Vorlesung - IUP
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Einführung in Atmosphäre und Klima Wintersemester 2014/2015 Termine: Vorlesung: Übungsgruppe: Dienstag 11 – 13 in S-3121 Dienstag 13 – 14 in S-3121 Beginn: 14.10.2014 Ende: 27.01.2015 Dozenten: PD Dr. Annette Ladstätter-Weissenmayer Zimmer: U2085 (NW 1) Telephon: 0421-218-62105 [email protected] Dr. Max Reuter Zimmer: S4370 (NW 1) Telephon: 0421-218-62085 [email protected] Übungsgruppenleiter: Michael Hilker Zimmer: S4370 (NW 1) Telephon: 0421-218-62085 [email protected] Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Allgemeine Hinweise Übungsgruppe: • Insgesamt gibt es 12 Übungszettel • Der erste Zettel wird am 14.10. ausgeteilt, am 21.10. abgegeben und am 28.10. besprochen • Übungszettel werden in der Vorlesung ausgeteilt Die erste Übungsgruppe findet am 21.10. statt Übungszettel und Folien zur Vorlesung sind online verfügbar: http://www.iup.uni-bremen.de/~mreuter/eak/ Laborbesichtigung: Interesse? Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Vorlesung, Tutorium und Prüfung Vorlesung und Tutorium • Regelmäßige Teilnahme an Vorlesung und Tutorium (inkl. Vorrechnen) wird erwartet Mündliche Abschlussprüfung • Modulprüfung in Verbindung mit Ozeanographie (außer Lehramt-Studenten) • Punkte der Übungsaufgaben fließen in die Gesamtnote ein Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Literatur Das Buch zur Vorlesung • Roedel, W. Physik unserer Umwelt: die Atmosphäre (4. Auflage!) Springer, ISBN: 3-54067180-3, 498 p., 2000. Atmosphärenwissenschaften (Physik/Chemie) allgemein: • Finlayson-Pitts, B., J. Chemistry Of The Upper And Lower Atmosphere: Theory, Experiments, and Applications Academic Press, San Diego, London, 2000. • Wayne, R. P. Chemistry of Atmospheres Oxford University Press, ISBN10: 019850375X, 806 p., 2000. Strahlungstransport: • Liou, K. N. An Introduction to Atmospheric Radiation Academic Press, International Geophysical Series, Vol. 84, ISBN: 0124514510, 583 p., 2002. Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Übersicht VL Datum Thema Dozent(in) 1 14.10.2014 Einführung & Vert. Struktur der Atmos. Reuter 2 21.10.2014 Strahlung I Reuter 3 28.10.2014 Strahlung II Reuter 4 04.11.2014 Strahlung III Reuter 5 11.11.2014 Chemie der Stratosphäre Ladstätter-Weissenmayer 6 18.11.2014 Chemie der Troposphäre I Ladstätter-Weissenmayer 7 25.11.2014 Chemie der Troposphäre II Ladstätter-Weissenmayer 8 02.12.2014 Der H2O Kreislauf Ladstätter-Weissenmayer 9 09.12.2014 Dynamik I Reuter 10 16.12.2014 Dynamik II Reuter 11 06.01.2015 Dynamik III Reuter 12 13.01.2015 Klima I Reuter 13 20.01.2015 Klima II Reuter 14 27.01 .2015 Zusammenfassung Ladstätter-Weissenmayer Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Vertikale Struktur der Atmosphäre • Druckprofil • Temperaturprofil • Trockenadiabatischer Temperaturgradient • Potentielle Temperatur • Schichtungsstabilität • Feuchtadiabatischer Temperaturgradient • Föhn Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Kittingers Sprung aus über 31km Höhe (1960) www.wikipedia.de www.wikipedia.de www.wikipedia.de www.youtube.de / ZDF Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Druckprofil Herleitung der Barometrischen Höhenformel • Annahme: Hydrostatisches Gleichgewicht → Zusammenhang zwischen dp und dz (ρ(z) unbekannt) • Annahme: Luft ist ein ideales Gas → Ersetzen von ρ(z) liefert lin. Differentialgl. 1.Ord. • Annahme: T(z) =const. → Integration liefert Barometrische Höhenformel pz p0e Mg z RT M=Molmasse (28.97g/mol), g = Erdbeschleunigung, R = univers. Gaskonstante (8.315 J/(K mol)), p0 = Bodendruck Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Druckprofil Temperaturabhängigkeit der Barometrischen Höhenformel, Skalenhöhe • Berücksichtigung von T(z) bei der Integration pz p0e Mg z RTharm Tharm harmonisches Mittel • Definition Skalenhöhe: RT z0 Mg pz p0e z / z0 Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Druckprofil Folgerungen aus der Barometrischen Höhenformel und der Skalenhöhe • Aus Hydrostatischer Annahme folgt: Der Bodendruck ist ein Maß für die Gesamtzahl von Teilchen in der Luftsäule bzw.: p ~ m ~ N • • • • • 1013hPa Bodendruck entsprechen einer Luftsäule mit etwa 10t pro m2 Je kleiner die Temperatur, desto größer die Druckabnahme pro Meter Alle ~5.5km halbiert sich der Luftdruck Auf Meereshöhe fällt der Druck etwa alle 8m um 1hPa Die Skalenhöhe beträgt für Luft etwa 8km Wäre die gesamte Atmosphäre homogen, hätte sie Skalenhöhe: M 0 0 z0 M0 = Masse der Luftsäule, ρ0 = Dichte am Boden Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Druckprofil Vergleich barometrische Höhenformel und US-Standard Atmosphäre Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Zusammensetzung der Luftsäule Substanz Chemische Formel Volumenanteil an Luft Hauptquellen Molekularer Stickstoff N2 78.084% Biogen Molekularer Sauerstoff O2 20.948% Biogen Argon Ar 0.923% Inert Kohlendioxid CO2 ca. 380 ppmv Biologisch, anthropogen Neon Ne 18.18 ppmv Inert Helium He 5.24 ppmv Inert Methan CH4 ca. 1.9 ppmv Biogen, anthropogen Molekularer Wasserstoff H2 0.55 ppmv Lachgas N2O 0.31 ppmv Kohlenmonoxid CO 50 – 200 ppbv Photochemisch, anthropogen Ozon (Troposphäre) O3 10 – 500 ppbv Photochemisch Ozon (Stratosphäre) O3 0.5 – 10 ppmv Photochemisch Kohlenwasserstoffe ohne Methan 5 – 20 ppbv Biogen, anthropogen Halogenverbindungen 3.8 ppbv 85% anthropogen Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Homosphäre / Heterosphäre • Die Skalenhöhe hängt von der Molmasse der Luftmoleküle ab • Da die Unterschiedlichen Moleküle verschiedene Molmassen haben, könnte man annehmen, dass die Luft sich entmischen müsste • Dies wird jedoch erst oberhalb von etwa 85km beobachtet • Molekular-kinetische Prozesse sind in der Homosphäre vernachlässigbar Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Temperaturprofil Herleitung trockenadiabatischer Temperaturgradient I • Herleitung eines theoretischen Temperaturprofils aus thermodynamischen Grundlagen • Definition adiabatisch: Eine adiabatische Zustandsänderung ist eine thermodynamische Zustandsänderung, bei der keine thermische Energie mit der Umgebung ausgetauscht wird • Definition trockenadiabatisch: Keine Kondensation von Wasser • Annahme: Ein Luftpaket wird am Boden erwärmt und steigt auf • Annahme: Der Aufstieg geschieht ohne Energieaustausch mit umgebenden Luftmassen durch Strahlung oder Wärmeleitung • In höheren Luftschichten ist der Druck geringer → Ausdehnung • Ausdehnung bedeutet Arbeit gegen den Luftdruck • Diese Arbeit wird der Inneren Energie der aufsteigenden Luft entzogen → Abkühlung Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Temperaturprofil Herleitung trockenadiabatischer Temperaturgradient II • Energiesatz der Thermodynamik sagt: Innere Energie = zugeführte Wärme + geleistete Arbeit • Änderung der innere Energie als Änderung der Temperatur ausdrücken • Änderung der geleisteten Arbeit als Änderung des Volumens ausdrücken • Annahme: keine Zuführung von Wärmeenergie (adiabatisch) • Ideales Gasgesetz verwenden um Volumenabhängigkeiten durch Druck und Temperatur auszudrücken • Verwendung der Barometrischen Höhenformel um Druckänderung als Höhenänderung auszudrücken • Der umgeformte Energiesatz besagt: Die Summe aus potentieller und thermischer Energie bleibt erhalten • Trockenadiabatischer Temperaturgradient Γ: dT Mg 1 K 100m dz cp cp = Molwärme bei konstantem Druck (etwa 29J/(K mol)) Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Potentielle Temperatur • • • • Γtrocken resultiert aus Umwandlung von thermischer in potentielle Energie Die Summe von Epot und Etherm ist konstant Die potentielle Temperatur θ ist ein Maß für die Gesamtenergie Sie ist definiert als die Temperatur, die ein Luftpaket bei trockenadiabatischer Absenkung auf meteorologischen Normaldruck annehmen würde p T 0 p 1 potentielle Temperatur c p cV Isentropenexponent 1.4 Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Schichtungsstabilität • • • • • • • • Stabil unteradiabatisch (γ < Γ) Anhebung Luftpaket → adiabatische Abkühlung Das angehobene Luftpaket ist kälter als die Umgebung → höhere Dichte → Absinken Die potentielle Temperatur des angehobenen Luftpakets ist kleiner als die der Umgebung Roedel, 1994 (Abb. 2.9) Labil überadiabatisch (γ > Γ) Anhebung Luftpaket → adiabatische Abkühlung Das angehobene Luftpaket ist wärmer als die Umgebung → geringere Dichte → Aufstieg Die potentielle Temperatur des angehobenen Luftpakets ist größer als die der Umgebung Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Temperaturprofil Herleitung feuchtadiabatischer Temperaturgradient • Abkühlung unter Sättigungsgrenze von H2O → Wolken bzw. Regen • Verdunstungswärme wird frei (≈2500J/g) • Dies wirkt der Abkühlung entgegen → Kompensation Entzug von innerer Energie feucht trocken • Feuchtadiabatischer Temperaturgradient feucht dT M g p dz C p R T L d w p dT Roedel, 1994 (Abb. 2.2) • Spezialfall Γtrocken d w dT 0 feucht trocken • Je größer T, desto kleiner Γfeucht • Für T≈0°C und p≈500hPa gilt feucht 0.5K 100m w Wasserdampfdichte bei Sättigung Roedel, 1994 (Abb. 2.3) Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Temperaturprofil Troposphäre Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Temperaturprofil vollständig Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Föhn Prinzip http://www.m-forkel.de/klima/index.html Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Föhn vom Satelliten (MSG SEVIRI) Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015 Föhn Profile von Temperatur und relativer Feuchte Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weißenmayer / M. Reuter, Wintersemester 2014/2015
