Αρχές Οικολογίας και Περιβαλλοντικής Χηµείας Κλίµα και κλιµατικές διακυµάνσεις

Αρχές Οικολογίας και Περιβαλλοντικής Χηµείας Κλίµα και κλιµατικές διακυµάνσεις Νίκος Μαµάσης Τοµέας Υδατικών Πόρων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αθήνα 214 ΚΛΙΜΑ Κλίµαονοµάζεται η σύνθεση των στοιχείων του καιρού για ένα µακρό χρονικό διάστηµα και ορίζεται από το σύνολο των µέσων τιµών των κλιµατικών παραµέτρων (θερµοκρασία, βροχόπτωση, υγρασία κλπ) για µια περίοδο τουλάχιστο 3 ετών Κλιµατική ταξινόµηση ονοµάζεται η διαίρεση των κλιµάτων της γης σε ένα παγκόσµιο σύστηµα συνεχόµενων περιοχών, καθεµιά από τις οποίες ορίζεται από σχετική οµοιογένεια των κλιµατικών παραµέτρων Παράγοντες που επιδρούν στο κλίµα Εισερχόµενη ηλιακή ακτινοβολία υνητική και πραγµατική ηλιοφάνεια Γεωγραφικοί παράγοντες (πλάτος, ανάγλυφο, κατανοµή ξηράςθάλασσας, εδαφοκάλυψη, θαλάσσια ρεύµατα) Ατµοσφαιρική πίεση Γενική και τοπική ατµοσφαιρική κυκλοφορία 1

Κλίµα (Climate) «Το κλίµα αλλάζει ακανόνιστα, για άγνωστους λόγους, σε όλες τις κλίµακες» National Research Council (1991), Opportunities in the Hydrologic Sciences, National Academy Press, Washington DC, USA Θερινό ηλιοστάσιο (22 Ιουνίου) 18.5 h 24 h 47o 13.5 h Βόρειος πόλος 23.5o Αρκτικός κύκλος 9o 12 h 66.5o 1.5 h 43o Τροπικός του Καρκίνου Ισηµερινός Τροπικός του Αιγόκερω 5.5 h o Ανταρκτικός κύκλος Ο όρος είναι της ελληνιστικής εποχής (2ος αιώνας π.χ. Προέρχεται από το κλίνω και σχετίζεται µε την κλίση των ακτίνων του ήλιου στα διάφορα γεωγραφικά πλάτη. Αποδίδεται στον αστρονόµο Ίππαρχο ο οποίος όρισε 5 κλίµατα (βασισµένος σε παλαιότερη εργασία του Παρµενίδη) και διαίρεσε τη Γη σε αντίστοιχες ζώνες γεωγραφικού πλάτους. Χρησιµοποίησε ως βάση τη µέγιστη διάρκεια ηµέρας στον κάθε τόπο (από 13 µέχρι 19 ώρες). h Νότιος πόλος Κλιµατική κατάταξη KOPPEΝ Κλιµατικές ζώνες Πηγή: Ahrens, 1993 2

ΚΛΙΜΑ ιακύµανση µηνιαίας θερµοκρασίας ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (oc) KANANGA (ZAIRE) φ=5.88 o S, λ=22.4 o E, h=654m 3 ΕΤΟΣ: 23.6 ο C 2 1 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (oc) DUNDAS (GREENLAND-DENMARK) φ=76.59 o N, λ=68.8 o W 3 2 ΕΤΟΣ: -1.4 o C 1-1 -2-3 MINSK (ΛΕΥΚΟΡΩΣΙΑ) φ=53.87 o N, λ=27.5 o E 3 ΕΤΟΣ: 5.5 ο C 2 1-1 BRASILIA (BRASIL) φ=15.78 o S, λ=47.9 o W 3 ATHINAI (GREECE) φ=37.97 o N, λ=23.7 o E, h=17m ΕΤΟΣ: 17.8 o C 3 2 1 ΕΤΟΣ: 2.6 ο C 2 1 3 2 1 MELBOURNE (AUSTRALIA) φ=37.82 o S, λ=144.9 o E, h=35 m ΕΤΟΣ: 14.8 ο C 3 2 1 DAKAR (SENEGAL) φ=14.73 o N, λ=17.5 o W, h=27m ΕΤΟΣ: 24.5 ο C ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (oc) PUNTA ARENAS (CHILE) φ=53. o S, λ=7.8 o W 3 ΕΤΟΣ: 6.3 ο C 2 1 MCMURDO (ALL COUNTRIES) φ=77.84 o S, λ=166.6 o E 3 ΕΤΟΣ: -16.9 o C 2 1-1 -2-3 LAGOS (NIGERIA) φ=6.58 o N, λ=3.3 o E, h=4m 3 ΕΤΟΣ: 26.5 ο C 2 1 Ηπειρωτικό (Continental). Παρουσιάζεται στο εσωτερικό µεγάλων ηπείρων και χαρακτηρίζεται από το µεγάλο εύρος της θερµοκρασίας σε ετήσια και ηµερήσια βάση. Θαλάσσιο (Maritime-marine). Παρουσιάζεται σε περιοχές που είναι κοντά στη θάλασσα και χαρακτηρίζεται από υψηλή σχετική υγρασία και από το µικρό εύρος της θερµοκρασίας σε ετήσια και ηµερήσια βάση. Μεσογειακό (Mediterranean). Παρουσιάζεται στη λεκάνη της Μεσογείου και χαρακτηρίζεται από θερµά-υγρά καλοκαίρια και βροχερούς χειµώνες. Ξηρό (Dry). µεταβλητότητα ΕΙΣΑΓΩΓΗ Βασικοί κλιµατικοί τύποι Χαρακτηρίζεται από µικρή βροχόπτωση µε µεγάλη Μουσωνικό (Monsoon). Παρουσιάζεται σε περιοχές που είναι εκτεθειµένες σε µουσώνες και χαρακτηρίζεται από ξηρούς χειµώνες και υγρά καλοκαίρια. Τούνδρας (Tundra). Τύπος κλίµατος που σχετίζεται µε βλάστηση τύπου τούνδρας. Χαρακτηρίζεται από πολύ χαµηλές θερµοκρασίες για να ευνοηθεί η ανάπτυξη δέντρων, αλλά χωρίς µόνιµη παγοκάλυψη ή χιονοκάλυψη. Στέπας (Steppe). Τύπος ηµιάνυδρου αλλά όχι ψυχρού κλίµατος που σχετίζεται µε χαµηλή βλάστηση (χορτάρι, διασκορπισµένοι θάµνοι και µικρά δένδρα). Ορεινό (Highlands). Κλίµα που ρυθµίζεται από τον παράγοντα του υψοµέτρου. Χαρακτηρίζεται από χαµηλή πίεση και έντονη ηλιακή ακτινοβολία ειδικότερα στην υπεριώδη περιοχή. 3

Θερµοκρασία ( ο C) ΚΛΙΜΑΤΙΚΟΙ ΕΙΚΤΕΣ είκτης δυσφορίας (Heat Index) Σχετική υγρασία (%) 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 1 2 19 2 21 22 23 24 25 25 25 25 25 25 25 24 23 22 21 2 18 17 15 21 2 21 22 23 23 24 24 25 25 25 25 25 24 24 23 22 22 2 19 18 16 22 21 22 22 23 24 24 25 25 25 25 25 25 24 24 24 23 22 21 2 19 18 23 22 22 23 24 24 24 25 25 25 25 25 25 25 24 24 24 23 23 22 21 2 24 23 23 24 24 24 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 24 24 24 23 23 25 24 24 24 25 25 25 25 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 25 26 25 25 25 25 25 26 26 26 26 26 27 27 27 27 27 27 28 28 28 28 28 27 26 26 26 26 26 26 26 27 27 27 27 28 28 28 29 29 3 3 31 31 32 28 27 27 27 27 27 27 27 27 28 28 28 29 29 3 31 31 32 33 34 35 36 29 28 27 27 27 27 28 28 28 29 29 3 3 31 32 33 34 35 36 37 38 4 3 28 28 28 28 28 28 29 29 3 3 31 32 33 34 35 36 38 39 41 42 44 31 29 29 29 29 29 29 3 3 31 32 33 34 35 36 38 39 41 43 45 47 49 32 3 3 3 3 3 3 31 31 32 33 34 36 37 39 4 42 44 47 49 51 54 33 31 31 31 31 31 31 32 33 34 35 36 38 4 41 43 46 48 51 54 57 6 34 32 32 31 32 32 33 33 34 35 37 38 4 42 44 47 49 52 55 58 62 66 35 33 32 32 33 33 34 35 36 37 39 41 43 45 48 5 53 57 6 64 68 72 36 33 33 33 34 34 35 36 38 39 41 43 46 48 51 54 58 61 65 69 74 78 37 34 34 34 35 35 36 38 39 41 43 46 48 51 55 58 62 66 7 75 8 85 38 35 35 35 36 37 38 39 41 43 46 49 52 55 59 63 67 71 76 81 87 92 39 35 36 36 37 38 39 41 43 46 49 52 55 59 63 67 72 77 82 88 94 1 4 36 36 37 38 39 41 43 46 48 51 55 59 63 67 72 77 83 88 95 11 18 41 37 37 38 39 41 43 45 48 51 54 58 62 67 72 77 83 89 95 12 19 116 42 37 38 39 4 42 45 47 5 54 57 62 66 71 77 82 88 95 12 19 117 125 43 38 39 4 42 44 46 49 53 57 61 65 7 76 82 88 94 11 19 117 125 134 44 38 39 41 43 46 48 52 55 6 64 69 75 81 87 94 11 18 116 125 134 143 45 39 4 42 44 47 5 54 58 63 68 73 79 86 92 1 17 116 124 133 143 153 46 39 41 43 46 49 53 57 61 66 72 78 84 91 98 16 114 123 132 142 152 163 47 4 42 44 47 51 55 59 64 7 76 82 89 96 14 113 121 131 141 151 162 173 48 4 43 45 49 53 57 62 67 73 8 87 94 12 11 119 129 139 149 16 172 184 49 41 43 47 5 55 59 65 71 77 84 91 99 18 117 126 137 147 158 17 182 195 5 41 44 48 52 57 62 68 74 81 88 96 15 114 124 134 144 156 167 18 193 26 51 41 45 49 54 59 64 71 78 85 93 11 111 12 131 141 153 165 177 19 24 218 52 42 46 5 55 61 67 74 81 89 98 17 117 127 138 149 161 174 187 21 215 23 53 42 46 51 57 63 7 77 85 93 13 112 123 134 145 157 17 183 197 212 227 242 54 42 47 53 59 65 72 8 89 98 18 118 129 14 153 165 179 193 28 223 239 255 55 43 48 54 6 68 75 84 93 13 113 124 135 148 161 174 188 23 218 234 251 268 56 43 49 55 62 7 78 87 97 17 118 13 142 155 169 183 198 213 229 246 264 282 57 43 49 56 64 72 81 91 11 112 124 136 149 163 177 192 28 224 241 258 277 296 58 43 5 58 66 75 84 95 16 117 129 142 156 17 186 21 218 235 252 271 29 31 59 43 51 59 68 77 88 98 11 122 135 149 163 179 194 211 228 246 264 284 34 324 6 44 52 6 7 8 91 12 115 128 141 156 171 187 23 221 239 257 277 297 318 339 Dhahran, Σαουδική Αραβία 8 Ιουλίου 23 Θερµοκρασία: 18 F (42 C) Σχετική υγρασία: 67% είκτης δυσφορίας: 176 F (8 C) ΚΛΙΜΑΤΙΚΟΙ ΕΙΚΤΕΣ είκτες άνεµου-ψύχους (wind chill index) O δείκτης WCI είναι η φαινοµενική θερµοκρασία που αισθάνεται το δέρµα εξαιτίας του ανέµου. Ο δείκτης υπολογίζεται σύµφωνα µε την παρακάτω σχέση (National Weather Service 21): WCI = 13.12+.6215*Τ-11.37*V.16 +.3965*T*V.16 όπου Vη ταχύτητα του ανέµου σε km/h σε ύψος 1 mκαι Τ η θερµοκρασία του αέρα σε ο C. V km/h/ T o C 5-5 -1-15 -2-25 -3-35 -4-45 -5 5 4-2 -7-13 -19-24 -3-36 -41-47 -53-58 1 3-3 -9-15 -21-27 -33-39 -45-51 -57-63 15 2-4 -11-17 -23-29 -35-41 -48-54 -6-66 2 1-5 -12-18 -24-31 -37-43 -49-56 -62-68 25 1-6 -12-19 -25-32 -38-45 -51-57 -64-7 3-7 -13-2 -26-33 -39-46 -52-59 -65-72 35-7 -14-2 -27-33 -4-47 -53-6 -66-73 4-1 -7-14 -21-27 -34-41 -48-54 -61-68 -74 45-1 -8-15 -21-28 -35-42 -48-55 -62-69 -75 5-1 -8-15 -22-29 -35-42 -49-56 -63-7 -76 55-2 -9-15 -22-29 -36-43 -5-57 -63-7 -77 6-2 -9-16 -23-3 -37-43 -5-57 -64-71 -78 65-2 -9-16 -23-3 -37-44 -51-58 -65-72 -79 7-2 -9-16 -23-3 -37-44 -51-59 -66-73 -8 75-3 -1-17 -24-31 -38-45 -52-59 -66-73 -8 8-3 -1-17 -24-31 -38-45 -52-6 -67-74 -81 Πιθανότητα κρυοπαγήµατος σε παρατεταµένη έκθεση Πιθανότητα κρυοπαγήµατος σε 1 λεπτά Πιθανότητα κρυοπαγήµατος σε 2 λεπτά 4

ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ ΙΑΘΕΣΙΜΑ Ε ΟΜΕΝΑ Παρατηρηµένες χρονοσειρές ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Μηνιαίες θερµοκρασίες στην Κεντρική Αγγλία από το 1659 (το µεγαλύτερο οµογενές δείγµα στον κόσµο). Μηνιαίες θερµοκρασίες Ευρωπαϊκών πόλεων (Μόναχο από το 1781, Βιέννη-Βερολίνο- Παρίσι από το 1761). ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ Η πιο γνωστή χρονοσειρά βροχόπτωσης είναι συνδυασµός µετρήσεων από ερασιτέχνες παρατηρητέςτον 18 ο και 19 ο αιώναστηναγγλίακαιουαλίαπουτηνεπεξεργάστηκεο Symons. Στη συνέχεια άλλοι ερευνητές την επέκτειναν προς τα πίσω µέχρι το 1727 και σήµερα συνεχίζεται από την Μετεωρολογική υπηρεσία της Αγγλίας. Στην Κίνα µε βάση λεπτοµερείς αναφορές για ξηρασίες και πληµµύρες για κάθε έτος σε περισσότερα από 1 σηµεία ερευνητές έχουν δηµιουργήσει χρονοσειρά που αρχίζει από τον 15 ο αιώνα. Αν και δεν προέρχεται από µετρήσεις αλλά από ιστορικές παρατηρήσεις είναι σηµαντική αναφορά για τις κλιµατολογικές συνθήκες. ΑΠΟΡΡΟΗ Έχουν βρεθεί χαραγµένες σε πέτρινη επιγραφή οι στάθµες του Νείλου για το χρονικό διάστηµα από 39-24 π.χ. Πιο αξιόπιστες αλλά σποραδικές στάθµες υπάρχουν κατά το διάστηµα 622-1284 µ.χ. Υποκατάστατα (proxy) δεδοµένα Στρωµατωµένοι πυρήνες πάγου, δακτύλιοι δένδρων, απολιθωµένη γύρη, παγετώνες, ίχνη από στάθµη λιµνών, αποθέσεις στον πυθµένα λιµνών και ωκεανών Κλιµατική αλλαγή ιακύµανση θερµοκρασίας σε διάφορες χρονικές κλίµακες 5

Κλιµατική αλλαγή Θερµοκρασία Γροιλανδίας τα τελευταία 5. έτη Temperature departure from most recent value ( o C) 5-5 -1-15 -2-25 5 2-year scale 5-year average 2-year average 45 4 35 Abrupt warming (17 o C) 3 25 2 15 1 Abrupt cooling (18 o C) Younger Dryas cool period (The Big Freeze) 5 Years before present GISP2 Ice Core (Alley 2, 24). Data from: ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/icecore/greenland/summit/gisp2/isotopes/gisp2_temp_accum_alley2.txt Κλιµατική αλλαγή Θερµοκρασία Ανταρκτικής τα τελευταία 8. έτη Temperature departure from most recent value ( o C) 4 2-2 -4-6 -8-1 -12 5-year scale 2-year average 1-year average -14 8 7 6 5 4 3 2 1 Years before present The EPICA, Dome C, Ice Core deuterium proxy data set, Antarctica (Jouzel et al. Data 27). from: ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/icecore/antarctica/epica_domec/edc3deuttemp27.txt 6

Κλιµατική αλλαγή Η τελευταία παγετώνια περίοδος Πηγή: www.wikipedia.org Πηγή: www.globalwarmingart.com Πριν από 2 χρόνια η στάθµη της θάλασσας ήταν 13 m χαµηλότερα «Επειδή όµως έγιναν πολύ κατακλυσµοί στη διάρκεια των 9 ετών (τόσα πέρασαν από τότε µέχρι σήµερα) το χώµα αποµακρυνόταν από τα υψώµατα» Πλάτων, Κριτίας 111α Η σπηλιά του Cosquer Το 1985 ο Γάλλος δύτης Henri Cosquerανακάλυψε στη περιοχή Massif des Calanques κοντά στη Μασσαλία µια υποθαλάσσια η είσοδος της οποίας βρίσκεται σε βάθος 37 µέτρων από τη σηµερινή στάθµη της θάλασσας. Από την είσοδο µια γαλαρία (ανηφορική για 12 µέτρα) καταλήγει σε ένα θάλαµο που σε σηµαντικό βαθµό παραµένει πάνω από τη επιφάνεια της θάλασσας. Στη σπηλιά ανακαλύφθηκαν το 1991 τοιχογραφίες (µε ζωγραφική και χαρακτική) οι οποίες απεικονίζουν κυρίως ζώα (άλογα, ελάφια, κατσίκια) και γεωµετρικά σχήµατα καθώς και ίχνη χεριών και δακτύλων. Τα ευρήµατα αυτά χρονολογήθηκαν στην περίοδο 27-18 π.χ. και αποδεικνύουν σηµαντική ανθρώπινη δραστηριότητα κατά την εποχή αυτή. Σηµειώνεται ότι έρευνες στην περιοχή έδειξαν παλιές ακτογραµµές σε διάφορα βάθη από -36 έως -1 µέτρα και τεκτονική σταθερότητα τουλάχιστον 1 ετών 7

ιάταση τροχιάς (eccentricity) 1 Time (ky) 8 ΗΛΙΟΣ ιακύµανση: -5% Σηµερινή τιµή: 1.7% 6 4 2 ΓΗ Κύκλοι 1 και 4 kyr Ecc.6.5.4.3.2.1 1 Λόξωση άξονα (Obliquity) ΗΛΙΟΣ Time (ky) 8 6 Β φ ΓΗ Ν ιακύµανση: 21.8 ο -24.4 ο Σηµερινή τιµή: 23.5 ο 4 Κύκλος 41 kyr 2 Obl 25 24.5 24 23.5 23 22.5 22 21.5 Ταλάντευση άξονα (Precession) 1 ΗΛΙΟΣ 8 Time (ky) VEGA 6 Ν 4 ΠΟΛΙΚΟΣ ΑΣΤΕΡΑΣ Β 2 ΓΗ Κύκλοι 19 και 23 kyr Prec.8.6.4.2 -.2 -.4 -.6 -.8 Κύκλοι Milankovich Η ανάλυση δείχνει ότι οι αρµονικές των 41 και 1 ky εξηγούν το 27% της διασποράς για τα τελευταία 2 εκατοµµύρια χρόνια (όχι στο σύνολο) 25 Original Data Harmonics Removed 2 15 thousand years 1 5 1 δ 18 O.5 -.5-1 Η υπόθεση Milankovitch έχει αδυναµίες και η συσχέτιση δεν είναι θεµελιωµένη φυσικά. ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΚΛΙΜΑΤΙΚΩΝ ΑΛΛΑΓΩΝ Ανίχνευση τάσεων οκιµή Kendall οκιµή γραµµική συσχέτισης X(t) 1 8 6 4 2 5 1 15 2 Χρόνος (t) 8 Ανίχνευση αλµάτων οκιµή Kruscall-Wallis οκιµή διαφοράς µέσων τιµών X(t) 6 4 2 5 1 15 2 Χρόνος (t) Ανίχνευση περιοδικοτήτων Προσδιορισµός αρµονικών κατά Fourier Περιοδόγραµµα X(t) 8 6 4 2 5 1 15 2 Χρόνος (t) 8