VLAtmosphäreEnergie

Modul GEO 131, Physische Geographie A, WS 10/11
Atmosphäre
Priv.-Doz. Dr. Martin Gude
Was bedeutet Klima?
• Charakterisierung atmosphärischer Zustände
• Bezug auf einen Ort oder eine Region
• Generalisierung der Wetterzustände
• Kennzeichnung durch mittlere und extreme Werte
1
Struktur des Modulteils Klimageographie
Gliederung der Vorlesung
•
•
•
•
•
Atmosphäre und Energiehaushalt
Globale Zirkulation der Atmosphäre
Atmosphärische Feuchtigkeit und Niederschlag
Klimazonen und regionale Klimasysteme
Klimaänderungen und Klimamodelle
Vor- und Nachbereitung
(Strahler & Strahler 2005)
Kapitel 3
Kapitel 5
Kapitel 8
Übungsaufgaben
20 S.
24 S.
20 S.
2
Klima im täglichen Leben
3
Klima im täglichen Leben Wetterextreme
aus: BBC 2004
4
Klima und Wettervorhersage Satellitenaufnahme
Aktuelles Satellitenbild
5
Klima und Wettervorhersage Wetterkarte
Aktuelles Satellitenbild
6
Definition Klima
Das terrestrische Klima ist die für einen Standort, eine definierbare Region oder
ggf. auch globale statistische Beschreibung der relevanten Klimaelemente, die
für eine nicht zu kleine zeitliche Größenordnung die Gegebenheiten und
Variationen der Erdatmosphäre hinreichend ausführlich charakterisiert.
Ursächlich ist es eine Folge der physiko-chemischen Prozesse und Wechselwirkungen im Klimasystem sowie der externen Einflüsse auf dieses System.
Schönwiese (1994)
aus: Lexikon der
Geowissenschaften 2002
7
Meteorologisch-klimatologische Informationsquellen
Neoklimatologie (Zeitreihen ab 1659 n. Chr., globale Daten seit ca. 1850/60)
• direkte Punktmessungen der Klimaelemente
• großräumige Messung von Klimaelementen mit Fernerkundung
• Klimamodelle und Prognosen
Paläoklimatologie (maximale Reichweite 3,8 Milliarden Jahre)
• Geoarchive (Gletscher, Sedimente, Moore, Fossilien, etc.)
• Witterungstagebücher verschiedener Gelehrter: z. B. C. Ptolemäus (151-127 v.Chr.) in
Alexandria, W. Merle (1337-1344) in England oder J. Kepler (1617-1626) in Linz
• Annalen bzw. Chroniken der öffentlichen Verwaltung
• Inschriften und Markierungen
• Mythen und Legenden
• Höhlenmalereien in den heutigen Wüstengebieten Nordafrikas (ca. 5 Jahrtausende
zurück reichend)
• Erntechroniken
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Die meteorologischen Elemente
Physikalische Größen, mit deren Hilfe der Zustand der Atmosphäre in einem
definierten Raum zu einem Zeitpunkt oder in einem Zeitabschnitt charakterisiert
werden kann:
Lufttemperatur:
kinetische Energie der Moleküle, fühlbare Wärme
Luftfeuchtigkeit:
Wassergehalt der Luft, als Masse oder relative Sättigung
Niederschlag:
Menge des den Boden erreichenden Wassers in einer Zeiteinheit
Bewölkung:
atmosphärische Wasseransammlungen in Tropfen- oder Eisform
Wind:
Geschwindigkeit und Richtung der Luftbewegung
Strahlung:
Energiefluss durch elektromagnetische Wellen
Luftdruck:
statischer Druck der Atmosphäre auf eine Bezugsfläche
9
Zeitliche Dimensionen in Klimatologie und Meteorologie
aus: Schönwiese 1995
•
Wetter
das dynamische Geschehen in der Atmosphäre bezogen auf
Tage bzw. 1-2 Wochen
•
Witterung
Phase aus der Aufeinanderfolge bestimmter
Wettererscheinungen (mittlerer Charakter des
Wetterablaufs), z. B. Goldener Oktober
•
Klima
gesamter jährlich mehr oder weniger gleichbleibender Verlauf
der Witterung an einem Ort, in einem Land etc.; zu
Vergleichszwecken durch Mittelwerte und charakteristische
Extreme beschrieben
10
Klimatische Extremwerte
aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002
11
Ausgewählte Literatur
BLÜTHGEN, J. & W. WEISCHET (1980): Allgemeine Klimageographie. – Lehrbücher der
Allgemeinen Geographie. Bd. 2, Berlin, New York
FLOHN, H. (1960): Zur Didaktik der allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre. – In:
Geographische Rundschau 12, S. 129-142 u. 189-195.
HÄCKEL, H. (2008): Meteorologie. – Stuttgart.
LAUER, W. & BENDIX, J. (2006): Klimatologie. – Das Geographische Seminar,
Braunschweig
OKE, T. (1999): Boundary layer climates. – London
SCHÖNWIESE, C.-D. (2008): Klimatologie. – UTB für Wissenschaft, Stuttgart
WEISCHET, W. & Endlicher, W. (2008): Einführung in die Allgemeine Klimatologie. –
Physikalische und meteorologische Grundlagen. Stuttgart
IPCC (2007): Climate Change 2007: The Physical Science Basis
IPCC (2007): Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability
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Klimatologie Zusammenfassung
Definition Klima
• Charakteristierung atmosphärischer Zustände
• Bezug auf einen Ort oder eine Region
• Generalisierung der Wetterzustände
• Kennzeichnung durch mittlere und extreme Werte
Klimatologie:
Grenzwissenschaft
zwischen Geographie
und Meteorologie
Klimafaktoren
Klimaelemente
(messen/beobachten)
• Temperatur
• Niederschlag
• Luftdruck
• Feuchte
• Strahlung
• Verdunstung
• Wind
• Wolken
• ...
•
•
•
•
•
•
•
geogr. Breite
Meereshöhe
Relief
Vegetation
Kryosphäre
Ozeane
Land/WasserVerhältnis
• Böden/Gestein
• Mensch
13
Astronomische Grundlagen Erdbahn und Erdumdrehung
Äquinoktien
Frühling
21. März
Sommer
21. Juni
Winter
21. Dezember
1b
Solstiallinie
23,5°
Herbst
23. September
14
Elektromagnetische Wellen
15
Strahlungsgesetze
PLANCKsches Gesetz
Energieanteile in Abhängigkeit von
der Spektralverteilung
STEFAN-BOLTZMANN-Gesetz
Strahlungsstrom in Abhängigkeit
von der Temperatur
I = ε • σ • T4
I: Energieflussdichte
ε: Emissionsverm. (schw. Körper = 1)
σ: Konst. mit 5.6697 10-8 W m-2 K-4
T: abs. Temperatur
WIENsches Verschiebungsgesetz
Wellenlänge der intensivsten
Abstrahlung
λmax =  • T-1
: Naturkonstante mit 2898 m K
T: absolute Temperatur des Körpers
16
Strahlung
Strahlungsgenuss in
den Breitenzonen
unter
Vernachlässigung der
Atmosphäre
17
Strahlung Beleuchtungsklimazonen (Solares Klima)
unter Vernachlässigung der Atmosphäre
Polarzone (> 66.5°)
Solare Mittelbreiten
Hohe Mittelbreiten (45 – 66.5°)
Subtropen (23.5 - 45°)
Tropenzone
(zwischen Wendekreisen, < 23.5°)
Solare Mittelbreiten
Subtropen (23.5 - 45°)
Hohe Mittelbreiten (45 – 66.5°)
Polarzone (> 66.5°)
18
Strahlung Einfluss der Atmosphäre
19
Atmosphäre Vertikalgliederung
aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002
20
Atmosphäre
Vertikaler
Aufbau der
Troposphäre
10 km
aus:
Schönwiese
1994
21
Strahlung Einfluss der Atmosphäre
Was passiert in der Atmosphäre?
Reflexion
•
•
•
Transmission
Absorption (Extinktion)
Streuung
"Solarkonstante"
Obergrenze
Atmosphäre
Streuung
Absorption
Edoberfläche
22
Strahlung Albedo
Oberfläche
Albedo (%)
Oberfläche
Grasfläche
16 - 20
Bewölkung
Prärie
14 - 16
Cumulonimbus
ca. 90
Nimbostratus
64 - 70
Cirrostratus
44 - 59
Stratocumulus
35 - 80
Ackerboden (dunkel)
Wald (trop. Regenwald)
Nadelwald
7 - 10
10 - 20
5 - 12
Albedo (%)
Sand und Wüste
18 - 28
Stratus (300-600 m dick)
50 - 73
Gestein (Felsen)
10 - 40
Cirrus
15 - 20
Sümpfe
8 - 12
Siedlung
14 - 18
Schnee (frisch)
70 - 95
Schnee (alt)
45 - 70
Wasser (Sonne hoch)
Wasser (Sonne tief)
Erdoberfläche (Mittel)
15
System Erde-Atmosphäre
31
5 - 10
50 - 80
(aus: Lexikon der Geowissenschaften 2001, Schönwiese 1994)
23
Atmosphäre Zusammensetzung der reinen Luft
(Prozentwerte = Volumenprozent)
100%
Stickstoff (N2 )
78.084%
0.970%
Argon (Ar)
0.934%
Sauerstoff
(O2 )
20.946%
Kohlendioxid
(CO2)
0.033%
Rest
0.970%
0.003%
Neon (Ne)
0.00182 %
Helium (He)
0.00053 %
Methan (CH4)
0.0002%
Krypton (Kr)
0.00012%
Xenon (Xe)
0.00009%
Wasserstoff (H2)
0.00005%
Distickstoffoxid (N2O)
0.00005%
_____________
0.00268%
Rest
0.003%
24
Strahlung Absorption durch atmosphärische Bestandteile
aus: Häckel 1999
25
Einfluss der Atmosphäre Globalstrahlung
Strahlungsangebot an der Erdoberfläche
(nur kurzwellige Strahlung)
G = (IS + IH) - R
IH = diffuse Strahlung (diffuses Himmelslicht)
IS = direkte Strahlung
IS + IH = Globalstrahlung
R = Reflektierte Strahlung (Albedo)
Albedo: Verhältnis von reflektierter zu einfallender
(Global-)Strahlung (Angabe meist in %)
26
aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002
Strahlung Strahlungshaushalt
27
Strahlung Globale Oberflächentemperatur
28
Strahlungsbilanz und geographische Breite
mittlere jährliche Strahlungsbilanz des Systems Erde/Atmosphäre in Abhängigkeit von der
geographischen Breite.
29
Energiehaushalt
Globale
Energietransporte
Energiespeicherung und
Energietransporte
erfolgen durch:
1.
2.
3.
Strahlung
(Strahlungsenergie)
Wärmeleitung (fühlbare
Wärme)
Energieträger (latente
Energie, Wasser, Luft)
30
Energiehaushalt Typen der Energietransporte
Troposphäre
Strahlung
H2O, CO²,
Aerosole, etc.
fühlbare Wärme
H2O, CO²,
Aerosole, etc.
latente Wärme
H2O.
Erdoberfläche
31
Latente Energie
Phasenübergänge
aus: Baumgartner und Liebscher 1996
32
Latente Energie Absolute Wasserdampfmenge der Luft
aus: Lexikon der
Geowissenschaften
2002
33
Latente Energie Globale Wassertransfers
aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002
34
Fühlbare Wärme Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit
spezifische
Wärmekapazität
spez. Wärmekapazität bezogen auf
Volumen
Wärmeleitfähigkeit
kJ / (kg · K)
J / (cm3 · K)
J / (s · m · K)
Fels (Granit)
0.84
16.41
4.61
Wasser
4.19
14.24
0.42
Luft
1.00
10.05
0.02
Holz
1.34
10.05
0.17
Sand (trocken)
0.84
9.21
0.17
Sand (nass)
1.26
7.95
1.67
Moorboden
(trocken)
1.84
6.28
0.06
Moorboden (nass)
3.35
5.86
0.84
Neuschnee
2.14
2.93
0.08
Altschnee
2.14
2.81
0.29
Eis
2.14
1.88
2.09
(aus: Weischet 1977)
35
Latente und fühlbare Energie Adiabatische Gradienten
trockenadiabatisch
0,6 °C•100 m-1
Atmosphäre
1,0 °C•100 m-1
feuchtadiabatisch
Erdoberfläche
36
Energiehaushalt Global
37
Strahlungsbilanz Gleichung für die Erdoberfläche
Latenter Wärmestrom
Fühlbarer Wärmestrom
effektive Ausstrahlung (LW)
LW Ausstrahlung
Bodenwärmestrom
LW Gegenstrahlung
WB = [((IS + IH) - R) - (A - G)] + L + F + B
Albedo
Globalstrahlung (KW)
Gesamtstrahlung
38
Temperatur Messgeräte
Flüssigkeitsthermometer
(Quecksilber (-39°C), Alkohol...)
Min/Max-Thermometer
Bimetallthermometer
Widerstandsthermometer
Englische Wetterhütte
(2 m über Grund)
Thermograph
39
Temperatur Globales Beobachtungssystem
40
Temperatur Skalen und Maßeinheiten
Absolute Temperatur [K = Kelvin]
abs. Nullpunkt: Molekülbewegung = 0
Celsius [°C]
0 °C = Gefrierpunkt des Wassers
100 °C = Siedepunkt des Wassers
Fahrenheit [°F]
0 °F = tiefste Temp. in Königsberg
100 °F = Körpertemperatur
Réaumur [°R]
0 °R = Gefrierpunkt des Wassers
80 °R = Siedepunkt des Wassers
41
Temperatur Jahresschwankung
10
5 °C
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
25
°C
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
Nord
Dublin
Bonn
Warschau
Nowosibirsk
30
25
35
°C
30
25
20
20
15
10
5
0
Tunis
15
10
5
°C
Libreville
Rangun
0
42
Globales Klima Klimaerwärmung
(IPCC 2007)
Mittlere jährliche Temperaturen (schwarze Punkte) mit Trends für verschiedene Perioden
43
aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002
Strahlung Strahlungshaushalt
44