College Fysica van de Atmosfeer 2007 16 februari 2007

Onderwerpen Temperatuur Broeikaseffect Versterkt broeikas effect  

Boek Andrews, Hoofdstukken en onderwerpen Hfdst 1 Hfdst 2: 2.1, 2.2, 2.3, 2.5 Hfdst 4 Hdfst 5: 5.1,5.3, 5.4, 5.5, Hfdst 6: 6.5, 6.6, 6.7 Hand-outs Sommen Tentamen, mondeling op afspraak h.kelder@tue.nl

Temperatuurverloop in adiabatische atmosfeer Pakketje lucht, q = hoeveelheid warmte   Eerste wet thermodynamica: dq = cvdT + pdV adiabatisch: dq = 0 pV=RT/M pdV + Vdp = RdT/M = (cp – cv )dT cpdT + pdV = dq = 0 dp = - rgdz dT/dz = - g/cp = - Gd cp = 1005 Jkg-1K-1 Gd = 10 K/km droge adiabaat

Tot 1875 idee dat nulpunt temperatuur bereikt wordt bij 30 km hoogte Troposfeer:   T = T0 - Gz, T = T0 - Gz = 0 z  30 kilometer hoogte Tot 1875 idee dat nulpunt temperatuur bereikt wordt bij 30 km hoogte

Temperatuur meting door ballonvaarders, 1875 - 1904, troposfeer en stratosfeer 1913, detectie van stratosferische ozon

Stralingsbalans Aarde Inkomende zonnestraling 342 Wm-2 Gereflecteerde zonnestraling 102 Wm-2 (circa 30%) Uitgaande infraroodstraling 240 Wm-2

Temperatuur van de aarde/atmosfeer Evenwichtstemperatuur : Inkomende straling gelijk aan uitstraling   Inkomende straling Zonnestraling, flux aan aardoppervlak Fs = 1370 Wm-2 A = albedo, voor de aarde A  0.30 Netto zonnestraling pa2( 1- A ) Fs a = straal aarde

Uitgaande infrarode straling zwart lichaam B = T4,  Stefan-Boltzmann constante Totale uitgaande straling: 4 a2  T4   Evenwichtstemperatuur, equivalente zwarte lichaamstemperatuur Te 4Te 4 = ( 1- A ) Fs Te = 255 K aarde zonder atmosfeer(- 18 0C) Mondiaal gemiddelde temperatuur van aarde met atmosfeer Ts = 288 K Verschil 33 K door atmosfeer

Het broeikaseffect Zonnestraling warmt aarde op Aarde koelt af door infrarode uitstraling Broeikasgassen absorberen infrarode straling Temperatuur daardoor +15C i.p.v. -18C

Eenvoudig model broeikaseffect Dunne atmosfeer, uniforme temperatuur Ta   Atmosfeer absorbeert deel van zonnestraling en van warmtestraling en laat deel door, transmissiefactoren ts en tt resp. Bovenkant atmosfeer F0 = ¼( 1-A) Fs  240 Wm-2   1/4 =  a2/4 a2 cirkel/bol Een deel tsF0 bereikt grond

Evenwicht   Bovenkant atmosfeer F0 = Fa + ttFg Aardoppervlak Fg = Fa + ts F0    Fg = F0(1 + ts)/(1+ tt) = sTg4 Transparante atmosfeer t s = tt = 1, Fg = F0, Ts = 255 K

Grond emitteert als zwart lichaam, flux Fg = sTg4   Een deel ttFg bereikt top atmosfeer Atmosfeer emitteert Fa = ( 1-tt)sTa4 naar boven en naar onderen

Absorberende atmosfeer ts = 0.9 (sterke transmissie zonlicht) tt = 0.2 (sterke absorptie warmte straling) Fg = F0(1 + ts)/(1+ tt) Fg = 1.6 Fo Tg = 1.6 ¼ x 255 = 286 K 288 K, gemiddelde temperatuur Uitgaande flux Fa = ( 1- tt)sT4 = F0 ( 1- tstt)/( 1+ tt) Ta = 245 K, temperatuur midden troposfeer, 43 K minder dan aan aardoppervlak, afname 7 K/km

Versterkt broeikaseffect: Verandering absorptie zonnestraling s Verandering absorptie warmtestraling t Verandering in albedo A sTg4 = 1/4(1-A)Fs(1 + ts)/(1+ tt) Tg/Tg=1/4 (s / (1 + s) - t / (1 + t) – A/(1-A)) Kleinere transmissie zonnestraling  koeling Grotere transmissie warmte  koeling Grotere albedo  koeling

Geen albedo verandering dan   Tg = 1/4(ts / (1 + ts ) - tt / (1 + tt )) Tg Meer CO2 , meer absorptie  opwarming troposfeer Stel alleen albedo verandering Tg /Tg = 1/4 A/( 1-A) Albedo 0.30 naar 0.31  1 K koeling ! Albedo: landoppervlak, bewolking, aerosolen

Stralingsforcering  F, maat klimaatverandering    Verschil netto stralingsbudget ter hoogte tropopauze door verandering in distributie stralingsactief gas of stof   Koppeling stralingsforcering aan temperatuur Evenwicht Fs = FT (s = solar, T = terrestrial) (Fs - FT) = F Tg =  F  klimaatgevoeligheidsfactor F in Wm-2 , l in K/Wm-2

Schatting temperatuurverandering Tg= F = (Fs – FT)  =  Fs / Tg -  FT /  Tg -1 Fs = F ( 1- A) /4, F = 1370 Wm-2 FT =   Tg 4  emissiviteit atmosfeer  = 4  Tg 3 -1 = Tg/4 FT = Tg/ F (1-A)  = 0.3 K/Wm-2

Verdubbeling CO2 , F = 4.6 Wm-2 en  Tg = 1.4 K Numerieke klimaatmodellen  tussen 0.3 en 1.1 K /Wm-2 F = 4.6 Wm-2, 1.4 K <  Tg< 5 K verschil in beschrijvingen processen en terugkoppelingen in modellen voorbeeld hydrologische cyclus, wolken

Stralingsforcering  F, maat klimaatverandering

Stralingsforcering IPCC 2007

  Versterkt broeikas effect

Energiebalans Klimaatsysteem

Hoe verandert het klimaat door de mens ?

Broeikasgas-concentraties nemen toe Natuurlijk CO2 verhoogt temperatuur met 12°C Mensheid heeft concentratie CO2 met 35% verhoogd; al decennia hoger dan laatste 400.000 jaar

(on)Zekerheden Zeker Broeikaseffect Menselijke invloed hoeveelheid broeikasgassen Temperatuurgegevens vanaf 1856 Respons aarde (gletsjers, groeiseizoen etc.) Redelijk zeker Belangrijke klimaatinvloeden laatste eeuwen Temperatuurgegevens vanaf 1000 Onzeker Terugkoppelingen (wolken, ijs, oceaan, atmosfeersamenstelling, biosfeer etc.) Aerosolen Emissiescenario’s Kwaliteit modelprognoses (regionaal detail)

Emission scenarios (SRES) CO2 N2O CH4 SO2

De hockeystick…

Temperatuurprojecties IPCC 2007

Actuele stand wetenschappelijke kennis Menselijke invloed op klimaat aangetoond Vanaf 1950 overheerst de menselijke invloed de natuurlijke factoren (zon, vulkanen, El Niño) Ook effecten als: zeespiegelstijging, toename neerslag+extremen, smeltende gletsjers, dooi permafrost, verlenging groeiseizoen Mondiale ontwikkeling voelbaar in Nederland

Aardse temperatuur als functie van het CO2 gehalte Huidige toestand

Temperatuurtrend 1856-2002 wereldgemiddeld

Natuurlijke klimaatfactoren

Menselijke invloed op klimaat

Temperatuur De Bilt en mondiaal

Temperatuurtrend in Nederland wordt bepaald door mondiale trend en windfactor De toestand van het klimaat in Nederland 2003, KNMI

Mondiale klimaat projecties voor de 21e eeuw Gebaseerd op beschikbare gekoppelde fysische oceaan-atmosfeer-land modellen Validatie met klimaat 20e eeuw Onzekerheden: Verschillen tussen de klimaatmodellen De spreiding in scenario’s van broeikasgassen en aërosolen

Kans op zomerverdroging Nederland in de 21e eeuw: warmer en natter neemt toe Kans op zomerverdroging + 20 tot +110 cm Zeespiegelstijging hoog/laag in winter/zomer Rivierafvoeren 2 tot 10 keer zo groot Kans op extreme neerslag +10 tot +40% Hevigheid winterneerslag +6 tot +25% Winterneerslag +1 tot +6 C Temperatuur

Kansverdeling augustus-temperaturen 1951-1980 2051-2080 1/10 jaar warm extreem gemiddelde Kansverdeling schuift op naar warmere temperaturen en verbreedt

Toekomstige zomers in Nederland Diverse klimaatmodellen tonen aanzienlijke veranderingen in de extremen (kansverdelingen veranderen van vorm) Toename extreem hete zomers door uitdroging bodem en verandering van circulatiepatronen Ook toename van “normale” zomers met lokaal extreme neerslag Afname van koele zomers De gemiddelde zomertemperatuur stijgt

De zomers van 2002, 2003 en 2004 en het versterkte broeikaseffect Een individuele weergebeurtenis kan nooit regelrecht toegeschreven worden aan het broeikaseffect. Het enige wat het broeikaseffect doet, is het veranderen van de kans op zulke gebeurtenissen. Wanneer die in de loop van de tijd merkbaar veranderen, dan kan dit wel in verband gebracht worden met het broeikaseffect. Door de inherente zeldzaamheid van extreme gebeurtenissen kan het echter wel een tijd duren voordat met zekerheid hierover uitspraken gedaan kunnen worden.

Samenvatting Menselijke invloed op klimaat aangetoond Klimaatverandering wordt voelbaar, ook in Nederland Wereldtemperatuur stijgt met 1,4 tot 5,8 graden in 2100 Zeespiegel stijgt met 9 tot 88 cm in 2100 Neerslag neemt toe met 2% per graad opwarming Nederlandse klimaat 21e eeuw: warmer en natter en het klimaat “verruwt” Stabilisatie van CO2 concentratie en daarmee opwarming op niveau van 2 graden hoger vergt CO2 emissiereductie van 60-80%.