Globalne zmiany środowiska dr inż. Danuta J. MichczyńskaWykład 2
Globalne zmiany środowiska dr inż. Danuta J. Michczyńska
Wykład 2
Zasadnicze cechy systemu klimatycznego
Fizyczne, chemiczne i biologiczne procesy zachodzą w szerokim spektrum skal czasowych i przestrzennych.
Poszczególne komponenty systemu mogą podlegać różnym prawom, ale są wzajemnie zależne i ich ewolucja nie może być w pełni zrozumiana gdy są rozpatrywane oddzielnie.
System jest otwarty. Ta otwartość tkwi przede wszystkim w fakcie, że Ziemia otrzymuje energię od Słońca, a pomiędzy elementami systemu przekazywana jest energia i materia.
Otwartość systemu skutkuje w ciągłym wzajemnym przystosowywaniu się i złożonych oddziaływaniach pomiędzy komponentami systemu.
Wzajemne oddziaływania są w większości nieliniowe.
Wszystkie elementy znajdują się w stanie równowagi dynamicznej Stabilizacja - uzyskiwana dzięki ujemnym sprzężeniom zwrotnym. Natomiast dodatnie sprzężenia zwrotne są głównym czynnikiem zmian środowiska.
Środowisko jako system dynamiczny
Komponenty systemu oddziałują ze sobą w różny sposób w zależności od skali czasu:
Składowe szybkie (godziny – tygodnie) – związane przede wszystkim z atmosferą.
Składowa średniookresowa (sezon – rok – kilka lat) – cykle wegetacyjne, prądy oceaniczne napędzane wiatrem, zmiany zasolenia, SST.
Składowa długookresowa (dziesiątki – setki lat i dłużej) – cyrkulacja termohalinowa, formowanie głębokiej wody oceanów, zmiana szaty roślinnej, bilans masy lodowców i lądolodów.
Składowe szybkie - Zrozumienie tych składowych wymaga gruntownej wiedzy dotyczącej budżetu energetycznego i obiegu wody, tak by móc ująć w zapis matematyczny m.in. procesy radiacyjne chmur, kondensacji, parowania, opadów, turbulencji w swobodnej atmosferze i w warstwie przypowierzchniowej i uwzględnić dane pomiarowe – takie jak: temperatura, opady, albedo, wiatry itp.
Niezależnie od chaotycznej natury atmosfery jest obecnie jasne, że sezonowe i roczne zmiany stanu oceanu i powierzchni lądu mogą modyfikować krótkookresowe zmiany klimatyczne w przewidywalny sposób. Przewidywanie to wymaga opisania atmosfery i jej oddziaływań z górną warstwą oceanu oraz oddziaływań z kriosferą (lód morski, pokrywa śniegu) i biosferą lądową. To z kolei wymaga oprócz obserwacji atmosfery również długo-okresowych obserwacji stanu oceanu (precyzyjne satelitarne pomiary SST, SSS, pomiary szybkości wiatrów, dynamiki topografii powierzchni), stanu wilgotności gleby i pokrywy śniegowej (satelitarne obserwacje sezonowych i rocznych zmian kontynentalnej pokrywy śniegowej i roślinnej, wpływu stanu pokrywy roślinnej na wilgotność gleby, albedo i bilans radiacyjny).
Środowisko jako system dynamiczny http://esapub.esrin.esa.it/eoq/eoq63/theme2.pdf
Skale czasowe
Pogoda i klimat ulegają ciągłym zmianom – od powolnych, dostrzegalnych w długich przedziałach czasu do nagłych i dramatycznych. Co jest przyczyną tych zmian?
Środowisko, w którym żyjemy ulega ciągłym zmianom na skutek naturalnych i antropogenicznych przyczyn.
Naturalne zmiany środowiska zawsze były obecne w historii Ziemi, często pojawiały się cyklicznie.
Natomiast zmiany wywoływane działalnością człowieka stały się znaczące w ostatnich kilku stuleciach. Populacja ludzi rośnie –> antropogeniczne zmiany środowiska również będą rosły.
Najlepszą drogą zobaczenia jak zmienia się środowisko jest porównanie jego obecnego stanu i stanu w przeszłości. Jest to możliwe dzięki występowaniu naturalnych zjawisk, które są zależne od klimatu, i których zapis zachował się do czasów współczesnych (dane pośrednie – proxy data).
Kluczem do zrozumienia zmian globalnych jest przede wszystkim zrozumienie czym jest klimat i jak działa.
Klimat a pogoda Klimat to średni stan środowiska w określonym miejscu i czasie. Obejmuje średnie wartości szeregu zmiennych pogodowych, takich jak: wiatr, temperatura, opady, wilgotność, zachmurzenie, ciśnienie, widoczność i jakość powietrza.
Klimat określonego miejsca można zdefiniować jako średnią (zwykle 30-letnią) pogody. Klimat można określić ilościowo przez obliczenie długookresowych średnich różnych elementów pogody
The Climate Time Line http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/
Rysunek uproszczony, nie uwzględnia wzajemnych relacji pomiędzy zjawiskami pojawiającymi się w różnych skalach czasowych.
Oś Y – względna zmienność, ale nie oparta na formalnych pomiarach (zmienność – zakres wartości pomiędzy minimum a maksimum). Generalnie: Im krótsza skala czasu – tym w skali przestrzennej większy lokalny wpływ; im dłuższa skala czasu – tym w skali przestrzennej większy globalny wpływ.
Np. pogoda (zmienność w przedziale czasowym godziny – tygodnie) może zmieniać się na poziomie lokalnym. Natomiast procesy klimatyczne takie jak wymuszenie orbitalne mogą zmieniać klimat całej planety.
Age of Earth 4,55 Billion Years
Evolution of Earth, atmosphere, and biosphere - Includes initial outgasing of the planet, formation of the oceans, evolution of gases in the atmosphere and subsequent evolution of live on earth
Tectonic Cycles - Includes plate motions, resulting change in continental geography, mountain building and erosion, production and subduction of seafloor crust, and related changes in chemical cycles (oxygen, carbon dioxide, and other reactive elements)
Orbital (Milankovich Cycles) - Periodic changes in the earth's orbit that change the distribution of incoming solar radiation at ca. 100,000, 41,000 and 21,000 year periods
Dansgaard-Oeschger Cycles - A semi-periodic (re-occurring with a non-exactly equal repeat frequency) changes in climate thought to be caused by internal oscillations of the oceanic and atmospheric circulation, and feedbacks between the ocean-ice-atmosphere system
NAO North Atlantic Oscillation - A semi periodic oscillation in the atmospheric surface pressure contrast between the Icelanding Low and Azores High, and associated wind and weather patterns
PDO Pacific Decadal Oscillation - A semi-periodic oscillation in the spatial pattern sea surface temperature (SST) across the North Pacific, with associated changes in sea level pressure, surface winds and weather patterns
ENSO El Niño-Southern Oscillation - A quasi-periodic oscillation in sea surface temperature and sea surface pressure across the tropical Pacific, causing both loc...
Changes in Earth's climate at different time scales.
Image from: Ruddiman, W. F., 2001. Earth's Climate past and future. W.H. Freeman & Sons, New York (http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/about7.html)
Linia czasu
Future
▲ 24 hours Materiały drukowane
Kadr z filmu „The day after”
Kadr z filmu ”The day after”
Pytania
Czy możliwa jest taka/tak gwałtowna zmiana klimatu jak pokazana w filmie „The day after”?
Czy tego typu zmiany miały miejsce w przeszłości? Jak znaleźć odpowiedź na to pytanie?
Jakie są przyczyny zmian klimatu?
Historia poznawania zmienności środowiska
Obserwacje:
Występujące w wielu miejscach Ziemi nagromadzenia okruchów skalnych, żwirów, piasku i gliny początkowo kojarzono jednoznacznie ze śladami biblijnego potopu.
Skąd jednak obecność ogromnych głazów narzutowych na terenach bardzo odległych od skał macierzystych takich głazów?
Historia poznawania zmienności środowiska
Teoria zlodowaceń
schyłek XVIII wieku – na podstawie obserwacji głazów narzutowych James Hutton formułuje hipotezę, że były one transportowane przez lodowce
1837 – Jean Luis Agassiz przedstawia teorię zlodowaceń;
Sir Charles Lyell
1797 - 1875 Teoria dyluwialna (Wielkiego Potopu)
1830-1833 (Principles of Geology) ogromne głazy występujące w glinie – głazy uwolnione z topniejących gór lodowych, które dryfowały podczas Wielkiego Potopu Jean Louis Agassiz 1807-1873 William Buckland 1784-1856 1840 William Buckland stwierdza, że ani teoria potopu, ani dryf gór lodowych nie mogą wytłumaczyć zjawiska głazów narzutowych i przyjmuje teorię Agassiza.
Obserwacje Agassiza i Charpentiera Morena boczna Gorner Glacier, Zermatt, Switzerland Dzięki temu, że w strefie kontaktu lodowiec – podłoże występują wody roztopowe lodowiec może przemieszczać się. Woda spełnia rolę smaru.
Ślady działalności lodowców / lądolodu
Moreny boczne i czołowa, Bylot Island, Canada Charakterystyczne żłobkowanie podłoża skalnego jako rezultat przesuwającego się lodowca
http://earthobservatory.nasa.gov/Study/Paleoclimatology/
Historia poznawania zmienności środowiska
1859 – Karol Darwin w swoim dziele „O powstawaniu gatunków” wskazuje na związki pomiędzy zmiennością gatunków i środowiska.
koniec XIX wieku – Jamieson wykazał, że następują wahania poziomu morza; Archibald Geikie wystąpił z ideą wielokrotnych zlodowaceń
1909 – Albrecht Penck i Eduard Bruckner rozpoznali w szeregach tarasów alpejskich formy polodowcowe powstałe w następstwie oscylacji ciepłych i chłodnych faz klimatu. Ugruntowanie się teorii zlodowaceń.
1920-1940 Milutin Milankowic odświeżył XIX-wieczną teorię James’a Croll, sugerującą, że zmiany ekscentryczności orbity ziemskiej mogą być przyczyną powstawania zlodowaceń.
Comments