Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima
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Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) – André Paul Vorlesungsplan • Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima – Empirische Modelle für das Strahlungsgleichgewicht – Eindimensionale Strahlungs-Konvektions-Modelle – Rolle der Wolken • Konzeptionelle Klimamodelle: Das Strahlungsmodell MODTRAN • Konzeptionelle Klimamodelle: StrahlungsKonvektions-Modelle Empirische Modelle für das Strahlungsgleichgewicht Einfache Beispiele: • Zwei-Schichten-Modell: kabs = 0, e = 1 • Planet X mit Treibhauseffekt: isotherme Atmosphäre der Temperatur TA über einer Oberfläche der Temperatur Ts mit kabs > 0 und e < 1. e e Stratosphere Tstrat TSA Schema eines Zwei-Schichten-Modells für das Strahlungsgleichgewicht des Atmosphäre-ErdoberflächeSystems mit den Strahlungsflüssen [Abbildung 3.10 aus Hartmann (1994)], ergänzt um dünne stratosphärische und oberflächennahe Luftschichten. Tstrat keine Tropopause T1 Sprung zwischen oberflächennaher Lufttemperatur und Oberflächentemperatur T2 T SA Ts Temperaturprofil des Zwei-Schichten-Modells für das Strahlungsgleichgewicht [Abbildung 3.11 aus Hartmann (1994)]. Planet X mit Treibhauseffekt Absorption von Sonneneinstrahlung in einem Ein-SchichtModell der Atmosphäre mit der Rate S0 1 p 4 führt auf eine Oberflächentemperatur von S0 1 p 1 k / 2 Ts = 4 1 e / 2 1/ 4 Nur für k<e ist Ts>Te. . Das Strahlungsmodell MODTRAN • http://geosci.uchicago.edu/~archer/cgimod els/radiation.html Atmosphärische Schicht Weg nach oben gerichteter terrestrischer Strahlung durch eine planparallele Atmosphäre [Abbildung 3.8 aus Hartmann (1994)]. Gleichung für den langwelligen Strahlungstransport Änderung der Intensität In enlang des Weges unter einem Winkel q durch eine Schicht der Dicke dz = Emission minus Absorption durch das Gas entlang des Weges: dIn = En An . Beiträge zum langwelligen Strahlungstransport F z F z von Oberfläche von Gasen oberhalb von z von Gasen unterhalb von z Meeres- oder Landoberfläche z zs • Schwarzkörperstrahlung für Temperaturen von 300 k (ein heißer Sommertag) bis 220 K (Troposphäre in 10 km Höhe) • Das Spektrum der Strahlung, die die Erde verlässt, verläuft zwischen zwei Schwarzkörperspektren – 220 K: von Treibhausgasen in der oberen Atmosphäre (z.B. den Biegeschwingungen von CO2 bei einer Wellenzahl von 700 cm-1) – 270 K: von der Erdoberfläche durch das atmosphärische Fenster Absorption durch CO2 • Kern der Absorption durch CO2 liegt im Bereich zwischen 600 und 800 cm-1 und folgt einem Schwarzkörperspektrum von 220 K. • Ist der Effekt einer Erhöhung der CO2Konzentration heute (~375 ppm) um 5 ppm der gleiche wie während des letzten Glazials (CO2-Konzentration ~200 ppm)? Ausgehende infrarote Strahlung am Erdboden: 290.9 W m-2 Atm. CO2-Konz. (ppm) Ausgehende Durchgelassene infrarote Strahlung infrarote Strahlung (TOA, W m-2) (%) 0 249.159 85.7 10 239.802 82.4 100 232.14 79.8 375 227.87 78.3 1000 224.604 77.2 • Ausgehende infrarote Strahlung am Oberrand der Atmosphäre als Funktion der atmosphärischen CO2-Konzentration Bandsättigung • Kern der CO2-Bandes gesättigt, Ränder noch nicht • Energieflussdichte wächst nicht linear mit der CO2-Konzentration, sondern proportional zum Logarithmus der CO2Konzentration
