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Il clima e gli strumenti per il suo studio
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Il clima e gli strumenti per il suo studio

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  • =-18°C (-13°C max o -23°C min) December through February the maximum daily temperature exceeds 0 °C, on average, for only 10 days and the minimum daily temperature falls below −20 °C on 49 days. Quali December through February the maximum daily temperature exceeds 0 °C, on average, for only 10 days and the minimum daily temperature falls below −20 °C on 49 days. Quali variabili variabili
  • Comparison of proxies of solar activity. Each proxy reflects a specific aspect of solar activity. As a result, all proxies show some common features (11-year cycle, trends, solar minima), but also differences. The length is limited to the periods of instrumental observations and ranges from 25 years (TSI) to about 400 years (sunspots). No aurora counts could be found for the period since 1955. 10Be is the only record which is not based on direct observations and, therefore has the potential to be extended over at least 10,000 years. The Dye 3 ice core used for the 10Be analysis was drilled in 1985 (Beer et al ., 1990).
  • Recent CO2 concentrations and emissions. (a) CO2 concentrations (monthly averages) measured by continuous analysers over the period 1970 to 2005 from Mauna Loa, Hawaii (19°N, black; Keeling and Whorf, 2005) and Baring Head, New Zealand (41°S, blue; following techniques by Manning et al., 1997). Due to the larger amount of terrestrial biosphere in the NH, seasonal cycles in CO2 are larger there than in the SH. In the lower right of the panel, atmospheric oxygen (O2) measurements from fl ask samples are shown from Alert, Canada (82°N, pink) and Cape Grim, Australia (41°S, cyan) (Manning and Keeling, 2006). The O2 concentration is measured as ‘per meg’ deviations in the O2/N2 ratio from an arbitrary reference, analogous to the ‘per mil’ unit typically used in stable isotope work, but where the ratio is multiplied by 106 instead of 103 because much smaller changes are measured.

Il clima e gli strumenti per il suo studio Il clima e gli strumenti per il suo studio Presentation Transcript

  • Il clima e gli strumenti per il suo studio G.L.Liberti Ricercatore Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima Consiglio Nazionale delle Ricerche [email_address]
  • Premessa: Chi sono e perche’ vi parlo di clima (anzi di strumenti per il suo studio) G.L.Liberti Ricercatore Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima Consiglio Nazionale delle Ricerche [email_address]
  • Ieri gli scienziati hanno previsto che le temperature [ di chi di che cosa? ] cresceranno di anche 7°C per la fine del prossimo secolo, portando a inondazioni, mancanza di cibo, siccità e malattie. I MEDIA
  • www.scholar.google.com climate OR clima OR atmosphere OR atmosfera author:" F Battaglia“ 1 risultato climate OR clima OR atmosphere OR atmosfera author :"G Visconti“ 189 risultati climate OR clima OR atmosphere OR atmosfera author :“A Pasini“ 60 risultati climate OR clima OR atmosphere OR atmosfera author :"G L Liberti“ 23 risultati
  •  
  • SITI WEB : per es: www.meteoclima.net
    • Stralcio della seduta del 18/03/2009
    • Legislatura 16º - Aula - Resoconto stenografico della seduta n. 174 del 18/03/2009 Il senato ..... impegna il Governo: ad intervenire con urgenza presso la Commissione europea ed anticipatamente presso i Paesi partecipanti al G8 (eventualmente anche a quelli partecipanti al G8 + 5 e al G20):
    • per segnalare come una parte consistente e sempre più crescente di scienziati studiosi del clima non creda che la causa principale del peraltro modesto riscaldamento dell'atmosfera terrestre al suolo finora osservato (compreso fra 0,7 e 0,8 °C) sia da attribuire prioritariamente ed esclusivamente all'anidride carbonica di emissione antropica; ad esempio, nella relazione di minoranza depositata l'11 dicembre 2008 presso la Commissione Ambiente e lavori pubblici del Senato degli Stati Uniti d'America sono riportate le dichiarazioni di ben 650 scienziati di livello internazionale, scettici nei confronti della teoria dell'attribuzione del riscaldamento globale in atto alle attività umane ( in contrapposizione ai 52 che hanno redatto la Sintesi per decisori politici dell'allarmistico Rapporto 2007 sul cambiamento climatico dell'IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change, panel in cui peraltro molti altri membri si dichiarano scettici circa questa attribuzione);
    • b) per sottolineare in merito ……
    LA SCIENZA NON PROGREDISCE PER CONSENSO!!!! HA I SUOI METODI
  • Il clima: che cos’e’ (alcune definizioni utili), da cosa dipende e perché e’ utile conoscerlo
    • Clima
    • Descrizione statistica in termini di media e variabilità di quantità meteorologiche su periodi che vanno dai mesi alle migliaia o milioni di anni. Il periodo classico secondo l’Organizzazione Mondiale della Meteorologia (WMO) e’ di 30 anni . Le variabili classiche sono temperatura , precipitazioni e vento alla superficie.
  • CLIMA: Stato, in senso statistico del sistema climatico (Atmosfera, Idrosfera, Criosfera, Biosfera, Superfice terrestre) .
  • CAMBIAMENTO CLIMATICO? COS’E’
    • Una deviazione dalle proprieta’ statistiche
      • Quanto deve essere ampia per essere definita come tale e non far parte della variabilita’ naturale o dell’errore sulle osservazioni?
      • Quanto deve durare?
    • Cambiamenti climatici globali, regionali, locali
    • Un cambiamento ‘rapido’
    COSA NON E’?
    • Variazione interannuale
  • Alcune osservazioni
    • Quale descrizione statistica: Per es: la media
      • Rappresentativita’della media come comportamento dell’insieme.
      • Winnipeg, Grandi Pianure Canada,
      • <T inverno >=-19°C (-12°C o-25°C)
      • Intervallo di tempo su cui mediare
      • Qualita’/coerenza/omogeneità delle misure su cui si basa la media
      • Puo’ avvenire un cambiamento di clima senza cambiare la media?
    • Quali variabili: concetto di fingerprint (impronta digitale) climatica
  • Ingredienti del clima
  • Temperatura -> Calore -> Energia Pioggia -> Nubi ->Evaporazione-> Energia Vento -> Movimento -> Energia Correnti Marine -> Movimento -> Energia
  • Temperatura -> Calore -> Energia Pioggia -> Nubi ->Evaporazione-> Energia Vento -> Movimento -> Energia Correnti Marine -> Movimento -> Energia
    • Da dove viene l’energia disponibile sulla Terra?
  • Fonti di energia Flusso di calore dall’interno della Terra: 0.084 W/m 2 Stelle: 0.0000037 W/m 2 Istantaneo: 1368 W/m 2 Media globale: 342 W/m 2 Dissipazione maree: 0.007 W/m 2
  • Ingredienti del clima
    • L’energia responsabile dei processi che avvengono nel sistema Terra (atmosfera, biosfera, criosfera etc..) viene principalmente dal Sole
  • Da cosa dipende l’energia proveniente dal Sole ?
    • Da quanta e come (spettralmente) e’ emessa dal Sole
    • Dalle caratteristiche dell’orbita (distanza media Terra-Sole, inclinazione dell’asse terrestre)
    171 Å 195 Å 304 Å 286 Å
  • Da cosa dipende l’energia proveniente dal Sole ?
    • Da quanta e come (spettralmente) e’ emessa dal Sole
    • Dalle caratteristiche dell’orbita (distanza media Terra-Sole, inclinazione dell’asse terrestre)
  • Da cosa dipende l’energia proveniente dal Sole ?
    • Da quanta e come (spettralmente) e’ emessa dal Sole
    • Dalle caratteristiche dell’orbita (distanza media Terra-Sole, inclinazione dell’asse terrestre)
  • ATTIVITA’ SOLARE Confronto tra vari metodi di stima -10000
  • Miglia di anni fa Oggi Variazione dei parametri orbitali L’attrazione gravitazionale da altri corpi celesti (principalmente Giove e Saturno) causa la variazione (periodica) delle caratteristiche dell’orbita.
  • Ingredienti del clima
    • L’energia responsabile dei processi che avvengono nel sistema Terra (atmosfera, biosfera, criosfera etc..) viene principalmente dal Sole
    • L’energia arriva sul sistema Terra in maniera non uniforme
  • www.osdpd.noaa.gov/PSB/EPS/RB/RB.html GENNAIO 2009
  • Ingredienti del clima
    • L’energia responsabile dei processi che avvengono nel sistema Terra (atmosfera, biosfera, criosfera etc..) viene principalmente dal Sole
    • L’energia arriva sul sistema Terra in maniera non uniforme
    • L’energia che arriva sul sistema Terra deve in media uscire dal sistema Terra.
  • Bilancio energetico medio/globale ENTRA 342 ESCE 107 ESCE 235 RESTA 342-107=235 W/m2 Assorbita dall’atmosfera
  • METEOSAT 2° Generation 18/4/2008 06:00 UTC INFRAROSSO www.eumetsat.int VISIBILE
  • www.osdpd.noaa.gov/PSB/EPS/RB/RB.html GENNAIO 2009 L’energia non esce da dove e’ entrata OUT (INFRAROSSO) IN (SOLARE) ~ 410 W/m 2 ~ 170 W/m 2
  • Bilancio energetico medio/globale ENTRA 342 ESCE 107 ESCE 235 RESTA 342-107=235 W/m2 Assorbita dall’atmosfera
  • Ingredienti del clima
    • L’energia responsabile dei processi che avvengono nel sistema Terra (atmosfera, biosfera, criosfera etc..) viene principalmente dal Sole
    • L’energia arriva sul sistema Terra in maniera non uniforme
    • L’energia che arriva sul sistema Terra deve in media uscire dal sistema Terra.
    • Il sistema Terra include 2 fluidi (atmosfera e oceano) con proprietà e distribuzione geografica differenti che ridistribuiscono l’energia
  •  
  •  
  • MEDIA ANNUALE LATITUDINALE DELL’ ENERGIA SOLARE ASSORBITA E DI QUELLA INFRAROSSA EMESSA IN OUT
  • CIRCOLAZIONE MARINA SUPERFICIALE
  • CIRCOLAZIONE MARINA PROFONDA
  • Ingredienti del clima
    • L’energia responsabile dei processi che avvengono nel sistema Terra (atmosfera, biosfera, criosfera etc..) viene principalmente dal Sole
    • L’energia arriva sul sistema Terra in maniera non uniforme
    • L’energia che arriva sul sistema Terra deve in media uscire dal sistema Terra.
    • Il sistema Terra include 2 fluidi (atmosfera e oceano) con proprietà e distribuzione geografica differenti che ridistribuiscono l’energia
    • L’atmosfera e’ costituita di varie componenti ( gas, aerosols e nubi) che interagiscono con l’energia e con altre componenti del sistema Terra (Biosfera, Litosfera)
  • UNA TERRA SENZA ATMOSFERA NE OCEANO
    • Temperatura della superficie funzione della sua riflettanza
  •  
  • N 2 O CH 4
  • CH 4 CH 4 N 2 O N 2 O N 2 O CO 2 CH 4 O 3 H 2 O N 2 O 2 CO 78% 21%
  • ATMOSFERA IDROSFERA BIOSFERA LITOSFERA ANTROPOSFERA
  • Ingredienti del clima
    • L’energia responsabile dei processi che avvengono nel sistema Terra (atmosfera, biosfera, criosfera etc..) viene principalmente dal Sole
    • L’energia arriva sul sistema Terra in maniera non uniforme
    • L’energia che arriva sul sistema Terra deve in media uscire dal sistema Terra.
    • Il sistema Terra include 2 fluidi (atmosfera e oceano) con proprietà e distribuzione geografica differenti che ridistribuiscono l’energia
    • L’atmosfera e’ costituita di varie componenti ( gas, aerosols e nubi) che interagiscono con l’energia e con altre componenti del sistema Terra (Biosfera, Litosfera)
    • L’acqua nell’intervallo di temperature tipiche dell’atmosfera puo’ presentarsi in tutti e 3 i suoi stati di aggregazione (gas, liquido, solido) contribuendo sia al trasporto in maniera efficiente, tramite calore latente, dell’energia sia a cambiare in maniera rilevante le proprietà radiative dell’atmosfera.
  • CICLO DELL’ACQUA ATMOSFERA IDROSFERA BIOSFERA CRIOSFERA LITOSFERA ANTROPOSFERA
  • Ingredienti del clima
    • L’energia responsabile dei processi che avvengono nel sistema Terra (atmosfera, biosfera, criosfera etc..) viene principalmente dal Sole
    • L’energia arriva sul sistema Terra in maniera non uniforme
    • L’energia che arriva sul sistema Terra deve in media uscire dal sistema Terra.
    • Il sistema Terra include 2 fluidi (atmosfera e oceano) con proprietà e distribuzione geografica differenti che ridistribuiscono l’energia
    • Nell’atmosfera e’ costituita di varie componenti ( gas, aerosols e nubi) che interagiscono con l’energia e con altre componenti del sistema Terra (Biosfera, Litosfera)
    • L’acqua nell’intervallo di temperature tipiche dell’atmosfera puo’ presentarsi in tutti e 3 i suoi stati di aggregazione (gas, liquido, solido) contribuendo sia al trasporto in maniera efficiente, tramite calore latente, dell’energia sia a cambiare in maniera rilevante le proprietà radiative dell’atmosfera.
    • L’attività umana influenza la composizione atmosferica e le caratteristiche della superficie.
  • CH 4 : Metano effetto serra 21 volte quello del CO 2
  • CO 2 Evidenze: -Aumenta - E’ di origine antropica Densità Sorgenti CO2 stazionarie
  • Altri gas serra di lunga durata Protocollo di Montreal
  • GLI SCENARI
  • Che discipline scientifiche sono coinvolte nello studio del clima
    • Astronomia
    • Meteorologia
    • Chimica
    • Oceanografia-Idrologia-Glaciologia
    • Biologia
    • Scienze sociali ed economiche
  • Scale dei tempi per scambi d’energia, d’acqua e di CO 2
  • Strumenti per lo studio del clima.
  • CLIMA 2009 1970 1830 Strumentali
  • SAIGON / TAN-SON-NHUT 00UTC 200hPa temperatura (Background – Observation) Osservazioni convenzionali: omogeneita’ SAIGON / TAN-SON-NHUT 00UTC 200hPa temperature (Background – Observation) Corrected Russian sonde Vaisala French sonde Corrected Sonda Russa Vaisala Sonda Francese
  • http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/sio-keel.html Osservazioni convenzionali: rappresentatività del sito
  • 1998 Marzo 1958 Marzo Osservazioni convenzionali: copertura spaziale
  • CLIMA 2009 1970 1830 ~ 1600 Strumentali Satel.
  • ~500 EURO Copertura in 6 ore ( ~ 500 osservazioni) Copertura in 6 ore ( ~ 330000 osservazioni)
  • Satelliti meteorologici (WMO)
  • CLIMA PALEOCLIMA 2009 1970 1830 ~ 1600 -700000 -400000000 700 Strumentali Satel. Proxy 100000 eccentricita’ 41000 inclinazione 23000 precessione
  • 1928 2000 Estensione del Ghiacciaio Chacaltaya (BOLIVIA) dal 1940 al 2005 Alpi
  • Proxy storici Distribuzione geografica tree rings: brown triangles; boreholes: black circles; ice core/ice boreholes: blue stars; other records including low-resolution records: purple squares).
  • Carotaggi
  • Tempo Kyr prima 2005
  • CLIMA PALEOCLIMA 2009 1970 1830 ~ 1600 -700000 -400000000 700 Strumentali Satel. Proxy 100000 eccentricita’ 41000 inclinazione 23000 precessione Campagne
  • Un esempio di campagna TROCCINOX 3 vettori adibiti a piattaforme scientifiche FALCON Germania M55 – GEOPHYSICA Russia BAINDERANTE Brasile
    • Migliorare la conoscenza dei gas serra NO x generati da fulmini durante temporali tropicali .
    • Migliorare la conoscenza di altri gas minori (incluso H 2 O) a particelle (ghiaccio e aerosols) nell’ alta troposfera, bassa stratosfera dovuti a temporali tropicali e a moti ascensionali a larga scala.
    www.pa.op.dlr.de/troccinox/ Obiettivi:
  • LE ISTITUZIONI PARTECIPANTI
    • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR
    • Eidgenössische Technische Hochschule Zürich ETHZ
    • University of Lancaster ULANC
    • Central Aerological Observatory, Moscow CAO
    • Stratosphere-M, Ltd., Moscow STM
    • Universita’ di Roma “La Sapienza” UNIROMA
    • Forschungszentrum Jülich FZJ
    • Université Paul Sabatier UPS
    • Universität Mainz UMZ
    • J. W. Goethe Universität Frankfurt JWG
    • University of Leeds UNIVLEEDS
    • Istituto Nazionale di Ottica Applicata INOA
    • Observatoire de Neuchâtel ON
    • Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
    • Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima CNR-ISAC
    15 istituzioni, 6 Paesi, ~ 100 unita’ di personale
  • COSTI TEMPI T 0 – 2 y : Sottomissione del progetto T 0 – 1 y : Preparazione della campagna di misure T 0 : CAMPAGNA DI MISURE (generalmente 1 - 2 mesi) T 0 + 1 y : Analisi dati T 0 + 2 y : Risultati e pubblicazioni Logistica aereo: affitto vettore, personale di supporto ~50, carburante, permessi Logistica aeroporto: affitto hangar, laboratori, uffici Sviluppo e manutenzione strumenti Scienziati coinvolti ~ 100: Viaggio, diaria, noleggi vari Spese varie pre e post campagna 3-5 Milioni di euro > 5 anni SITO  
  • PROIEZIONI CLIMA PALEOCLIMA 2009 1970 1830 2020 2100 ~ 1600 -700000 -400000000 700 Strumentali Satel . Proxy 100000 eccentricita’ 41000 inclinazione 23000 precessione 2300 3000 Modelli accoppiati atmosfera-oceano-supeficie Modelli di complessità intermedia Altri modelli Supersiti Campagne
  • SUPERSITI: ISAC-CNR Tor Vergata
  • PROIEZIONI CLIMA PALEOCLIMA 2009 1970 1830 2020 2100 ~ 1600 -700000 -400000000 700 Strumentali Satel . Proxy 100000 eccentricita’ 41000 inclinazione 23000 precessione 2300 3000 Modelli accoppiati atmosfera-oceano-supeficie Modelli di complessità intermedia Altri modelli Supersiti Campagne
  • Perchè ho bisogno di un modello?
  • Cos’e’ un modello numerico di previsione ( simulazione )
    • X(x,y,z,t+ Δ t) = X(x,y,z,t) + dX/dt Δ t
    Stato iniziale Evoluzione Pressione(12:00,Roma)= Pressione(9:00,Roma) +F(pressione,vento,temperatura,umidita’.., prima delle 12:00, in Europa)
  •  
  • Esempio di equazioni prognostiche (ECMWF) Acqua condensata q l Copertura nuvolosa C A: Large Scale Advection S: Source/Sink due to: S CV : Source/Sink due due to shallow convection (not post-29r1) S BL : Source/Sink Boundary Layer Processes (not post-29r1) c: Source due to Condensation e: Sink due to Evaporation G p : Precipitation sink D: Detrainment from deep convection Last term in liquid/ice : Cloud top entrainment (not post-29r1) + - -
  • MODELLO DI PREVISIONE METEO MODELLO OUTPUT OSSERVAZIONI INPUT ASSIMILAZIONE + MODELLO OUTPUT OSSERVAZIONI INPUT ASSIMILAZIONE + t t+ Δ t
    • La bonta’ di un modello di previsione dipende:
    • dalla capacita’ di descrivere le condizioni iniziali e a contorno
    • dalla capacita’ del modello nel descrivere i processi fisici d’interesse
  • METEO MODELLO OUTPUT OSSERVAZIONI INPUT ASSIMILAZIONE + MODELLO OUTPUT OSSERVAZIONI INPUT ASSIMILAZIONE + t t+ Δ t CLIMA MODELLO OUTPUT OSSERVAZIONI MODELLO OUTPUT FORZANTE t t+N Δ t MODELLO OUTPUT t+ Δ t ………
  • Perchè dovremmo credere ai modelli? L’esempio delle previsioni meteorologiche OTTIMO SUFFICIENTE
  • Esempio di verifica dei modelli OSSERVAZIONE ERRORE TIPICO TEMPERATURA ALLA SUPERFICIE Media Deviazione standard Ampiezza del ciclo diurno
  • A cosa e’ dovuto il miglioramento dei modelli:
    • Aumento dei dati iniziali disponibili (satellite)
    • Migliori tecniche di assimilazione (ovvero definire lo stato iniziale a partire dalla combinazione di previsione ed osservazioni)
    • Migliore risoluzione spaziale <- maggiori capacita’ di calcolo
    • Descrizione piu’ realistica dei processi
  •  
  • Aumento della risoluzione e delle capacità di calcolo 1990 1996 2001 2007
  • Processi rappresentati nei modelli di clima
  • Processi rappresentati nei modelli di clima
  • Processi rappresentati nei modelli di clima 1990
  • Processi rappresentati nei modelli di clima 1996
  • Processi rappresentati nei modelli di clima 2001
  • Processi rappresentati nei modelli di clima 2007
  • LIMITI
    • Processi a scala ridotta
    • Non linearità dei processi
    • Processi a soglia
    • Interazioni (accoppiamenti) tra sfere (per es: oceano-atmosfera)
  • Jason Salavon 100 Babbi Natale e la loro media
  • Non linearita’ delle leggi
    • Legge lineare: per es: Y=2*X
    2 3 5 6 <X> (2+3+6+5)/4 4 4 6 10 12 8 X Y <Y> (4+6+12+10)/4 8 8=8
  • Non linearita’ delle leggi
    • Legge lineare: per es: Y=2*X
    • Legge non-lineare 1: per es: Y=X 2
    2 3 5 6 <X> (2+3+6+5)/4 4 4 9 25 36 16 X Y <Y> (4+9+36+25)/4 18.5 18.5≠16
    • Legge lineare: per es: Y=2*X
    • Legge non-lineare 1: per es: Y=X 2
    • Legge non-lineare 1: per es: Y vero se X>5
    Non linearita’ delle leggi 2 3 5 6 <X> (2+3+6+5)/4 4 F F F V F X Y
  • Previsione d’insieme (ensemble forecast)? Tempo Temperatura La previsione è data in senso statistico Condizione iniziale Previsione
  • PROIEZIONI CLIMA PALEOCLIMA 2009 1970 1830 2020 2100 ~ 1600 -700000 -400000000 700 Strumentali Satel . Proxy 100000 eccentricita’ 41000 inclinazione 23000 precessione 2300 3000 Modelli accoppiati atmosfera-oceano-supeficie Supersiti Campagne
  •  
  • PROIEZIONI CLIMA PALEOCLIMA 2009 1970 1830 2020 2100 ~ 1600 -700000 -400000000 700 Strumentali Satel . Proxy 100000 eccentricita’ 41000 inclinazione 23000 precessione 2300 3000 Modelli accoppiati atmosfera-oceano-supeficie Modelli di complessità intermedia Altri modelli Supersiti Campagne
  • Processi atmosferici e scale
  • C loud R esolving M odel
  • Fine. Grazie ! G.L.Liberti Ricercatore Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima Consiglio Nazionale delle Ricerche [email_address]