Modelización numérica de la composición de la atmósfera de la tierra Ignacio Pisso Research Institute for Global Change Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology CAC – Agosto 2010 Composicion de la atmosfera Inhomogeneidad de los componentes menores, como los gases de efecto invernadero, en todas las escalas. La atmósfera: estructura vertical ● ● Capa límite planetaria, tropósfera y estratósfera Notorios cambios en la temperatura debidos a las fuentes de calor Circulacion de gran escala El viento a gran escala ● Circulación general: convección/inyección tropical, circulación estratosférica Por qué se mueve asi? ● Dinámica, 'forzaje externo' ● La rotación de la tierra... Coriolis ● ● ● La radiación del sol y de la tierra y los gradientes de temperatura y de presión Absorción y emisión: el “color” del aire La composición determina la dinámica (no solamente que lo respiramos) La composición, la que determina la dinámica Hay literalmente miles de gases en proporciones infimas pero no despreciables Que efecto tienen? El camino de la radiacion solar: ● Emision ● Absorcion ● Reemision ● etc... Algunos problemas ambientales conectados con la atmosfera conectados pero diferentes La calidad del aire (la contaminacion influye mas, en la capa limite atmosférica cerca de la superficie) ● La polucion del aire es vieja como la civilizacion ● Polución industrial, a veces mas peligrosa ● Smog en el siglo XIX-XX ● Lluvia acida ● Aerosoles (e.g. humo de quema de pastizales y bosques, volcanes, polvo del sahara...) Thomas Midgley, Jr. Inventor de las naftas con plomo y de los CFC entre otras cosas No se le ocurria que podriamos llegar a modificar sustancialmente la composicion de la atmosfera global El ozono estratosférico: el escudo contra la radiacion ultravioleta ● ● ● ● Fotoquímica Chapman 1930 70's Molina y los CFC 1987 'smoking gun', y el protocolo de Montreal Recuperacion y nuevas amenazas El efecto invernadero Sin el cual la tierra estaria bajo cero... Absorcion de radiacion por los gases de efecto invernadero ● Aun mas complicado... Modelos numéricos ● ● Discretización de las ecuaciones de la mecánica de fluidos Diversas escalas de tiempo (previsión meteorológica vs climatológica) y espacio (global vs. micro/mesoescala ) Modelos climaticos globales ● Una jerarquía de modelos de creciente complejidad Elementos de un modelo del sistema atmósfera-océano Principal Area of JAMSTEC Understanding and Prediction of Global Change Research on Global Change Elucidating Earth Processes through the Oceans Research on Earth Evolution Contribution to the people and society Research on Biogeosciences Exploring Earth Systems through Biogeoscience Fundamental Ocean-related Technology and Development Advanced Marine Technology, Key National Technology, and Simulation Research and Development 19 3 JAMSTEC’s World-Class Technologies Deep sea cruising autonomous underwater vehicle: Urashima Deep-sea Drilling Vessel: Chikyu Achieved a world record of 317km continuous cruising as an autonomous underwater vehicle in March 2005 Largest scientific drilling vessel with the highest capabilities in the world Length : 210m Beam : 38m Height : 130m Gross tonnage : 57,087t Technologies of obstacle avoidance sonar are applied for underwater acoustic camera. Automatic Bottom Inspection and Sampling Mobile: ABISMO Earth Simulator Ultrahigh-speed parallel supercomputer Achieved the world’s fastest computational speed from June 2002 to November 2004. Its computational speed was improved by 3.2 times after new system was introduced in March 2009. ※The world record is 10,902m at water depth, achieved in May 2009 by the “Nereus” of the Woods Hole Oceanographic Institution. Manned research submersible: Shinkai6500 A variety of research facilities The most maximum cruising depth in the world as a manned research Achieved 1,128 dives for 19 years since its first dive in June 1990 until March 2009. Remotely operated vehicle Remotely Operated vehicle Kaiko 7000 II Hyper Dolphin (7,000m water depth) (3,000m water depth) DEEPBATH (300℃ and about 640 atmospheric pressure) 20 6 ありがとうございました。 Thank you Yokohama Institute for Earth Sciences (YES) Earth Simulator Research Bldg. The Earth Simulator Bldg. Frontier Research Bldg. / Conference Bldg. Supercomputer Bldg. Information Technology Bldg. The Earth Science Museum Personnel in YES (number approx.) 1. Researcher/Engineer : 320 ( incl. 30 from foreign countries) 2. Administration : 80 3. Other: 50 Total: approx.450 22 ● Meteorología, climatología, ciencias de la atmósfera ● La prediccion meteorologica vs climatologia ● Asimilacion de datos, analisis y reanalisis vs 'free running models' ● Química atmosférica vs composicion ● Modelos meso-escala (conveccion, nubes...) ● Todos apuntan a describir el movimiento de un fluido Parte II: Transporte lagrangiano y composicion ● Adveccion y difusion turbulenta: influencia en el transporte intercontinental de polucion ● Potenciales de destruccion de ozono estratosferico ● Flujos de emision y determinacion de fuentes Modelos lagrangianos ● ● Seguir la trayectoria del viento Convenientes para estudiar medidas experimentales CO: data CO: data (JGR - Pisso et al. 2009) Modelo global: alta difusion Modelo lagrangiano representa los gradientes on los bordes de la pluma. Estimacion cuantitativa del borde (dinamico): el exponente de Lyapunov Results: (JGR - Pisso et al. 2009) CTM coarser resolution, plume smeared out Resolution of the gradients at the borders of the plume because the representation trajectory separation. Quantitative estimate of the border of the plume (dynamical): Lyapunov exponents In situ measurements Millones de puntos de medida Combinando los datos con las trayectorias la base de datos se hace dificil de manejar... Trajectorias con tiempo positivo: prediccion de impacto estratosferico de emisiones en superficie Esperanza de vida en meses del aire inyectado a traves de la tropopausa Potencial de destruccion de ozono dependiente de la localizacion de la fuente Estimacion de las emisiones de CO2 de Tokio Conclusiones ● ● ● Estudiar la composición del aire es interesante y relevante para varios problemas La perspectiva lagrangiana extiende el campo de lo modelizable Metodo estocastico extendido a capas mas bajas afectadas por conveccion. En el presente aplicacion a la capa limite planetaria : Usa ES OS, basado en SUPER-UX,el Unix para supercomputadoras de arquitectura NEC SX. It is a port of System V Release 4.2MP (SVR4.2MP), but includes many features adopted from BSD and Linux, along with some additional proprietary features specific to a supercomputing environment. SUPER-UX supports the Supercomputer File System (SFS). Earth Simulator - SX-9/E/1280M160 / 2009 NEC 1280 122.40 131.07 TFlops