Klimawandel_02_Grundlagen

CO2 (ppm)
Klimawandel
WS 05/06
Joachim Curtius
Institut für Physik der Atmosphäre
Universität Mainz
Inhalt
1. Überblick
2. Grundlagen
3. Klimawandel heute: Beobachtungen
4. CO2
5. Andere Treibhausgase
6. Aerosole und Wolken
7. Solare Variabilität
8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel
9. Klimageschichte
10. Klimaschutz
2. Grundlagen
 Klima
 Abstrahlung von Energie durch Sonne und Erde:
Plancksches Strahlungsgesetz
 Absorption durch atmosphärische Gase
 Strahlungshaushalt
 Treibhauseffekt: natürlich und anthropogen; CO2
 Strahlungsantrieb
2. Grundlagen
Klima:
 Mittelwerte, Jahresgänge und Schwankungsbreite von Temperatur, Niederschlag, und weiteren
meteorologischen Größen
 Häufigkeit von Extremwerten
 30-jährige Mittelung
 Klima vs. Wetter...
 Klimawandel: Zeitskalen...
 Klima von =klino="ich neige"
(Permeides ~500 v. Chr.),
Klimazonen in Abhängigkeit vom
Neigungswinkel der Sonne
Klimazonen
Strahlungshaushalt
Wie kommt es zum
Treibhauseffekt?
Wie erklären sich die
hier angedeuteten
Strahlungsflüsse?
Spektrum elektromagnetischer Strahlung
[Schönwiese]
c = 
Plancksches Strahlungsgesetz (1900):
B  ,T  
2hc 2

Plancksches
Wirkungsquantum:
h = 6,626 10-34 Js
1
 hc 
exp 
1

 k  
Planck-Gesetz
beschreibt die spektrale
Energiedichte B der
Abstrahlung eines
schwarzen Strahlers mit
der Temperatur T.
[Kraus]
Plancksches Strahlungsgesetz (1900):
B  ,T  
2hc 2


1
 hc 
exp 
1

 k  
StefanBoltzmannGesetz:
 B  T 4
StefanBoltzmannKonstante:
  5,67  108 Wm2K 4
[Kraus]
Gesamte abgestrahlte
Energie des schwarzen
Strahlers hängt nur von
der Temperatur des
Strahlers ab und
zwar zur 4. Potenz
Plancksches Strahlungsgesetz (1900):
B  ,T  
2hc 2

1
 hc 
exp 
1

 k  
Wiensches Verschiebungsgesetz:
maxT  2898  m K
Sonne: max  0.5 µm
TSonne 5776 K
Erde:
[Kraus]
max10 µm
TErde 288 K
Planck-Kurven für Erde und Sonne (normiert):
Erde: 99% der Strahlung zwischen 4 und 100 µm
 terrestrischer = langwelliger Strahlungsbereich
Sonne: 99% der Strahlung zwischen 0.23 und 5 µm
 solarer = kurzwelliger Strahlungsbereich
Spektrale Verteilung der
Abstrahlung von Sonne
und Erde im Vergleich
mit Planck-Strahler
Sonne:
Oberfläche ~5776°C
 Strahlung maximal
im sichtbaren Bereich
(0.4 – 0.8 µm)
terrestrisches
Strahlungsfenster
8-12 µm
Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für em-Strahlung
IR-Aufnahme der Erdoberfläche
DJF
JJA
Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre:
Rotations-Vibrationsspektren von CO2
Moleküle wie CO2 und H2O absorbieren langwellige Photonen.
Die zugeführte Energie wird zunächst in Rotations-VibrationsEnergie umgesetzt. Insgesamt führt die zugeführte Energie
zur Erwärmung der atmosphärischen Luftschicht
(Energieübertrag auch durch Stöße mit anderen Luft-Molekülen)
und die Energie wird wieder durch langwellige Photonen
in alle Richtungen abgestrahlt.
Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre:
Rotations-Vibrationsspektren von CO2
RotationsVibrationsSpektren
des CO2
in der Atmosphäre noch Druck- und Dopplerverbreiterung der Linien: deshalb Absorptionsbanden
Absorptionsspektren
verschiedener
atmosphärischer
Gase
[Kraus]
Solarkonstante IK:
Strahlungsflussdichte der von der Sonne kommenden und über alle Wellenlängen
integrierten Strahlung, die extraterrestrisch (also außerhalb der Erdatmosphäre),
von einer senkrecht zur Strahlrichtung orientierten Fläche beim mittleren
Abstand Erde-Sonne (1496108m = 1 AE) empfangen wird.
Aus Satellitenmessungen:
Ik  1366  2 Wm2
Aphel :1321Wm 2
aus IK kann sofort
die Oberflächentemperatur
der Sonne bestimmt werden:
2
4 RSonne
4
IK 

T
Sonne
4 rS2E
Perihel :1413 Wm 2
IK ,gm 
IK
 342 Wm2
4
Albedo:
Reflexionsvermögen verschiedener Oberflächen
im kurzwelligen (und langwelligen) Bereich
Oberfläche
kurzwellige Albedo
(0.3-4 µm)
in Prozent
langwellige Albedo
(4-100 µm)
in Prozent
System Erde/Atmosphäre
30
Neuschnee
75-95
Altschnee
40-70
Sand
20-40
10
Gras
15-30
1-2
Wasser bei hochstehender
Sonne
5-10
4
Wasser bei niedrigstehender
Sonne
50-80
Wolken
23-90
0,5
0-10
Strahlungshaushalt
kurzwellig
langwellig
Einfaches Glashausmodell:
2 TA4   TB4  0
Fläche A:
IK
Fläche B:  T   T  0,7  0
4
IK
4
Bilanz:
 TA  0,7  0
4
4
A
Modell:
 Atmosphäre = eine Fläche
 Erdoberfläche habe Albedo von 30%
 keine anderen Energietransporte
 natürlicher Treibhauseffekt qualitativ
4
B
Ergebnis:
TA= -18°C, TB= 30°C
TA entspricht Teff,Erde
Erweiterung des einfachen Glashausmodells:
Fläche A:
2 A TA4   A TB4  0
Fläche B:
IK
 A T   T  1  ag   0
4
4
A
4
B
Ergebnis:
für TB= 288 K, folgt TA= 242 K
und A=0,78
Modell:
 Atmosphäre = eine Fläche
 Erdoberfläche habe Albedo ag
für
 keine anderen Energietransporte
 langwelliges "Fenster" mit Hilfe von A
 Wirkung von zusätzlichen Treibhausgasen
TB= 289 K, folgt TA= 243 K
und A=0,79
Strahlungsantrieb F:
"Änderung der Strahlungsbilanz an der Tropopause durch
Störung der Energieflüsse im Subsystem ErdoberflächeAtmosphäre" (nach Schönwiese, IPCC-Def. komplizierter).
negativer Strahlungsantrieb: Abkühlung
positiver Strahlungsantrieb: Erwärmung
semi-empirische Verknüpfung mit Temperatur
der Erdoberfläche:
d 
c
  F  T
dt
Zeitverzögerung
Klimaantwort
Strahlungsantrieb
Im langfristigen Gleichgewicht:
Änderung der
Oberflächentemperatur
Parameter:
Sensitivität
(Rückkopplungen etc.)
 F  T
anthropogener Klimawandel:
zwei Teile:
A) Detektion
B) Ursachen zuordnen
Natürlicher Treibhauseffekt:
~33 K, davon:
62 %
22 %
7%
4%
2,5 %
H2O (20,6 K)
CO2 ( 7,2 K)
O3 (2,4 K)
N2O (1,4 K)
CH4 (0,8 K)