UNIVERSITETET I OSLO

Transkript

1 1 UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: GEO1030 Eksamensdag: 9. desember, 2016 Tid for eksamen: 9-13 Oppgavesettet er på: 3 sider Vedlegg: Ingen Tillatte hjelpemidler: Kalkulator Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Oppgave 1 a) Hvor finner vi det største dypet i verdenshavet (alle hav)? Anslagsvis hvor dypt er dette? I Marianergropa i Stillehavet, med ca. 11 km. b) Hva er middeldypet for verdenshavet? Ca. 4 km, eller 3700 m. c) Hvorfor er kystområdet utenfor Peru og Ecuador vanligvis et oppvellingsområde? Passaten blåser i en nordvestlig retning, med land på høyre side, og Ekman-transport vil trekke overflatevann ut fra kysten. Dette blir erstattet med kaldt og næringsrikt vann som strømmer opp fra vannlag rett under overflatelaget, dvs. fra dyp av størrelsesorden 100 m. d) Under El Niño- og La Niña-situasjoner vil de hydrografiske forhold i sjøen utenfor Peru-Ecuador avvike fra den midlere tilstanden. Beskriv disse avvikene. El Niño: Vinden avtar, oppvellingen avtar, og varmt overflatevann kommer inn til kysten av Peru og Equador. Inne på land vil nedbør øke kraftig. La Niña: Økt passat, kaldere vann nær kysten. e) El Niño fører til ødeleggende værforhold i andre regioner. Hva slags værforhold? El Niño: Tørke noen steder, som i Australia, og økt nedbør i andre regioner i f.eks. Sør- og Nordamerika (La Niña: stort sett motsatte effekter av El Niño). f) I den delen av Det indiske hav som ligger nord for ekvator, vil overflatestrømmene i vinter- og sommerhalvåret være svært forskjellige. Hvorfor? Om vinteren vil luften i fjellandskapet nord for India bli avkjølt, og den tunge luften synker ned og strømmer ut over Det indiske hav som nordøstmonsunen. Om sommeren blir kontinentet oppvarmet, luften stiger opp, og sydvestmonsunen vil blåse inn fra Det indiske hav. Dette fører til et svært forskjellig strømbilde i overflaten fra vinter til sommer.

2 2 g) Lag en enkel skisse av Det indiske hav sør for ekvator, der de ytre grenser er ekvator, Afrika, Antarktis og Australia, og tegn inn piler for overflatestrømmene. Sett navn på hovedstrømmene. Min: Den sørlige ekvatorialstrøm, Agulhasstrømmen, Den antarktiske sirkumpolare strøm (Vestenvindsdriften), Vestaustraliastrømmen. Oppgave 2 a) Nevn de hovedstrømmene som går inn i og de som forlater Polhavet (Arctic Sea). Inn: Vestspitsbergenstrømmen, Nordkappstrømmen og Novaya-Zemlyastrømmen, Beringsstredstrømmen Ut: Østgrønlandstrømmen, Labradorstrømmen b) Hvilke krefter driver disse strømmene? Trykkraft og tyngdekraft c) Beskriv kort hvordan det atlantiske vannet kommer inn i Polhavet, hvordan det sirkulerer, og hvordan det forlater Polhavet. Hovedstrømmen av atlantisk vann kommer inn som Vestspitsbergenstrømmen. Etter Framstredet synker denne ned under overflaten, sirkulerer mot urviseren i Polbassenget og kommer ut gjennom Framstredet som en del av Østgrønlandstrømmen. Det samme skjer med de mindre transportene i Nordkappstrømmen og Novaya-Zemlyastrømmen. Oppgave 3 a) Det har blitt anslått at en temperaturøkning på 0,7 C i de øverste 300 m i verdenshavet har gitt en økning i havnivået på 5,5 cm. Hvis hele verdenshavet får den samme temperatur-økningen, og hvis effekten på havnivået er helt tilsvarende, hvilken stigning i havnivået vil dette gi, forutsatt at arealet av havets overflate er det samme? Vis at stigningen blir ca. 0,7 m ved å se på en vannsøyle ned til verdenshavets middeldyp. Antatt stigning =x. Middeldyp h m =3734 m. Antar x/3734=5,5 cm/300. Da blir x=68 cm. Eller for middeldyp 4 km: x=0,73 m. b) Hvis midlere tetthet i verdenshavet før nivåstigningen er ρ 0 =1027,5 kg m -3, hva blir en tilnærmet tetthet ρ etter stigningen? Massens bevarelse krever at ρ(h m +x)=ρ 0 (h m ). Dette gir at ρ=1027,3 kg m -3. c) For hele verden har volumet av is lagret på land som breer blitt anslått til rundt 28 millioner km 3. Tettheten av isen er anslagsvis 917 kg m -3. Vis at hvis denne isen smelter og blir til ferskvann med tetthet 1000 kg m -3, så blir volumet av dette ferskvannet ca. 26 millioner km km 3 (917/1000) = 25, km km 3. d) Arealet av alle hav er 360 millioner km 2. Hvilken havstigning vil issmeltingen i forrige spørsmål kunne føre til? 25, km 3 / km 2 = 0,071 km = 71 m 70 m Eller: km 3 / km 2 = 0,072 km = 72 m 70 m

3 3 Oppgave 4 a) Hva er kondensasjonsnivået ved heving (lifting condensation level, LCL) og nivået for fri konveksjon (level of free convection, LFC)? Kondensasjonsniva et ved heving er høyden en luftpakke ma løftes til adiabatisk for at luften skal bli mettet. Na r lufta løftes faller trykket og lufta utvider seg. Dermed faller temperaturen og lufta kan holde mindre vanndamp. Tilslutt vil luftpakken være mettet. Niva et for fri konveksjon (LFC) er høyden en luftpakke ma løftes til for a være varmere/like varm som sine omgivelser. Na r luftpakken na r dette niva et vil den fortsette a stige fordi den er lettere enn sine omgivelser. b) Forklar kort hva som menes med stabil, ustabil og betinget instabil temperaturgradient. Illustrer med en enkel skisse. Absolutt stabil: Hvis luften er absolutt stabil synker temperaturen saktere med høyden enn en mettet luftpakke ved adiabatisk løfting (SALR). Med andre ord vil en luftpakke som løftes aldri kunne oppna høyere temperatur enn omgivelsene. ELR<SALR, se figur a. Betinget ustabil: Hvis luften er betinget ustabil sa kommer stabiliteten an pa om luften er mettet med vanndamp eller ikke. Hvis luftpakken er mettet (følger SALR) og løftes, vil den bli varmere og lettere enn omgivelsene (og fa r oppdrift), men hvis den er umettet (følger DALR) og løftes, vil den bli kaldere og tyngre enn omgivelsene (og blir trukket ned igjen). SALR<ELR<DALR, se figur b.

4 4 Absolutt ustabil: Hvis luften er absolutt ustabil synker temperaturen i luftsøylen raskere med høyden enn temperaturen til en umettet luftpakke ved adiabatisk løfting (DALR). Med andre ord vil en luftpakke som løftes alltid bli varmere og lettere enn omgivelsene og vil dermed fortsette a stige. ELR>SALR, se figur c. En luftpakke løftes fra havoverflaten over et fjell som er 1400 meter høyt. Ved 700 moh meter når vi LCL (en sky oppstår). Her er luftpakka 8 C, mens omgivelsene er 10 C. I denne oppgaven kan du regne med at tørradiabatisk temperaturgradient (dry adiabatic lapse rate, DALR) er 1ᵒC /100m, fuktigadiabatisk temperaturgradient (saturated adiabatic lapse rate, SALR) er 0.5ᵒC /100m og temperaturgradienten (lapseraten) til omgivelsene er 0.7ᵒC /100m c) Hva er duggpunkttemperaturen (dewpoint temperature) ved 700 moh? Hva er temperaturen ved havoverflaten (før løfting)? Na r luftpakka er mettet er duggpunkttemperaturen lik temperaturen, altsa 8 C. Temperaturen til en luftpakke som løftes kan uttrykkes som: der x er antall 100m over overflaten. Vi vet temperaturen med 700moh, og her er luftpakke 8º C. Dermed fa r vi:

5 5 altsa er temperaturen ved havoverflaten 15 C. d) Vil luftpakka nå LFC på vei over fjellet? Vi kjenner temperaturen ved 700moh, der luftpakka er mettet. For a finne ut om luftpakka na r LCL pa vei over fjellet, kan vi regne ut om temperaturen til en luftpakke som løftes adiabatisk blir varmere enn omgivelsene i løpet av turen over fjellet. Vi kan sette opp en likning for temperaturen over 700moh for omgivelsene (T omgivelsene ) og luftpakken (T luftpakke ), med x antall 100m over 700moh. Siden luftpakka na er mettet, følger den fuktigadiabaten: Vi kan na sette disse to lik hverandre for a finne hvor høyt luftpakka ma løftes for a na LCL: Det betyr at LCL er 1000 meter over 700moh, altsa LCL=1700moh. Siden fjellet bare er 1400moh vil luften ikke na LFC pa vei over fjellet. Oppgave 5 a) Forklar hvordan tilbakekoblingen (feedback) som omhandler isens og albedoens respons på en temperaturendring kan føre til både nedkjøling og oppvarming. Oppvarming: Temperaturen stiger isen smelter albedoen synker mer kortbølget stra ling absorberes av havet temperaturen stiger ytterligere. Nedkjøling: Temperaturen synker isen vokser og dekker mere hav albedoen øker mer kortbølget stra ling reflekteres ut (mindre absorberes) temperaturen synker ytterligere. Merk at begge disse er positive tilbakekoblinger fordi de forsterker den initielle endringen (nedkjøling/oppvarming).

6 b) Hva karakteriserer klimaet i landområder som ligger (i) på lesiden(nedvinds) og (ii) på losiden (oppvinds) av store fjellsider på midlere og høye breddegrader? Hva slags Köppen-kategorier finner vi ofte i disse to tilfellene? Pa losiden av fjellkjeden vil det være mye nedbør og skydannelse. Dette er kommer av at lufta løftes opp over fjellene, vanndampen kondenserer og vi fa r nedbør. Vi vil derfor fa et fuktig klima, Köppen kategori C eller D (men det viktige er at det er fuktig). Pa lesiden av fjellkjeden vil mye av fuktigheten i lufta allerede ha regnet ut i løpet av luftas vei over fjellet og det vil dermed være svært tørt. Ko ppen-kategori B. c) Hvordan vil et stort vulkanutbrudd påvirke strålingsbalansen i atmosfæren? Hva vil skje med skyene når aerosolkonsentrasjonen øker? Aerosoler vil både kunne absorbere og spre kortbølget stråling. Dermed vil de kunne varme opp atmosfæren rundt seg (gjennom absorpsjon) men også kjøle ned kloden ved at de reflekterer stråling ut av atmosfæren (øker atmosfærsisk albedo). Begge disse mekanismene vil føre til at mindre kortbølget stråling når overflaten og den totale effekten vil blant annet avhenge av overflate-albedoen. Hvor aerosolene befinner seg, er viktig for hvordan de påvirker overflatetemperaturen på jorda. Hvis de når helt opp til stratosfæren, så vil de kunne forbli der svært lenge fordi de ikke tas opp i skyer og regner ut. Store vulkanutbrudd som transporterer mye SO2 helt opp til stratosfæren, vil derfor ha en sterk nedkjølende effekt. Skyer: Over har vi fokusert på den direkte effekten av aerosoler, altså hvordan de direkte påvirker strålingsbalansen. Aerosoler har imidlertid også en indirekte effekt gjennom deres påvirkning på skyer. Mange aerosoler er gode kondensasjonskjerner (cloud condensation nuclei, CCN) og deres tilstedeværelse i troposfæren vil påvirke skyenes kvalitet. Når det er mange aerosoler, så vil vanndampen fordele seg på flere kondenasjonskjerner og skydråpene vil derfor være fler (og mindre). Dette øker den totale overflaten til skyen og øker albedoen (gjør den mer effektiv for å reflektere stråling). Dette kan gi en nedkjølende effekt. På den annen side er det vanskeligere for en sky med små dråper å produsere nedbør, slik at skyen kan leve lenger. Dette vil dermed også kunne være nedkjølende. 6 Oppgave 6 The Great Smog of London også kjent som The Big Smoke var en alvorlig luftforurensningshendelse i London i desember Kullbrenning ga jevn tilførsel av forurensning hele vinteren, men værforholdene i disse dagene ga spesielt høye konsentrasjoner ved bakken. Hvilke værforhold kan du tenke deg førte til denne situasjonen? Bruk det du kan om atmosfæriske kontrollmekanismer til å forklare hvordan slike tilstander kan oppstå. Under «The Great Smog of London» la et høytrykk seg over London. Høytrykket førte med seg en temperaturinversjon (en økning i temperatur med høyden), hvilken gjorde lufta ekstremt stabil og forhindret luften ved bakken i å blande seg oppover i atmosfæren (hvilket ville tilført London ren luft). I tillegg var det lite vind. Til sammen gjorde dette at den forurensede lufta ble fanget nær bakken over London.

7 7 Oppgave 7 Hvorfor er klimamodeller (General Circulation Models, GCMs) gode verktøy for å undersøke årsakssammenhenger i klimasystemet? Fordi de baserer seg på kjente fysiske og kjemiske lover og fordi vi kan manipulere hvilke faktorer vi tar med i modellen, f.eks ved å ta ut antropogene klimautslipp og sammenlikne med kjøringer med antropogene klimagassutslipp. Oppgave 8 Hvorfor er det akkumulerte utslipp av CO 2 viktigere enn siste års utslipp for temperaturutviklingen? Hvordan forholder dette seg for aerosoler? Forklar kort. Karbonets kretsløp består av raske utskiftninger og tregere kretsløp. Karbonet vi slipper ut i form av CO 2 er del av det trege kretsløpet (det er blitt dannet over millioner av år) og det tar svært lang tid før dette ekstra karbonet tas ut av atmosfæren igjen. Derfor gir det mer mening å snakke om akkumulerte utslipp enn årlige utslipp. Det spiller liten rolle for den globale oppvarmingen om vi slapp ut 0 tonn CO 2 i år, hvis vi slapp ut dobbelt av normale årlig utslipp i fjor. Derfor er det også slik at selv om vi kuttet alle utslipp i dag, ville det ta lang tid før vi så en nedgang i CO 2 konsentrasjonene og vi fremdeles opplevd oppvarming i flere tiår framover. Situasjonen er svært annerledes for aerosoler fordi disse er kort-levde i atmosfæren og forsvinner raskt ut. Dermed faller konsentrasjonen raskt hvis vi kutter utslippene. Oppgave 9 Anta at trykket ved havoverflaten er 1000 hpa, trykket ved 200 m er 978 hpa. Bruk den hydrostatiske likningen til å regne ut gjennomsnittlig tetthet i dette laget.