KLIMASYSTEM - ETH Zürich
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Vorlesung Erd- und Produktionssystseme, Herbstsemester 2007 1 Klimasystem und Wasserkreislauf Christoph Schär Institut für Atmosphäre und Klima ETH Zürich http://www.iac.ethz.ch/people/schaer TEIL 2 Das Klimasystem Schär, ETH Zürich 2 TEIL 2: KLIMASYSTEM Kapitel 5. Die Energiebilanz der Erde Kapitel 6. Rolle des Wassers im Klimasystem Kapitel 7. Allgemeine Zirkulation der Ozeane Kapitel 8. Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Kapitel 9. Klimazonen Schär, ETH Zürich 1 3 Kapitel 5: Die Globale Energiebilanz reflektierte sichtbare Strahlung sichtbare Strahlung Sonne emittierte InfrarotStrahlung Aerosole CO2 Energie-Input = Energie-Output Schär, ETH Zürich 4 Einfallende Sonnenstrahlung extraterrestrische Sonnenstrahlung So = 1367 W / m2 Erdoberfläche 4 π r2 Mittlere einfallende Sonnenstrahlung Schär, ETH Zürich Erdschatten π r2 S= 1 S 4 o 2 5 Wärmestrahlung: Stefan Boltzmann Gesetz Ultraviolett sichtbar Jeder Körper strahlt entsprechend seiner Temperatur und Emissivität elektromagnetische Strahlung ab. Infrarot Strahlungsdichte Die Wellenlänge maximaler Intensität nimmt mit der Temperatur ab (Wien’sches Verschiebungsgesetz, 1893) Die abgestrahlte Energie nimmt mit der Temperatur zu (Stefan-Boltzmann Gesetz, 1879, 1884): Leistung = σT 4 Fläche Wellenlänge [nm] Schär, ETH Zürich € 1 nm = 10–9 m = 10–3 µm [W/m2] Der gesamte Sachverhalt wird durch das Planck’sche Strahlungsgesetz beschrieben (1900) 6 Energiebilanz ohne Atmosphäre Short Wave –100% Long Wave +33% Energiebilanz der Erdoberfläche +67% EInput = EOutput So S 4 = α o + σT E 4 4 So/4 Albedo α≈0.3 +67% –67% Ohne Atmosphäre existiert ein Strahlungsgleichgewicht an der Erdoberfläche. Stefan Boltzmann σ ≈ 5.67x10–8 W/(m2 K4) TE S (1− α ) TE = 4 o ≈ 255 K 4σ Beobachtete Oberflächentemperatur: 288 K Schär, ETH Zürich 3 7 Energiebilanz mit einer idealisierten Atmosphäre Short Wave –100% Long Wave +33% Energiebilanz des Weltraums +67% So S = α o + σT 4A 4 4 So/4 TA +67% –133% +67% TE S (1− α ) TA = 4 o ≈ 255 K 4σ Energiebilanz der “Atmosphäre” σ TE4 = 2 σ T 4A Annahmen: • anstelle einer Atmosphäre: dünne Scheibe mit T=TA • transparent für Licht • schwarz für infrarotes Licht TE = 4 2 T A = 1.19 T A = 303 K Schär, ETH Zürich 9 Idealisierte Atmosphäre Reale Atmosphäre Short Wave Long Wave +67% In –100% der wirklichen+33% Atmosphäre wirken Treibhausgase und Wolken ähnlich wie die Scheibe in einem Treibhaus: Short Wave –100% Short Wave Long Wave +33% –100% +67% Long Wave +33% +67% TA +67% –67% TE = 255 K TE +67% –133% +67% H2O CO2 CH4 TE +67% +67% Beobachtet: T–133% E = 288 K TE =303 K TA = 255 K Treibhaus-Effekt Allerdings: Wolken sind intransparent für sichtbare Strahlung. Im Mittel kühlen sie am Tag und wärmen in der Nacht. Schär, ETH Zürich 4 10 λE [normalized] Atmosphärische Strahlung (Clear-Sky) shortwave longwave Absorption [%] visible Wavelength [µ] (Peixoto and Oort, 1992) Schär, ETH Zürich 11 Globale Energiebilanz Short Wave –100% Long Wave +22% +8% CO2 H20 –58% al glob on ti radia +28% Space +10% +60% +42% –113% +101% +5% +25% Sensible Latent Heat Heat –5% Atmosphere –25% Land / Ocean Transport von Wärme und Wasserdampf Schär, ETH Zürich (based on data of Ohmura and Wild) 5 12 Einfallende Sonnenstrahlung W/m2 Einstrahlung an der Obergrenze der Atmosphäre als Funktion der Breite und Jahreszeit. Latitude Einflüsse: • Geographische Breite => Maximum in Tropen • Neigung der Erdachse von 23.45o => Jahresgang • Exzentrizität der Erdumlaufbahn (Distanz zur Sonne zwischen 1.017 und 0.983 AU, 1 AU=1.496x1011m) Month (Hartmann, 1994) Schär, ETH Zürich 13 Radiation balance [W/m2] Zonale Energiebilanz Surplus Deficit Emitted Longwave Absorbed Solar Der Wärmetransport wird durch die Strömungen der Atmosphäre und der Ozeane bewerkstelligt. Total Northward energy transport [1015 W] Ergibt eine Netto-Erwärmung in den Tropen, und eine Netto-Abkühlung in den polaren Regionen Diese Asymmetrie wird durch Wärmetransport ausgeglichen. Latitude Ocean Atmosphere –60 Schär, ETH Zürich Faktoren: • Absorbierte Sonnenstrahlung • Emittierte Wärmestrahlung –30 0 30 Latitude 60 (Hartmann, 1994; Peixoto and Oort, 1992) 6 14 KAPITEL 6: Rolle des Wassers im Klimasystem Treibhauseffekt von Wasserdampf Wolken-Albedo Feedback Eis/Schnee-Albedo Feedback Latente Wärme im Klimasystem Thermische Trägheit von Wasser und Eis Schär, ETH Zürich 15 Wasser beeinflusst Strahlungshaushalt Sichtbar: Dunkle Regionen: Erde absorbiert sichtbare Sonnenstrahlung Schär, ETH Zürich Infrarot: Dunkle Regionen: Erde emittiert Infrarotstrahlung in den Weltraum 7 16 Absorption durch Spurengase – Treibhauseffekt shortwave H2O-Dampf ist das wichtigste Treibhausgas, nicht CO2 ! longwave Absorption [%] CH4 N2O CO2 ist das wichtigste vom Menschen beeinflusste Treibhausgas O2,O3 CO2 H2O Wellenlänge [µ] (Peixoto and Oort, 1992) Schär, ETH Zürich 17 Albedo-Feedback Oberfläche Wolken Albedo = Anteil der reflektierten Sonnenstrahlung Short Wave S –100% Long Wave +33% +67% Schär, ETH Zürich S·α See, Ozean +67% –67% Eis Schnee Gras Wald Globales Mittel Bedingungen 100 m dick 500 m dick Zenitwinkel 30° 60° 85° alt-frisch Albedo α 0.4 0.7 0.05 0.10 0.6 0.25-0.35 0.45-0.85 0.2-0.3 0.1-0.2 0.3 Oberfläche und Bewölkung sind wichtig für globale Energiebilanz: • Wolken-Albedo Feedback • Schnee/Eis-Albedo Feedback • Vegetation-Albedo Feedback 8 18 Latente Wärme im Klimasystem Beim Verdunsten von Wasser muss Wärme aufgewendet werden, beim Kondensieren wird dieser Wärme wieder frei. Kondensation Erwärmung Verdunstung Abkühlung Verdunstung / Kondensation ist mit einem impliziten Wärmetransport verknüpft. Anstelle von Wärme wird aber Wasserdampf transportiert. Man spricht deshalb von der “latenten Wärme”. Schär, ETH Zürich 19 Phasenübergänge des Wassers ← Freeze ~340 J/g Melt → Ice ← Condensate ~2450 J/g Evaporate → Water Vapor ← Resublimate ~2790 J/g Sublimate → Schär, ETH Zürich 9 21 Energieumsätze bei Erwärmung/Phasenwechsel 340 J/g 420 J/g 2450 J/g Temperatur [ºC] 100 Wasserdampf Waser und Wasserdampf ∆E=Lw-d 80 60 ∆E=cp,Dampf·∆T Wasser ∆E=cp,Wasser·∆T 40 20 Eis und Wasser ∆E=Le-w 0 -20 -40 Eis ∆E=cp,Eis·∆T 0 Schär, ETH Zürich 1000 2000 Energieinput [J/g] 3000 Bei der Erwärmung von Eis (0ºC) zu Wasserdampf (100ºC) wird 86% der Energie in die Phasenübergäge gesteckt und nur 14% in die eigentliche Erwärmung! 26 Inhalt Kapitel 5. Die Energiebilanz der Erde Kapitel 6. Rolle des Wassers im Klimasystem Kapitel 7. Allgemeine Zirkulation der Ozeane Kapitel 8. Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Kapitel 9. Klimazonen Schär, ETH Zürich 10 27 Vertikale Struktur des Ozeans Jahresmittel Jahresgang (50°N) Salinität [‰] Dichte [ρ–1000 kg/m3] Oberflächenwasser Thermokline Tiefe [m] Dichte Salinität Tiefenwasser Temperatur Temperatur [°C] (Hartmann 1996) Schär, ETH Zürich 28 Temperatur und Salinität im Ozean Schär, ETH Zürich 11 29 Meeresströmungen Westwindgürtel Passatwindgürtel Westwindgürtel Western Boundary Current Eastern Boundary Current (Peixoto and Oort 1992) Schär, ETH Zürich 30 Meeresströmungen Oberflächliche Meeresströmungen werden durch Wind angetrieben Sie bestimmen Temperaturverteilung (z.B. Abweichung vom zonalen Mittel) Leisten einen Beitrag zum meridionalen Temperaturtransport Deviation of July sea-surface temperature (SST) from zonal average. Values less than –1ºC are shaded. Schär, ETH Zürich (Hartmann 1996) 12 31 Tiefe Ozeanische Zirkulation (Termohaline Zirkulation) • Tiefe Ozeanzirkulation wird durch DichteUnterschiede angetrieben (Temperatur und Salinität => „thermohalin“) Energy Transport [10 15 W] Ocean Conveyor Belt (Schematic) N S • Beeinflusst den meridionalen Wärmetransport Schär, ETH Zürich 32 Kohlenstoff-Kreislauf und Ozeanzirkulation Anthropogene C-Konzentration in den Ozeanen. Das im Vergleich tiefere Eindringen im Nordatlantik ist durch die thermohaline Zirkulation verursacht. Schär, ETH Zürich (Sarmiento and Gruber 1992) 13 33 Meereis Feb 9, 2000 June 11, 2001 In den Polarregionen sind Atmosphäre (kalt) und Ozean (warm) durch eine dünne Schicht Meereis voneinander isoliert. Hat grosse Bedeutung für Energieaustausch. Schär, ETH Zürich 34 Polareis und Meereis Schär, ETH Zürich (Peixoto and Oort 1992) 14 35 Seasonal Variations of Snow and Sea Ice Sea Ice Cover Area [ 106 km2] Snow Cover land surface area: 149·106 km2 sea surface area: 361·106 km2 (Peixoto and Oort 1992) Schär, ETH Zürich 36 Inhalt Kapitel 5. Die Energiebilanz der Erde Kapitel 6. Rolle des Wassers im Klimasystem Kapitel 7. Allgemeine Zirkulation der Ozeane Kapitel 8. Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Kapitel 9. Klimazonen Schär, ETH Zürich 15 37 Struktur der Atmosphäre Density Pressure [hPa] [g/cm3] Height [km] 10–4 10–6 100 10–3 10–5 10–2 10–4 10–1 Thermosphere 90 80 70 Mesosphere Mesosphere 60 10–3 1 10–2 10 50 40 10–1 102 1 103 30 Stratosphere 20 10 Troposphere –100 –80 –60 –40 –20 0 20 oC Temperature Schär, ETH Zürich 39 Die Hadley Zirkulation Altitude Hadley Circulation Passat Passat Innertropische Konvergenzzone Schär, ETH Zürich 16 41 Mittlere Meridionale Zirkulation (N und S-Komponente) [kg/s] Altitude [km] Zonal gemittelter Massenfluss • Hadley Zirkulation ist viel stärker auf der Winterhemisphäre [kg/s] • Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) verschiebt sich gegen Sommerhemisphäre • Zonal gemittelte Zirkulation in den Aussertropen ist sehr schwach (Hartmann, 1994) Schär, ETH Zürich 42 Rolle der Hadley-Zirkulation für Vegetation Höhe [km] 0 10 20 Meridionale Zirkulation (Jahresmittel) Schär, ETH Zürich 17 43 Mittlere Zonale Zirkulation (O und W-Komponente) [m/s] Altitude [km] Aussertropischer Westwindgürtel (Jetstream): • Ist verknüpft mit dem warm/kalt Kontrast vom Äquator zu den Polen [m/s] • Stärker in Winterhemisphäre • Ist verantwortlich für die Bildung von Hochund Tiefdruckgebieten (Hartmann, 1994) Schär, ETH Zürich 44 Beispiel eine Tiefdruckgebiets: 850 hPa=1.5 km über Grund L Temperatur: in Farbe Geopotential (Druck): Kontouren Transportiert warme Luft nach Nord und kalte Luft nach Süd Schär, ETH Zürich 18 45 Niederschlag L Schär, ETH Zürich 46 IR Satellite Picture L Schär, ETH Zürich 19 47 Relative Feuchte L Rel. Feuchte 850 hPa: in Farbe Bodendruck: Kontouren Transportiert feuchte Luft nach Nord und trockene Luft nach Süd Schär, ETH Zürich 53 Zugbahnen der Tiefdruckgebiete • Tiefdruckgebiete bilden sich vorzugsweise im Osten der Kontinente • Auf der Nordhemisphäre ergibt sich die Atlantische und Pazifische Zugbahn Schär, ETH Zürich (James, 1994) 20 54 Mittlerer Bodendruck L H L H Juli L H H Januar Wichtige Druckzentren Eurasiens: • Azorenhoch • Islandtief • Sibirische Antizyklone (ERA-15, 1979-93 mean) Schär, ETH Zürich 55 Inhalt Kapitel 5. Die Energiebilanz der Erde Kapitel 6. Rolle des Wassers im Klimasystem Kapitel 7. Allgemeine Zirkulation der Ozeane Kapitel 8. Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Kapitel 9. Klimazonen Schär, ETH Zürich 21 56 Klimazonen Köppen Climates Tropical Dry Monsoon type Steppe Desert No dry season Cold Distinct dry season General cold Temperate Weak P seasonality General temperate Monsoon Type Weak P seasonality Winter dry season Polar All polar subtypes Summer dry season International River Basin Schär, ETH Zürich 22
