Badamy zmiany klimatu Ziemi. Uczniowska kampania klimatyczna 2013-2014.

1. Badamy zmiany klimatu Ziemi. Uczniowska kampania klimatyczna 2013-2014. Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/ Festiwal Nauki 2012

2. Plan wykładu Program GLOBE Uczniowska kampania klimatyczna Co będziemy badać i dlaczego? Zarys programu pomiarowego Proste przyrządy pomiarowe Wybrane ćwiczenia edukacyjne

3. Program GLOBE • Program GLOBE (Global Learning and Observations to Benefit the Environment) jest międzynarodowym programem, który skupiając uczniów, nauczycieli i naukowców umożliwia poznawanie globalnych problemów środowiska. • W ramach Programu w 111 krajach świata, funkcjonuje sieć ponad 24000 szkół podstawowych i ponadpodstawowych, badających problemy ekologiczne środowiska oraz dzielących się informacjami z tego zakresu z całą międzynarodową społecznością. • Z Polski w projekcie uczestniczy ok. 125 szkół.

4. Efekty uczestnictwa w programie • Podniesienie stanu świadomości ekologicznej uczestników Programu, całej społeczności szkolnej, a nawet lokalnych podmiotów współpracujących w jego realizacji. • Doskonalenie umiejętności uczniów i nauczycieli w posługiwaniu się nowoczesnymi technikami informatycznymi i pomiarowymi zgodnie z przyjętymi metodami i procedurami. • Tworzenie bazy danych w zakresie wybranych parametrów środowiska, badanych według standardów przyjętych przez społeczność międzynarodową. • Dysponowanie zasobami danych pozyskiwanych w wyniku badań prowadzonych w naszym kraju, oraz innych krajach uczestniczących w Programie, a także korzystanie z unikalnych danych pozostających w gestii Urzędu do Spraw Atmosferycznych i Oceanicznych oraz innych rządowych agencji Stanów Zjednoczonych Ameryki. • Dostęp do pomocniczych materiałów edukacyjnych ułatwiających nauczycielom prowadzenie zajęć. • Stworzenie ze szkół uczestniczących w Programie, wzorcowych ośrodków prowadzących edukację ekologiczną i korzystających z nowoczesnych technik informatycznych w oparciu o najnowsze metody i technologie światowe, dostarczone przez stronę amerykańską. • Systematyczne podnoszenie kwalifikacji zawodowych nauczycieli

5. GLOBE Student Climate Research Campaign • To działanie ogłoszone przez Dyrektora GLOBE w 2010 roku. • Projekt ma na celu zaangażowanie uczniów z całego świata w badania lokalnego środowiska przyrodniczego i koncentruje się na zwiększeniu wiedzy uczniów nt. klimatu. • Projekt klimatyczny to zajęcia edukacyjne, wydarzenia i badania zaproponowane przez uczestników. Kampania rozpoczęła się we wrześniu 2011 roku i trwać będzie przez 2 lata • Polska cześć projektu to Badawcza Kampania Klimatyczna. Rozpoczęła się w styczniu 2012 roku warsztatami dla nauczycieli i prowadzona będzie do czerwca 2014 roku. • Na bazie protokółów i doświadczeń Programu GLOBE, proponujemy we współpracy z naukowcami rozszerzenie dotychczasowych badań uczniów w ramach trzech modułów: • Moduł A. Rozpoznanie i przeciwdziałanie skutkom powodzi • Moduł B. Badanie zapylenia atmosfery • Moduł C. Satelitarna lekcja klimatu

6. Moduł A. Rozpoznanie i przeciwdziałanie skutkom powodzi • Nie ma możliwości przeciwdziałania występowaniu anomalii pogodowych. Można jednak zaplanować, w jaki sposób przeciwdziałać ich negatywnym skutkom (niekontrolowanym wezbraniom, powodziom, nadmiernemu spływowi powierzchniowemu, lokalnym podtopieniom), zwłaszcza w kontekście niwelowania ilości potencjalnych zanieczyszczeń dostarczanych do środowiska. • Na jakie problemy badawcze szukamy odpowiedzi? (1) rozpoznaniu lokalnych źródeł zanieczyszczeń, zwłaszcza tych, generujących składniki biogenne (azot, fosfor) (2) ocenie warunków rozprzestrzeniania się tych zanieczyszczeń (zwłaszcza biogenów).

7. Realizowane w module działania zostaną podzielone na cztery główne etapy: • Etap I: Wybór i charakterystyka zlewni wód powierzchniowych (kwiecień–czerwiec 2012) • Etap II: Wstępne badania terenowe (wrzesień 2012 – luty 2013) • Etap III: Regularne badania właściwości wód powierzchniowych (luty – czerwiec 2013 i wrzesień – listopad 2013) • Etap IV: Opracowanie dokumentacji prowadzonych badań – Raport podsumowujący (do 15 listopada 2013) Lokalizacje szkół, które realizują moduł A

8. Analiza krytycznej sytuacji meteorologiczno-hydrologicznej • Uczniowie śledzą prognozy pogody pod kątem wystąpienie intensywnych burz lub długotrwałych opadów. • Wykonują pomiary sum dobowych opadu w okresie wystąpienia tego zjawiska • Obserwują w internecie mapy radarowe opadów, śledzą kierunki przemieszania stref opadu w swojej okolicy • Po opadach obserwują stan rzek w swojej okolicy na stronie IMGW. • Analizują badaną sytuację

9. Moduł C. Satelitarna lekcja klimatu • Scenariusze lekcyjne oparte o dane satelitarne: • Bilans radiacyjny • Zmiany czasowe temperatury powietrza w troposferze i stratosferze • Zmiany zasięgu występowania pokrywy lodowej • i inne. • Moduł jest obecnie w trakcie przygotowania

10. Moduł B: Badanie zapylenia atmosfery- aerozole i system klimatyczny Część edukacyjna: Scenariusze lekcyjne z zakresu aerozolu Proste ćwiczenia terenowo-laboratoryjne Analiza danych obserwacyjnych Monitoring w ramach sieci naukowej: Pomiary i zbieranie danych atmosferycznych Obserwacje wizualne nieboskłonu oraz horyzontu

11. Cele naukowe badań aerozoli • Poprawa wiedzy na temat: • Zmienności przestrzennej grubości optycznej aerozoli nad Polską • Transformacji mas powietrza nad Polską • Weryfikacji danych satelitarnych oraz wyników symulacji numerycznych • Związku pomiędzy własności optycznymi aerozoli mierzonym tuż przy powierzchni ziemi z wielkościami uśrednionymi w całej kolumnie pionowej atmosfery

12. Motywacja Badań IPCC, 2007 (wikipedia)

13. MODIS Motywacja badań (2) NAAPS MODIS 2000-2011 NAAPS 1998-2006

14. AEROZOLE Zanieczyszczenia atmosfery zwane inaczej aerozolami to małe cząstki stałe lub ciekłe powstające w sposób naturalny oraz w wyniku działalności gospodarczej człowieka. • Typy aerozoli: • sól morska • drobiny piasku • pyły (wulkaniczny) • sadza • siarczany, azotany • związki organiczne • inne związki nieorganiczne

15. Aerozole widoczne z kosmosu

16. Pomimo, że aerozole są zbyt małe aby dostrzec je gołym okiem to jednak ich obecność jest widoczna w atmosferze. Aerozole redukują widzialności w atmosferze.

17. Wpływ aerozoli na klimat Aerozole zmieniają albedo planetarne Ziemi wzrost albeda planetarnego wzrost absorpcji w atmosferze warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi

18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . większe albedo Stratocumulus . . . . . . . . . . . :: . . . . . . . . . . :: . . . . :: :: . . . . . . . . . . :: . . . . . . . . . . . . . . . . :: :::: :: Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re :: . . Aerozole zmieniają chmury 9/10/2014

19. Poland-AOD Powołana w 2011 r. Koordynowana przez Instytut Geofizyki, Uniwersytetu Warszawskiego (2012-2013) www.polandaod.tk • Stacje Badawcze: • Laboratorium Transferu Radiacyjnego Instytutu Geofizyki Uniwersytetu Warszawskiego • Stacja pomiarowa Instytutu Oceanologii Polskiej Akademii Nauk w Sopocie • Prywatna Stacja Badawcza Transferu Radiacyjnego SolarAOT w Strzyżowie • Statek badawczy Oceania • Centralne Obserwatorium Geofizyczne w Belsku Polskiej Akademii Nauk

20. IGF-UW Warsaw IO-PAS Sopot SolarAOTStrzyzow kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

21. Proponowane obserwacje atmosferyczne Pomiary związane z aerozolami: • Grubości optycznej aerozoli i wykładnika Angstroma • Zawartości pary wodnej w pionowej kolumnie powietrza • Współczynnika ekstynkcji aerozolu • Koncentracji węgla cząsteczkowego Pomiary dodatkowe: • Zachmurzenie (stopień pokrycia i rodzaje chmur) • Temperatura powietrza, cieśninie, wilgotność i inne. • Ocena widzialność poziomej • Ocena koloru nieboskłonu • Temperature, pressure, humidity,…

22. Fotometr słoneczny Nowy fotometr

23. Co mierzy fotometr? • Natężenie (moc) promieniowania bezpośredniego (z okolic tarczy słonecznej) • Promieniowanie docierające do powierzchni ziemi zależy od wielu czynników w tym od stopnia zanieczyszczenia powietrza, zawartości pary wodnej, ozonu itd. kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

24. Grubość optyczna aerozoli - AOD • AOD jest wielkością charakteryzującą optyczne właściwości aerozolu znajdującego się w pionowej kolumnie powietrza. • AOD związana jest z koncentracją, składem chemicznym oraz wielkością aerozolu. • Pomimo, że AOD zależy od wielu parametrów fizycznych i chemicznych jej wartość charakteryzuję stopień zanieczyszczenia (zapylenia powietrza).

25. Typowe wartości AOD w Polsce. • Typowe wartości AOD • AOD<0.05 : powietrze bardzo czyste • AOD<0.1 : powietrze czyste • AOD w przedziale od 0.1–0.3 : powietrze średnio zanieczyszczone, • AOD>0.3 : powietrze dość silnie zanieczyszczone. • AOD>0.5 : powietrze mocno zanieczyszczone • Średnia wartość AOD w Polsce to ok. 0.2 • Zdarza się obserwować w Polsce AOD na poziomie 1.0 ale są to na ogół przypadki napływu piasku pustynnego.

26. Wyznaczenie AOD Grubość optyczna atmosfery  może być określona na podstawie natężenia promieniowania słonecznego wg wzoru Beer’a: gdzie I iIosą natężeniami promieniowania słonecznego na powierzchni ziemi oraz górnej granicy atmosfery. m- oznacza tzw. masę optyczna atmosfery. Czynnik z wysokością słońca nad horyzontem. W przybliżeniu masa optyczna dana jest wzorem

27. Związek grubości optycznej atmosfery z aerozolami gdzie  - grubość optyczna całej atmosfery M- grubość optyczna molekuł „czystego” powietrza O3 - grubość optyczna ozonu H2O - grubość optyczna pary wodnej AOD - grubość optyczna aerozoli

28. Informacje techniczne o nowym fotometrze słonecznym. • Te same detectoryjak w profesjonalnym przyrządzie MICROTOPS II (selektywne fotodiody o szerokości połówkowej 10 nm) • 4-5 kanałów pomiarowych: 400, 500, 675, 870, 940, 1020 nm • Czujnik ciśnienia, temperaturey oraz GPS • Czujnik położenia słońca (quadrant photodiode) • Mikrokontroler • Wyświetlacz to wizualizacji wyników i sterowania ustawieniami przyrządu • Interfejs komputerowy USB/RS232 w celu przesłania danych do komputera i wysłania na serwer Poland-AOD • Celna ok. 3000-4000 zł.

29. Procedura pomiarowa • Najważniejszym elementem pomiary fotometru jest precyzyjne ustawienie w kierunku słońca. Będzie to wykonane przy użyciu odpowiedniego czujnika, który sygnalizował będzie jak zmienić ustawienie przyrządu aby wycelować w słońce. • W celu wyeliminowania wpływu „ludzkiego” podjęta będzie automatyczna i kilku stopniowa procedura przetwarzania danych w trybie rzeczywistym. Przetwarzanie danych w przyrządzie odbywać się będzie za pośrednictwem mikrokontrolera. • Pomiar będzie powtarzany 5-7 razy w ciągu 1-2 minut i jedynie wyniki charakteryzujące się najmniejszym błędem będą zapisywane w pamięci urządzenia a następnie przesyłane do komputera i na serwer IGF-UW.

30. Pomiary zawartości pary wodnej w pionowej kolumnie atmosfery • Przy użyciu fotometru słonecznego i pomiarach osłabienia promieniowania poprzez parę wodną w kanale 940 nm. • a, b stałe kalibracyjne, ,AOD grubość optyczna aerozoli w kanale 940 nm wyznaczana na podstawie wykładnika Angstrom. • Pomiary przy użyciu pirometru

31. Pomiary zawartości pary wodnej w pionowej kolumnie atmosfery przy użyciu pirometru. Pomiary temperatury nieboskłonu w okolicy zenitu podczas bezchmurnych warunków. • Mims et al.., 2011 Cena pirometru od 200 do 1000 zł

32. Wyznaczanie widzialności poziomej oraz współczynnika ekstynkcji • Wizualna obserwacja obiektów znajdujących się blisko horyzontu (reperów) dla których znamy odległość od szkoły • Pomiar kontrastu pomiędzy nieboskłonem a horyzontem Metoda I: mierzymy kontrast w dwóch różnych (znacząco różnych) odległościach od obiektu. • Metoda II: mierzymy kontrast dwóch różnych obiektów znajdujących się w różnych odległościach od obserwatora Równanie Koschmiedera VIS – widzialność [km]  - współ. ekstynkcji [1/km]

33. Wyznaczanie widzialności i współ. ekstynkcji kontrast w zerowej odległości kontrast w odległości r

34. Pomiary uzupełniające - zachmurzenie 0% <10% 10-25% 25-50% 50-90% >90% Niebo niewidoczne Zamieć śnieg deszcz mgła Sól morska pył wulkaniczny pożary kurz piasek aerozol

35. Obserwacje koloru nieboskłonu • Kolor nieboskłonu pozbawionego chmur jest niezłym wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia powietrza. • Uczniowie będą obserwowali nieboskłon i zaznaczali jedną z odpowiedzi: - błękitny • niebieski • biało niebieski - mleczny

36. Prosta kamera nieba do monitoringu zachmurzenia

37. Prosty aethalometr do pomiarów koncentracji węgla organicznego. N. Ramanathan et al., 2011 Cena ok. 2000 zł+ co roku 500 zł na filtry

38. Kalibracja przyrządów • Fotometr słoneczny musi być kalibrowany minimum raz w roku. Stosowana będzie interkalibracja ze wzorcowym fotometrem CIMEL oraz technika Langley’a. • Prosty aethalometr będzie kalibrowany poprzez porównanie wyników z aethalometremAE-31 i nefelometrem • Kalibracja spektralna aparatu cyfrowego (Monochromatorem). • Kalibracja pirometru i zawartości pary wodnej względem przyrządu CIMEL oraz radio sondaży. kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

39. Warsztaty dla nauczycieli • Odbędą się w marcu 2013 r. w Warszawie • Szkolenie w zakresie prowadzenia pomiarów oraz analizy danych • Przekazanie materiałów dydaktycznych w tym nagrań videopokazujących sposób prowadzenia pomiarów. • Globe games wczerwcu 2013 poświęcone pomiarom aerozoli kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

40. Strona internetowa • Informacje i pomoce dydaktyczne dla nauczycieli • Instrukcje wykonywania pomiarów • Forum dyskusyjne dla uczniów i naukowców • Sekcja alertów związanych z interesująca sytuacją meteorologiczną (transportu pyłu saharyjskiego, wulkanicznego pożarów, smog itd..) • Baza danych zawierająca wykresy i mapy generowane w trybie rzeczywistym oraz dane meteo do prowadzenia analizy sytuacji. kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

42. Nagrody za aktywny udział w projekcie • Co roku najaktywniejsi uczniowie będą mogli wziąć udział w kilku dniowym rejsie po Bałtyku statkiem badawczym OCEANIA należącym do Instytutu Oceanologii Polskiej Akademii Nauk. kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

43. Eksperymenty dydaktyczne • Planuje się opracowanie kilku prostych eksperymentów dydaktycznych, które umożliwią uczniom zrozumienie procesów fizycznych zachodzących atmosferze i związanych ze zmianami klimatu. kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

44. Eksperyment I: Pomiary bilansu radiacyjnego • Pomiary bilansu radiacyjnego nad różnymi typami powierzchni (trawa, beton, asfalt, piasek, śnieg itd.)podczas różnego położenia słońca oraz w nocy. • Pomiary przy użyciu prostych przyrządów; • Luksomierz (promieniowanie słoneczne) • Pirometr (promieniowanie ziemskie) • Konwersja do strumienia energii (natężenia promieniowania): Ilux-natężenie oświetlenia w [lx], K- stała kalibracyjna z porównania z pyranometrem T-mierzona temperatura,  - stała Stefana Boltzmanna

45. Eksperyment I: Pomiary bilansu radiacyjnego (2) Wyznaczanie strumienia netto Wyznaczanie albeda powierzchni ziemi

46. Dlaczego bilans energii jest ważny? Niezerowy bilans mówi nam, że ciało fizyczne będzie zmieniać swoją temperaturę +0.9 W/m2

47. Obserwacja efektu cieplarnianego • Pomiary wykonujemy podczas słonecznego dnia nad powierzchnią ziemi o wysokiej temperaturze przy użyciu pirometr w dwóch przypadkach • Bezpośredni pomiar temperatury powierzchni ziemi • Pomiar temperatury poprzez szklaną szybkę lub płytkę pleksi szyba Efekt cieplarniany:

48. Podsumowanie • Rozpoczęcie kampanii pomiarowej, marzec 2013. • Strony internetowe: • http://globe.gridw.pl/projekty/badawcza-kampania-klimatyczna/o-projekcie • www.polandaod.tk • Finansowanie (część edukacyjna) ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej • Koordynacja projektu Centrum Informacji o Środowisku UNEP/GRID-Warszawa • Dane kontaktowe: kmark@igf.fuw.edu.pl

49. Przystąpienie szkoły do projektu • Wybranych będzie 20 szkół, które zapewniony będą miały finansowanie zakupu sprzętu pomiarowego. • Pozostały szkoły będą mogły uczestniczyć w projekcie ale nauczyciele nie będą mogli być przeszkoleni w Warszawie • Poszukiwania źródeł finansowania budowy sprzętu pomiarowego (organy samorządowe, firmy itd.) kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja