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The Atmosphere - global warming L2

English in Natural Science

自然科学の英語

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Vertical structure • Density decreases with altitude

– gravitational force

• Layers of different composition

– Homosphere (90 km)– Heterosphere

Mesosphere

Stratosphere

Troposphere

90 km

48 km

12 km

Heterosphere

Homosphere

Ozone layer

Mass

< 1%

14%

85%

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Ozone layer• Filter (15-40 km) against UV solar radiation

90% ozone [O3] 2-8 ppm

• Destruction by CFC: CFCl3 + hv CFCl3 + Cl

O3 + Cl O2 + ClO Effects

1. Increased UV radiation DNA damage

(mutations, cancer)

2. Less absorption of radiation

Air cooling

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• Current composition – N2 (78.08%)– O2 (20.95%)– Ar (0.93%)– CO2 (0.035%)– Other (0.005%)

• Ne, He, CH4, Kr, NO2-, H, Xe, O3

• Temperature decreases with altitude– average 1 oC for 100 m

surface ~15 oC 1,500 m water condensates– Clouds form between 1500-3000 m

N278%

O221%

otherCO2Ar1%Troposphere

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Evolution of atmosphere

95% N2

3.5% CO2

<1% O2

78% N2

21% O2

<1% CO2

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Atmosphere is dynamic• Solar powered• Convection

– Hot air UP– Cold air DOWN

• Circulation routes– west east– tropics poles

• Jet streams• Effects:

– Mixing of gasses– Temperature buffer

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Coriolis effect

• Rotation of the Earth– Air moves inward in

circles cyclons– Inertial circles

C

Centrifugal force

Tropical cyclon台風 typhoon

hurricane

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Hydrological cycleEnergy Sun

Water on Earth• Oceans (97%)

– Salty water

• Atmosphere – Evaporation (H2O vapour)

– Condensation (cloud)

– Precipitation (rain)

• Land– Snow icecaps water

– Runoff rivers• Dissolves materials• Erosion of land

– Evapotranspiration (plants)

Evapotranspiration

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The Blue Planet

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Hydrosphere - water distribution

Location Volume (km3) Percentage

Oceans 1,322,000,000 97.2

Icecaps + glaciers 29,200,000 2.15

Water on land 8,630,000 0.635

World total 1,360,000,000 100.0

Ground water 8,400,000 0.62

Freshwater lakes 125,000 0.009

Saline lakes/seas 104,000 0.008

Soil moisture 67,000 0.005

Atmosphere 13,000 0.001

Rivers 1,250 0.0001

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Interaction atmosphere - hydrosphere

• Solar radiation– Water evaporation (oceans) condensation

(clouds)– Hot air UP and cold air DOWN

• Earth’s rotation– Air + clouds move in inertial circles (cyclons)

• Earth’s topography (e.g. mountains)– Distort movement of cyclons– Cause precipitation (rain)– Region different weather pattern

CLIMATE

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Climate patternsKoeppen System

1st level: latitude zone• Tropical• Subtropical• Temperate• Polar• Mountain/highland

2nd level: precipitation• Regular throughout year• Dry winter• Dry summer

3rd level: temperature• Hot• Mild• Cool• Cold

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• Af: Tropical Rainforest

• Aw: Tropical Wet & Dry (Savanna)• BSh: Tropical Steppe• BWh: Tropical Desert• BSk & BWk: Midlatitude Steppe &

Desert

• Cs: Mediterranean (dry summer subtropical)

• Cfa: Humid Subtropical

• CFb: Marine West Coast

• Df & Dw: Humid Continental & Subarctic

• ET: Tundra

• Highland

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Climate change: Causes• Weather changes - short term cycles

– Sun spots fluctuations (11 yr period)– Sea-temperature currents (El Niño oscillations)

• Climate changes - long-term oscillations– Solar radiation (insolation)

• Precession of equinoxes (23,000 yr period)• Tilt (1o) of Earth’s rotational axis (41,000 yr period)• Eccentricity cycle (100,000 and 400,000 yr period) Milankovitch cycles

– Carbon dioxide and methane in atmosphere• Biomass amount and distribution

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Climate indicators

• 18O ice-sheet thickness

sea level

• 13C biomass (productivity)

• CO2 atmospheric temperature

carbonate deposition/dissolution

• CH4 wetland expansion/reduction

monsoonal precipitation

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Weather cycles

SouthernOscillation Index(El Niño)• cold dryness• warm rainfall

Humdbolt Current

Temperature cycles11 x 2 yr period

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Orbit eccentricity

Axial tilt

Astronomic variations insolation

Precession

Polaris<-->Vega

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Holocene (10,000 yr)

• Insolation– perihelion from July to January– 8% more insolation summer and less in winter NH

• Effects– Global ice-volume decreased (18O from 15,000 to

6,000 yr) – Sea-surface temperature up (8 oC Atlantic winter)– Sea level up (100 m)

• CO2 increased

– 200 ppm (15,000 yr) 250 ppm (6,000 yr)

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Pleistocene (175,000 yr)

• Insolation– superimposition 23, 41 and 100 year cycles

• Effects– Ice-sheet (18O)– Sea-level

– CO2

– methane– Monsoon (SE Asia)

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Quaternary (3 million yr)

• Directly related to insolation cycles

• Patterns of variation– Several ice-age periods– Cooling trend in last 700,000 yr – Changes in biomass (productivity)– Irreversible variations due to continental drift

• Mountain uplift regulate the magnitude of monsoonal oscillations

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2006 自然科学の英語 -ENS-L2 (Webb and Bartlein, 1992)

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Greenhouse gasses• Transparent to incoming solar radiation• Absorb outgoing infrared radiation ( > 0.78 m) emitted

by Earth (surface + atmosphere)

CFC

Radiative forcing W/m2 relativeCO2 1.56 1CH4 0.5 58NO2 0.1 206CFC 0.3 3970 5750

CO2

+36%

CH4

+150%

NO2

+20%

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Carbon dioxide (CO2) and temperature

AntarcticaVostok lake (160,000 yr)

What causes CO2 cycles?

(Barnola et al., 1987)

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Keeling curve

Current CO2 in atmosphere

• Atmospheric CO2

– Initially (3.5 bya) 100 x– Reduction…

• Biomass• Carbonate deposition

– Now 300 Gt (x109 tons)• Upward trend

• Sources– 98% natural

• Biological• Volcanic eruptions

– 2% human activities

Before 1800 190-290 ppm 1800 280 ppm 2004 380 ppm

Total increase +36%Current rate 1.8 ppm/yr

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Human impact on the carbon cycle

Sources of CO2 6-8 Gt/year (1995)– Emissions (83%)

• Fossil fuels (CO2, CH4) 6.5 Gt• Fertilizers (NO2) 0.140 Gt

– Deforestation(17%) 0.4 m Km2/year 36,000 Km2 Amazon

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Carbon balance44% 36% 20%

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Effects: global warming

• Average air temperature increased

I) 0.7 oC in 30 yr

ii) 2003 heat wave

in Europe

94 mt harvest lost

(5% world grain)

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Effects in theocean… …

start to be felt.

• Sea levels in Gulf of Mexico

• Wild weather– Katrina, Rita– Japan 2004

(11 typhoons)

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Global climatic impact of CO2

• Global warming [CO2] UP Temperature UP

Temperature

– Air: more H2O vapour rainfall increase

pressure wild weather (typhoon)– Water: melting icecaps increase sea levels

[CO2]

– Air: photosynthesis UP more plant biomass

– Water:dissolved CO3-2 coral and marine plankton

• Ice-age [CO2] DOWN Temperature DOWN

– Air: less H2O vapour rainfall decrease

dryness dust UP less radiation (cooling)– Water:icecaps increase decrease sea levels

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Alternating warm/cold cycles

Warmperiods

[CO3Ca•Mg]

[CO2]

[CO3-2]

Ice

Temp

Vegetation

dissolve

[HCO3-]

Iceage

Vegetation

[CO3Ca•Mg]

[CO3-2]

Ice

[CO2]

Temp

precipitate

[HCO3-]

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References

• Schneider, S. H. 1989. The greenhouse effect: Science and policy. Science 243: 771-81.

• Webb III, T. and Bartlein, P.J. 1992. Global changes during the last 3 million years: Climatic controls and biotic responses. Annu. Rev. Ecol. Syst. 23: 141-173

• Wuebbles, D.J. and Jain, A.K. 2001. Concerns about climate change and the role of fossil fuel use. Fuel Proces. Technol. 71: 99-119

• Feely R.A. et al.2004. Impact of anthropogenic CO2 on the CaCO3 system in the oceans. Science 305: 362-366