Het veranderend klimaat
Thomas Röckmann
Institute for Marine and Atmospheric Research Utrecht (IMAU)
Utrecht University
HOVO cursus 2009
College 1: Atmosfeer en klimaat
Atmosfeer en klimaat
HOVO cursus 2009
De rol van de atmosfeer in het klimaatsysteem Opbouw van de atmosfeer
Belangrijke vragen in atmosfeeronderzoek Atmosferische samenstelling
Orders grootte in atmosfeer/klimaatonderzoek Interactie van straling met de atmosfeer
Natuurlijke en mens-gemaakte veranderingen in de atmosfeer Het “anthropoceen”
CO 2` increase
Bron: NOAA/CMDL, Boulder
Temperatuurverandering in het verleden
Bron: Hadley Center for climate change
Components of the climate system and interactions between them that should ideally be included in an Earth system model
Earth system sciences
De atmosfeer
– Beschermende laag voor het leven op aarde (stratosferisch O3)
– Atmosferische componenten essentieel voor metabolisme (bvb. O2, CO2)
– Maakt deel uit van het systeem aarde
– Verbinding tussen verschillende andere compartimenten – Belangrijke speler in het klimaatsysteem
– Bepaald verdeling van energie en stoffen op aarde – Complex dynamisch systeem (chaotische beweging) – Is een relatief dunne laag (7-8 km bij atmosfeerdruk)
The Earth from space
First picture of the Earth
the Earth is blue/bluish..
There are many clouds
The
atmosphere is thin
De atmosfeer gezien
vanuit de ruimte
The layers of the atmosphere
1% of earth radius
Heterosphere
Homosphere
Samenstelling van droge lucht
N2 78 % O2 21 % Ar 1 % Rest 0.04 %
Gas formule hoeveelheid makkelijker
stikstof N2 0.7808 78.08 %
zuurtof O2 0.2095 20.95 %
argon Ar 0.0093 0.93 %
Som 0.9996 99.96 %
Rest 0.0004 0.04 %
kooldioxide CO2 0.00038 380 ppm
methaan CH4 0.0000018 1800 ppb
lachgas N2O 0.00000033 330 ppb
ozon O3 0.00000004 40 ppb
stikstofoxide NO 0.000000001 1 ppb hydroxyl OH 0.000000000001 <1 ppt Gas formule hoeveelheid makkelijker
stikstof N2 0.7808 78.08 %
zuurtof O2 0.2095 20.95 %
argon Ar 0.0093 0.93 %
Som 0.9996 99.96 %
Rest 0.0004 0.04 %
Gas formule hoeveelheid makkelijker
stikstof N2 0.78 78 %
zuurtof O2 0.21 21 %
argon Ar 0.01 1 %
Som 1 100 %
ppm: parts per million ppb: parts per billion ppt: parts per trillion
Grote en kleine getallen
1 molecuul CO2 weegt 7.305 10-23 g en is ~0.1 nm groot.
Praktische eenheden door kennis opbouw van atomen C heeft 12 nucleonen – massa 12
Def: Aantal C atomen die 12g wegen: 1 mol 1 mol C atomen heeft massa 12 g.
1 mol O atomen heeft massa 16 g.
1 mol CO2 moleculen heeft massa 44 g.
1 mol luchtmoleculen heeft massa 29 g.
Een mol van een gas heeft een constant volume (molair volume)
Molair volume 22.4 liter druk van één atmosfeer (1013 hPa) en temperatuur van 0ºC (273,15 K)
24.46 liter bij 1 atmosfeer druk en 25ºC Constante van Avogadro: aantal moleculen per mol
1 mol = 6.022 1023 moleculen
602 214 199 000 000 000 000 000
602 214 199 000 000 000 000 000
Één mol water, een kleine slok (18 g).
Als we alle moleculen in een rij zetten (dicht gepakt, 10000 moleculen per millimeter), hoe ver staat deze file?
A. Dwars door Nederland (400 km) B. Om de aarde (40 000 km)
C. Tot aan de maan (384 000 km) D. Tot aan de zon(150 miljoen km)
E. Tot aan de ster Alpha Centauri (4.35 lichtjaren)
F. Tot in het centrum van de melkweg (26 000 lichtjaren)
Correct: E. (6.4 lichtjaren)
International System of Units
base units
Name Symbol Quantity metre m Length kilogram kg Mass second s Time
ampere A Electrical current
kelvin K Thermodynamic temperature mole mol Amount of substance
candela cd Luminous intensity
SI-Prefixes
Name yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deca
Symbol Y Z E P T G M k h da
Factor 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 Name deci centi milli micro nano pico femto atto zepto yocto
Symbol d c m µ n p f a z y
Factor 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24
Een ademtocht…
1/2 liter lucht 10
22moleculen
(10000000000000000000000)
400.000.000.000.000 moleculen O
3>100.000.000 aerosolen
Size/Mass of the atmosphere
Radius: r = 6370m
Area: A = 5.1 × 1018 cm2 Ground pressure: 1kg/cm2
→ Mass of the atmosphere: 5.1 × 1018 kg
> 1044 molecules (ocean: 4.5 × 1046 molecules) When the greek Archimedes (287 to 212 BC)
exclaimed “Heureka!“, he exhaled about 2.5 ·1022 air molecules. With each breath you take, you
inhale statistically 7 of those molecules.
“Heureka!!“
Masses of Environmental Compartments
• Atmosphere: 5.3 1021 g
• Biosphere: 1.3 1021 g
• Hydrosphere: 1.4 1024 g
• Earth: 6.0 1027 g
All Water on Earth R≈700km All Air on Earth: Sphere R≈1000km 1.41 Mrd. km3 (standard conditions)
Source: Adam Nieman, http://www.adamnieman.co.uk/vos/index.html
Het broeikaseffect
wolken
aerosolen
zonnestraling warmtestraling
broeikasgassen
Licht: golven - deeltjes
18
Spectrum of electromagnetic
radiation
Molecular absorption
External electromagnetic fields lead to transitions between energy states of a molecule
• electronic: (UV-VIS)
E ~ 10 eV, 100000 cm-1, 0.1µm
• rotation: (FIR)
E ~ 10-3 eV, 10 cm-1 , 1 mm
• vibration: (IR)
E ~ 10-1 eV, 1000 cm-1, 10 µm
from Davis (1996): Lasers and Electro-Optics 1eV=1.6×10−19 J
IR-absorption e.g. CO 2
spectrum from HITRAN database
Absorption of radiation
• http://www.chemtube3d.com/
vibrationsCO2.htm
Overview of radiative effects
in the
atmosphere
From: Peixoto and Oort
IR straling van de aarde
Het natuurlijke broeikaseffect (IPCC)
Satellietmetingen
Hanel et al. J. Geophys. Res. 77, 2629-2641 (1972)
Bergmann Schaefer (1996)
• Directe stralings-forcering (radiative forcing, RF):
– Terugkaatsing en absorptie van langgolvige en kortgolvige straling
• Indirecte stralings-forcering:
– Verandering microfische en stralings-
eigenschappen, aantal en levensduur van wolken.
Stralingseffecten van aerosolen en wolken
Aerosol have natural (crustal windblown, maritime, volcanic) and anthropogenic (combustion, land use change) sources.
Aerosol direct effect: scattering and absorption of Sw radiation.
Aerosol indirect effect: mechanism by which aerosols influence the microphysical and hence radiative properties, amount and lifetime of clouds.
Aerosol effects
Cloud Albedo effect
Verloren levensmaanden door aerosolen in Europa
Bron: IIASA, Laxenburg
