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3.6: Compreendendo o Perfil de Temperatura da Atmosfera - Geociências

3.6: Compreendendo o Perfil de Temperatura da Atmosfera - Geociências


Agora podemos começar a entender as razões para o perfil de temperatura típico da troposfera. Diferentes massas de ar com diferentes histórias e diferentes quantidades de água se misturam e o resultado é um perfil típico de temperatura troposférica que tem uma taxa de lapso de (5-8) K km-1.

Se os perfis de temperatura atmosférica fossem determinados apenas pela umidade atmosférica, massas de ar mais secas teriam taxas de lapso mais parecidas com a taxa de lapso adiabática seca, caso em que esperaríamos que os céus tivessem menos nuvens mais finas. As massas de ar úmidas teriam taxas de lapso mais próximas da taxa de lapso adiabática úmida, resultando em um céu cheio de nuvens em muitas altitudes.

Mas muitos processos afetam a temperatura do ar em diferentes altitudes, incluindo a mistura de parcelas de ar, às vezes até da estratosfera, e chuva e evaporação da chuva. A troca de radiação infravermelha entre a superfície da Terra, nuvens e gases que absorvem IV (ou seja, vapor de água e dióxido de carbono) também desempenha um papel importante na determinação do perfil de temperatura da atmosfera, como mostraremos na lição sobre radiação atmosférica. os perfis podem ter taxas de lapso locais que podem ir de menos do que a taxa de lapso adiabático úmido a maiores do que a taxa de lapso adiabático seco. Observe cuidadosamente o perfil de temperatura abaixo. Você verá evidências de muitos desses processos combinados para fazer o perfil de temperatura o que é.

Crédito: NCAR

Se calcularmos a média de todos esses perfis ao longo do ano todo, podemos chegar a um perfil típico de temperatura troposférica. De acordo com a Organização da Aviação Civil Internacional (Doc 7488-CD, 1993), a atmosfera padrão tem temperatura de 15oC na superfície, uma taxa de lapso de -6,5oC de 0 km a 11 km, é constante de 11 km a 20 km, e então tem uma taxa de lapso positiva de 1oC de 20 km a 32 km na estratosfera. Mesmo que este perfil padrão seja uma boa representação de um perfil com média global, é improvável que tal perfil de temperatura tenha sido visto com uma radiossonda.

Combinar o conhecimento da estabilidade com o conhecimento dos processos úmidos nos permite entender o comportamento das nuvens na atmosfera. A imagem a seguir de vapor d'água liberado de uma torre de resfriamento no reator nuclear de Three-Mile Island perto de Harrisburg, PA mostra o vapor d'água condensando-se rapidamente para formar uma nuvem. A nuvem sobe, mas atinge um nível em que sua densidade corresponde à densidade do ar circundante. A nuvem então para de subir e começa a se espalhar.

Crédito: W. Brune


Papeis retidos por correntes de ar crescentes acima de um radiador demonstram o importante princípio de que o ar quente sobe.

Por que o ar quente sobe (Figura acima)? As moléculas de gás são capazes de se mover livremente e se não estiverem contidas, como na atmosfera, podem ocupar mais ou menos espaço.

  • Quando as moléculas de gás estão frias, elas são lentas e não ocupam tanto espaço. Com o mesmo número de moléculas em menos espaço, a densidade e a pressão do ar são maiores.
  • Quando as moléculas de gás estão quentes, elas se movem vigorosamente e ocupam mais espaço. A densidade e a pressão do ar são mais baixas.

O ar mais quente e leve é ​​mais flutuante do que o ar mais frio acima dele, então ele sobe. O ar mais frio então desce, porque é mais denso do que o ar abaixo dele. Esta é a convecção, que foi descrita no capítulo Placas Tectônicas.

A propriedade que muda mais notavelmente com a altitude é a temperatura do ar. Ao contrário da mudança na pressão e densidade, que diminuem com a altitude, as mudanças na temperatura do ar não são regulares. Uma mudança na temperatura com a distância é chamada de Gradiente de temperatura.

A atmosfera é dividida em camadas com base em como a temperatura nessa camada muda com a altitude, o gradiente de temperatura da camada (Figura abaixo de). O gradiente de temperatura de cada camada é diferente. Em algumas camadas, a temperatura aumenta com a altitude e em outras diminui. O gradiente de temperatura em cada camada é determinado pela fonte de calor da camada (Figura abaixo de).

As quatro camadas principais da atmosfera têm gradientes de temperatura diferentes, criando a estrutura térmica da atmosfera.

As camadas da atmosfera aparecem como cores diferentes nesta imagem da Estação Espacial Internacional.

A maioria dos processos importantes da atmosfera ocorre nas duas camadas mais baixas: a troposfera e a estratosfera.


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Como os humanos aprenderam a entender o papel da atmosfera

O aquecimento global antropogênico tem sido muito debatido na última década, principalmente desde a publicação do quarto relatório de avaliação do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) e sobre a contribuição do Grupo de Trabalho I sobre a base científica para mudanças climáticas (Solomon 2007 ) Contribuições antropogênicas e naturais para as mudanças climáticas também têm sido um grande foco de pesquisas publicadas na última década: recentemente quantificado por Cook et al. (2013), que examinou o conteúdo de mais de 11.000 resumos de artigos abordando as mudanças climáticas durante o período de 1991 a 2011 para demonstrar um alto grau de consenso sobre as causas antropogênicas do aquecimento global. Não está dentro do escopo deste documento revisar a natureza ou as causas das mudanças climáticas, que são completamente revisadas em outro lugar (Stocker 2014). Agora está claro que as consequências das mudanças climáticas induzidas pelo homem já são evidentes e motivam a sociedade a mudar seu comportamento. No entanto, a resposta global na redução das emissões ainda é bastante lenta. Argumentamos aqui que o objetivo de alcançar uma ampla aceitação da sociedade da necessidade de uma transição para uma matriz energética global de baixo carbono é melhor alcançado explicando a importância de proteger a atmosfera da Terra. Isso é feito simplesmente contando a história da descoberta do efeito estufa.

O matemático francês Joseph Fourier identificou pela primeira vez que a atmosfera da Terra atua como um isolante, gerando uma superfície terrestre mais quente do que pode ser explicada apenas pela radiação solar (Fourier 1824 traduzido para o inglês por Burgess 1837). Esses conceitos foram posteriormente desenvolvidos e formalizados no que agora chamamos de lei de Stefan-Boltzmann da radiação de corpo negro, segundo a qual a energia irradiada por um corpo negro é proporcional à quarta potência da temperatura desse corpo. Reorganizando a lei de Stefan-Boltzmann para dar a temperatura de equilíbrio, Teq, para um planeta em nosso sistema solar dá: (1) onde S é a constante solar, UMA é o albedo do vínculo e σ é a constante de Stefan – Boltzmann. Assumindo valores razoáveis ​​de S = 1366 W m −2 e UMA = 0,3 (Pollack 1979) dá uma temperatura de equilíbrio da superfície da Terra de 255 K (−18 ° C). A diferença entre este valor e a temperatura média da superfície da Terra observada, em torno de 288 K (15 ° C), dá um efeito de aquecimento atmosférico de 33 K. Comparando este efeito isolante da atmosfera terrestre com o efeito muito menor da atmosfera o aquecimento em Marte e o efeito muito maior em Vênus (Pollack 1979) demonstram a importância subjacente da atmosfera da Terra para a vida na Terra. Os sistemas biológicos da Terra foram adaptados à vida neste planeta bastante único, e a atmosfera desempenha um papel crucial na determinação das condições dessa biosfera.

Ao desenvolver a teoria da radiação de corpo negro, Josef Stefan fez uso de um conjunto de experimentos de laboratório cuidadosos conduzidos por John Tyndall (1863), que foi o primeiro a demonstrar que os gases atmosféricos absorvem 'raios de calor invisíveis' (radiação infravermelha) em um forma não linear relacionada ao tipo e concentração do gás. Tyndall mostrou que o vapor aquoso teve o maior efeito, mas observou a contribuição de vários outros gases de baixa concentração. Foi, no entanto, o artigo de Svante Arrhenius (1896) em que o "efeito estufa" da atmosfera da Terra foi claramente estabelecido pela primeira vez. Arrhenius postulou que a absorção seletiva de calor na atmosfera da Terra foi principalmente devido ao vapor aquoso e ácido carbônico (H2CO3), e que essa absorção variaria com o comprimento de onda. Usando observações de radiação infravermelha da lua (coletadas por Langley e colegas de trabalho no Observatório Allegheny em Pittsburgh, publicado em 1890), ele foi capaz de calcular a absorção de radiação infravermelha pelo CO atmosférico2 e vapor de água. A radiação da lua cheia pode ser considerada uma fonte constante, já que a lua não tem atmosfera apreciável e sempre apresenta o mesmo lado do planeta Terra. Usando a lei de Stefan (agora a lei de Stefan-Boltzmann), Arrhenius formulou sua lei de estufa da seguinte forma: 'Assim, se a quantidade de ácido carbônico aumenta na progressão geométrica, o aumento da temperatura aumentará quase na progressão aritmética': isto é, o o aumento da temperatura é proporcional ao log de CO2 concentração. Expressando isso matematicamente, obtemos a lei básica de absorção de gases de efeito estufa de Arrhenius: (2) onde ΔF é o forçamento radiativo (W m −2), C é o CO2 concentração e Co é uma linha de base ou concentração não perturbada de CO2. A constante de proporcionalidade, o número de Arrhenius, α, tem as unidades de Euma/RT (a relação entre a energia de ativação e a energia térmica). Supondo um intervalo típico para α (5.3-6.3), o efeito de forçamento radiativo do aumento do CO2 a concentração do nível pré-industrial de 280 ppm ao nível atual de 400 ppm está na faixa de 1,8 a 2,2 W m -2 (negligenciando vários mecanismos de feedback discutidos abaixo).

A visão de Arrhenius foi notável por várias razões. Ele foi capaz de quantificar o efeito da absorção seletiva de calor na atmosfera devido ao H2O e CO2 pelo uso engenhoso de dados astronômicos - removendo os efeitos das variações sazonais de temperatura, a fim de resolver o efeito do CO2. Sua análise também definiu os efeitos de diferentes gases atmosféricos no contexto do sistema solar como um todo. Nossa compreensão do efeito estufa progrediu consideravelmente desde esta primeira visão (Lashof & amp Ahuja 1990 Hansen et al. 1997 Stocker 2014) com apreciação da necessidade de compreender os efeitos da radiação e absorção em diferentes níveis da atmosfera, e os mecanismos de feedback associados à circulação oceânica e sumidouros e fontes naturais de carbono. Também sabemos que outros gases residuais (principalmente metano, óxido nitroso, clorofluorcarbonos e ozônio) têm um forte efeito de gases de efeito estufa, com, por exemplo, o metano tendo 3,7 vezes o potencial de aquecimento do CO2 por mol de gás (Lashof & amp Ahuja 1990). Combinar os efeitos do forçamento radiativo de todas as emissões de gases de efeito estufa das atividades humanas resulta em cerca de 1,5 W m −2 de forçamento radiativo adicional no período de 1750 a 2005 (Forster et al. 2007), com CO2 continua tendo o maior efeito por conta dos volumes contribuídos. O acoplamento deste efeito de forçamento radiativo ao aumento da temperatura é complexo e não linear: mas, em geral, um forçamento radiativo de 0,5 - 1,3 W m −2 corresponde a um aquecimento de 2 - 5 ° C (Lashof & amp Ahuja 1990). Um fator importante neste acoplamento é o tempo de residência dos vários gases de efeito estufa na atmosfera. Sonnemann & amp Grygalashvyly (2013) fizeram uma avaliação recente do tempo de residência para CO2, explicando os muitos fatores que controlam os intervalos relatados nas estimativas e concluindo em uma média de 130 anos (para um modelo de mistura de equilíbrio). A estimativa mais recente do efeito de forçamento radiativo antropogênico total para o período de 1750 a 2011 é de 2,29 W m −2, com um intervalo de incerteza de 1,13–3,33 W m −2 (IPCC 2013).

Também é importante avaliar o efeito estufa no contexto do sistema solar como um todo, da mesma forma que Arrhenius fez em 1896. O controle externo essencial sobre o clima da Terra é a intensidade da radiação solar, que por sua vez é fortemente controlada pela Terra. órbita. A excentricidade e obliquidade da órbita da Terra e a precessão do eixo de rotação da Terra levam a mudanças cíclicas na distância Terra-Sol e, consequentemente, a oscilações no aquecimento solar, chamadas de ciclos de Milankovitch após o trabalho pioneiro do geofísico e astrônomo Milutin Milanković (publicado pela primeira vez em 1913). A importância desses ciclos foi posteriormente demonstrada pela análise de isótopos de oxigênio no registro geológico, onde os ciclos de Milankovitch podem ser vistos claramente para controlar o registro do clima nos últimos 500 kyr (Hays et al. 1976) e, de fato, ao longo do registro geológico.

A importância potencial do CO2 e sua influência no clima da Terra continuou a ser uma questão de debate e análise nas décadas seguintes (Callendar 1938, 1958 Revelle & amp Suess 1957), e então voltou a ter um foco renovado após a iniciativa de Keeling e outros (Keeling 1978), que começou a coletar CO atmosférico2 dados de concentração no Observatório Mauna Loa em 1958 (Fig. 1b). Este programa de coleta de dados continua sob a Scripps Institution of Oceanography, apoiado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos e, mais recentemente, pela Earth Networks no desenvolvimento de uma rede global de monitoramento de gases de efeito estufa. CO2 medições atmosféricas desde 1958, juntamente com CO anterior2 concentrações baseadas em dados de núcleo de gelo nos últimos 800 kyr (https://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/), foram amplamente discutidas e analisadas (ver Tans 2009). Eles demonstram uma mudança muito significativa no CO atmosférico2 concentração (Fig. 1b) correspondente às emissões antropogênicas de CO2 durante a era industrial (Fig. 1a).

A fim de coordenar os esforços para compreender os efeitos das mudanças climáticas induzidas pelo homem, o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) foi criado pela Organização Meteorológica Mundial (OMM) e o Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA) com o objetivo: ' fornecer ao mundo uma visão científica clara sobre as mudanças climáticas e seus impactos potenciais ”. Os Relatórios de Avaliação do IPCC foram publicados em 1990, 1995, 2001, 2007 e 2013. No Quarto Relatório de Avaliação do IPCC (2007), os autores afirmaram que: O aquecimento do sistema climático é inequívoco, como agora é evidente a partir de observações de aumentos na média global do ar e temperaturas do oceano, derretimento generalizado de neve e gelo e aumento do nível médio global do mar. O relatório do IPCC (2007) também afirmou que: Onze dos últimos doze anos (1995 - 2006) estão entre os doze anos mais quentes no registro instrumental da temperatura global da superfície (desde 1850) [e que] a maior parte do aumento observado no global As temperaturas médias desde meados do século 20 são muito provavelmente devido ao aumento observado nas concentrações antropogênicas de gases de efeito estufa. As respostas a esses esforços do IPCC foram muito variadas. O IPCC recebeu o Prêmio Nobel da Paz em 2007 por seu trabalho sobre mudança climática. No entanto, o relatório do IPCC (2007) também atraiu críticas significativas sobre o alegado exagero dos efeitos da mudança climática induzida pelo homem e sobre alguns erros identificados no relatório, principalmente em relação à alegação de que as geleiras do Himalaia poderiam desaparecer até 2035. O IPCC posteriormente reconheceu alguns erros específicos, mas reafirmou suas principais conclusões e concordou em tornar mais rigorosos seus procedimentos de revisão (IPCC 2010). O Quinto Relatório de Avaliação do IPCC (AR5), concluído em 2013, enfocou a base da ciência física para as mudanças climáticas, com muitos grupos de trabalho examinando diferentes partes do sistema oceano-atmosfera. O relatório do grupo de trabalho 1 (Stocker et al. 2013) incluiu um trabalho sobre uma melhor quantificação dos processos e causas das mudanças climáticas, com especial atenção ao tratamento da incerteza, enquanto o resumo para os decisores políticos (IPCC 2013) continuou a enfatizar a significância dos impactos causados ​​pelo homem no clima, afirmando que: ' É extremamente provável que a influência humana tenha sido a causa dominante do aquecimento desde meados do século 20 '.

A Figura 2 mostra um dos conjuntos de dados resumidos do IPCC (2013), ilustrando o entendimento atual da relação entre a temperatura média global da superfície e o CO total global acumulado2 emissões. Ao comparar os resultados do modelo para o período histórico (1870 - 2010) com um conjunto de modelos selecionados do ciclo do carbono do clima até 2100 (denominado 'Vias de concentração representativas' (RCPs)), o gráfico ilustra os impactos potenciais na temperatura global dentro faixas de incerteza estimadas (região sombreada rotulada faixa RCP). O aumento histórico da temperatura de cerca de 1 ° C de aquecimento encontra-se bem dentro das faixas de incerteza e confirma, além de qualquer dúvida razoável, que o efeito estufa adicional é devido às emissões antropogênicas. O aumento de temperatura esperado em 2100 está entre 2 e 5 ° C (dependendo de qual cenário do modelo RCP é seguido), representando entre 6 e 15% do efeito estufa natural do sistema terrestre. Consulte a legenda da Figura 2 e do IPCC (2013) para uma discussão mais aprofundada das premissas feitas e dos modelos usados.

Aumento da temperatura média da superfície global em função do CO global acumulado2 emissões de várias linhas de evidência. Esta figura, figura SPM.10 do IPCC 2013, é reproduzida com permissão. Os resultados do modelo para o período histórico (1860 - 2010) são comparados com os resultados de uma hierarquia de modelos de ciclo do clima-carbono para uma série de cenários, denominados Vias de Concentração Representativa (RCP) até 2100. Cada RCP mostrado (RCP 2.6, 4,5, 6,0 e 8,5) é o resultado de um modelo multi-modelo do ciclo do clima-carbono, com as médias decadais mostradas como pontos. As médias decadais são conectadas por linhas retas. Os resultados do modelo no período histórico (1860 - 2010) são indicados em preto. A pluma colorida ilustra a dispersão de vários modelos nos quatro cenários RCP e desaparece com o número decrescente de modelos disponíveis no RCP8.5. A linha preta fina e a área cinza são uma média e intervalo de modelos múltiplos para modelos forçados por um CO2 aumento de 1% ao ano (1% ao ano CO2 simulações). Para uma quantidade específica de CO cumulativo2 emissões, o 1% por ano de CO2 simulações exibem menor aquecimento do que aquelas conduzidas por RCPs, que incluem não-CO adicional2 forçantes. Os valores de temperatura são fornecidos em relação ao período de base 1861 - 1880, enquanto as emissões são relativas a 1870.

Está além do escopo desta revisão discutir as conclusões do IPCC em mais detalhes, especialmente porque os objetivos do IPCC eram resumir e revisar os trabalhos publicados sobre os vários tópicos envolvidos. Em vez disso, é nosso objetivo definir este trabalho em seu contexto histórico. As conclusões do grupo de cientistas do IPCC são amplamente consistentes com trabalhos anteriores, incluindo Arrhenius (1896) e, por exemplo, Schneider (1975), que argumentou que o aquecimento global devido à duplicação do CO2 as emissões estariam na faixa de 1,5 - 3 ° C (com base na modelagem climática). Nos últimos anos, usando uma ampla gama de medições baseadas em terra e por satélite, somos capazes de medir o efeito estufa do CO2 mais diretamente, simplesmente observando o espectro das radiações infravermelhas terrestres do espaço. A Figura 3 (de Sportisse 2010) mostra um espectro de radiação terrestre computado para uma atmosfera padrão que seria medido por um sensor a uma altitude de 70 km. As distribuições de emissões de corpo negro do Planck são fornecidas para temperaturas selecionadas (em kelvins) com os gases de efeito estufa correspondentes indicados perto dos picos de absorção. Simplificando, a Terra com uma temperatura média de superfície de 15 ° C (ou 288 K) deve emitir radiação próxima à curva de emissões de corpo negro de 300 K: no entanto, certos gases de efeito estufa (CH4, O3, CO2, H2O) causar absorção significativa em certos comprimentos de onda, causando, assim, o aquecimento dos gases de efeito estufa. O efeito estufa também foi quantificado usando medições baseadas na terra, comparando dois locais ao longo de um período de 10 anos (Feldman et al. 2015).

Espectro de radiação infravermelha terrestre (Sportisse 2010). O espectro é calculado pelo modelo numérico MODTRAN para a atmosfera padrão (EUA 1976, céu claro). As distribuições de emissão de corpo negro do Planck são fornecidas para 220, 240, 260, 280 e 300 K. Os gases de efeito estufa correspondentes são indicados perto dos picos de absorção. Esta figura, de Sportisse (2010, fig. 2.12), é reproduzida com permissão © Springer.

Dada esta história da descoberta do efeito estufa como um fator significativo no controle do clima da Terra, é, no entanto, importante reconhecer que o clima da Terra é controlado por muitos fatores, que podem ser amplamente resumidos em três grupos:

fatores externos relacionados ao sistema solar - ciclos de Milankovitch e os ciclos de aquecimento solar

Fatores do sistema terrestre - principalmente circulação oceânica e erupções vulcânicas

fatores atmosféricos - principalmente os efeitos dos gases de efeito estufa.

Foster & amp Rahmstorf (2011) publicou uma análise abrangente da temperatura global nos últimos 30 anos, separando os efeitos externos (exógenos) dos inferidos efeitos do aquecimento global. Sua análise mostrou que o El-Niño / Oscilação Sul (o padrão dominante de circulação no oceano Pacífico) tem o maior efeito externo sobre a temperatura global neste período. Duas erupções vulcânicas (El Chichon no México em 1982 e o Monte Pinatubo nas Filipinas em 1991) causaram resfriamento significativo por cerca de meio ano após as erupções, mas dentro de um ano a temperatura se recuperou. O efeito do ciclo de manchas solares de aproximadamente 11 anos também é muito claro - causando uma variação de cerca de 0,2 ° C. Sua análise ilustra como os diferentes fatores que influenciam a temperatura da Terra podem ser identificados e quantificados e, mais importante, separados dos efeitos do CO2 emissões nos últimos 100 anos. Com relação às mudanças de temperatura por um longo período de tempo, Otterå et al. (2010) publicou uma análise das mudanças climáticas do hemisfério norte nos últimos 600 anos, combinando dados instrumentais, registros climáticos proxy e modelagem climática para lidar com mudanças de longo prazo e controles sobre o clima. Concluíram que as flutuações climáticas ao longo deste período são, em grande medida, governadas por alterações nos fatores externos, nomeadamente forçantes do clima solar e vulcânico. No entanto, comparando modelos com e sem os efeitos de forçamento dos gases de efeito estufa, eles também concluíram que o forçamento externo não pode explicar o aquecimento do final do século XX. Sua análise é especialmente valiosa, pois define os efeitos do aquecimento dos gases de efeito estufa modificados no século XX no contexto das tendências de longo prazo e dos efeitos de força externa.

O argumento científico para a necessidade urgente de proteger nossa atmosfera do efeito prejudicial das emissões antropogênicas de gases de efeito estufa é agora esmagador. Embora a discussão dos possíveis efeitos dessas emissões induzidas pelo homem no clima da Terra certamente continue, argumentamos aqui que a principal motivação para mudar o comportamento humano deve ser baseada na apreciação dos princípios da física atmosférica (resumidos na Fig. 4). Desde a primeira identificação do papel da atmosfera (Fourier 1824) no controle da temperatura da superfície da Terra, temos gradualmente desenvolvido nossa compreensão da importância crítica dos gases atmosféricos na manutenção de um ambiente de superfície equitativo, suficiente para sustentar a população humana e a biosfera. da qual essa população depende.

Resumo dos fluxos radiativos na atmosfera terrestre (fluxos baseados em Pidwirny 2006).


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Informação sobre o autor

NM Pedatella (email: [email & # 160protected]), High Altitude Observatory, National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado. Também no COSMIC Program Office, University Corporation for Atmospheric Research, Boulder, Colorado. JL Chau, Leibniz-Institute of Atmospheric Física, Universidade de Rostock, Kühlungsborn, Alemanha H. Schmidt, Instituto Max Planck de Meteorologia, Hamburgo, Alemanha LP Goncharenko, Observatório Haystack, Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Westford C. Stolle, Centro Alemão de Pesquisa de Geociências GFZ, Potsdam K. Hocke, Universidade de Berna, Suíça VL Harvey, Laboratório de Física Atmosférica e Espacial, Universidade do Colorado Boulder B. Funke, Instituto de Astrofísica de Andalucía, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Granada, Espanha e TA Siddiqui, Centro Alemão de Pesquisa de Geociências GFZ, Potsdam


Técnicas de Medição Atmosférica

Atmospheric Measurement Techniques (AMT) é uma publicação científica internacional sem fins lucrativos dedicada à publicação e discussão dos avanços em sensoriamento remoto, bem como técnicas de medição in situ e de laboratório para os constituintes e propriedades da atmosfera terrestre.

As principais áreas de estudo compreendem o desenvolvimento, intercomparação e validação de instrumentos de medição e técnicas de processamento de dados e recuperação de informações para gases, aerossóis e nuvens. Os artigos submetidos ao AMT devem conter medições atmosféricas, medições laboratoriais relevantes para as ciências atmosféricas e / ou cálculos teóricos de simulações de medições com análise detalhada de erros, incluindo simulações de instrumentos. Os tipos de manuscritos considerados para publicação revisada por pares são artigos de pesquisa, artigos de revisão e comentários.

As métricas do diário foram atualizadas e os números atuais estão disponíveis na visão geral das métricas do diário.

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Os satélites podem detectar as emissões de metano medindo a luz solar refletida da superfície e da atmosfera da Terra. Aqui, os autores mostram que os satélites gêmeos Sentinel-2 da Agência Espacial Europeia podem ser usados ​​para monitorar fontes pontuais de metano anormalmente grandes em todo o mundo, com cobertura global a cada 2 & ndash5 dias e resolução espacial de 20 & thinspm.

Os satélites podem detectar as emissões de metano medindo a luz solar refletida da superfície e da atmosfera da Terra. Aqui, os autores mostram que os satélites gêmeos Sentinel-2 da Agência Espacial Europeia podem ser usados ​​para monitorar fontes pontuais de metano anormalmente grandes em todo o mundo, com cobertura global a cada 2 & ndash5 dias e resolução espacial de 20 & thinspm.

A partir de 1º de novembro de 2020, a liquidação direta das despesas de processamento de artigos (APCs) entre as Publicações ETH Zurich e Copernicus será válida para os autores correspondentes.

A partir de 1º de novembro de 2020, a liquidação direta das despesas de processamento de artigos (APCs) entre as Publicações ETH Zurich e Copernicus será válida para os autores correspondentes.

A previsão do clima de inverno em terrenos complexos é bastante desafiadora devido à natureza altamente variável dos ventos, visibilidade e queda de neve. Como um Projeto de Demonstração de Pesquisa (RDP) e Projeto de Demonstração de Previsão (FDP), ICE-POP 2018 (Experimentos Colaborativos Internacionais para os Jogos Olímpicos e Paralímpicos de inverno PyeongChang 2018 de PyeongChang 2018) foi realizado em Região de PyeongChang de novembro de 2017 a abril de 2018 com contribuições de 29 agências de 12 países. A região foi única para observar os climas de inverno que são influenciados pela interação do ar frio e do oceano quente, elevação repentina por terrenos íngremes perto da costa e modulação por terrenos complexos. O principal objetivo científico era compreender os processos de precipitação nesta região única durante a estação fria e avaliar / melhorar a previsão de modelos numéricos baseados em observações intensivas. Dense observational networks of upper air observation (eight soundings, two wind profilers, shipborne sounding, and dropsonde), remote sensing (three X-Pol radars, one Ku/Ka-Pol radar and three S-Pol, one S-band, two C-band, and three Doppler lidars), microphysical observation (2DVD, MASC, PIP, Parsivel, MRR, POSS, Pluvio), and surface stations (64 stations) were implemented, in particular, to observe the evolution of precipitation along and across atmospheric flows. The field experiment and real-time forecast demonstration ended and the second phase of the experiment has started for better understanding of the microphysical processes, their better representation in the numerical modeling, and further improvement of winter weather prediction through various international collaborations.

The main purposes of the special issue are

1) to document the scientific findings on the winter weather during the forecast demonstration project

2) to share scientific knowledge on processes of winter weathers that have been investigated with unprecedented dense observational networks,

3) to share current status and improved knowledge of forecasting of winter weathers, and

4) to document new retrieval and quality control methods of the operational and advanced instruments.

The special issue will include all manuscripts related to observational data, products, NWP modeling, researches on observational instrumentation, process/mechanism study, reanalysis, integration of observation and numerical modeling, and prediction of the winter weathers.


Samuel G. Philander

Research Summary: Professor Philander's interest in the tropical oceans’ response to variability in winds then coalesced into George’s abiding interest in the El Niño phenomenon. By combining these insights on the oceanic response to wind variability with earlier efforts to understand how changing sea surface temperatures affected the atmosphere, a coherent picture emerged of a coupled atmosphere-ocean phenomenon: an unstable nonlinear oscillator, with atmospheric winds responding to ocean temperatures and ocean temperatures responding to atmospheric winds. George orchestrated the research of a closely knit group of colleagues that laid the foundation of the modern understanding of this phenomenon. It was the work of George and his close colleagues that made it clear that El Niño should not be thought of as a metastable state that the climate would occasionally fall into, but that it contained the seeds of its own destruction (in particular, through the equatorial Rossby waves generated during the emergence of the El Niño state) and was best thought of as a phase of a nonlinear oscillation. George (or his Spanish-speaking wife, Hilda) coined the term La Niña for the opposite phase, a term that has entered the popular lexicon. He also wrote the first modern monograph on the subject in 1990: El Niño, La Niña, and the Southern Oscillation. MORE INFO

The Precarious Present: Is Global Warming Inhibiting an Incipient Ice Age?

Resumo: The amplifying climate fluctuations of the past 3Myr indicate that an Ice Age is imminent, except that the current rise in atmospheric CO2 levels is inducing global warming. Forecasts of future developments by means of climate models, a reductionist approach, have significant uncertainties. Empirical predictions are also inadequate because an explanation for Ice Ages is lacking, a consequence of the questionable assumptions that polar glaciers respond primarily to local sunlight, and that the ocean obligingly provides them with fresh water which the atmosphere passively transports from low to high latitudes. These objections draw attention to the global structure of Milankovitch forcing whose main components pose the following questions. (a) How does precession, which merely redistributes sunlight over the course of a year without changing the annual average induce a 20Kyr signal? (b) How do 40Kyr obliquity oscillations, which merely redistribute sunlight spatially without changing the global average, induce 40Kyr oscillations in globally averaged temperature? (c) Could the alternating warming and cooling trends of the sawtooth signal of the past .8Kyr, and the preceding cooling trend from 3 to 1Myr, be a natural (as opposed to forced) climate mode with feedbacks sustaining trends which thresholds reverse? (The signal would be irregular, except that Milankovitch forcing is the pacemaker of its thresholds.) This reassessment of studies of past and present climates leads to tentative explanations for Ice Ages, offers a strategy for improving climate models, and predicts that rising CO2 levels will restore the “permanent” El Niño of 3Myr ago.


3.6: Understanding the Atmosphere’s Temperature Profile - Geosciences

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O Artigo pode ser um artigo de pesquisa original, um estudo de pesquisa substancial que frequentemente envolve várias técnicas ou abordagens, ou um artigo de revisão abrangente com atualizações concisas e precisas sobre os últimos avanços no campo que revisa sistematicamente os avanços mais interessantes na área científica literatura. Este tipo de papel fornece uma perspectiva sobre as futuras direções de pesquisa ou possíveis aplicações.

Os artigos do Editor’s Choice são baseados nas recomendações dos editores científicos de periódicos MDPI de todo o mundo. Os editores selecionam um pequeno número de artigos publicados recentemente na revista que eles acreditam ser particularmente interessantes para os autores ou importantes neste campo. O objetivo é fornecer um instantâneo de alguns dos trabalhos mais interessantes publicados nas várias áreas de pesquisa da revista.


8.1 Interpolation distance

In general, the connection between the uncertainty curves of Figs. 3 and 4 and the cross-validation evidence are worth studying. Considering both the gap size and the distance from the observations at various altitudes gives rise to hard-to-manage curve plots and a multiplicity of results. For this reason, the subsequent analysis is based on the interpolation distance in seconds, which is denoted by d and given by the geometric mean of the temporal distances of all missing data from the closest observations y − and y + in the notation of Sect. 3.

Figure 10 depicts the cross-validation RMSEs of the linear interpolation as a function of interpolation distance by altitude, namely

where avg ( ⋅ | ALT , d ) is the average of all the cross-validation terms with altitude in the layer ALT and interpolation distance d . We note that, in order to have high sampling information for both low and high interpolation distances, the graph is obtained by merging the results obtained for μG=10 and 30 s . We also note that, thanks to the geometric distribution used in the block-bootstrap procedure in Sect. 5, we are able to consider distances larger than 30 s. In particular, Fig. 10 only depicts interpolation distances up to 70 s . Indeed, the block bootstrap with an average distance of μG=30 s provides little testing data at larger distances, especially at high altitudes. Of course, using the same approach, longer interpolation distances may be easily explored by generating testing sets with larger μG .

Figure 10Each line shows the cross-validation RMSE of linear interpolation as a function of the interpolation distance (s) for a specific atmospheric layer in the range of 2–37 km . The interpolation distance ( x axis) is given by the geometric mean of the distances of all missing data from the closest good data, y − and y + . The graph is obtained my merging the block-bootstrap simulations with average gap sizes μG=10 and 30 s .

In addition, Fig. 11 depicts the corresponding graph for the linear interpolation SE ( t ∗ ) = SE ( t ∗ | s , l , b ) , given by Eq. (8), and quadratically averaged over site s , launch eu , and bootstrap replication b , namely

The corresponding graph for the GP–SE of Eq. (10) is not reported here because it gives very close results. Indeed, not only are the two interpolation methods exchangeable, as noticed above, but their SEs are also very close, with a mean absolute difference between the two of less than 0.005 K.

Figure 11Each line shows the linear interpolation SE as a function of the interpolation distance (s) for a specific atmospheric layer in the range of 2–37 km . The depicted SE is the quadratic average of Eq. (8) for each altitude and interpolation distance in the validation data set. The interpolation distance ( x axis) is given by the geometric mean of the distances of all missing data from the closest good data, y − and y + . The graph is obtained my merging the block-bootstrap simulations with average gap sizes μG=10 and 30 s .

Figures 10 and 11 have similar increasing behaviour, but the average linear interpolation SE is generally smaller than the corresponding RMSE and approximately equal at the very short distance d=1 s . From Eq. (7), we expect that they differ by a quantity depending on the measurement error uncertainty, σϵ . Recalling Fig. 9, the latter is very small, and it is not enough to explain such a discrepancy. Indeed, Eq. (7) would hold exactly if (i) the used GP were a perfect model for our data, (ii) its coefficients Ψ were known exactly, and (iii) the cross-validation estimation of the RMSE were exact. The latter two conditions hold approximately due to the large data set used. Hence, the SE underestimates the “true” interpolation uncertainty, primarily due to the GP model approximation.

For the above reasons, we propose a bootstrap-corrected interpolation uncertainty estimate by merging the information of the single profile (s,eu) captured by the corresponding GP and the average offset of the uncertainty given by the RMSE:

In practice, the first summand, SE, must be computed for every single profile, while the term based on MSE may be implemented as a lookup table.


What Was Earth’s Temperature During Ice Age? Here’s Why Knowing It Matters Today

A team of researchers has determined how cold it really was during the ice age.

During the Last Glacial Maximum (LGM) 20,000 years ago, glaciers covered large parts of the planet including North and South America, Europe and Asia. It was a period that was studied extensively but scientists were not clear as to how cold it was then.

The researchers of a new study, published in the journal Nature, developed models that translate the data from ocean plankton fossils to sea-surface temperatures. Combining this data with climate models of the LGM, they were able to produce a "hindcast" of what the conditions were like at the time.

They found the average temperature during the LGM was 6 degrees Celsius (11 degrees Fahrenheit) cooler than that of today, with the places that experienced the most cooling being those in higher latitudes.

"In your own personal experience that might not sound like a big difference, but, in fact, it's a huge change," study co-author Jessica Tierney of the University of Arizona Department of Geosciences said in a news release.

It is important because it sheds light on how the planet reacts to carbon in the atmosphere. During the ice age, the carbon dioxide levels were at 180 parts per million (ppm) but today they are at 415 ppm, nearly double the carbon dioxode levels during the industrial revolution, which was at 280 ppm.

As the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) explains, the carbon dioxide levels today are higher than at any other point in the past 800,000 years and this is mostly because of the burning of fossil fuels.

According to the researchers, each time that atmospheric carbon doubles, there will be a 3.4 degree Celsius (6.1 degree Fahrenheit) increase in temperature.

"The Paris Agreement wanted to keep global warming to no larger than 2.7 F (1.5 C) over pre-industrial levels, but with carbon dioxide levels increasing the way they are, it would be extremely difficult to avoid more than 3.6 F (2 C) of warming," Tierney said. "We already have about 2 F (1.1 C) under our belt, but the less warm we get the better, because the Earth system really does respond to changes in carbon dioxide."

As a greenhouse gas, carbon dioxide absorbs and radiates heat. The greenhouse effect typically helps to keep the Earth warm so that annual global temperatures will not be below freezing. But the massive increase in atmospheric carbon dioxide significantly affects the Earth's temperature.

"Increases in atmospheric carbon dioxide are responsible for about two-thirds of the total energy imbalance that is causing Earth's temperature to rise," the NOAA explains.

Having a clearer picture of the Earth's past climates can help us further understand how the Earth reacts or will react to the changes that are already happening today.

During the Last Glacial Maximum or ice age, large parts f the world were covered in massive glaciers. Photo: Kerstin Riemer/Pixabay


Assista o vídeo: Aula 10 - Estabilidade atmosférica e perfil de temperatura. Prof. Leonardo Hoinaski