Definitionen zur Allgemeinen Klimatologie

Definitionen zur Allgemeinen Klimatologie
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Die Klimatologie beschreibt den durchschnittlichen Zustand der Atmosphäre
und die von diesem zu erwartenden Abweichungen.
Klima beschreibt die durchschnittlichen Wetterverhältnisse an einem Ort oder
in einem Gebiet.
o Makroklima: Klimazonen
o Mesoklima: Talschaften, Landschaften
o Mikroklima: Klima nahe am Boden, kleinräumig
Klima ist der mittlere Witterungsverlauf.
Witterung ist der Wetterverlauf über einige Tage .. Jahreszeit
Wetter ist der Zustand der Athmospäre zu einem bestimmten Zeitpunkt (bis 1
Tag)
Die Klimatologie ist eine synoptische1 Wissenschaft. Zu ihrem Verständniss muß man
Vorwissen aus anderen Fächern begriffen haben.
Die wichtigsten physikalischen Gesetze
Arbeit, Energie und Energieerhaltung
Arbeit ist Kraft x Weg. Wenn man an einem Körper Arbeit verrichtet, vergrößert man
seinen Energiegehalt. Energie ist also "gespeicherte Arbeit". Diese "gespeicherte
Arbeit" kann wieder abgegeben werden.
Energie kann in einem abgeschlossenen System weder erzeugt noch vernichtet
werden. Energie kann nur von einer Form in die andere umgewandelt werden.
Folgende Energieformen sind für das Verständnis des Klimas wichtig:
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Kinetische Energie: Die gespeicherte Bewegungsenergie entspricht der Arbeit,
die geleistet wurde, um z.B. ein „Luftpaket“ auf die momentane
Windgeschwindigkeit zu beschleunigen
o Wärmeenergie: ist die Energie, die in einem Körper in Form von
Brown'scher Molekularbewegung gespeichert ist. Die Atome bzw.
Moleküle in einem Körper bewegen sich ungeordnet mit der der
Temperatur des Körpers oder Gases entsprechende Energie. Damit ist
die Wärmeenergie eine spezielle Form der Bewegungsenergie und
damit kinetischen Energie.
Potenzielle Energie: ist diejenige Energie, die in einem Körper gespeichert ist,
wenn er sich in einer bestimmten Höhe befindet. Sie nimmt mit der Höhe zu.
Sie ist gleich der Arbeit, die benötigt wurde, um einen Körper auf die Höhe zu
heben, auf der er sich gerade befindet
Strahlungsenergie: ist die Energie, die durch elektromagnetische Wellen
transportiert wird. Die transportierte Energie hängt ab von der Wellenlänge
und von der Amplitude der Strahlung. Je kürzer die Wellenlänge und damit je
höher die Frequenz, desto mehr Energie kann von einem Strahl transportiert
werden (desto öfter schwingt die Welle pro Sekunde). Je größer die Amplitude
der Strahlung, desto mehr Energie wird transportiert. Die Intensität ist das
Quadrat der Amplitude der Welle. Siehe dazu: Beiblatt „Strahlungsenergie“
Chemische Energie: ist die Energie, die in einer chemischen Bindung
gespeichert ist und die in Form von Arbeit aufgebracht werden muß, um diese
Bindung zu trennen (endotherm) bzw. die frei wird, wenn sich eine Bindung
trennt (exotherm).
Strahlungshaushalt der Erde
Fast alle Prozesse, die auf der Erdoberfläche ablaufen, gewinnen die dafür
notwendige Energie aus der Strahlungsenergie der Sonne.
Folgende Faktoren spielen dabei eine Rolle:
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Sonneneinstrahlung
Drehung der Erde um die Sonne
Ausrichtung der Erdachse
Die Sonneneinstrahlung
In der mittleren Entfernung von 150 Millionen Kilometer erreichen von der
abgestrahlten Sonnenenergie noch 1370 W/m² die Erde. Diese Größe nennt man die
Solarkonstante [I0], obwohl sie sich durch unterschiedliche Sonnenaktivitäten
(Flecken, Eruptionen) leicht um 2-3% verändert.
Die Stärke der Sonneneinstrahlung ist eine Funktion der Distanz [r]Sonne-Erde. Je
weiter sich die Strahlen entfernen, eine umso größere Fläche teilen sich die Strahlen
einer Flächeneinheit. Die Strahlung nimmt mit dem Quadrat des Abstandes ab.
Abb.: Veranschaulichung des 1/r**2 Gesetzes (aus BRIGGS, 1994)
Da die Erde sich auf einer fast kreisförmigen Ellipse um die Sonne bewegt, hat sie im
Perihel eine kleinere Distanz zur Sonne als im Aphel. Dies verändert die Intensität der
Sonneneinstrahlung im Laufe des Jahres um 8% (derzeit im Winter+4% und im Sommer
–4%, das Präzisieren der Ellipse dauert 26000 Jahre.
Die mittlere Solarkonstante gilt bei senkrechtem Einfall der Sonnenstrahlen (Zenit) an
der Obergrenze der Atmosphäre. Steht die Erdoberfläche schräg zur Sonne verteilt
sich die Sonneneinstrahlung auf eine größere Fläche. Dies hat zur Folge, daß die
Strahlungsintensität geringer wird. (I=I0xcos )
Abb.: Das cos-Gesetz beschreibt, daß die Strahlungsdichte vom Cosinus des Sonnenstandes
abhängig ist (aus BRIGGS,1994)
Drehung der Erde um ihre Achse
Die Erde dreht sich in etwa 24 Stunden einmal um ihre eigene Achse. Damit
durchläuft jeder Punkt auf der Erdoberfläche täglich einen Zyklus sich verändernder
Strahlungsintensität. Die relative Stellung der Sonne kann durch zwei Winkel
beschrieben werden:
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der Zenitwinkel: Höhe über dem Horizont
der Azimutwinkel: Abweichung von der Südrichtung
Ausrichtung der Erdachse und Drehung der Erde um die Sonne
Die Erde bewegt sich in etwa 365 Tagen auf einer Ellipsenbahn einmal um die Sonne.
Die Drehachse der Erde ist zur Zeit um 23,5 ° gegen die Ebene geneigt, die durch die
Bahn um die Sonne gebildet wird.
http://141.84.50.121/iggf/Multimedia/Klimatologie/Nebenseiten/KG2-6.htm
Daraus folgt, dass zu unterschiedlichen Stadien des Umlaufs unterschiedliche Teile
der Erde beleuchtet werden. Dies führt zu den Jahreszeiten. Im (Nord-)Sommer ist der
Nordpol der Sonne zugeneigt, also beleuchtet, im Winter ist der Nordpol der Sonne
abgeneigt, also dunkel. Zu den Äquinoktien (Tage- und Nachtgleiche) ist der
Nordpol nach links bzw. rechts von der Sonne geneigt.
Die Rolle der Athmospäre
Die Atmosphäre - die Lufthülle der Erde - ist der Ort, in dem sich Klima und Wetter
abspielen, davon 99% in den untersten 100 km (= Homosphäre). Sie sorgt für den
Temperaturausgleich zwischen Äquator und Polen, d.h. ohne sie wäre es unerträglich
heiß bzw. kalt. Sie schützt uns außerdem vor dem Einfall kosmischer Strahlung und
Teilchen. Ohne sie gäbe es ein Vakuum auf der Erde - wir Menschen würden uns
ungehindert ausdehnen und "platzen".
Zusammensetzung der Atmosphären von
Venus
Mond
Erde
Mars
N2: 78%
CO2: 95.32%
CO2: 96%
O2: 21%
N2: 2.7%
N2: ca. 3 %
Spuren von:
Argon (Ar):
Spuren von: SO2, H2O,
keine
Argon, Neon,
1.6%
CO, Argon, Helium,
CO2 (0,034%)
Spuren von: O2,
Neon, H2 und HF
feuchte Luft: H2O max.
H2O und Ne
4%
Druck: 92 Bar
-
Temperaturen:
+ 486°C
Temperaturen:
-233°C - + 123°C
Druck: 1 Bar
(1013 mb)
Temperaturen:
-89°C - +59°C
Druck: 9 Millibar
Temperaturen:
-140°C - +20°C
Luftzusammensetzung in der Troposphäre:
78,08% Stickstoff
20,95% Sauerstoff
0,93% Argon
0,03% Kohlenstoffdioxid
Wasserdampf, Edelgase und Ozon
Die Erdatmosphäre tritt in vielfältige Wechselwirkungen mit der Sonneneinstrahlung
ein.
Besonders folgende Prozesse verändern die Intensität der Sonnenstrahlung auf der
Oberfläche:
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Absorption von Licht an Luftmolekülen und Aerosolen
Streuung an Molekülen
Streuung an Aerosolen
Absorption von Licht an Luftmolekülen
Beim Durchgang durch die Atmosphäre können die Lichtwellen von den Molekülen
der Gase, die die Atmosphäre bilden, absorbiert werden. Die Gasmoleküle nehmen
dabei die Energie der Lichtwellen auf und wandeln sie im Wesentlichen in Wärme
um. Unterschiedliche Gase absorbieren unterschiedliche Wellenlängen. Die untere
Abbildung zeigt das Absorptionsverhalten unterschiedlicher Gase in der Atmosphäre.
Abb.: Absorptionsverhalten unterschiedlicher Gase in der Atmosphäre (1 = alles Sonnenlicht
entsprechender Wellenlänge wird beim Durchgang absorbiert, 0 = das jeweilige Gas ist bei
der betrachteten Wellenlänge vollkommen transparent), (aus BRIGGS, 1994)
Streuung an Molekülen
Lichtstrahlen bewegen sich ohne äußere Einwirkungen auf einer geraden Bahn.
Durch Auftreffen auf ein Gasmolekül der Atmosphäre können sie von dieser geraden
Ausbreitung abgebracht werden.
Streuung an Molekülen, die etwa so groß sind, wie die Wellenlänge des eintreffenden
Lichts nennt man Rayleigh – Streuung
z.B.:
sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von 400 bis 1000 nm, Moleküle haben 4 nm, Faktor 0.01 =>
Rayleigh-Streuung von sichtbarem Licht an Molekülen tritt auf
Mikrowellen haben eine Wellenlänge von ca. 20 cm, Blätter haben auch Größen im Zentimeterbereich,
also Faktor 0.05 => Rayleigh-Streuung von Mikrowellen an Blättern tritt auf
Experimente zeigen:
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Licht wird in alle Richtungen gestreut (sogar dorthin, wo es hergekommen ist).
Licht wird umso stärker gestreut, je kleiner die Wellenlänge ist (je größer die
Frequenz ist). Blaues Licht wird also stärker gestreut als rotes Licht. Die Intensität
des gestreuten Lichtes steigt mit kleinerer Wellenlänge mit der vierten Potenz
an.
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Die Winkelverteilung der Intensität des gestreuten Lichtes (Phasenfunktion) hat
eine Hantelform.
Streuung an Aerosolen
Streuung von Licht an Partikeln, die viel größer sind, als die Wellenlänge des Lichtes
nennt man Mie-Streuung. Bei Wassertröpfchen, Rußpartikeln, Salzkristallen (alle
haben eine Größe von 1 ... 50mm) ist dies für sichtbares Licht gegeben. Sie ist
hauptsächlich nach vorne gerichtet.
z.B.:
Licht an Aerosolen (Wellenlänge Licht ca. 600nm, Aerosoldurchmesser ca. 0.1 ... 10µm)
Mikrowellen an Flugzeugen (Wellenlänge Mikrowellen: ca. 10cm, Flugzeugdurchmesser; ca. 2m)
Energieumsatz
Sobald nun die restliche Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche auftritt, wird die
Strahlungsenergie je nach Eigenschaften der Erdoberfläche großteils in Wärme
umgewandelt und mittels langwelliger Strahlung auf die darüber liegende Luft
übertragen.