Курс «Физика и химия атмосферы» (физика климатической системы) Особенности химического состава атмосферы Оптика атмосферы Термодинамика атмосферы Физика парникового эффекта Проблема изменения климата Лекция 1 «Введение в проблему» КОМФ УрГУ

Состав современной атмосферы газы + аэрозоль Основные газовые составляющие % Азот, N % Кислород, O % Аргон, Ar0.934% Водяной пар, Н2О переменная составляющая; примерно 0.1 % - 1% Малые газовые составляющие ppm Углекислый газ, CO Неон, Ne18.18 Гелий, He5.24 Метан, CH Криптон, Kr1.14 Водород, H Концентрации некоторых газов Н 2 О, CO и др. в атмосфере заметно варьируются от сезона к сезону и места. Единицы ppm означают количество данных молекул на миллион молекул воздуха. Молекулярная масса воздуха g/mol. Климатическая система Земли состоит из 5 подсистем: 1. Атмосфера 2. Гидросфера 3. Криосфера 4. Биосфера 5.Литосфера

Вертикальный профиль температуры в атмосфере Земли

Атмосфера и ближний космос

Сеть наземных станций по измерению температуры приземного воздуха.

Среднемесячная температура поверхности суши

Среднегодовая температура поверхности суши

Тренд глобальной приземной температуры воздуха за период инструментальных измерений (данные ВМО).

Annual global temperature change (thin light red) with 11 year moving average of temperature (thick dark red). Temperature from NASA GISS. Annual Total Solar Irradiance (thin light blue) with 11 year moving average of Total Solar Irradiance (TSI) (thick dark blue). TSI from 1880 to 1978 from Solanki. TSI from 1979 to 2009 from Lockwood & Frohlich.

Общая схема среднегодового теплового баланса планеты (Хромов С.П., Петросянц М.А. 2001). Приведенные величины потоков имеют размерность Вт/м 2

Парниковый эффект Так называемый парниковый эффект на Земле обеспечивает поток нисходящего инфракрасного теплового излучения атмосферы (противоизлучение), приходящий к поверхности – 324 Вт/м 2. Он имеет место благодаря наличию парниковых газов: Н 2 О, СО 2, СН 4, О 3, N x O y, CO и др. в атмосфере и дополнительно к солнечному излучению подогревает поверхность. В результате, среднегодовая глобальная температура приземного воздуха +15 С. Если бы атмосфера Земли состояла только из N 2, O 2 и Ar, то поток этого теплового противоизлучения атмосферы был бы равен нулю, а температура приземного воздуха около -18С. Современная проблема парникового эффекта в том, что за последнее столетие из-за увеличения в атмосфере количества парниковых газов, главным образом СО 2 и СН 4, этот среднегодовой поток увеличился по разным оценкам на величину примерно 2-3 Вт/м 2 и продолжает расти.

Рост концентрации углекислого газа в приземном слое атмосферы за период инструментальных наблюдений.

Изменение концентраций CO 2, CH 4 и температуры приземного воздуха за последнее тысячелетие [Global Environment Outlook 3. UNEP, 2002]

* Палеоклиматические данные (ледяные керны со станции «Восток»-Антарктида) по изменению температуры поверхности Земли и концентрации СО 2 и СН 4 в ее атмосфере за последние примерно лет. (Petit J.R. et al, Nature,1999) *

The majestic glacial cap of 11,000-year-old ice has long captured imaginations of scientists and environmemtalists the world over. Six ice cores taken from Mount Kilimanjaro glaciers provide an 11.7-thousand-year record of Holocene climate and environmental variability for eastern equatorial Africa, including three periods of abrupt climate change: 8.3, 5.2, and 4 thousand years ago, with latter is coincident with the "First Dark Age," the period of the greatest historically recorded drought in tropical Africa. Over the 20th century, the areal extent of Kilimanjaro's ice fields has decreased 80%, and if current climatological conditions persist, the shrinking ice fields are likely to disappear between 2015 and Вид ледника Килиманджаро в 1970-х. (данные ВМО).

Вид ледника Килиманджаро на спутниковых снимках. Начало 1990-х (слева). Начало 2000-х (справа).

The June 2009 photo of Mount Kilimanjaro by Stephen Morrison of the European Pressphoto Agency, the clearly highlights the absence of large glaciers.

Рост численности населения Земли

Действующие объекты нефтегазового комплекса в Западной Сибири, являющиеся источниками выбросов метана (снимок MODIS со спутника Terra, январь 2006 г., предоставлен Югорским НИИ ИТ, г. Х-Мансийск)

Наблюдение Земли из космоса. МКС.

Наблюдение со спутника за зарождением урагана

Наблюдение со спутника за извержением вулкана Этна

Мониторинг параметров атмосферы со спутников на полярных орбитах

Схема спутникового сканирования атмосферы и подстилающей поверхности с полярной орбиты (гиперспектральный сенсор AIRS на спутнике AQUA)

Типичный спектр уходящего в космос теплового излучения Земли регистрируемый в безоблачной атмосфере современными спектрометрами спутникового базирования.

Карта распределения среднегодовой температуры поверхности по спутниковым данным.

Распределение среднесуточного содержания О 3 в атмосфере по спутниковым данным.

Распределение СО в атмосфере, определенное по спутниковым спектральным данным.

Наблюдаемый со спутника перенос аэрозоля с пустыни Сахара

Horizontal distribution of retrieved dD values (left) and the zonal mean in 3 0 latitudinal steps (right) Zakharov V.I., R. Imasu, K.G. Gribanov, G. Hoffmann and J. Jouzel, Latitudinal distribution of deuterium to hydrogen ratio in the atmospheric water vapor retrieved from IMG / ADEOS data // Geophysical Research Letters, v. 31, N12, June 28, 1-4, 2004.

Современные Фурье спектрометры фирмы BRUKER наземного базирования в комплекте с солнечным трекером (Фурье обсерватории) используются как для локального рутинного мониторинга парниковых газов в атмосфере СН 4, СО 2, СО,О 3 и др, так и для калибровки/валидации спутниковых данных. Современные Фурье спектрометры фирмы BRUKER наземного базирования в комплекте с солнечным трекером (Фурье обсерватории) используются как для локального рутинного мониторинга парниковых газов в атмосфере СН 4, СО 2, СО, О 3 и др, так и для калибровки/валидации спутниковых данных.

Покрытие глобуса международной сетью Фурье обсерваторий для мониторинга углерод содержащих парниковых газов и валидации спутниковых данных. В Коуровской астрономической обсерватории УрГУ в рамках НОЦ «Экология и природопользование» введен в строй Фурье спектрометр Bruker IFS 125M, спектральный диапазон см -1, разрешение см -1. СН 4, СО 2, СО,О 3, N x O y, HNO 3, HCl и др. Парниковые и загрязняющие атмосферу газы: СН 4, СО 2, СО, О 3, N x O y, HNO 3, HCl и др. *

Образец спектра высокого разрешения в диапазоне см -1, регистрируемый в безоблачной атмосфере фонового района на Уральской Фурье обсерватории спектрометром Bruker IFS 125M.

Более детальные фрагменты наблюдаемого спектра пропускания атмосферы в интервале см -1.

Ключевые научные задачи для Уральской атмосферной Фурье станции: калибровка/валидация спутниковых данных по мониторингу парниковых газов: СО 2, СН 4, N x O y и др. в атмосфере, таких как GOSAT и др. экологический мониторинг накопления вредных примесей, (HNO 3, тропосферный O 3, CO, C 2 H 2 и др.) в атмосфере, выявление источников; определение природной и антропогенной составляющих эмиссии СO 2 и СН 4 ; получение и использование данных УАФС для параметризации модели общей циркуляции атмосферы с целью прогнозирования изменения климата и гидрологического;

За минувшее столетие в парниковом эффекте отчетливо проявилась переменная составляющая, наблюдается резкое повышение содержания ключевых парниковых газов (СО 2, СН 4 и др.) в атмосфере, сопровождающееся ростом среднегодовой температуры поверхности Земли. Вековой тренд термического режима системы «атмосфера-поверхность» привел к наблюдаемым уже невооруженным глазом климатическим изменениям, таким как масштабное таяние ледников. Отмечается рост ежегодного количества и мощности экстремальных метеорологических событий: засухи, ураганы, наводнения и т.п. Согласно данным палеоклиматических исследований, Petit J.R. et al 1999; Jouzel J. et al 2007, тепловой режим нашей планеты следует определенным циклам потепления и похолодания, коррелирующими с изменением содержания СО 2 и СН 4 в атмосфере. В настоящий период мы находимся на очередном цикле потепления. Однако, существенной отличительной особенностью нынешнего цикла является то, что количество СО 2 и СН 4 в атмосфере сейчас значительно превышает их значения когда либо имевшие место за последние 800 тыс. лет. В связи с проблемой аномально быстрого роста концентраций углекислого газа и метана в атмосфере в настоящее время и наличием огромного количества этих газов депонированных в различных земных резервуарах, актуальным становится вопрос о глобальной устойчивости современного термического режима поверхности Земли при условии потенциально возможного «неограниченного» накоплении парниковых газов в атмосфере.

Спасибо за внимание!

Модель глобального среднегодового теплового баланса поверхности Земли и парниковый эффект приходящий к поверхности тепловой поток уходящий с поверхности тепловой поток - нисходящее тепловое излучение атмосферы - возросший парниковый эффект из-за накопления СО 2 и СН 4 в атмосфере - необходимое увеличение солнечной постоянной для дополнительного нагрева поверхности эквивалентного возросшему парниковому эффекту