ΧΑΡΟΚΟΠΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΓΡΑΦΙΑΣ ΕΛ. ΒΕΝΙΖΕΛΟΥ 70, 176 71 ΑΘΗΝΑ Κλιματική Αλλαγή Χρήστος Σπύρου scspir@gmail.com Βασικό σύγγραμμα: Κατσαφάδος Π. και Μαυροματίδης Η., 2015: Εισαγωγή στη Φυσική της Ατμόσφαιρας και τη Κλιματική Αλλαγή. Ψηφιακό σύγγραμμα στο πλαίσιο της δράσης Κάλλιπος. Αθήνα 2018
Ερώτηση 1 Το μήκος κύματος του μέγιστου του ηλιακού φάσματος είναι 0,475 μm και αντιστοιχεί στο μπλέ χρώμα. Βρείτε την αντίστοιχη «θερμοκρασία χρώματος». Γιατί ο ήλιος εμφανίζεται κιτρινωπός;
Ερώτηση 2 Χρησιμοποιώντας τα τυπικά μήκη κύματος από τον Πίνακα, ποια ακτινοβολία πιστεύετε ότι είναι ισχυρότερη ενεργειακά: η ιώδης, η κίτρινη ή η κόκκινη; Θεωρήστε θερμοκρασία Τ= 6100 K Χρώμα Περιοχή μηκών κύματος (μm) Τυπικό (μέσο) μήκος κύματος (μm) Ιώδες 0,390 0,455 0,430 Βαθύ μπλε 0,455 0,405 0,470 Ανοικτό μπλε 0,485 0,505 0,495 Πράσινο 0,505 0,550 0,530 Κιτρινοπράσινο 0,550 0,575 0,560 Κίτρινο 0,575 0,585 0,580 Πορτοκαλί 0,585 0,620 0,600 Κόκκινο 0,620 0,760 0,640
Ερώτηση 3 Θεωρώντας ότι η ροή ακτινοβολίας από τον Ήλιο είναι 3,91x10 26 W, ποια είναι η μέση ολική ένταση (Ε) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το εξωτερικό τμήμα του Ηλιακού δίσκου; (ακτίνα του ήλιου =6,95x10 8 m).
Ερώτηση 4 Να υπολογίσετε την ισοδύναμη θερμοκρασία μελανού σώματος Τ Ε της φωτόσφαιρας του Ηλίου (το εξώτερο ορατό τμήμα του Ηλίου) γνωρίζοντας ότι η μέση ολική ένταση (Ε) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται είναι 6,33 * 10 7 WW mm 2
Ερώτηση 5 Θεωρώντας ότι η Γη συμπεριφέρεται σαν μελανό σώμα, να υπολογίσετε την ισοδύναμη θερμοκρασία της επιφάνειάς της (T 0 ) με την παραδοχή ότι απορροφά το 70% της ηλιακής ενέργειας που δέχεται. Δίδονται: η ηλιακή σταθερά S = 1366,18Wm -2, η ακτίνα της γης = 6,37x10 6 m και η σταθερά Stefan-Boltzmann σ=5,67x10-8 Wm -2 K -4 ).
Κλιματική αλλαγή: γιατί μας ενδιαφέρουν οι ωκεανοί; Οι ωκεανοί της Γης είναι πραγματικά απέραντοι, καλύπτοντας το 71% της επιφάνειάς της και περιλαμβάνοντας το 97% του νερού της. Εάν μας ενδιαφέρουν οι παράγοντες που επηρεάζουν το παγκόσμιο κλίμα, πρέπει να δούμε επιπλέον και τους ωκεανούς. Όπως και στις περισσότερες πτυχές της κλιματικής αλλαγής (μια αλλαγή στη μέση θερμοκρασία της γήινης επιφάνειας), ο ρόλος που παίζουν οι ωκεανοί είναι περίπλοκος. Οι κυριότεροι παράγοντες είναι οι παραγόμενες από τον ωκεανό ενώσεις (συμπεριλαμβανομένων και των υδρατμών) που διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα, το διοξείδιο του άνθρακα που διαλύεται στο θαλασσινό νερό και ο ρόλος των ωκεανών ως ψύκτρες. IPCC (2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press. doi: 10.1017/CBO9781107415324
Κλιματική αλλαγή: γιατί μας ενδιαφέρουν οι ωκεανοί; Όταν σκεφτόμαστε τα αέρια που συμμετέχουν στη κλιματική αλλαγή, συνήθως σκεφτόμαστε το διοξείδιο του άνθρακα και ίσως κάποια άλλα αέρια της ατμόσφαιρας, όπως το μεθάνιο. Αυτά τα αέρια συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου απορροφώντας και παγιδεύοντας υπέρυθρη ενέργεια (θερμότητα) από την επιφάνεια της Γης. Στη πραγματικότητα, το πιο ισχυρό αέριο θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα δεν είναι κανένα από αυτά, αλλά το νερό σε μορφή υδρατμών. Οι υδρατμοί στην ατμόσφαιρα απορροφούν το 36-85% της γήινης εξερχόμενης υπέρυθρης ενέργειας. Η κύρια πηγή των ατμοσφαιρικών υδρατμών είναι η εξάτμιση από τους ωκεανούς. IPCC (2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press. doi: 10.1017/CBO9781107415324
Κλιματική αλλαγή: γιατί μας ενδιαφέρουν οι ωκεανοί; Όμως, οι υδρατμοί έχουν και μια αντίστροφη επίδραση: περισσότεροι υδρατμοί στον αέρα συνεπάγεται και περισσότερα σύννεφα. Τα σύννεφα αντανακλούν πίσω στο διάστημα το περισσότερο από το εισερχόμενο ηλιακό φως, προκαλώντας φαινόμενο ψύξης που ωθεί το παγκόσμιο κλίμα σε αντίθετη κατεύθυνση από το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Σήμερα, η επίδραση των σύννεφων δροσίζει τη γήινη επιφάνεια κατά περίπου 5 C
Κλιματική αλλαγή: γιατί μας ενδιαφέρουν οι ωκεανοί; Εκτός από τους υδρατμούς, οι ωκεανοί ελευθερώνουν άλλα συστατικά στην ατμόσφαιρα που συντελούν στη κλιματική αλλαγή. Κάποια από αυτά ξεφεύγουν από τους ωκεανούς σχηματίζοντας μικροσκοπικά σωματίδια στην ατμόσφαιρα, τα οποία δρουν ως σπόροι νέφους, επιτρέποντας στους υδρατμούς να συμπυκνώνονται και να σχηματίζουν σύννεφα. IPCC (2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press. doi: 10.1017/CBO9781107415324
Κλιματική αλλαγή: γιατί μας ενδιαφέρουν οι ωκεανοί; Οι ωκεανοί έχουν επίσης ζωτικής σημασίας ρόλο στην απορρόφηση του CO 2. Το διοξείδιο του άνθρακα που απελευθερώνεται από την καύση των ορυκτών καυσίμων και από άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες καθώς επίσης και από την βιόσφαιρα, απορροφάται είτε στην ατμόσφαιρα είτε στους ωκεανούς. Αν και η ατμόσφαιρα της Γης περιλαμβάνει 3 τρις (3 10 12 ) τόνους διοξειδίου του άνθρακα, περίπου 50 φορές περισσότερο CO 2 εντοπίζεται στους ωκεανούς. Στην επιφάνεια των ωκεανών, το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας διαλύεται στο νερό. Αντιδρά με το νερό για να σχηματιστεί το ανθρακικό οξύ (H 2 CO 3 ), τα όξινο ανθρακικό (διττανθρακικό, HCO 3- ) και ανθρακικό (CO 2-3 ) ιόντα: CO 2 (g) + H 2 O(l) H 2 CO 3 (aq) H 2 CO 3 (aq) HCO - 3 (aq) + H + (aq) Οι αντιδράσεις αυτές μειώνουν την συγκέντρωση του διαλυμένου CO 2, με αποτέλεσμα περισσότερο CO 2 να απορροφάται από την ατμόσφαιρα. IPCC (2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press. doi: 10.1017/CBO9781107415324
Κλιματική αλλαγή: γιατί μας ενδιαφέρουν οι ωκεανοί; Το διαλυμένο CO 2 στην επιφάνεια, στην συνέχεια, διασκορπίζεται μέσα στα βάθη των ωκεανών μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται αντλία διαλυτότητας. Επειδή το CO 2 είναι πιο διαλυτό σε κρύο από ότι σε ζεστό νερό και τα βάθη των ωκεανών είναι πιο κρύα από την επιφάνεια, το CO 2 μετακινείται από την επιφάνεια στα βαθύτερα στρώματα των ωκεάνιων νερών. Εάν υπάρξει αύξηση της θερμοκρασίας του ωκεανού λόγω της κλιματικής αλλαγής, τότε περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα θα απελευθερωθεί λόγω της χαμηλότερης διαλυτότητας σε υψηλές θερμοκρασίες. Το επιπλέον CO 2 μπορεί να συμβάλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, αυξάνοντας την ωκεάνια θερμοκρασία ακόμη περισσότερο και απελευθερώνοντας ακόμα περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα, και ούτω καθεξής δημιουργώντας ακόμη έναν θετικό βρόχο ανάδρασης και οδηγώντας πιθανώς σε υπέρβαση του φαινομένου του θερμοκηπίου. IPCC (2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press. doi: 10.1017/CBO9781107415324
Η ΡΟΗ ΜΑΖΑΣ ΑΝΘΡΑΚΑ (Gt C) http:meteoclima.gr
Η ΡΟΗ ΜΑΖΑΣ ΑΝΘΡΑΚΑ (C) http:meteoclima.gr
Η ΩΚΕΑΝΙΑ ΚΑΙ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΣΤΟΝ ΤΡΟΠΙΚΟ ΕΙΡΗΝΙΚΟ Στη συγκεκριμένη περιοχή η ωκεάνια κυκλοφορία επηρεάζεται κυρίως από ανατολικών διευθύνσεων ζωνικούς (αληγείς) ανέμους. Ανάλογη διεύθυνση παρουσιάζουν τα ωκεάνια ρεύματα με ταχύτητα διάδοσης από 10-30 cm s -1. Η δράση των αληγών ανέμων στις ισημερινές περιοχές του Ειρηνικού συνεπάγεται μετάβαση σχετικά θερμότερων υδάτινων μαζών (28-29 C) προς τα δυτικά σε συνδυασμό με την άνοδο ψυχρότερων υδάτων (22-24 C) στα ανατολικά, αναπτύσσοντας ισχυρή θερμική βαθμίδα ανάμεσα στις δύο περιοχές. Η συγκεκριμένη διαδικασία εντάσσεται στα πλαίσια της φυσιολογικής εξέλιξης του συστήματος και συνδυάζεται με άνοδο του επιπέδου της στάθμης θάλασσας στα δυτικά κατά 50 cm. http:meteoclima.gr
http:meteoclima.gr Η ΩΚΕΑΝΙΑ ΚΑΙ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΣΤΟΝ ΤΡΟΠΙΚΟ ΕΙΡΗΝΙΚΟ Στην περιοχή του Τροπικού Ειρηνικού ωκεανού και κατά τους πρώτους μήνες κάθε έτους, ένα θερμό νότιο ρεύμα τροποποιεί συνήθως τα κανονικά δροσερά ύδατα Κατά την αρχικά στάδια ανάπτυξης της διαταραχής παρατηρείται εξασθένηση των αληγών ανέμων επιφέροντας διατάραξη της ισορροπίας του συστήματος Σημαντικές ποσότητες σχετικά θερμότερου νερού μετακινούνται προς τις κεντρικές και ανατολικές ισημερινές περιοχές του Ειρηνικού Ωκεανού Στις ανατολικές περιοχές του Ειρηνικού εντοπίζεται άνοδος της μέσης στάθμης θάλασσας έως 20 cm, εμποδίζοντας τη φυσιολογική διαδικασία ανόδου ψυχρότερων υδάτων στην περιοχή (upwelling)
http:meteoclima.gr ΠΑΓΚΟΣΜΙΕΣ ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ Περιοχές της Νότιας Αμερικής, όπως η Χιλή και η Αργεντινή εμφανίζουν ιδιαίτερα υψηλά ποσά βροχόπτωσης Ανάλογα, ισχυρές βροχοπτώσεις παρατηρούνται σε περιοχές της Ανατολικής Αφρικής, όπως η Κένυα και η Σομαλία Στις ανατολικές ακτές της Κεντρικής και Νοτίου Αμερικής εντοπίζεται εκτεταμένη περίοδο ανομβρίας, όπως επίσης και στις βόρειες περιοχές της Αυστραλίας και της Ινδονησίας Εξασθένηση της μουσσωνικής κυκλοφορίας στη ΝΑ Ασία τη συγκεκριμένη περίοδο
http:meteoclima.gr Ο ΔΕΙΚΤΗΣ ΝΟΤΙΑΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗΣ Η συχνότητα εμφάνισης του φαινομένου ποικίλλει από 2-7 έτη Για τη μελέτη του φαινομένου έχουν αναπτυχθεί διάφοροι δείκτες, όπως ο δείκτης νότιας ταλάντωσης (Southern Oscillation Index-SOI) SOI Pdiff Pdiffav = 10, SOI ( 35, + 35) SD P Diff P diff = (average Tahiti MSLP for the month) - (average Darwin MSLP for the month) P diffav = long term average of P diff for the month in question SD Pdiff = long term standard deviation of P diff for this month
ΔΙΑΤΑΡΑΧΗ ΒΟΡΕΙΟΥ ΑΤΛΑΝΤΙΚΟΥ (NAO) Το NAO είναι η μεταβολή των σχετικών πιέσεων στη μέση στάθμη θάλασσας μεταξύ Ισλανδίας και Αζορών. Ο όρος εισήχθηκε από τον Gilbert Walker το 1924 Η ένταση του NAO καθορίζεται από τον αντίστοιχο δείκτη Θετικός δείκτης NAO υποδηλώνει ισχυρό υποτροπικό κέντρο υψηλών πιέσεων στον Ατλαντικό και βαθύτερο του κανονικού περιοχή χαμηλών πιέσεων στην Ισλανδία. Η αύξηση της διαφοράς πίεσης επιφέρει μεταφορά της τροχιάς των υφέσεων του Ατλαντικού σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη http:meteoclima.gr
http:meteoclima.gr ΔΙΑΤΑΡΑΧΗ ΒΟΡΕΙΟΥ ΑΤΛΑΝΤΙΚΟΥ (NAO) Αρνητικός δείκτης NAO υποδηλώνει ασθενές υποτροπικό κέντρο υψηλών πιέσεων στον Ατλαντικό και αβαθή περιοχή χαμηλών πιέσεων στην Ισλανδία. Η μείωση της βαθμίδας πίεσης επιφέρει ασθενή κυκλωνική κυκλοφορία στον Ατλαντικό και μεταφορά της τροχιάς των υφέσεων του Ατλαντικού προς τη Μεσόγειο
Απάντηση/Λύση 1 Από το Νόμο μετατόπισης του Wien η θερμοκρασία είναι περίπου 6100 Κ. λmax * T = 2897,8 (μm K) 0,475 μm * T = 2897,8 (μm K) T = 6100,63 K Το χρώμα του ήλιου είναι πολύ κοντά στο κίτρινο και όχι στο μπλε, διότι το μεγαλύτερο ποσοστό ακτινοβολίας εκπέμπεται από τον ήλιο σε μήκη κύματος μεγαλύτερα του λ max, στο οποίο αντιστοιχεί η κορυφή της κατανομής (0,475 μm και μπλε χρώμα).
Απάντηση/Λύση 2 Η μονοχρωματική ένταση ακτινοβολίας δίνεται από το νόμο του Planck Ε = ccc λλ 5 [eeeeee ccc λλtt 1] ccc = 3,74 10 16 WW/mm 2 cc2 = 1,44 10 2 mm KK Ισχυρότερη ενεργειακά επομένως είναι αυτή με το μικρότερο μήκος κύματος, δηλαδή η ιώδης.
Απάντηση/Λύση 3 Θεωρώντας τον Ήλιο ως σφαίρα υπολογίζουμε το εμβαδό της σφαιρικής επιφάνειάς του ηλιακού δίσκου και διαιρούμε την ροή ακτινοβολίας προς το εμβαδό που υπολογίσαμε. EEμμ = 4ππρρ 2 = 606,6794 10 16 mm 2 Ε = 3,91 1026 W 606,6794 10 16 mm 2 = 6,44 * 107 WW mm 2
Απάντηση/Λύση 4 Νόμος Stefan-Boltzmann. Η ένταση ακτινοβολίας του μελανού σώματος (E*) είναι ανάλογη της τέταρτης δύναμης της θερμοκρασίας του. Ε = σ Τ 4 Τ = Ε 1/4 σσ Τ = 5770 K σσ = 5,67 10 8 WW mm 2 KK 4
Απάντηση/Λύση 5 Αν υποτεθεί ότι η μέση ηλιακή ισχύς που προσπίπτει κάθετα ανά μονάδα επιφάνειας στο εξωτερικό όριο της ατμόσφαιρας (ηλιακή σταθερά) μοιράζεται σε όλη την επιφάνειά της γης, τότε η μέση εισερχόμενη ισχύς (σε απουσία ατμόσφαιρας) ανά μονάδα επιφάνειας είναι ίση με Sπ(R Γ ) 2 /4π(R Γ ) 2 = S/4 341,5 Wm -2. Λόγω, όμως, της ανακλαστικότητας (Α = albedo) της ατμόσφαιρας, η ενέργεια που απορροφάται, είναι τελικά (αν θεωρηθεί ότι Α = 0.30): E 1 = (1-A)x341,5 Wm -2 = 0,70x341,5 Wm -2 = 239,05 Wm -2 και η θερμοκρασία στην επιφάνεια προκύπτει από τη σχέση: σ(τ 0 ) 4 = 239,05 Wm -2.