Klimafragen, Kapitel 3 – Strahlungs- und Wärmehaushalt

Klimafragen, Kapitel 3 – Strahlungs- und Wärmehaushalt
1) Woher erhält das Klimasystem seine Energie?
Primär von der Sonne
2) Nennen Sie die 3 wichtigsten Strahlungsbilanzgleichungen!
Q: Globalstrahlung
Qk: Kurzwellige Strahlungsbilanz
Ql: Langwellige Strahlungsbilanz
Q dir: Direkte Einstrahlung
Q diff: Diffuse Einstrahlung
a: Albedo
G: Atmosphärische Gegenstrahlung (Himmelsstrahlung)
A: Langwellige Ausstrahlung
R: Reflektierte langwellige Gegenstrahlung
1) Q = Qk + Ql
2) Qk = (Qdir + Qdiff)*(1-a)
3) Ql = G-A-R
3) Definieren Sie Globalstrahlung!
Die auf eine Einheitsfläche bezogene Summe aus direkter Sonnenstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung. Die
direkte Sonnenstrahlung wird dabei durch die Solarkonstante I bestimmt, sie unterliegt Schwankungen von der
Sonne selbst, aber auch Schwankungen durch z. Bsp. die Erdrotation.
4) Was ist die diffuse Himmelsstrahlung?
Ist die langwellige Strahlung, die durch die Streuung in der Atmosphäre wieder auf die Erde zurückgelenkt wird.
5) Wie groß ist das Verhältnis von langwellig emittierter Strahlung vom Erdboden zur Rückstrahlung auf
die Erde durch diffuse Himmelsstrahlung?
Die von der Erdoberfläche ausgestrahlte langwellige Strahlung (390w/m²) wird im Mittel mit 324w/m² durch diffuse
Himmelsstrahlung (langwellige Gegenstrahlung) wieder auf die Erde zurückgeworfen. Es werden also 83%
recycelt.
6) Wie groß ist der Strahlungsenergieüberschuss in w/m² anhand des in Frage 5 beschriebenen
Sachverhaltes? Was geschieht mit dem Energieüberfluss?
Da von 390 324 w/m² ca. 83% wieder auf den Erdboden zurückgeworfen werden, beträgt der Energieüberschuss
2
2
102 w/m². Der Überschuss wird in den fühlbaren (24w/m ) und latenten Wärmestrom (78w/m ) überführt und
sorgt so für den natürlichen Treibhauseffekt und für eine Erwärmung der Atmosphäre.
7) Wozu führt der, durch den fühlbaren und latenten Wärmestrom ausgelöste Energieverlust am Boden?
Welches physik. Gesetzt steht dahinter?
Die Wärme wird in die Troposphäre übertragen. So erhält das Klima seinen Antrieb. 1. Und 2. Hauptsatz der
Thermodynamik.
8) Was sagen 1. Und 2. Hauptsatz der Thermodynamik aus?
1) Energie kann im Klimasystem weder erzeugt, noch vernichtet werden.
2) Energie wird stets ohne Verlust umgewandelt.
9) Was ist fühlbare und latente Wärme?
Fühlbarere Wärme: Wärme ist Ausdruck der fühlbaren Temperatur
Latente Wärme: Wärme, die bei der Kondensation oder Verdunstung von Wasser aufgenommen (Verdunstung),
bzw. abgegeben (Kondensation) wird. Latente Wärme ist nicht fühlbar. Bei der Verdunstung von Wasser wird
latente Wärme im Wasserdampf gespeichert. Kondensiert der Wasserdampf in größeren Höhen aus, wird die
latente (versteckte) Wärme an die Umgebung freigegeben: Erst dann steigt auch die Lufttemperatur und es
entsteht ein feuchtadiabatischer Temperaturgradient: Von unten nach oben wird es weniger schnell kalt, als es
bei einem trockenadiabatischen Gradienten der Fall wäre. Bei letzterem Fall fehlt der Energieinput durch die
latente Wärme (z.B. bei sehr trockener Luft) und die Luft kühlt schneller mit der Höhe aus.
10) Was beschreibt das Bowen-Verhältnis?
Verhältnis zwischen fühlbarer und latenter Wärme.
11) Was ist die Nettostrahlung?
Der rechnerische Wert der Eigenstrahlung eines Körpers, der sich nur ermitteln lässt wenn der Körper selbst
zusätzlich bestrahlt wird, weil in einer physikalischen Messung von z. B. Infrarotstrahlung nicht exakt zwischen
tatsächlicher Eigenstrahlung und Reflexion unterschieden werden kann. Um den Strahlungshaushalt der Erde
vergleichend untersuchen zu können, muss die Nettostrahlung R ermittelt werden. Sie berechnet sich als
Differenz zwischen der absorbierten Globalstrahlung (mit der Albedo a) und der effektiven Ausstrahlung.
12) Wann ist die Nettostrahlung positiv, wann negativ?
- Überwiegt die absorbierte Globalstrahlung - > NS positiv
- Überwiegt die effektive Ausstrahlung - > NS negativ
13) Wo ist die Nettostrahlung besonders positiv oder negativ?
In den Tropen ist die Nettostrahlung am größten und zu den Polen hin nimmt sie ab. Über den Meeresflächen ist
sie höher als über dem Festland, da Meeresflächen mehr Globalstrahlung absorbieren (geringere Albedo) und die
Gegenstrahlung über den Meeren wegen des größeren Wasserdampfgehaltes der Luft höher ist. Da der
Meeresanteil auf der Südhalbkugel größer als auf der Nordhalbkugel ist, ist dort die Nettostrahlung auch höher.
14) Welcher klimatischer Effekt resultiert aus den in Frage 13 beschriebenen Sachverhalten?
Dort, wo die Nettostrahlung negativ ist, verliert die Erde (Wärme) Energie. Das passiert zu den Polen hin.
Richtung Äquator erhält die Erde „zu viel“ Energie, so dass sich ein Wärmetransport zu den Polen ergibt. Daraus
resultieren die globalen Windsysteme. Ohne den Wärmetransport zu den Polen bzw. ohne den Kältetransport
zum Äquator, wäre es dort viel kälter, bzw. noch heißer.
15) Welche Parameter spielen bei der regionalen Strahlungsbilanz eine wichtige Rolle?
- Geographische Breite: Tropen, Randtropen, Mittelbreiten, Boreale Zone oder Pole
- Wolkenbedeckung
- Trocken- und Regenzeiten
- Kontinentalität und Maritimität
- Jahreszeiten
16) Was sind die Gebiete größten Strahlungsüberschusses?
Oberflächen der tropischen Meere
17) Wo gibt es ein starkes Energiegefälle zwischen den Tropen und den Subpolarregionen?
In den mittleren Breiten (auf beiden Halbkugeln) zw. 30 und 50°
18) Haben Ozeane oder eher benachbarte Kontinente eine positivere Strahlungsbilanz?
Ozeane
19) Welche Ableitungen ergeben sich aus der Strahlungsbilanz?
- Bessere Strahlungsbilanz der Ozeane führt im globalen Mittel zu einem Transport von Wasserdampf vom
Ozean zum Kontinent
- Hauptquellgebiete des Wasserdampfs in der Atmosphäre sind die tropischen Ozeane
- tropischen Ozeane sind Ursprung fühlbaren Wärmeströmungen durch warme Meeresströmungen, welche ihre
Wärme an die Luft abgeben
- die randtropischen kontinentalen Gebiete sind die wesentlichen Wärmequellen „Herdplatten der Erde“ und sind
ferner für den globalen Wärme- und Energieaustausch von wesentlicher Bedeutung
20) Die Strahlung schwankt…A in den Polarregionen und B am Äquator wie?
A Im Jahresgang stärker als im Tagesgang
B Im Tagesgang stärker als im Jahresgang
21) Was ist ein Thermoisopletendiagramm?
Klimadiagramm, was den Tages- und Jahresverlauf der Temperatur sichtbar macht. Eignet sich gut für die
Bestimmung für Tageszeiten- oder Jahreszeitenklimaten. Auf der Y-Achse ist T in Abhängigkeit der Tageszeit
eingetragen, auf der X-Achse sind die Jahreszahlen eingetragen.
22) Wann erreicht T bei klarem Wetter Tmin und Tmax?
Tmin: Unmittelbar beim oder minimal nach Sonnenaufgang
Tmax: Zeitverzögert zum Sonnenhöchststand – bis zu 2 Stunden
23) An klaren Winternächten sieht man oft, dass es unter Bäumen keinen Frost oder weniger Schnee gibt,
als um den Baum herum. Warum?
Baum strahlt in alle Richtungen, dh. auch nach unten langwellige Strahlung entsprechend seiner T
(Boltzmangesetz) ab. Das erwärmt den Boden und hält ihn frostfrei.
24) An normalen Sommertagen wird es in den unteren Metern ab dem Boden rasch…?
Kälter, da die Erdoberfläche die Wärmequelle der Luftschichten ist.
25) An klaren Winternächten wird es in den unteren Metern ab dem Boden rasch…?
Milder, da die Wärme vom Boden in den Weltraum abstrahlen kann. (Strahlungsinversion)
26) Nennen Sie die Energiebilanzgleichung!
(Direkte Strahlung + Diffuse Strahlung (also die Globalstrahlung) * (1-Albedo) = Langwellige Ausstrahlung +
latenter Wärmestrom + fühlbarer Wärmestrom + Bodenwärmestrom
(Qdir + Q diff) * (1-a) = A + LE + LH + G
27) Was beschreibt das A Planck`sche Strahlungsgesetz und B Kirchhoff`sche Gesetz?
A: Jeder Körper mit einer Temperatur grösser als der absolute Nullpunkt sendet elektromagnetische Strahlung
aus, die in Relation zur Temperatur des Körpers und zur Wellenlänge steht
B: Nach dem kirchhoffschen Strahlungsgesetz sind für jeden Körper für jede Wellenlänge das
Absorptionsvermögen und das Emissionsvermögen für thermische Strahlung proportional zueinander