12. Doppelstunde
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Bisherige Vorlesung 20.4. Bedeutung von Wolken, Energie- und Wasserkreislauf, Definition Hydrometeore, 27.4. Momente des Tropfenspektrums, Wolkenklassifikation, Clausius-Clapeyron 4.5. Feuchtegrößen, Erzeugung von Übersättigung, adiabatischer Flüssigwassergehalt 11.5. Trocken- und feuchtadiabatische Bewegungen, Atmosphärische Stabilität 18.5. Homogene/heteorogene Nukleation, Köhlerkurven 25.5. Diffusionswachstum Tropfenwachstum 8.6. Koagulationswachstum, Kollisions- und Koaleszenzeffizienz 15.6. Bildung und Wachstum von Eiskristallen 22.6. Verschiedene Typen von Eiswolken, Niederschlagsentstehung 29.6. Mikrophysikalische Modellierung von Wolken 6.7. Niederschlag und Wasserhaushalt der Antarktis 13.7. Wolken im Klimamodell, Messung + Modellierung für den 23.9.01 20.7. Blitze, Kosmische Strahlung und Wolken, Zusammenfassung Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Kosmische Strahlung und Wolken Überblicksartikel – Cosmic Rays, Clouds, and Climate, K. S. Carslaw, R. G. Harrison, J. Kirkby, 29 NOVEMBER 2002 VOL 298 SCIENCE, www.sciencemag.org H.Svensmark, E.Friis-Christensen, J. Atmos. Solar Terr. Phys. 59, 1225 (1997) Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 International Satellite Cloud Climatology (ISCCP) Gründung 1982 als Teil des World Climate Research Programme (WCRP) • Sammlung und Analyse von Satellitenradianzen • Bestimmung der globalen Verteilung von Wolken, ihrer Eigenschaften, Tages- und Jahresgang und zwischenjährliche Variationen • Daten von 1 Juli 1983 bis 30 Juni 2002 Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell http://isccp.giss.nasa.gov/announcements.shtml SS 20004 ISCCP Monatsmittelwerte D2 Datensatz Korrelation mit niedrigen Wolken (< 3 km Obergrenze) aber nicht mit hohen Wolken Frage: ist die Korrelation langfristig signifikant? Korrelation auf Zeitskala von Tagen beobachtet (Forbush events) aufgrund solarer Massen-Ejektionen, räumlich limitiert, schlechte Statistik Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 ISCCP Monatsmittelwerte Cloud Amount Cloud Types Cloud Top Temperature/Pressure Cloud Optical Thickness Cloud Effective Particle Radius Surface Temperature Surface Reflectance Total Column Water Vapor Ozone Column Abundance Atmospheric Temperature at 500 mb . Tropopause Temperature Tropopause Pressure . Ice/Snow Cover Fraction . Surface Skin Temperature . Surface Narrowband Infrared Emissivity (11 micron) . Surface Broadband Infrared Emissivity (5-200 micron) Surface Microwave Emissivity Surface Total Albedo Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 ISCCP Monatsmittelwerte Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 ISCCP Monatsmittelwerte Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 ISCCP Anomalien Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Kosmische Strahlung und Wolken Intensität kosmischer Strahlung variiert global um ca. 15 % über einen solaren Zyklus (11.5 Jahre) Grund ist die Stärke des Solarwindes, der ein schwaches magnetisches Feld in die Heliosphäre trägt, das die Erde von niedrig energetischen, galaktischen, geladenen Teilchen schützt. Satellitenbeobachtungen deuten eine positive Korrelation niedriger Wolken mit kosmischer Strahlung an (umstritten) Niedrige Wolken führen zu einer Netto-Abkühlung des Klimasystems höhere kosmische Strahlung führt zu mehr Wolken (niedrigen) und geringeren Temperaturen Wolken variieren um ca. 1.7% entsprechend ca 1 Wm2 im Strahlungshaushalt der Erde zwischen solarem Minimum und Maximum sehr signifikant im Vergleich zu den 1.4 Wm2 durch anthropogene CO2 Emissionen Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Klimarelevanz Intensität kosmischer Strahlung variiert im 100 bis 1000-jährigen Zeitraum um mehr als einen Faktor 3 Grund sind stochastische Änderungen des solaren magnetischen Feldes und Änderungen des Geomagnetfeldes Rekonstruktion mittels 10Be in Eiskernen zusätzliche Unsicherheit in Klimaprojektionen; lebhafte Diskussion Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Korrelation Sonne - Wetter 1801 zeigt Herschel Anti-Korrelation zwischen Anzahl der Sonnenflecken und Weizenpreis Viele Studien zum solaren Einfluss auf Temperaturen, Gewitteranzahl, Tropopausenhöhe, atmosphärische Zirkulation, Häufigkeit von Dürren 3 Hauptmechanismen zwischen Sonnen und Atmosphärenvariabilität 1) Sonnenstrahlung als Wärmeinput für Atmosphäre ca 0.1% Variation auf dekadischer Zeitskala entspricht ca. 0.1 K in der globalen Mitteltemperatur 2) Solare UV-Strahlung variiert über einige Prozente während eines solaren Zyklus UV bestimmt Ozonkonzentration (und Erwärmung) der Stratosphäre; dynamische Kopplung mit Troposphäre 3) Galaktische kosmische Strahlung modifiziert Wetter durch Wolkenprozesse (Verfügbare Kondensationskerne, Gewitterelektrifikation, Thermodynamik, Eisbildung) Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Elektrisches Feld der Atmosphäre hoch-energetische Protonen entstehen durch Supernovae oder andere Energiequellen in unserer Galaxie Schauer sekundärer Partikel werden in der oberen Troposphäre und Muonen dominieren die Intensität kosmischer Strahlung in den unteren 6 km der Atmosphäre Energieinput durch kosmische Strahlung entspricht einem Milliardstel der gesamten Sonnenenergie (entsprechend dem Sternenlicht!) dominierende Quelle ionisierender Partikelstrahlung in der Atmosphäre Generierung leichter Radioisotope wie 14C und 10Be durch Interaktion mit Luftnuklei Bildung von Ionen, d.h. Bildung positiver Ladungsträger ducrh primäre Ionisierung eines Gasatoms in Elektron und Ion; z.B. NaCl = Na+Cl-) Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Elektrisches Feld der Atmosphäre Bildung von Klein-Ionen durch Clusterbildung Ionisierungsrate durch kosmische Strahlung variiert zwischen ca. 2 Ionenpaaren pro cm3 und Sekunde an der Erdoberfäche und 40 Ionenpaaren pro cm3 s1 am Oberrand der Atmosphäre Ionenkonzentration in reiner Luft ist ca. 500 bis 3000 cm-3 abhängig von Höhe und geographischer Breite Geringere Ionen-Konzentrationen in verschmutzter Luft aufgrund von Ionen-Aerosolprozessen Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Elektrisches Feld der Atmosphäre 10-6 s Primäre Ionisierung 10-3 s Kleinionen durch Clusterbildung Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell 10-2 s Umwandlung in Großionen SS 20004 Globaler elektrischer Kreislauf Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Ionen-Aerosol-Wolken Prozesse mikrophysikalische Prozesse CCN Reflektivität Effizienz von Niederschlag Eisbildung Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Ionen-Aerosol Mechanismus Beobachtung: es kommen mehr ultrafeine Partikel vor als Modelle andeuten Hypothese: Ioneninduzierte Bildung ultrafeiner Partikel aus der Gasphase - Ionen helfen bei der Stabilisierung der Embryos - Nukleation bei geringeren Feuchtewerten Nukleationsrate von Aerosolpartikeln in reiner Luft wird von Ionisierungsrate bestimmt (marine Grenzschicht) Geladene Aerosolpartikel können schneller wachsen durch dir höhere Kondensationsrate polarer Moleküle (faktor 2 bei wachstum von 1 auf 5 nm) Anteil der durch Ionisierung mit kosmischen Strahlen entstandenen Aerosole hängt ab von der Verfügbarkeit kondensierbarer Gase, direkten CCN Quellen, und wolkenprozessierung Noch keine beweiskräftigen Beobachtungen dieses Effekts Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Ionen-Aerosol near-cloud Mechanismus stratiforme Wolken innerhalb der Wolke werden Ionen durch Wolkentropfen rasch abgebaut (Ladung nimmt ab) Bei Verdunstung der Tropfen sind Ladungen wieder da sehr komplex und wenig verstanden Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Kosmische Strahlung und Wolken Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Die meisten Blitze verlaufen von Wolke zu Wolke Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell http://www.meteoros.de/ SS 20004 Schönwetterfeld permanentes elektrisches Feld mit einer Potentialdifferenz von ∼300000 V zwischen der Erdoberfläche und der Elektrosphäre (∼ 50 km). Grund sind Ionen in der Atmosphäre durch externe (galaktische Strahlung) und interne Quellen (Radon) Feld führt zu Strom der Stärke 1000 A durch Ionen Feld wird abgebaut Wiederaufladen des Erdkondensators durch Gewitter http://www.muk.uni-hannover.de/~finke/blitz/lightning0.html Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Ladungstrennung in Wolken Trennung von elektrischen Ladungen innerhalb der Gewitterwolke durch Kollisionen und andere Wechselwirkungsprozesse zwischen Eis- und Wasserteilchen sowie durch induktive Prozesse kleine Eisteilchen sind positive geladen während große Niederschlagsteilchen negative Ladungen tragen großräumige Separation dieser Teilchen durch die starken vertikalen Luftströmungen in der Wolke elektrisches Feld zwischen der Wolke und der Erdoberfläche ist dem Schönwetterfeld entgegengerichtet und lokal wesentlich stärker Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Leitblitz bei kritischem Wert der Feldstärke bewegen sich negative Ladungsträger als Leitblitz (engl. leader) von Wolke gen Erdoberfläche dünner, kaum sichtbarer, ionisierter Kanal, der später vom Hauptblitz benutzt wird, Entstehung der typischen Verästelungen Leitblitz bewegt sich in Sprüngen von einigen 10 Metern; mittlere Geschwindigkeit beträgt etwa 1/20 der Lichtgeschwindigkeit bei Annäherung des Leitblitzes an die Erde erhöht sich die Konzentration positiver Ladungsträger im Erdboden Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Hauptblitz bei kritischer lokaler Feldstärke kommt Fangentladung dem stepped leader vom Erdboden aus entgegen wenn der Blitzkanal geschlossen ist, bewegt sich die Ladung entlang des durch den Leitblitz ionisierten Kanals → Erhöhung der Leitfähigkeit durch Aufheizung/Ionisierung (max. 30000 K und 100 kA) das erhitzte Plasma im Blitzkanal dehnt sich dann explosionsartig aus, es entsteht eine Schockwelle, an der intensive Schallwellen, der Donner, generiert werden Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Hauptblitz Return-Stroke dauert nur einige Mikrosekunden, transportierte Ladungsmenge liegt in der Regel bei einigen Coulomb, die elektrische Energie bei einigen GigaJoule. die meisten Erdblitze bestehen aus mehreren returnstrokes, die den Kanal des ersten Blitzes nutzen die meisten Blitze (90 %) transportieren negative Ladung zur Erde danach mehr positive Ladungsträger in der oberen Troposphäre Blitzentladungen vom negativen Ladungszentrum im unteren Teil der Wolke transportieren negative Ladung zur Erde Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004
