

@Kurak

Ja byłem na wykładzie zrobionym dla pracowników wyższej uczelni i przytoczone tam szacunki były zdecydowanie inne

(+4 stopnie jak nic nie zrobimy, itd) zerknij tam do sekcji "Fakty" tam to nie są moje wypociny tylko (niejako) cytaty

plus_cztery_stopnie_to_kataklizm

Pozdrawiam

p.s.

ciut mi za mało soczystych konkluzji-wniosków w Twoim poście

Edytowane 1 Września 2011 przez ekolog

lukaszp · 1 Września 2011

Widzisz Kurak,............., a wystarczyło napisać żeby nie palić w piecu bo będzie koniec świata :Boink:

Kurak · 1 Września 2011

aktualnie żyjemy w czasie cieplejszego okresu epoki lodowcowej

Tak właśnie jest, obecnie mamy to szczęście że żyjemy w czasie kolejnego ocieplenia, interglacjału, ale jak historia ukazuje zarz po nim przyjdzie kolejna epoka lodowcowa, czy tego chcemy czy nie.

Kurak, a kija hokejowego nie masz ?

Nie posiadam takowego xD

ciut mi za mało soczystych konkluzji-wniosków w Twoim poście

Soczyste konkluzje będą potem Na razie moim celem było tylko ukazanie historii klimatycznej ziemi, oraz sposobów jej odkrywania. Unaocznienie faktu że klimat ziemski ciągle podlega zmianom i powtarzającym się cyklom. Nie można przecież badać obecnych zmian układu bez wiedzy o jego historii.

Co do owych +4 stopni i katastrofy, na razie żadnych szacunków nie podałem, chciałbym na końcu się do tego ustosunkować, gdy już będziemy wiedzieć jak działa ten cały wielki ekosystem ziemski.

P.S. Dziękuje za sformatowanie mojego postu w sposób czytelny jeszcze nie ogarnołem wszystkich możliwości tego edytora xD

P.S.S. lukaszp nie bądź taki pewny

Edytowane 1 Września 2011 przez Kurak

JaLe · 2 Września 2011

Nie posiadam takowego xD

To Ci podlinkuje obrazek, w sumie dziwi mnie, że tak kontrowersyjnego wykresu nie pokazałeś:

Kurak · 3 Września 2011

Tak, mam trochę kijów hokejowych nie tylko dla temperatury, ale o tych wszystkich "kontrowersjach" chciałbym wspomnieć później. Nie możemy patrzyć na klimat tylko z punktu widzenia działalności człowieka. Z jednej strony będziemy mieć nie pełny obraz, z drugiej strony upraszczamy tak ciekawy temat. Dlatego czynniki antropogeniczne zostawiłem na sam koniec, i tam znajdzie się więcej kijów.

3. Czynniki klimatotwórcze

Powiedzieliśmy sobie o tym że klimat jest pojęciem statystycznym. Opowiedzieliśmy jego historię i sposoby jej poznawania. Teraz omówimy zjawiska fizyczne jakie tworzą klimat Ziemski. Zagadnienia te nie są ze sobą ściśle powiązane, są tylko koniecznym wstępem do omówienia prób symulacji i prognoz rozwoju klimatu. Dlatego także i w tym rozdziale nie padnie wiele kontrowersyjnych słów, smaczki pozostawmy na później.

Na początek powiemy o procesach najbardziej nam bliskich, czyli astronomicznych. Rozpatrując ekosystem całej kuli ziemskiej nie możemy nie uwzględnić jego głównego źródła energii, Słońca. A to ile energii Ziemia otrzyma zależy od paru czynników.

Pierwszym jest aktywność samego słońca. Jak wszyscy wiemy procesy na Słońcu nie są cały czas niezmienne i stabilne, lecz oscylują. Zjawisko to jest zwane cyklami aktywności słonecznej i najbardziej widowiskowym jest rzecz jasna cykl 11 letni obserwowany przez nas wszystkich z zapałem.

Jak widać wahania energii jaką dostaje Ziemia jest rzędu 1 W/m^2 co jest małym promilem wartości średniej 1366 W/m^2. Jest to zbyt mała zmiana aby miała dla klimatu znaczenie, lecz w czasie dokładnych i ciągłych obserwacji słońca zauważono wiele innych cykli. Dla ciekawostki najwcześniejsze wzmianki o plamach na słońcu pochodzą z Chin 800 lat pna, zaś ciągłe obserwacje są prowadzone od 1610 roku. I tutaj jest problem, gdyż nie posiadamy dokładnych obserwacji słońca z długiego okresu, zaledwie 400 lat i parę wzmianek wcześniej. Na tej podstawie potwierdzono istnienie tylko dwóch cykli, wymienionego wcześniej 11 letniego oraz 22 letniego związanego z przebiegunowaniem się pola magnetycznego (co 11 lat zamieniają się bieguny, a więc co 22 lata wracają na swoje miejsce). Jednak na postawie pewnych przesłanek postuluję się istnienie dłuższych cykli, 88 lat Gleisberga, 208 lat Suess czy nawet 2300 i 6000 letnie cykle. Główną podstawą dla naukowców jest wspomniana wcześniej dendrochronologia. Z jednej strony mierzymy przyrost roczny słojów zaś, z drugiej badamy zawartości izotopu węgla C14 w drzewie. Puki drzewo żyję pobiera ono z atmosfery dwutlenek węgla do fotosyntezy, jak umiera cały mechanizm zostaje zatrzymany i węgiel zostaje uwięziony w pniu. Ów poziom węgla był aktualnym poziomem izotopu w tamtych latach. Wiedząc że produkcja C14 następuje w górnych warstwach ziemskiej atmosfery i jest uzależniona ściśle od siły promieniowania słonecznego, możemy po części wnioskować o ówczesnej aktywności.

Biorąc pod uwagę wszystkie wyniki możemy wykreślić przybliżoną aktywność w przeszłości:

Okazują się że nasze Słońce wcale nie jest żarówką lecz pochodnią raz dającą więcej światła raz mniej. Doszukać się można paru zależności między maksimami i minimami Słonecznymi, a czasami ochłodzenia i ocieplenia. Na przykład Minimum Maundera i mała epoka lodowcowa. Lecz ścisłej zależności nie widać, aktywność Słoneczna jest więc zjawiskiem fizycznym mającym wpływ na klimat, lecz o nim nie decyduję.

Wiemy już czego spodziewać się po Słońcu, ale przecież ilość energii jaką dostaje Ziemi nie zależy tylko od samego Słońca, ale też od odległości pomiędzy nimi. Jak mawiał mój fizyk "Okazują się że w naturze ciężko znaleźć rzecz, która nie będzie oscylatorem harmonicznym.". Tak samo orbita ziemska nie jest stałym okręgiem, lecz elipsoidą, która regularnie ulega spłaszczeniu i prostowaniu. Wynika to z sił przyciągania Jowisza i Saturna. Wahania są dość znaczne, ekscentryczność oscyluję pomiędzy 0.005, czyli prawie kołowej orbity, aż do 0.058, czyli lekko eliptycznej. Są dwa główne cykle tych wahań, z okresem 400 000 lat i amplitudą 0.012, oraz 100 000 lat z amplitudą 0.05. Przekładając to na rzecz dla nas najważniejszą, gdy orbita ziemi jest najbardziej eliptyczna różnica w mocy promieniowania słonecznego pomiędzy aphelium i peryhelium wynosi aż 23%! Przypominając sobie prawa Keplera, wiemy że im wieksza odległość od Słońca tym Ziemia ma mniejszą prędkość orbitalną nie trudno sobie wyobrazić nastanie wielkich chłodów. Obecnie ekscentryczność wynosi 0.017, zaś różnica w promieniowaniu zaledwie 3.4%.

Kolejny cykl jest związany z przesunięciem się osi ziemi. Uściślając zmiany roczne pomiędzy zimą i latem nie są związane z eliptycznością orbity, obecne różnice w promieniowaniu są zbyt małe. Oś obrotu ziemi jest nachylona w stosunku do normalnej płaszczyzny orbity o pewien kąt. I to on powoduję roczne zmiany nasłonecznienia, a w związku z tym ziemię i lato (kto nie wie zapraszam na wikipedia ). Właśnie ten kąt ulega oscylacjom, pomiędzy 24.5 a 22.1 stopnia w okresie 41 000 lat. Niby zmiany są nie wielkie, ale trzeba zauważyć że większość, o ile nie cały, lód znajduję się w strefie biegunowej, gdzie nawet niewielkie zmiany kąta padania promieni świetlnych mogą zmienić dodatni bilans przyrostu lodu na ujemny. Obecnie nachylenie wynosi 23.44 stopnia.

Następny cykl jest związany z precesją samej osi, która zatacza koło. Zauważyć to można w żyroskopach lub inaczej kręcących się bąkach. Okres cyklu to 26 000 lat, interesuje nas mniej, gdyż jego działanie jest dość subtelne i ujawnia się w różnicowaniu siły pór roku pomiędzy półkulami. Cykli można jeszcze by wymieniać, jak obrót samej elipsoidy wokół Słońca, czy wahania płaszczyzny orbity ale ich wpływ jest nie zauważalny. Ale mylił by się ten kto by powiedział że można te cykle zaniedbać. Na przykład, najwięcej kosmicznego śmieci jest w płaszczyźnie obrotu Słońca, trzeba więc uwzględnić większą częstość trafień gdy Ziemia przelatuje cyklicznie przez takie rejony. Te wszystkie cykle nazywają się cyklami Milankovicia.

Milankovic zaproponował właśnie że epoki lodowcowe są ściśle związane z tymi cyklami i je powodują. Niby widać to na pierwszy rzut oka. Jednak tutaj pojawia się problem, historia klimatyczna Ziemi wcale tak prosto nie wygląda.

Precession -precesja osi obrotu

Obliquit - wahanie się kąta osi obrotu do normalnej płaszczyzny orbity

Eccentricity - jajowatość orbity im mniejsza tym orbita bardziej kołowa

Patrząc wstecz widać zależność oscylacji 100k lat (k to tysiąc, BP to before present czyli przed dzisiaj), ale ponad milion lat temu te oscylacje nagle zaczęły mieć okres 41k lat. Jeżeli cykl 100k lat ujawnia się tak mocno to też cykl 400k lat powinien być widoczny, lecz nie wykryliśmy go zupełnie. Problemów i niezgodności jest więcej, cykle Milankovicia zatem też nie są decydującym czynnikiem klimatotwórczym. Są nawet eksperymenty, w których wykazano że takie cykle zlodowaceń i ociepleń można wywołać innymi czynnikami (za pomocą sprzężeń zwrotnych, o których wspomnę później) i ta zależność, zlodowacenia cykl Milankovicia, jest pozorny.

Kolejnym czynnikami klimatotwórczymi są wszystkie większe ciała niebieskie komety lub meteory, które potrafią w sposób znaczny wpłynąć na klimat. Wszyscy raczej widzieli masę filmów i dokumentów na ten temat, więc pozwolę sobie go ominąć.

Ostatnim już czynnikiem astronomicznym jest nasz Księżyc. Wpływa na nas nie tylko swym pięknem ale także siłami grawitacji, wywołując przypływy i odpływy. W wcześniejszej czasach, z geologicznego punktu widzenia, Księżyc był na niższej orbicie i miał dużo większy wpływ na nas niż teraz.

Jak widać wymiana samych czynników pochodzenia astronomicznego zajmuje trochę czasu, a jeszcze nie poruszyliśmy nawet samej Ziemi.

[Edit] Błędy i małe uzpełnienie

Edytowane 3 Września 2011 przez Kurak