1

Natuurlike Natuurlike KlimaatsforseringKlimaatsforsering

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

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

3

Klimaatsforsering

Die Globale Energiebalans

4

StralingsforseringStralingsforsering

Son Struktuur

Kern (T=20×106 K)

Stralingsone

Konveksiesone

Fotosfeer (T=103 K)

Chromosfeer (T=106 K)

Korona

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 ~ 107 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

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 StruktuurFotosfeer• “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

7

Helder kolle• Streke van geweldige sterk konvektiewe aktiwiteit• Energie word opwaarts oorgedra na Son se atmosfeer• Temperatuur styg om 106 ºC sowat 15 000 km bokant

oppervlak te bereik by oorgang tot koronaSonvlekke (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 http://soho.nascom.nasa.gov/home.html

8

Sonvlek Siklusse

9

Sonvlek Getal Voorspelling

StralingsmeetkundeSonkonstante:• 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

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. CO2 of yskap dinamika) kan van die afwykings verklaar

11

MilankovitchTeorie

• 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

100 000 jaar en 413 000 jaar• Huidige ovaalvormigheid is 0.017• Huidige verskil tussen die naaste punt aan die

Son (perihelion = 147 × 106 km) en die verstepunt (aphelion = 152 × 106 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

12

Hoek met die orbitaalvlak• Die hoek wat die Aarde se as maak

met die vlak van die wentelbaan (deklinasie) verander van22.1º tot 24.5º

• Variasies vind plaas oor ʼn periode van 41 000 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 van18 800 jaar en 23 000 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

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 Son2 – 4 Januarie (SH somer)

14

Variasie in Sonstraling (Seisoenaal)

In 2011 om 01:21 SASTop 21 Maart

In 2011 om 07:30 SAST

op 22 Desember

In 2011 om 11:04 SAST

op 23 September

In 2011 om 19:16 SASTop 21 Junie

Variasie in Sonstraling

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

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 O2

en O3 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 H2O en CO2)• Weinig absorpsie vind plaas tussen 8 en 13 µm waar die

meeste van die aardstraling voorkom � atmosferiese venster

17

Attenuasie: Verstrooiing� Rayleigh verstrooiing

• partikel radius < λ/10• hoeveelheid verstrooiing omgekeerd

eweredig aan λ4

• hemelruim vertoon blou aangesien λblou < λrooi

� 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

18

Attenuasie: Weerkaatsing

• Hang van albedo af

• 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 deurkweekhuisgasse in die atmosfeer geabsorbeer, enin alle rigtings her-uitgestraal.

• Aangesien ʼn gedeelte van hierdie straling terug nadie oppervlak is, word energie oorgedra na dieoppervlak en die laer atmosfeer.

Die Kweekhuiseffek

19

Die Kweekhuiseffek• Gevolglik is die nabye-oppervlak temperatuur

hoër as wat dit sou wees as direkte verhitting deur sonstraling die enigste verwarmings-meganisme 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.