Fernerkundung der Erdatmosphäre
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Fernerkundung der Erdatmosphäre Dr. Dietrich Feist <[email protected]> Max-Planck-Institut für Biogeochemie Jena Max Planck Institut für Biogeochemie Foto: Michael Hielscher Max Planck Institut für Biogeochemie ● 1997 in Jena gegründet Foto: Michael Hielscher Max Planck Institut für Biogeochemie ● ● 1997 in Jena gegründet ~160 Mitarbeiter (~90 Wissenschaftler, 3 Direktoren/Abteilungen) Foto: Michael Hielscher Max Planck Institut für Biogeochemie ● ● ● 1997 in Jena gegründet ~160 Mitarbeiter (~90 Wissenschaftler, 3 Direktoren/Abteilungen) Forschungsgebiet: globale biogeochemische Stoffkreisläufe Foto: Michael Hielscher Max Planck Institut für Biogeochemie ● ● ● ● 1997 in Jena gegründet ~160 Mitarbeiter (~90 Wissenschaftler, 3 Direktoren/Abteilungen) Forschungsgebiet: globale biogeochemische Stoffkreisläufe Zusammenarbeit mit: MPI für Chemie (Mainz), MPI für Meteorologie (Hamburg) im Rahmen der Earth System Research Partnership (ESRP) Foto: Michael Hielscher Globaler Kohlenstoffzyklus IPCC AR5 WG1 Fig. 6-01, 2013. Atmospheric Remote Sensing (ARS) Group Atmosphärische Fernerkundung 1. Aufbau der Atmosphäre: Temperaturprofil, chemische und physikalische Bestandteile Die Atmosphäre ● ● ● ● ● http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/92/ Andes_Mountains_as_seen_from_Gemini_7_-_GPN-2000-001067.jpg Gashülle um Erde Übergangsschicht zwischen Erdoberfläche und Weltraum Sehr dünn im Vergleich zur festen Erde Dicke je nach Definition ca. 100 km Masse ca. 5,5*1018 kg (~10-6 der Erdmasse) Geschichte der Erdatmosphäre Häckel, Abb. 1 Stockwerksaufbau http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/47/Atmosph%C3%A4re_Stufen.svg Die Atmosphäre als ideales Gas ● ● ● ● Gasteilchen werden als Massepunkte ohne Ausdehnung angenommen Wechselwirkung zwischen Molekülen vernachlässigt Gute Näherung für viele reale Gase bei geringen Dichten und Temperaturen in der Atmosphäre Ideale Gasgleichung: p V = n R T Temperaturprofil Thermosphäre Mesopause Mesosphäre Stratopause Stratosphäre Tropopause Troposphäre Troposphäre ● Unterste Schicht ● Dicke: ca. 8-18 km ● ● ● Temperatur nimmt mit Höhe ab Enthält praktisch gesamten Wasserdampf Wetter findet in Troposphäre statt http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/acdisc/images/Troposphere2.jpeg Stratosphäre ● ● ● ● ● Schicht oberhalb der Troposphäre Höhe bis ca. 45-50 km Temperatur nimmt mit Höhe zu Wasserdampf nur noch im ppm-Bereich http://idw-online.de/pages/de/newsimage?id=14471&size=screen Enthält Großteil des atmosphärischen Ozons (Ozonschicht) http://www.cnes.fr/automne_modules_files/standard/public/p7831_bd4119686400b457dd8c948da529cd921000x600_27juin-ballon-cnes.png Flug in die Stratosphäre http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=MQwLmGR6bPA Mesosphäre ● ● ● ● ● ● Oberste Schicht der Homosphäre Höhe bis ca. 90 km Temperatur nimmt mit der Höhe ab Nachtleuchtende Wolken (NLC) im Bereich der Mesopause http://www.nasa.gov/images/content/265089main_ISSnoctilucent_540.jpg Mesopause ist kältester Ort auf der Erde Luftdruck <1 mBar! http://science.nasa.gov/media/medialibrary/2003/02/13/19feb_nlc_resources/geometry.gif Ionosphäre http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ commons/thumb/d/dc/Ionospheric_reflection_german.png http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ commons/6/60/IonosphereProfileNOAA.png http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/63/Aurora_Borealis.jpg Homosphäre und Heterosphäre Heterosphäre (0,1%): Atmosphäre entmischt sich in Abhängigkeit von Molekülmasse Homosphäre (99,9%): Atmosphäre gleichmäßig durchmischt http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e1/Atmosph%C3%A4re_Temperatur_600km.png Obergrenze der Atmosphäre ● ● Keine klar definierte Grenze: Definitionssache! Häufig genutzt: Grenze zwischen Homosphäre und Heterosphäre (ca. 100 km) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f3/Magnetosphere_rendition.jpg Luftzusammensetzung (trocken) Gas Chemische Formel Anteil (Volumen-%) Stickstoff N2 78,084% Sauerstoff O2 20,942% Argon Ar 0,934% Kohlenstoffdioxid CO2 380 ppm Neon Ne 18,180 ppm Helium He 5,240 ppm Methan CH4 1,760 ppm Krypton Kr 1,140 ppm Wasserstoff H2 500 ppb Distickstoffoxid N2O 317 ppb Kohlenstoffmonoxid CO 50-200 ppb Komponenten: Stickstoff Komponenten: Sauerstoff Sauerstoff in der Erdatmosphäre http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/92/Sauerstoffgehalt-1000mj.svg Spurengase/Treibhausgase Kohlenstoffdioxid (CO2) Methan (CH4) Distickstoffoxid (N2O) Komponenten: Kohlenstoffdioxid CO2-Zunahme: Mauna-Loa-Kurve Globale CO2-Verteilung Komponenten: Methan Globale CH4-Verteilung Komponenten: Lachgas Spurengase in der Vergangenheit IPCC WG 1 Report 2007 Komponenten: Ozon Die Atmosphäre als Schutzschicht http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5e/Atmosph%C3%A4re_-_Undurchl%C3%A4ssigkeit_des_EM-Spektrums.svg Die Ozonschicht http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Ozone_altitude_UV_graph.jpg Katalytischer Ozonabbau http://www.ozonedepletion.info/education/part3/fig16.gif Komponenten: Wasserdampf Trocken- und feuchtadiabatischer Temperaturgradient Wegen der Abnahme des Drucks nimmt auch die Temperatur eines Luftpakets mit der Höhe ab (ideale Gasgleichung): ● ● http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b6/ Neutrale_Atmosph%C3%A4renschichtung.png Mittlerer T-Gradient: ca. 6 K/km Trockenadiabatischer T-Gradient: ca. 10 K/km Beispiel: Föhn Roedel, Abb. 2.4 Stabile und labile Schichtung http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/01/ Labile_Atmosph%C3%A4renschichtung.png Labile Schichtung http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/ Stabile_Atmosph%C3%A4renschichtung.png Stabile Schichtung Luftdruckabnahme mit der Höhe Roedel, Abb. 2.1 Näherungsformel: Land-See-Windsystem ● ● ● Typisches Windsystem, das durch unterschiedliche Erwärmung von Meer und Land entsteht Tagsüber Wind vom Meer Nachts Wind vom Land Corioliskraft Einfluss der Corioliskraft ● Corioliskraft: durch Erdrotation verursachte Scheinkraft ● Nordhalbkugel: Ablenkung nach rechts ● Südhalbkugel: Ablenkung nach links http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ commons/3/36/Coriolis_effect09.png http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bc/Low_pressure_system_over_Iceland.jpg Südhalbkugel: Yasi (2011) http://rlrational.files.wordpress.com/2011/02/638_20110131-cycloneyasi1.jpg?w=300&h=240 Atmosphärische Zirkulation Roedel, Abb. 4.1 Strömungsgesetze nach Bernoulli und Venturi Venturi-Effekt ● http://de.wikipedia.org/w/index.php? title=Datei:Schema_eines_Rohres_mit_Engstelle-Bernoulli.svg ● Wegen der Massenerhaltung (Kontinuitätsgleichung) strömt die Luft an einer Engstelle schneller (Venturi-Effekt) Bernoulli erkannte das allgemeine Gesetz zwischen Druck und Geschwindigkeit bei strömenden Medien Atmosphärische Strömungen Grenzschicht t: Schubspannung Roedel, Abb. 3.17
