LWR324. Klimaatsforsering

Transcriptie

1 Natuurlike Klimaatsforsering LWR324 Klimaatsforsering Die klimaat van die Aarde word beïnvloed deur ʼn aantal faktore, genaamd forserings Die belangrikste forserings in onlangse geskiedenis is: veranderinge in die hoeveelheid sonstraling wat die Aarde bereik veranderinge in die atmosferiese konsentrasie van kweekhuisgasse land-dekking veranderinge 1

2 Klimaatsforsering Klimaatsforsering Hierdie forserings verander die energiebalans van die klimaatstelsel en is drywers van klimaatverandering Hul affekteer die absorpsie, verstrooiing en vrystelling van straling binne die atmosfeer en by die Aardoppervlak Die gevolglike positiewe/negatiewe veranderinge in energiebalans word uitgedruk in terme van stralingsforsering, wat gebruik word om verwarmings-/afkoelingstendense op globale klimaat te vergelyk 2

3 Klimaatsforsering Die Globale Energiebalans 3

4 Stralingsforsering Son Struktuur Kern (T= K) Stralingsone Konveksiesone Fotosfeer (T=10 3 K) Chromosfeer (T=10 6 K) Korona 4

5 Son Struktuur Kern Soos ʼn kernreaktor waar die smeltingsproses massa omsit in energie Energie word geproduseer deur die omskakeling van Waterstof na Helium onder toestande van hoë druk en temperatuur Sowat 4 miljoen ton materie word omgesit per sekonde T ~ 10 7 K (15-20 miljoen K) Die hitte van die reaksie dryf ʼn uitwaartse druk wat die inwaartse gravitasiekragte teenwerk Son Struktuur Radiasiesone ʼn Streek van hoogs geïoniseerde gas Fotone van die kernreaksie word hier geabsorbeer en heruitgestraal Energie-oordrag is hoofsaaklik deur fotondiffusie 5

6 Son Struktuur Konveksiesone Die hoë ondeursigtigheid maak dit moeilik vir fotonstraling om verder uitwaarts te vorder ʼn Skerp temperatuurgradiënt word opgestel wat lei tot konveksiestrome Die buitelaag van die Son is in konvektiewe ewewig, en dis waar sonvlekke en ander sonaktiwiteitverskynsels gegenereer word Son Struktuur Fotosfeer Oppervlak van die Son Sowat 500 km dik T ~ 6000 K wat dui op ʼn skerp afname in temperatuur vanaf die kern Oppervlak gekenmerk deur beide warmer (helder) en relatief koeler (donker) areas Korrelagtige voorkoms Die buiterand van die fotosfeer is die buitelyn van die sigbare sonskyf in wit lig Meeste van die sigbare straling wat deur die Son afgegee word kom vanaf die fotosfeer 6

7 Helder kolle Streke van geweldige sterk konvektiewe aktiwiteit Energie word opwaarts oorgedra na Son se atmosfeer Temperatuur styg om 10 6 ºC sowat km bokant oppervlak te bereik by oorgang tot korona Sonvlekke (sunspots) Groot donkerder areas op fotosfeer Areas van subsidensie Koeler met 1000 K Gekenmerk deur sterk magneetvelde Geassosieer met verhoogde sonaktiwiteit (liggewendheid) Aantal verander met tyd ~ 11 jaar siklus Langer siklusse van 22 jaar en 80 jaar ook waargeneem Baie min vlekke word waargeneem buite 5º - 35º Sonvlekke Van 1645 tot 1715 was daar ʼn drastiese afname in die aantal sonvlekke Hierdie tydperk van verminderde sonaktiwiteit, bestudeer deur E.W. Maunder, word nou die Maunder Minimum genoem Hierdie was ʼn buitengewoon koue tydperk op Aarde, en daar word ook soms na verwys as die Klein Ystydperk" Dit het gelei tot spekulasie dat sonvlekaktiwiteit wel ʼn invloed op die Aarde se klimaat mag hê Die Michelson Doppler Imager (MDI) image wat hier getoon word is baie naby aan hoe die son lyk in die sigbare deel van die spektrum (bv. deur daarna te kyk deur ʼn spesiale sonsverduisteringbril ) Die magnetogram dui die magneetvelde in die son se fotosfeer, met swart en wit wat teenoorgestelde polariteite aandui 7

8 Sonvlek Siklusse 8

9 Sonvlek Getal Voorspelling Stralingsmeetkunde Sonkonstante: Die hoeveelheid inkomende straling wat in eenheidstyd deur ʼn eenheidsarea loodreg tot die Son se strale beweeg by die buitenste grens van die atmosfeer wanneer die afstand tussen die Aarde en die Son op sy gemiddelde waarde is Gemiddelde waarde van 1367 W m -2 maar fluktueer met ± 1.5% rondom hierdie gemiddelde waarde 9

10 Variasies in Sonstraling (Lang-termyn) Variasies in die sonkonstante vind op verskillende tydskale plaas Kort-termyn variasies (bv. sonvlekke) Lang-termyn variasies (bv. veranderinge in sonaktiwiteit en veranderinge in Aarde se wentelbaan) Die gesamentlike effek van die veranderinge in die Aarde se beweging op sy klimaat word die Milankovitch siklusse genoem Die Milankovitch teorie van klimaatsverandering is nie perfek nie, maar dit verklaar wel ʼn groot deel van die historiese klimaat Verskeie terugkoppelingsmeganismes (bv. CO 2 of yskap dinamika) kan van die afwykings verklaar 10

11 Milankovitch Teorie Rondheid van die Aarde se wentelbaan Hoek met die orbitaalvlak Opeenvolging van die eweninge Vorm van die Aarde se wentelbaan Die vorm van die wentelbaan verander van byna rond (0.005) tot ovaalvormig (0.058) Variasies vind plaas oor ʼn periode van jaar en jaar Huidige ovaalvormigheid is Huidige verskil tussen die naaste punt aan die Son (perihelion = km) en die verste punt (aphelion = km) Hierdie verskil is ekwivalent aan ʼn 6.8% verandering in inkomende sonstraling Wanneer die ovaalvormigheid hoog is, is die seisoene aan die verste kant van die wentelbaan aansienlik langer Dit beteken in SH is somers korter as winters en SH winters is kouer as NH winters 11

12 Hoek met die orbitaalvlak Die hoek wat die Aarde se as maak met die vlak van die wentelbaan (deklinasie) verander van 22.1º tot 24.5º Variasies vind plaas oor ʼn periode van jaar Huidiglik is deklinasie 23.5º Wanneer die deklinasie toeneem, neem die amplitude van die seisoenale siklus in insolasie toe Dit beteken dat somers in beide halfrondtes meer sonstraling sal ontvang en winters minder, sodat somers warmer en winters kouer sal word Opeenvolging van die eweninge Daar is ʼn verandering in die rigting van die Aardas relatief tot die vaste sterre asook die tye van aphelion en perihelion Variasies vind plaas oor periodes van jaar en jaar Huig is perihelion op 3 Januarie en aphelion op 4 Julie Die halfrond wat na die Son wys gedurende perihelion, sal warmer somers en kouer winters ervaar, terwyl die ander halfrond meer gematigde seisoene sal hê Wanneer perihelion en aphelion saam met die dag- en nageweninge val, sal beide halfrondtes soortgelyke verskille in seisoene ervaar Dit beteken somers is tans warmer in die SH en winters kouer 12

13 Variasie in Sonstraling (Seisoenaal) Aphelion: Aarde op sy verste van die Son 4 6 Julie (SH winter) Perihelion: Aarde op sy naaste aan die Son 2 4 Januarie (SH somer) 13

14 Variasie in Sonstraling (Seisoenaal) In 2011 om 01:21 SAST op 21 Maart In 2011 om 19:16 SAST op 21 Junie In 2011 om 07:30 SAST op 22 Desember In 2011 om 11:04 SAST op 23 September Variasie in Sonstraling 14

15 Attenuasie van Radiasie Attenuasie (uitdunning) van beide langgolf aardstraling en kortgolf sonstraling vind plaas wanneer dit deur die Aarde se atmosfeer beweeg. Die hoofprosesse wat radiasie uitdun is: Absorpsie Verstrooiing Weerkaatsing Attenuasie: Absorpsie Elektron binne ʼn atoom spring na volgende toelaatbare orbitaal Atome vibreer rondom hul gemiddelde posisie in die molekule Rotasie van die molekule rondom sy massa middelpunt 15

16 Attenuasie: Absorpsie Elke gas absorbeer energie in nou golflengte-intervalle genaamd spektrale absorpsielyne Spektrale absorpsielyne word gegroepeer om absorpsiebande te vorm Die hoeveelheid absorpsie wat plaasvind hang af van die hoeveelheid en temperatuur van die gas Amper al die UV-straling met λ < 0.29 µm word deur O 2 en O 3 geabsorbeer Weinig absorpsie vind plaas tussen 0.3 en 0.8 µm waar die meeste van die sonstraling voorkom Die kweekhuisgasse in die atmosfeer absorbeer aardstraling (hoofsaaklik H 2 O en CO 2 ) Weinig absorpsie vind plaas tussen 8 en 13 µm waar die meeste van die aardstraling voorkom atmosferiese venster 16

17 Attenuasie: Verstrooiing Rayleigh verstrooiing partikel radius < λ/10 hoeveelheid verstrooiing omgekeerd eweredig aan λ 4 hemelruim vertoon blou aangesien λ blou < λ rooi Mie verstrooiing partikel radius λ verstrooiing hoofsaaklik in die vorentoe rigting kleur van hemelruim meer grys tot wit as blou Attenuasie: Verstrooiing Diffraksie λ/10 partikel radius 10λ rand-effek wat straal opbreek en buig 17

18 Attenuasie: Weerkaatsing Hang van albedo af Die Kweekhuiseffek ʼn Natuurlike proses wat nie verwar moet word met die verweghol kweekhuiseffek nie. Inkomende kortgolf sonstraling beweeg ongehinderd deur die atmosfeer om die planeet se oppervlak op te warm, wat op sy beurt weer die energie uitstraal as langgolf/aard/termiese infrarooistraling. Die uitgaande termiese infrarooistraling word deur kweekhuisgasse in die atmosfeer geabsorbeer, en in alle rigtings her-uitgestraal. Aangesien ʼn gedeelte van hierdie straling terug na die oppervlak is, word energie oorgedra na die oppervlak en die laer atmosfeer. 18

19 Die Kweekhuiseffek Gevolglik is die nabye-oppervlak temperatuur hoër as wat dit sou wees as direkte verhitting deur sonstraling die enigste verwarmingsmeganisme was. Die meganisme is vernoem na die effek van sonstraling wat deur glas beweeg om ʼn kweekhuis op te warm, maar die wyse waarop dit hitte vasvang is fundamenteel anders aangesien ʼn kweekhuis werk deur lugvloei te verminder sodat die warm lug binne die struktuur nie weens adveksie/konveksie verwyder word nie. 19