College Fysica van de Atmosfeer februari 2007

Presentatie over: "College Fysica van de Atmosfeer februari 2007"— Transcript van de presentatie:

1 College Fysica van de Atmosfeer 2007 16 februari 2007

2 Onderwerpen Temperatuur Broeikaseffect Versterkt broeikas effect

3 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

4 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

5 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

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

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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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 naar 0.31  1 K koeling ! Albedo: landoppervlak, bewolking, aerosolen

17 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

18 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

19 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

20 Stralingsforcering  F, maat klimaatverandering

21 Stralingsforcering IPCC 2007

22 Versterkt broeikas effect

23 Energiebalans Klimaatsysteem

24 Hoe verandert het klimaat door de mens ?

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

26 (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)

27 Emission scenarios (SRES)
CO2 N2O CH4 SO2

28 De hockeystick…

29 Temperatuurprojecties IPCC 2007

30 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

31 Aardse temperatuur als functie van het CO2 gehalte
Huidige toestand

32 Temperatuurtrend 1856-2002 wereldgemiddeld

33 Natuurlijke klimaatfactoren

34 Menselijke invloed op klimaat

35 Temperatuur De Bilt en mondiaal

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

37 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

38 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

39 Kansverdeling augustus-temperaturen
1/10 jaar warm extreem gemiddelde Kansverdeling schuift op naar warmere temperaturen en verbreedt

40 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

41 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.

42 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%.