5. Dezember 2005
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Lerninhalte 7. Vorlesung Was sind Thermikelemente? Wie bilden sich Schönwettercumuli? Wie lässt sich die Stärke von Konvektion beschreiben? Wie entstehen Bernard-Zellen? Wie verläuft die Entwicklung einer einzelnen Gewitterzelle? Was unterscheidet Einzelzellen-, Multizellenund Superzellengewitter? Einzel Multi Super Lebensdauer <1h 1-3h 1-6h Hagel &Sturmböen selten häufig oft; mit Tornados vertikale Scherung nicht mit Rechtsdrehung rotierender Aufwindbereich 1 Gliederung der Vorlesung 1. 17.10.2005 Aerosole - Definition, Quellen und Senken, Größenverteilung 2. 24.10.2005 Auswirkungen Aerosol, Wolkenbildung - Sättigung 3. 31.10.2005 Entstehung von warmen Niederschlag 4. 7.11.2005 5. 14.11.2005 Radarmeteorologie Niederschlag 6. 21.11.2005 Wolkenbildung, Wolkentypen, Wolkendynamik 7. 28.11.2005 Luftmassengewitter 8. 5.12.2005 9. 12.12.2005 Strahlung und Strahlungsgesetze Entstehung von kaltem Niederschlag Gewittertypen 10. 19.12.2005 Streuung in der Atmosphäre, optische Erscheinungen 11. 9.1.2006 Globale Strahlungsbilanz 12. 16.1.2006 Anthropogener Treibhauseffekt/Klimaänderungen 13. 23.1.2006 Stratosphärischer Ozonabbau 14. 30.1.2006 Allgemeine Zirkulation 15. 6.2.2006 Hydrologischer Kreislauf 2 Superzellen-Gewitter Einzelne Zelle mit rotierendem Aufwindbereich An der Unterseite bilden deshalb häufig Tornados Keine „Selbstzerstörung, wie bei Einfachzelle, Lebensdauer > 1 h Starke Feuchtlabilität + starke vertikale Windscherung notwendig (in Dtl. selten, z.B. Münchener Hagelunwetter `84) Niederschlagsmengen sehr unterschiedlich (>10 mm/h). Es gibt verschiedene Typen von Superzellen! 3 Superzellengewitter Im Gegensatz zu MultizellenGewittern sehr große Rotation. Aufwind-Elemente vereinigen sich in einen rotierenden Aufwind und explodieren vertikal (kein Wettbewerb der Zellen!) Langanhaltende, in sich rotierende Zelle Sie sind langlebig (ca. 1 h bis 6 h) Sie bringen oft Hagel oder Sturmböen Sie treten nicht unbedingt isoliert auf Sie schreiten mit etwa 60 km/h fort Tornados oder Downbursts können bei diesem Gewittertyp am häufigsten vorkommen. 4 http://www.hprcc.unl.edu/nebraska/spc_radar.html Tornado Wind Patterns 5 Squall Lines Linienförmige (cs. 500 km) Aneinanderreihungen von Cumulonimben Oft mit heftigen Windböen verbunden; daher Böenlinie (engl. squall line). Bilden sich entlang und vor schnellen Kaltfronten und dry lines Squall lines im Sommer häufig über dem westlichen Afrika (südlich der Sahara) und über bestimmten Landgebieten der mittleren Breiten (insbesondere im zentralen und östlichen Teil der USA). Auch in Mitteleuropa ordnen sich manchmal in der Warmluftmasse vor einer Kaltfront Gewitterzellen linienförmig parallel zur Front an 6 Mesoskalige konvektive Systeme (MCS) Viele individuelle Gewitterzellen organisiert in einem kreisförmigen Cluster Slow-moving, lasting up to 12+ hours Sehr häufig in den Great Plains der kontinentalen US http://meted.ucar.edu/convectn/mcs/mcsweb/mcsframe.htm 7 Elektrizität in Gewittern Schönwetterfeld permanentes elektrisches Feld mit einer Potentialdifferenz von ∼300000 V zwischen der Erdoberfläche und der Elektrosphäre (∼ 50 km). 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 8 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 9 Ladungstrennung in Wolken ca. 40 000 Blitze täglich weltweit; ~80% Wolke-Wolke, ~20% Wolke-Boden Ladungstrennung innerhalb der Wolke: Positive Ladungen im oberen Teil, negative im unteren a) Thermoelektrischer Effekt: Leichte positiv geladene Eiskristalle steigen in hohe Regionen, schwere negativ geladene Teilchen fallen nach unten b) Induktion: Anziehung gegensätzlicher Ladungen; Durch positive Ladung der oberen Atmosphäre sind die fallenden Eispartikel oben negativ geladen; kleinere Kristalle mit positiver Ladung bewegen sich in oberen Wolkenbereich + + ––– +++ ––– – + Austausch von Ladungen bei Kollision ++– 10 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 11 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. 30 000 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 12 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 return-strokes, 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 13 Gewitter 14 Test vom Oktober 3.) Wie entstehen Gewitter? - Aufsteigen warmer Luft - Auf- und Abwinde innerhalb einer Thermikwolke erzeugen Reibung -> Ladungstrennung - Aufeinandertreffen kalter und warmer Luftmassen (Dichteströmung) - Reibung der Luftmassen/Luftpakete, Wolkenbildung - Spannungsunterschiede - große Wolken + elektrostatische Aufladung - große Temperaturunterschiede zwischen der 850 und 500 hPa Schicht -> starke Konvektion, hohe Wolkentürme - durch Konvektion in hochreichend labil geschichteter Luft - Gewitter entstehen durch Ladungstrennung, Entladung in Form eines Blitzes Keine Antwort: II 15 Wolken und Fronten T 16 Test vom Oktober 4.) Welche Strahlungsgesetze kennen Sie und was beschreiben diese? - Stefan-Boltzmann-Gesetz - Wien'sches Verschiebungsgesetz - Kirchhoff'sches Gesetz - Planck Keine Antwort II 5) Welche Partikel streuen elektromagnetische Strahlung in der Atmosphäre? Moleküle: O3,FCKW,H2O,CO2,CO Proton, Elektron, Ionen Aerosole, Wolken Wellenlängenabhängigkeit Keine Antwort IIIII IIIII I 17 Strahlung Strahlung beinhaltet: den Energietransport in Form von elektromagnetischen Wellen (elektromagnetische Strahlung). Eine elektromagnetische Welle hat die Energie E=hν mit ν der Frequenz der Welle und h=6.6263x10-34 Js dem Planckschen Wirkungsquantum. den Fluß schnell bewegter Teilchen (Teilchenstrahlung, Korpuskularstrahlung). Die Teilchenstrahlung aus Ionen, Elektronen, Protonen und Neutronen ist nur in der oberen Atmosphäre (Thermosphäre und Ionosphäre) von Bedeutung. Strahlung kann Energie ohne übertragendes Medium transportieren 18 Strahlung Erde und Atmosphäre absorbieren ständig solare Strahlung und emittieren ihre eigene Strahlung in den Weltraum: Über einen längeren Zeitraum entsprechen sich die absorbierte und die emittierte Strahlung fast ganz genau: Das System Erde-Atmosphäre befindet sich nahezu vollständig im Strahlungsgleichgewicht Wenn die elektromagnetische Strahlung aus einer einzigen, ganz bestimmten Wellenlänge besteht man von monochromatischer (einfarbiger) Strahlung. Die Gesamtheit aller möglichen monochromatischen Bestandteile der Gesamtstrahlung ergibt das elektromagnetische (Strahlungs-) Spektrum. Elektromagnetische Wellen entstehen (werden emittiert), wenn Moleküle auf einen niedrigeren Energiezustand (beschrieben u.a. durch Elektronen- konfiguration, Schwingungs- und Rotationszustand) übergehen. Werden elektromagnetische Wellen von einem Molekül absorbiert (vernichtet), dann gelangt das Molekül entsprechend auf einen höheren Energiezustand. 19 Elektromagnetisches Spektrum cVakuum ≈ c Luft = λ ⋅ν = 2.99793 ⋅10 8 m / s 20 Strahlungsquellen Solare Strahlung (0,2 - 5 μm) „Sonnenatmosphäre“ hat Temperatur von ca. 6000 K →1350 W/m2 am Erdatmosphärenoberrand, senkrecht zur Einstrahlungsrichtung (Solarkonstante) Terrestrische Strahlung (3 - 100 μm) Erdoberfläche, T ca. 300 K, kontinuierliches Spektrum Atmosphärische Gase, T ca. 200 – 300 K, spektral differenziert - Rotationsübergänge - Vibrationsübergänge - Elektronenübergänge Niederschlag, Wolken, Aerosole, T ca. 200 – 300 K, kont. Spektrum 21 Absorption von Strahlung in der Atmosphäre 22
