Lernziele „Physische Geographie“ (GG 420)

Lernziele „Physische Geographie“ (GG 420)
Schlussversion vom 5.12.05, mit Ergänzungen/Korrekturen von Dozent Frank Paul
Atmosphäre
(1) Sie kennen die wesentlichen Stadien der Entwicklung der Erdatmosphäre und sind mit der
Zusammensetzung der heutigen Atmosphäre vertraut.
Allgemein:
- Die Atmosphäre hat eine bewegte Geschichte mit markanten Veränderungen hinter
sich.
- Nur auf unserem Planeten ist (nach bisherigen Erkenntnissen) flüssiges Wasser
vorhanden.
- Voraussetzung für die Bildung einer Atmosphäre: ausreichend grosser Planet
(Anziehungskraft) mit keinen zu hohen Oberflächentemperaturen.
- Die Atmosphäre ist ein ausserordentlich empfindliches und ebenso kompliziertes
System, das mit den anderen Sphären in intensiver Wechselwirkung steht.
- Innerhalb der Atmosphäre laufen lebenswichtige Prozesse ab (Umwandlung von
solarer Energie in Wärme  Wärmeaustausch durch Luftzirkulation;
Energiebindung in Wasserdampf; photochemische Prozesse  Ozonbildung gegen
schädliche UV-Strahlung)
- Atmosphäre: Vergleich Grapefruit: Annahme, dass die Atmosphäre (sichtbare?) nur
ca. 20 km dick sei  Rauhigkeit Grapefruit! (Vergleich Unebenheit der
Erdoberfläche!). Aber: Die obere Grenze der Atmosphäre kann nicht eindeutig
festgelegt werden, sie geht kontinuierlich in den interplanetarischen Raum
(Weltraum) über.
- 75% der Atmosphärenmasse (Moleküle) sind in den untersten 10 km konzentriert,
99.9% in den untersten 50 km (also Tropo- und Stratosphäre)
Entstehung der Erdatmosphäre (Skript Seite 12, Figur 2.1):
Bild 1:
- Durch Verwitterung lösen sich an Land Ca2+ (Calcium-Ionen) und Fe2+ (EisenIonen) aus dem Gestein und werden durch Wasserläufe ins Meer gespült.
- H2O (Meer) + CO2 (z.B. aus Vulkane)  2H+ + CO32- (= Carbonat -Ionen)
- Aus CO32- und Ca2+ bildet sich CaCO3 (= Kalkstein), welcher sich ablagert.
Bild 2:
- Cyanobakterien (= Blaualgen, einige davon giftig) bilden mittels Photosynthese
aus H2O und CO2 Sauerstoff (O2), siehe unten.
Aus dem Sauerstoff (O2) und den Eisen-Ionen (Fe2+) entsteht Eisen(III)-oxid
(2Fe2O3), welches sich als eisenhaltiger Schlamm am Grund ablagert (
Bändereisenerz = gebänderte Eisensteine, Figur 2.2, Seite 13).
Sauerstoff kann erst in die Atmosphäre gelangen, wenn die vorhandenen Fe2+Ionen gebunden sind.  O2-Gehalt der Atmosphäre bleibt in dieser Phase sehr
klein!
- Durch Photosynthese (Algen) wird Glucose (CH2O)n gebildet.
[= C6H12O6 = CH2O)6?]
Photosynthese: 6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2 (mittels Sonnen-Energie)
Bild 3:
- Oxidative Verwitterung von Eisen(II)-oxid (FeO):
4FeO + O2 2Fe2O3 (=Eisen(III)-oxid  Rotsedimente = kontinentaler
Rotsandstein, Bildung seit ca. 2 Milliarden Jahren, als ca. 1% des heutigen
Sauerstoffgehaltes erreicht wurde); Eisen wird jetzt auf dem Kontinent gebunden, es
gelangen viel weniger Eisen-Ionen in das Meer  Sauerstoff wird im Meer nicht
mehr gebunden und kann jetzt in die Atmosphäre gelangen. Damit wird die
Entwicklung von Landpflanzen möglich (Bildung von Ozon wird möglich und damit
UV-Schutz)**. Jetzt also Photosynthese im Meer und am Land  steiler Anstieg des
O2 in der Atmosphäre (vor ca. 1,5 Milliarden J.)
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**: Die Hydrosphäre, die Wasserhülle, und der Wasserkreislauf bildeten sich in der Frühzeit der Erde. Weil in dieser Zeit noch
keine Ozonschicht (O3) als Schutz vor der im Übermaß tödlich wirkenden UV-Strahlung existierte, konnte das Leben nur im
Wasser entstehen.)
- Kreislauf (Wachsen-Sterben bzw. Zersetzung) ergibt Gleichgewicht:
Pflanzen nehmen im Sonnenlicht CO2 auf und geben O2 ab (=Photosynthese). Tiere
nehmen Sauerstoff auf und geben CO2 ab. Bei der Zersetzung von Pflanzen und
Tieren wird hingegen Sauerstoff verbraucht und Kohlendioxid abgegeben. (Pflanzen
brauchen in Dunkelheit auch Sauerstoff und geben CO2 ab).
- Nicht vollständig zersetzte Pflanzen (Luftabschluss/zugedeckt)  es entstehen fossile
Brennstoffe wie Öl und Kohle = Bindung von CO2 in Lithosphäre.  nicht
erneuerbar, bei Verbrennung erfolgt Freisetzung von CO2 (welches vorher aus dem
Kreislauf entfernt war)!
Figur 2.2, Skript Seite 13:
Rekonstruiert anhand Paläontologischer (versteinerte Tier und Pflanzenreste)Daten:
- Vor etwa 3,4 Milliarden Jahren  Stromatolithen
[=knollig-schalige Kalkkrusten, die durch Kalkausfällung mariner Cyanobakterien
entstanden sind. Stromatolithen sind seit etwa 3,5 Mrd. Jahren bekannt; ältester Beleg
für die Photosynthese (Brockhaus 2001)].
- Älteste Blaualgenriffe: ca. 4 Milliarden Jahre.
- Schwelle, ab der atmende Organismen existieren konnten: ab ca. 1% des heutigen
Sauerstoffgehaltes, vor etwa 2 Milliarden Jahren erreicht.  erste Eukaryonten
(= zusammenfassende Bezeichnung für alle Organismen, deren Zellen einen echten
Zellkern besitzen).
- Vor etwa 1,4 Milliarden Jahren: erste Vielzeller
- Vor etwa 0,75 Milliarden: erste Landpflanzen
Rekonstruiert anhand geologischer (Aufbau Erdkruste) Daten:
- Auftreten kontinentaler Rotsandsteine ab ca. 2 Milliarden Jahren (Fe Oxidation  O2
nötig!)
- Gebänderte Eisensteine (=Bändereisenerze) grosse Bildung nur bis vor ca. 2
Milliarden J., dann nur noch punktuell / kleine Bildung (weniger Eisen-Ionen
erreichen das Meer!)
Zusammensetzung der heutigen Atmosphäre:
Hauptbestand%
Spurengase
teile
Stickstoff
N2 78,08
Kohlendioxid *
CO2 350 ppm = 0,035%
Sauerstoff
O2 20,95
Neon**
Ne
18
Argon**
Ar 0,93
Helium**
He
5
Methan*
CH4 1,7
Total:
99,96
Krypton**
Kr
1,0
Wasserstoff
H2
0,5
Ozon***
O3
0,03 in Troposphäre
5-10 in Stratosph.
Distickstoffoxid
N2O 0,3 ppm
(Lachgas)*
FluorchlorF11 0,25 ppb
kohlenwasserstoffe (FCKW)*
F12 0,45 ppb
*: Treibhausgase
**: Edelgase (inert = reagieren fast nicht mit anderen Gasen)
***: Ozon:
sehr reaktives Gas!
Ist in Troposphäre giftig und wirkt als Treibhausgas
Ist in Stratosphäre ein lebenswichtiger UV-Schutz
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Die fckw (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) zerlegen das Ozon in der Stratosphäre in einer
katalytischen Reaktion, d.h. ein Chloratom kann 10000de von Ozonmolekülen
zerstören. (Ergänzung Dozent)
Achtung: auch N2 ist chemisch sehr reaktionsträge (=inert), , dies bedeutet aber nicht, dass es ein
Edelgas ist. Es liegt in Form zweiatomiger Moleküle (N2) vor.
Edelgase: die Elemente Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und das radioaktive Radon, die im
Periodensystem der Elemente die achte (nullte) Hauptgruppe bilden. Die Edelgase sind einatomige, farbund geruchlose Gase; wegen der besonders abgeschlossenen Elektronenanordnung ihrer Atome
(Edelgaskonfiguration) sind die Edelgase sehr reaktionsträge (inert) und bilden nur unter extremen
Bedingungen chemische Verbindungen (Brockhaus 2001)
Feuchte Luft kann bis zu 4% Wasserdampf enthalten!
Tabelle: Zusammensetzung der trockenen Luft, angegeben als Mischungsverhältnis in
Volumenprozente und als ppm = 1 Teil in einer Million oder ppb = 1 Teil in 1
Milliarde.
(2) Sie können den Stockwerkaufbau und den Temperaturverlauf der Atmosphäre erklären.
(Skript Seite 14 und 15) (siehe auch Kugler „Die Erde“, S. 216)
Sphäre
Höhe
Allgemeine Info
Bis ca. 11 km
- „Wetterschicht“  Konvektion (),
Troposphäre
Advektion (), und Mischungsvorgänge
- Enthält praktisch den gesamten
Wasserdampf der Atmosphäre.
- Wird weitgehend von der Erde (unten!)
erwärmt  Temperaturabnahme mit Höhe
Tropopause
Mittlere Temp. ca. -55°C
= Sperrschicht = Inversion
Bis ca. 50 km
- Untere Schicht -55°C dann ansteigend bis
Stratosphäre
0°C.
- Gegenläufigkeitsprinzip: Abnahme Temp.
der Troposphäre  Zunahme der Temp. der
Stratosphäre (und umgekehrt)
- Allmähliche Abschwächung der Luftgegensätze (Fronten)  zirkumpolare Luftzirkulation (rings um den Nord- oder
Südpol der Erde befindlich, den Pol
umkreisend)
- Ist Sitz der lebenswichtigen Ozonschicht
[max. Konzentration schwankt mit der
Stratopause
Tropopausenhöhe: Pol: 25 km; Aequator:
35 km Höhe]
Bis ca. 80 km
- Temperaturrückgang von 0 auf -90°C
Mesosphäre
Mesopause
Thermosphäre
Bis ca. 500 km
- Temperaturanstieg auf 1000 bis 1200°C
(Absorption von UV-Strahlen!)
- Gasdiffusion bis in diese Höhe (O2, He, H2)
(Dichte / Konzentrationsausgleich)
- Ionisation (Polarlichter) Polarlicht, nächtliche
Leuchterscheinungen in den Polargebieten, die in 70-1000 km Höhe
auftreten. Sie beruhen auf dem Eindringen solarer Korpuskularteilchen in die Erdatmosphäre nahe den magnetischen Polen, die
Gasteilchen zum Leuchten anregen.
Thermopause
Ab 500 km
Exosphäre
(Magnetosphäre)
Bewegungsvorgänge durch die Wirkung des
Erdmagnetfeldes bestimmt.
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Ergänzung Dozent:
Nur Vulkanausbrüche können grosse Mengen an Lithosphären - Material durch
die Atmosphäre hindurch in die Stratosphäre eintragen. Dies ergibt für einige
Jahre globale Abkühlung.
Achtung: Bezeichnung auch nach:
- Zusammensetzung der Luft
o Homosphäre = Durchmischung bis ca. 100km
o Heterosphäre = Diffusion, Dissoziation
- Und nach dem Ionisierungszustand der Luft
o Neutrosphäre, D-Schicht, E-Schicht, F1-Schicht, F2 Schicht und
Ionosphäre
Zusatzinfo:
- Ca. 75% der Atmosphärenmasse ist in den ersten 10 km enthalten!
- Ca. 99,9% der Atmosphärenmasse ist in den ersten 50 km enthalten!
Leuchtende Nachtwolken:
Eiskristalle aus letzten Wassermolekülen in der Mesopause (Temperaturmini-mum), die infolge der
grossen Höhe im Sonnenlicht stehen, wenn auf der Erde Nacht ist. Das dafür notwendige (sehr wenige)
Wasser wird sporadisch aus der Stratosphäre hochgewirbelt, die Kristallisationskerne sind Staub von der
Erde oder von verglühenden Meteoriten.
Perlmuttwolken:
Eiskristalle aus Schwefel- und Salpetersäure in der Stratosphäre auf Höhe der Ozonschicht. Die
schillernden Farben entstehen durch Lichtbrechung. Perlmuttwolken kommen nur über den Polregionen
vor, an ihren Rändern erfolgt mit Chlormolekülen aus FCKW (halogenierte Kohlenwasserstoffe) oder
Vulkanen der Ozonabbau.
Quelle: Wikipedia
(3) Ihnen ist der Tages- und Jahresgang der solaren Einstrahlung in verschiedenen
geographischen Breiten geläufig. (Skript Seite 16, Figur 2.5 und Tabelle 2.2)
Erdachse:
23,5° schräg!
Jahresgang:
Entlang der Zenitposition der Sonne ist die grösste Sonneneinstrahlung
 21. Juni: +23,5°N; 22. Dez. bzw. Dez/Jan: -23,5°)
Null Sonneneinstrahlung:
 21. Juni: ab ca. 67° S (Punkt) bis 90°S (3 Monate links + rechts)
 22. Dez. (ca. Jahreswende): ab ca. 67° N bis 90° Nord
Tagesgang:
Je näher die effektive Position beim Zenit der Sonne zu liegen
kommt, umso länger und wärmer werden die Tage.
Der Höchststand der Einstrahlung ist immer um Mittag (lokale Zeit).
Bild: Brockhaus 2001
Siehe auch Kugler „Die
Erde“, S. 212-214
Ergänzung Dozent:
Unterschiede Pol-Aequator
bezüglich der Extreme im
Jahres / Tagesgang sollten
klar sein!
Pol: schwacher Tagesgang,
extremer Jahresgang
Äq: umgekehrt
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(4) Sie können die Terme der Strahlungsbilanz und ihre Wechselwirkungen mit der
Atmosphäre erklären. (Skript S. 17, Figur 2.6 und 2.7)
- Solar eingestrahlte Energie (= kurzwellige Strahlung, Wellenlänge ca. 0,3 bis 3
μm) erreicht die Erdoberfläche nicht vollständig, sondern wird von der Atmosphäre
durch Reflexion, Absorption und Streuung modifiziert und geschwächt.
o Direkte Sonnenstrahlung (direkt auf Erdoberfläche gelangend)
o (diffuse) Himmelsstrahlung (Strahlungsanteil, der via Reflektion und
Streuung durch die Atmosphäre die Erdoberfläche erreicht)
o Direkte Strahlung + (diffuse) Himmelsstrahlung = Globalstrahlung
o Die kurzwellige Strahlung wird durch Absorption (in Wolken, in der
Luft und an der Erdoberfläche) umgewandelt und als langwellige
Wärmestrahlung von der Erde wieder abgestrahlt. Wellenlänge 3 bis
30 micrometer. (Die Erde verhält sich insofern wie ein „schwarzer
Körper“* als die abgestrahlte Energie (auch) von der absoluten
Temperatur abhängig ist).
*Schwarzkörperstrahlung: Die beiden so bezeichneten Kurven in der Graphik S. 17
geben die theoretischen Strahlungscharakteristika wieder die ein vollkommen schwarzer
Körper bei 6000°K (Sonne) oder 263°K (Erde) abstrahlen würde. Die wirklich
gemessenen Charakteristika sind durch die beiden darunter liegenden Kurven
„extraterrestrische Sonnenstrahlung“ bzw. „terrestrische Ausstrahlung“ dargestellt
(Absorption durch Spurengase).
- Eingestrahlte Sonnenenergie (342 W/m2) < abgestrahlte Energie (390 W/m2) da die
mittlere Temperatur der Erde ca. 15°C beträgt (ohne Atmosphäre -18°C!)
- Natürlicher Treibhauseffekt: Die terrestrische Strahlung (langwellig, Bereich ca. 3
bis 50 μm) wird vom Wasserdampf, vom CO2 und anderen Spurengasen absorbiert
und als Gegenstrahlung auf die Erdoberfläche zurückgeworfen.
(5) Sie können die Verteilung der globalen Strahlungsbilanz skizzieren.
(Skript S. 17 – 21)
Graphik von Punkt (4):
o 100% = an der Obergrenze der Atmosphäre ankommende solare Strahlung.
(gelber breiter Pfeil)
o 30% der solaren Strahlung (5% + 25%, rote schmale Pfeile) werden im
kurzwelligen Bereich wieder ins All reflektiert.
o 25% werden absorbiert (durch Wolken, Luft)
o Terrestrische Strahlung: 70% (14% + 56%, kleine rote Pfeile; 70% bezogen auf die
100% solare Strahlung) werden im langwelligen Bereich emittiert (im
langwelligen Bereich spricht man nicht von reflektieren sondern von emittieren)
reflektieren = Wellenlänge bleibt gleich, es wird die solare Strahlung zurückgeworfen
emittieren = die Abstrahlung erfolgt in dem für die Erde und die Atmosphäre typischen langwelligen
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Spektrum, es ist also nicht mehr dieselbe oder „neue“ Strahlung, deshalb auch nicht „reflektieren“
sondern emittieren = aussenden.
Strahlungsbilanzen:
o Kurzwellig: QK = D + H –R = (D + H) * (1 – r)
(D = direkte Sonnenstrahlung, H = Himmelsstrahlung (diffuse = Streuung + Reflexion),
D + H = Globalstrahlung, R = Prozentuales Rückstrahlvermögen der Erde, r = relatives
Rückstrahlvermögen der Erdoberfläche = Albedo (teilweise r auch als α angegeben))
o Langwellig: QL = AG – A
(A = langwellige Ausstrahlung des Erdbodens, AG = langwellige Ausstrahlung der
Atmosphäre = atmosphärische Gegenstrahlung)
o Nettobilanz: Q = QK + QL = 0
Q = SWnet + LWnet = SWin – SWout + LWin - LWout
(Short / Long Wave)
 Der Energiehaushalt von Erde und Atmosphäre ist langfristig, im statistischen
Mittel (jährliches Mittel) auf der gesamten Erdoberfläche ausgeglichen.
Problem:
Die Aussage Nettobilanz=0 verstehe ich nicht, denn wenn effektiv alle Einstrahlung wieder ins All
zurückgegeben würde, hätten wir keine kontinuierliche Erwärmung der Atmosphäre. In der Vorlesung
wurde noch gesagt, dass die Temperatur der Erdoberfläche sich als StrahlungsbilanzGleichgewichtstemperatur einstelle. Irgendwo wird Energie akkumuliert, die Bilanz kann nicht genau
gleich Null sein!
Versuch der Erklärung:
Meiner Meinung nach liegt die Lösung im Wort „langfristig“ ausgeglichen, das heisst, über eine lange
Zeit gesehen erwärmt sich die Erde, strahlt dadurch aber auch immer mehr Energie ab (ca. schwarzer
Körper), irgendwann wird wieder ein Gleichgewicht erreicht.  Andere Meinungen?
Kommentar Dozent:
Richtig, die Bilanz ist nur über lange Zeiträume und im globalen Mittel ausgeglichen. Lokal und zeitlich
begrenzt ist sie extrem unausgeglichen und treibt so unter anderem die atmosphärischen und ozeanischen
Strömungen an.
Wichtig:
Die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche stellt sich so ein, dass die Strahlungsbilanz ausgeglichen ist
(Strahlungsgleichgewichtstemperatur). Weil jetzt die (zusätzlichen) Treibhausgase die Abstrahlung
behindern, erhöht sich die mittlere Temperatur um durch die so erhöhte Abstrahlung wieder ins
Gleichgewicht zu kommen.
Energiehaushalt als Ganzes:
o Strahlungsgleichgewicht zwischen aufgenommener Sonnenenergie und
abgegebener Infrarotstrahlung (langwellig).
o Positive Strahlungsbilanz der Erdoberfläche steht gleich grosser negativer
Strahlungsbilanz der Atmosphäre gegenüber! Dies wird durch den meridionalen
Wärmetransport ausgeglichen: nämlich durch Transport latenter Energie (V =
Verdunstung), fühlbarer Wärme (LW = Meeresströme, LL = atmosphärische
Zirkulation) und durch den Bodenwärmestrom (B = Wärmeleitung vom Erdinnern
an die Erdoberfläche). Die Summe aller Energieflüsse muss 0 sein.
Q + B + LW + LL + V =0
(Figur 2.12, S.20):
Erde und Atmosphäre: In den Tropen und den mittleren Breiten (0 bis ca. ± 40°
nehmen sie mehr Energie auf als sie abgeben (Energieüberschuss), in den hohen
Breiten (S und Nord: je ca. 40 bis 90°) geben sie mehr ab als sie aufnehmen (Defizit)
(6) Sie kennen die wesentlichen Komponenten des Klimasystems.
o Hydrosphäre (Ozeananteil)
o Kryosphäre (Bezeichnung für die die Erde bedeckenden Eismassen)
o Lithosphäre (mit Binnengewässern)
(Brockhaus 2001: oberster Bereich der festen Erde (Gesteinshülle?), reicht bis in
100- 300km Tiefe)
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o Biosphäre (belebte Welt)
(Brockhaus 2001: die Gesamtheit der mit Lebewesen besiedelten Schichten der
Erde: Atmo-, Hydro- und Pedosphäre.)
Interne Wechselwirkungen!!!! = Wechselwirkungen innerhalb des Klimasystems.
≠ Externe Einflüsse (z.B. Sonnenstrahlung, Vulkanausbrüche, hier kommt es zu keinen
Wechselwirkungen)
Ergänzung Dozent:
Man versucht in den heutigen Klimamodellen alle Komponenten miteinander zu
koppeln (so genannte Erdsystemmodelle) was aufgrund der unterschiedlichen Zeit- und
Raumskalen der einzelnen Prozesse (siehe LZ8) sehr aufwendig ist.
(7) Sie sind in der Lage die Wirkungsweise der allgemeinen Zirkulation zu beschreiben.
o Kalte Luft:  / Warme Luft: 
o Luft aus Hoch:  / Luft aus Tief: 
o Luftstrom von H  T
o Corioliskraft:
Nordhalbkugel: Luft wird nach rechts (in Strömungsrichtung gesehen) abgelenkt
Südhalbkugel: Luft wird nach links abgelenkt (Reibung der Luft mit der im Gegenuhrzeigersinn drehenden Erde)
Ergänzung Dozent:
Hier stehen jetzt nur die Grundlagen. Sie sollten mit diesen die allgemeine Zirkulation
der Atmosphäre (Fig. 2.17) erklären können (Strömungen am Boden und in der
Höhe, Transporte in der Hadley- und Ferrelzelle).
(8) Ihnen sind Zeit- und Grössenskalen wichtiger meteorologischer Erscheinungen bekannt.
Charakteristische Zeit: mittlere Lebensdauer oder die mittlere Zyklusdauer
Charakteristischer Raummassstab in km
Charakteristische
Charakterist.
Zeit
Massstab
Atmosphärische Turbulenzen
Min-Tag
1km
Atmosphärische Konvektion
Tag
Ca. 10 km
(vertikale Luftbewegung, das heißt Aufsteigen
erwärmter Luft bei gleichzeitigem Absinken
kälterer Luft in der Umgebung.)
Hurricanes
Synoptische Wettersysteme
(für Wettervorhersage)
Klima =Normperiode, derzeitig von
1961 bis 1990! Gegen diese Werte
werden zurzeit alle anderen Werte
verglichen!
Tage/Wochen,
saisonal!
Tag-Jahr
Einige 100
km Durchm.
1000 km
Definiert über
EXAKT 30 Jahre!
10'000 km
(Erwärmung: 0°=Durchschnittstemp von 1961-1990!)
Wetter
Witterung
Bestimmter Zeitpunkt lokal
Min-h
Tage
km
Klima:
der mittlere Zustand der Atmosphäre über einem bestimmten Gebiet und der für dieses Gebiet
charakteristische (durchschnittliche) Ablauf der Witterung (Brockhaus)
Wetter:
der physikalische Zustand der unteren Atmosphäre (Troposphäre) zu einem bestimmten
Zeitpunkt an einem bestimmten Ort. Die räumliche Zusammenfassung des Wetters ergibt die
Wetterlage, der Wetterablauf mehrerer Tage die Witterung; der mittlere Ablauf des Wetters (im
Zeitraum von Jahrzehnten) entspricht dem Klima eines Ortes. (c) Bibliographisches Institut & F.
A. Brockhaus AG, 2001
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