Ozon og partikler er viktige for klimaet

Transkript

1 22 Forskningsprogram om klima og klimaendringer Ozon og partikler er viktige for klimaet Det norske forskningsprosjektet AerOzClim skal øke forståelsen av ozon og partiklers klimaeffekt for å lage bedre klimamodeller. Ivar S.A. Isaksen, Michael Gauss, Gunnar Myhre, Trond Iversen, Kerstin Stebel, Yvan Orsolini, Geir Braathen, Georg Hansen, Jostein Sundet og Frode Stordal AerOzClim Ozon og aerosoler (partikler som for eksempel sulfat) er viktige klimakomponenter som har endret seg betydelig i atmosfæren i løpet av de siste tiårene som følge av forurensning. FNs klimapanel (IPCC) anslår at endringer i ozon i troposfæren (den laveste delen av atmosfæren) har gitt det tredje største bidraget til globalt strålingspådriv siden førindustriell tid (etter CO 2 og metan). Både ozon og partikler skiller seg ut fra andre klimakomponenter ved at de har kort oppholdstid i atmosfæren og at mengden derfor varierer sterkt både i tid og rom. I troposfæren har konsentrasjonene økt, særlig i områder med store forurensningsutslipp, mens ozon er redusert i stratosfæren (mellom ca. 12 og 50 km høyde) som følge av utslipp av ozonnedbrytende stoffer. Ozon og partikler fjernes fra atmosfæren ved komplekse fysiske og kjemiske pro sesser. Derfor er beregninger av fordeling og endring samt kvantifisering av klimaeffekten omfattende og forbundet med store usikkerheter. Spesielt viktig er det å beregne bidragene fra regionale endringer og hvilken betydning de har for klimapådrivet. Sammenhengen mellom utslipp av forurensningsgasser, omsetning og fordeling av klimakomponenter i atmosfæren ved fysiske og kjemiske prosesser i atmosfæren er skissert i figur 1. AerOzClim er delt inn i 4 moduler som fokuserer på observasjoner og modellering av aerosoler, ozon og klima. Bruk av satellittdata for å studere aerosoler i atmosfæren Globale satellittdata for aerosoler er svært nyttig for økt innsikt i for deling av aerosoler i atmosfæren samt et nyttig verktøy for validering av globale aerosolmodeller. I modul 1 vil en kombinere modellresultater med ulike observa sjoner fra satellitter, bakken og fly for å øke forståelsen av fordelingen av aerosoler i atmosfæren og deres påvirkning på strålingsbalansen. Over de siste årene har det vært en stor utvikling med hensyn til observasjoner av aerosoler. Figur 2 viser en sammenligning av fem ulike satellittdata av total aerosol optisk dybde (et mål for hvor mye aerosolene svekker solstråling). Figuren viser en rekke likhetspunkter med generelt høyere verdier i kystområder enn langt fra kontinentene, men også store forskjeller. På midlere breddegrader på sørlige halvkule er forskjellen mellom satellittdataene spesielt store som følge av mye skyer. Generelt er det stor variasjon mellom de ulike satellittdataene. I det videre arbeidet vil lengre tidsperioder studeres. Aerosolkampanjer Aerosolmålekampanjer har vist seg å være svært nyttig for økt forståelse av klimaeffekten av aerosoler. Vi har KlimaProg-Forskningsprogram om klima og klimaendringer ( ) dekker naturvitenskapelig forskning som sikter på å øke forståelsen av klimasystemet og klimaendringer. Programmet hører inn under Norges forskningsråd og finansierer blant annet de store, koordinerte forsknings prosjektene AerOzClim, NOClim, NORPAST og RegClim. KlimaProg har sin egen redaksjon for å informere om forskningen i samarbeid med CICERO Senter for klimaforskning, og har egne sider i hvert nummer av tidsskriftet Cicerone.

2 KlimaProg 23 av de usikkerhetene som ligger i satellittdata og som vi kan se fra figur 2. Den globale aerosolmodellen vil benytte meteorologiske data for de aktuelle periodene med satellittdata. Fordelingen av aerosoler i atmosfæren varierer mye og er avhenging av transporten, og dermed er realistiske meteorologiske data viktig i modellarbeidet. Beregninger av strålingseffekten av aerosoler vil basere seg på modell som er validert ved hjelp av satellittdata, bakkemålinger og ulike aerosolkampanjer. En vesentlig oppgave blir her å separere naturlige og antropogene (menneskeskapte) aerosoler. Polare stratosfæriske skyer observert over Østlandet den 20. desember Foto: Geir Braathen tidligere vært med i to kampanjer i Afrika hvor effekten av biomassebrenning (SAFARI-2000) og mineralaerosol fra ørkenområder (SHADE) ble studert. SHADE-kampanjen resulterte i at en fant at strålingseffekten av mineralstøv har en avkjølende effekt. Flymålinger og modellstudier ga en kortsiktig lokal strålings avkjøling fra aerosolene på over 100 watt per kvadratmeter (W/m 2 ). Tidligere har det vært usikkerhet om fortegnet til strålingseffekten til mineralstøv. Fra SAFARI-2000 fant en at aerosoler fra biomassebrenning generelt har en avkjølende effekt, men en oppvarmende effekt når aerosolene ligger over skyene. Neste sommer skal det være en aerosolkampanje (ADRIEX) i Adriaterhavet og Svartehavet hvor AerOz- Clim bidrar. Her er målet å kvantifisere strålingseffekten av aerosoler fra industriell forurensing fra forskjellige områder. Kombinerte satellittdata og modellberegninger En rekke satellittdata vil bli benyttet i sammenligning med modell på grunn Beregning av partikler i klimamodeller Partiklenes form, størrelse og sammensetning bestemmer hvordan de påvirker solstråling og skydråper. Det er teoretisk mulig å beregne disse egenskapene, men i klimamodeller er det ennå for ressurskrevende. I modul 2 ønsker vi derfor å lage forenklinger som likevel gir akseptable resultater i klimamodellene, slik at vi kan beregne de såkalte direkte og indirekte klimaeffektene av aerosoler. Aerosolenes geografiske fordeling og egenskaper beregnes ut fra utslippskilder. Bakgrunnspartikler som består av sjøsalt, jordstøv organiske stoffer fra vegetasjon, foreskrives foreløpig, men det planlegges å senere beregne dem ut fra kilder. Andre naturlige partikler fra vulkaner, bio-geokjemi i havvann og jord og naturlige skogbranner beregnes fra utslippskilder, og det gjelder også partikler fra industri, kraftproduksjon, husoppvarming, motorisert transport og forbrenning av biomasse. Vi legger mest vekt på sulfat Figur 1. Figuren viser menneskelige og naturlige utslipp fra bakken (brune piler) som påvirker aerosoler, klima og ozon. Aerosoler kan dessuten dannes i troposfæren og i stratosfæren. Ozon slippes ikke ut direkte i store mengder, men dannes gjennom kjemiske reaksjoner der såkalte ozonforløpere deltar (for eksempel nitrogenoksider, karbonmonoksid, metan og andre hydrokarboner). Koblinger mellom aerosoler, klima og ozon er vist ved grå piler. Både aerosoler og ozon påvirker kortbølget og langbølget stråling og dermed klimaet. En direkte kobling mellom aerosoler og ozon er gjennom heterogen kjemi: Aerosoler påvirker heterogen kjemi som spiller en stor rolle for ozonkjemi, mens ozon påvirker svovelkjemi som kontrollerer dannelsen av sulfataerosoler. Klima (først og fremst temperatur, vinder og fuktighet) har stor innflytelse på fordelingen av aerosoler og ozon.

3 24 KlimaProg Målinger av minihull over nordlige områder Ozonhullet i Antarktis og tynt ozonlag på vårparten på våre breddegrader er fenomener som er mye omtalt i media siden de skyldes menneskeskapt forurensing og kan ha store negative konsekvenser. En annen type ozonhull er ikke så kjent for allmennheten. Vi snakker her om såkalte minihull i ozonlaget. Dette er et fenomen som har sitt opphav i naturlige dynamiske prosesser. Minihullene dukker gjerne opp sent på høsten eller tidlig på vinteren når ozonlaget allerede i utgangspunktet er tynt. Dette kan dermed gi opphav til episoder med unormalt tynt ozonlag. Disse kortvarige episodene med lav ozon varer i noen dager. I løpet av den korte tiden et minihull varer øker mengden av UV-stråling som treffer bakken. I slutten av november 1999 målte satellittinstrumentet TOMS ozonkolonner helt ned mot 160 dobsonenheter i Nordsjøen. Dette er det tynneste ozonlag målt noensinne på den nordlige halvkule. I desember 2002 ble det målt tynt ozonlag ved flere anledninger som følge av minihull som passerte over Andøya. Dette er vist i figur 4, som viser målinger av totalozon for hele 2002 og litt inn i Vi ser at det i tidsrommet mellom dagene 320 og 360 er flere kortvarige episoder med tynt ozonlag. Figur 2. Gjennomsnittlig optisk dybde av aerosoler ved 550 nm over hav i perioden november 1996 til juni Resultater er vist for 1 og 2 kanals data for AVHRR (henholdsvis AVHRR-1 og AVHRR-2), POLDER, OCTS og TOMS. (svovel) og sot. Sot består av kullstoff som absorberer sollys, og av organiske stoffer i væskeform. Både sulfat og organiske stoffer reflekterer sollys, og de danner små vanndråper (dis) i klar luft. For å studere partiklers innvirkning på klimaet bruker vi en klimamodell som er utviklet ved National Center for Atmospheric Research (NCAR) i USA. Atmosfæredelen av denne modellen med våre aerosol- og skyberegninger lagt inn kalles CCM-Oslo; Klimascenarier med denne modellen koblet til ulike havmodeller gjøres i RegClim-prosjektet (se Cicerone side 25). Beregning av bygeskyers påvirkning av aerosoler Et eksempel på beregninger som er utført er hvordan bygeskyer påvirker partikler. Partikler påvirkes av kjemi i skydråper, av raske vertikale luftstrømmer og av nedbørsutvaskning. Imidlertid har bygeskyer mindre utstrekning og levetid enn det som beskrives direkte i en klimamodell. I CCM-Oslo parameteriseres byger ved å beregne oppstigende og nedsynkende luftstrømmer. Partikler vil følge luftstrømmene, men samtidig fjerner nedbøren en stor del av dem. Vi har gjort alternative beregninger av transporten i de vertikale luftstrømmene og effektiviteten av utvaskningen. Figur 3 viser resulterende gjennomsnittsfordelinger av sulfat fra syd til nord og med høyden. Både mengden og den vertikale fordeling avhenger sterkt av antagelsene. Sammenlikning med målinger anslår best resultat for de to testene med rask vertikal transport og effektiv utvasking fra de nederste luftlag. Dette er fysisk sett også mest plausibelt. I en gitterrute med byger passerer i løpet av et tidskritt praktisk talt all bakkenær luft gjennom skyene og produserer nedbør. Studier av polare stratosfære skyer I forbindelse med minihull blir det kaldere enn vanlig i stratosfæren. Dette kan gi opphav til dannelse av polare stratosfæriske skyer, et fenomen som oppstår når temperaturen synker under cirka 80 minusgrader. De lave temperaturene oppstår fordi det i stratosfæren blåser en sterk vind som presses opp og avkjøles når den passerer over det troposfæriske høytrykksområdet. Det er ved flere anledninger observert flotte perlemorskyer (en variant av polare strato sfæriske skyer) over Norge i forbindelse med minihull. I løpet av COZUV-prosjektet, fra , ble det studert minihull som dukker opp om vinteren. I modul 3 vil fokus være på episoder med lite ozon som dukker opp om sommeren. Utvikling av koblet klima-kjemimodell Vi vet at ozonmengden i atmosfæren og klimaet påvirker hverandre gjensidig. I modul 4 ønsker vi å studere denne sammenhengen i dagens klima, og beregne hvordan ozonendringer og klimaendringer vil påvirke hverandre i fremtiden (100 år fremover i tid). Ozonmengden i troposfæren har økt det siste hundre år mens ozonmengden i stratosfæren er redusert på grunn av utslipp av ozonnedbrytende stoffer. Innholdet av ozonnedbrytende stoffer i stratosfæren reduseres i tiden framover på grunn av kontrolltiltak, men hvor raskt dette skjer avhenger blant annet av klimautviklingen. En fullstendig beskrivelse av sammenhengen mellom endringer i ozon og klima kan bare gjøres med en klimamodell som er koblet til en kjemimodul. I AerOzClim brukes en modell fra NCAR (CCM3) til dette formålet. I samarbeid med en gruppe ledet av

4 KlimaProg 25 AerOzClim (Aerosols, Ozone and Climate) er et nasjonalt koordinert samarbeidsprosjekt mellom Universitetet i Oslo (UiO) og Norsk institutt for luftforskning (NILU). I AerOzClim studeres prosesser (kjemiske, dynamiske og fysiske) som bestemmer fordeling og endring av ozon og partikler i atmosfæren, samt koblingen mellom disse og klima. Hovedhensikten er å utvikle og bruke globale modeller, sammenligne med måinger for å forbedre beskrivelsen av prosessene, og å utføre kombinerte klima-kjemi beregninger. Studiene fokuserer på følgende oppgaver: Figur3. Konsentrasjoner av sulfat som funksjon av breddegrad og høyde, midlet over tre år fra en klimatologisk beregning med den globale atmosfæremodellen CCM-Oslo. Fire måter å beregne hvordan bygeskyer påvirker partikler og gasser på er benyttet. Høyden er gitt i hpa, dvs. trykk (1000 hpa er på bakkenivå, 100hPa er i 16 km høyde), den horisontale aksen viser breddegraden. Øverst til venstre: ingen vertikal transport, utvaskning kun rett under skyene; Øverst til høyre: full vertikal transport, utvaskning kun rett under skyene; Nederst til venstre: full vertikal transport, utvaskning i hele gitterruta i de nederste luftlagene der bygenedbør forekommer; Nederst til høyre: redusert vertikal transport på grunn av fallvinder, utvaskning i hele gitterruta i de nederste luftlagene der bygenedbør forekommer. Beskrive den direkte aerosoleffekten ved modellstudier og sammenligning med observasjoner Utvikle metoder for å parameterisere strålingsprosesser og livssykler for aerosoler i generelle klimamodeller Analysere prosesser som er viktig for å forstå sammenhengen mellom ozonnedbryting og klima i stratosfæren Utvikle modellverktøy for å studere koblingen mellom ozonkjemi og klima, og implementere prosessene i klimamodeller Utføre koblede klima/kjemi modellberegninger, og estimere klimaeffekten av ozon og partikler Resultatene fra aerosol beregningene skal sammenlignes med målinger og andre modellresultater. bl.a. i Aerocom -prosjektet (http: //nansen.ipsl.jussieu.fr/aerocom) som inkluderer bidrag fra modeller i Europa, USA og Japan, samt ulike typer observasjonsdata. Beregninger og observasjoner av ozon vil bidra til EU prosjektet SCOUT-O 3. Resultatene vil dessuten bidra til IPCCs neste hovedrapport. AerOzClim er delt in i fire hoveddeler (moduler) og i denne artikkelen presenteres de første resultatene. Figur 4. Målinger av totalozon over Andøya fra 1.januar 2002 til april 2003.

5 26 KlimaProg Professor Wei-Chyung Wang ved State University of New York har vi inkludert en kjemimodul i NCAR CCM3. Bakgrunnen for at vi har gjort dette er at de fleste kjemiske komponenter varierer i konsentrasjon mellom ulike geografiske regioner og i ulike høyder. Flere gasser som er viktige for kjemiske prosesser påvirker også stråling. Det gjelder også ozon, som er i fokus i AerOzClim. Utvikling av forenklet kjemi for studier i klimamodeller Å inkludere kjemiberegninger i en klimamodell krever store maskin ressurser. Dette betyr i praksis at vi fant det nødvendig å utvikle en kjemimodul hvor antall gasser som beregnes i NCAR CCM3 modellen er mer enn halvert i forhold til hva som brukes i den globale kjemimodellen Oslo CTM2. Forenklingene ble utført slik at de aktive klimagassene ozon og metan og gasser som er viktig for oksidasjonsprosessen i troposfæren, hydroksyl (OH) og hydrogenperoksid (H 2 O 2 ), gir en fordeling og endring som følge av økte utslipp av forurensningsgasser, som avviker lite fra fordelingen vi får med det omfattende kjemiskjemaet som brukes i Oslo CTM2. Omfattende modellsammenlikninger har vært utført viser at avvikene er små. Beregninger av effekten av industrialisering på gasser og klima Med kjemimodulen implementert i klimamodellen har vi sett på hvordan klimaet fra preindustriell tid til i dag har endret seg, og hvilket bidrag som kommer fra de kjemiske aktive klimagassene. De beregnede forandringene i ozon er i overensstemmelse med målinger og tidligere modellstudier utført med globale kjemimodeller. Endringen av ozonkolonnen er størst over kontinentene, spesielt om sommeren hvor kjemien er mer aktiv på grunn av mer sollys. Den globalt midlede forskjellen i ozonkolonnen er beregnet til 14.3 dobsonenheter som gir et strålingspådriv på ca 0,58 W/m 2. Dette strålingspådrivet skyldes endringene i utslipp av gasser fra førindustriell tid til i dag. I AerOzClim arbeider vi nå med å inkludere en forenklet kjemimodul også for stratosfæren. Ivar S.A. Isaksen professor i meteorologi ved Institutt for geofag, Universitetet i Oslo og koordinator for prosjektet AerOzClim (ivar.isaksen@geo.uio.no). Michael Gauss postdoktor ved Institutt for geofag, Universitetet i Oslo, og ansvarlig for formidling av resultater fra AerOzClim (michael.gauss@geo.uio.no). Historiske flaumar i Vossavassdraget Vossavassdraget er det største vassdraget i Hordaland og eit av dei største på Vestlandet. Gjennom historia har vassdraget blitt råka av mange flaumar. Mange av desse har gjort stor skade i Vossabygda. Når forskarar no spår meir regn, spesielt på Vestlandet, vil flaumfaren verte større. Anja Midttun og Atle Nesje, NORPAST Eit vassdrag er eit dynamisk system som alltid er i endring, og flaum er ein naturleg del av dette systemet. Endringar som følgje av flaum fører vanlegvis til at vassdrag etablerer ny likevekt tilpassa dei nye tilhøva. Miljøendringar som følgje av flaum vert derfor vanlegvis ikkje sett på som skade på miljøet. Først når menneskeskapte verdiar som bygningar, infrastruktur og jordbruksområde vert øydelagde av flaum, er det relevant å nytte omgrepet skade (Sælthun 1999). Ekstreme elveflaumar har ført til store skadar i Europa gjennom dei siste par hundre åra (Mudelsee m fl. 2003). Det er venta at utslepp av klimagassar vil føre til klimaendringar og endringar i den hydrologiske syklusen og dermed fare for auka flaumrisiko. Klimascenariar tyder på at det truleg vert meir ekstremt vêr i vår region utover i dette hundreåret, som til dømes auka frekvens av store nedbørsmengder og dermed større avrenning (Førland m fl. 2000, Haugen 2002, Skaugen m fl. 2002, Engen Skaugen og Roald 2003, Iversen m fl. 2003, Roald m fl. 2003). Kraftig uvêr eller ekstremvêr kan føre til flaumar som kan gjere stor skade på skog, bygningar, folk, vegar og jarnvegar. Ekstreme vêrhendingar kan derfor få store konsekvensar i eit samfunn med ein stendig meir samansett infrastruktur. Vossavassdraget Vossavassdraget (Figur 1) er det største vassdraget i Hordaland fylke og eit av dei største på Vestlandet. Norges vassdragsog energidirektorat (NVE) har føreteke vasstands- og vassføringsmålingar på Bulken ved Voss sidan 1892 (Figur 2) og ved Myrkdalsvatn sidan 1964 (Figur 3). Ved målestasjonen på Bulken er det blitt målt vassføring over middelflaum (370 kubikkmeter per sekund), 81 gonger sidan av desse er målt etter 1950, medan 43 av desse att, er målt etter Med andre ord er meir enn halvparten av dei største vassføringane i den 110 år gamle måleserien kome i løpet av siste 30-årsperiode. I gjennomsnitt har årleg maksimalvassføring ved målestasjonen ved Bulken auka med