Prüfung Flashcards
Schadstoffe
- primär
- direkt durch menschliche Handlung verursacht
- CO, NO, SO2, NO2, NH3= Feinstaub
Schadstoffe
- sekundär
entsteht erst in der Atmosphäre durch Umwandlungsprozess
- Ozon, H2SO4, H2O2, SO3
Verschiedene Messarten von Schadstoffen
Punktmessung
- fester Messpunkt wo regelmäßig gemessen wird
“Messbus”
- Auto das durch die Stadt fährt und Mist
Flow-following
- Ein Ballon der mit dem wind schwebt und msit
Urban Canopy Layer
- Luftschicht unter den Bäumen und Häusern
- von vielen Faktoren abhängig wegen den verschiedenen Oberflächen und Reflexion
Urban boundary Layer
- wird durch Luftströme überhalb der Stadt erzeugt
- Mesoscale Phenomen, das durch die Oberflächen bestimmt wird
Stratosphäre
- von Tropopause bis statopause
- umso höher umso wärmer
- vertikale durchmischen langsam
- Ozonschicht - Absorption von ultravioletter Strahlung
Troposphäre
- abnehmende Temperatur - starke vertikale Vermischung
- bis Tropopause
- > höher in Tropen als an der Polen
Meteologsiche elemente
- wichtigsten Variablen die ein Luftpaket beschreiben
Skalare
- Temperatur, druck
Vektoren
- Geschwindigkeit
Matrizen
- Schubspannungstensor
Thermodynamik
- nullte Hauptsatz
- Zustandsgröße ist die Temperatur
- stehen system A und B und B und C im Gleichgewicht so stehen auch A und C im Gleichgewicht
Thermodynamik
- erster Hauptsatz
- die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant
- für ein abgeschlossenes System gilt der Satz der Erhaltung der Energie
Thermodynamik
- zweiter Hauptsatz
- gibt Auskunft über die Richtung thermodynamischen Prozesse
- Wärme fließt stets von Warm nach Kalt
Druck (p) ist direkt proportional zur…
…Anzahl der Luftmoleküle (N), wenn N zunimmt steigt p
…Tempertaur (T), wenn T steigt steigt p
-> p=N*T/V
V=Volumen
erstes Gesetz von Gay-Lussac
- isobare Zustandsveränderung
ein Gas bei gleichem Druck und weniger Volumen erhitzt sich
zweites Gesetz von Gay-Lussac
- isochore Zustandsveränderung
erhöht man den Druck eines Gases bei gleichem Volumen erhitzt es sich
Dalton`sches Gesetz der Partialdrücke
- jedes Gas besitzt bei gleichem Volumen unterschiedlichen Druck -> Partialdrücke
- Druck eines Gemisches ist gleich wie der Partialdruck der einzelnen Komponenten
- feuchte Luft hat eine geringe Molmasse als trockene Luft
virtuelle Temperatur
- fiktive Größe um die Luftfeuchtigkeit in der Gasgleichung zu berücksichtigen -> virtuelle Temperatur Tv
- Tv ist die Temperatur die trockene Luft annehmen müsste um bei gleichem Druck die gleiche Dichte wie feuchte Luft zu bekommen
- trockene Luft ist immer dichter deshalb ist die Tv immer höher als die echte Luft
Wie entstehen Winde?
Druck und Temperatur Veränderungen führen zu großskaligen Bewegungen, die diese auszugleichen versuchen
Wind in der höhe und auf dem Boden
Höhe
Druckgradientkraft(PGF) und Coroliskraft(CK) bestimmen Windrichtung
Bodenniveau
Druckgradientkraft(PGF), Coroliskraft(CK) und Reibungsverlust bestimmen Windrichtung
geostrohfischer wind
entsteht durch Gleichgewicht von Druckgradient-Kraft(PGF) und Corioliskraft(CF)
-> nur in tropischer Höhe besondern ausgeprägt als Jetstream
Wie entsteht ein Hochdruckgebiet?
- entsteht beim absinken der Luftmasse -> Luft wird komprimiert -> Temperatur steigt-> Luftsäule trocknet (adiabatische Kompression)
Schönes Wetter, klare Sicht
Wie entsteht ein Tiefdruckgebiet?
entsteht beim Aufsteigen der Luftmasse -> dabei Abkühlung -> Kondensation (feuchtadiabatische Prozesse)
Wolkenbildung, Niederschlagsbildung
Was ist Konvektion?
- Transport physikalische Zustandsgrößen in strömenden Gasen
- Wärmeübertragung erfolgt durch die Strömung von Materie, welche thermische Energie mitführt
fühlbarer Wärmestrom Qh
- führt zur Erwärmung der Atmosphäre infolge turbulenter Wärmeleitung, die von der Erdoberfläche aus geht und nach oben hin fortschreitet
turbulenter Strom latenter Wärme Qe
- charakterisiert den Wasserdampftransport
- hier wird die durch die Verdunstung am Boden verbrauchte und in der Kondensation in den Wolken wieder in die Atmosphäre abgegebene Wärme betrachtet
Grund für Konvektion ist die Sonneneinstrahlung -> erwärmung der bodennahen Luft
Wärmeprozesse, konduktion
in fest und flüssigen Körpern findet eine molekulare Wärmeübertragung durch Leitung statt, sofern ein Temperaturgradient vorhanden ist
der entstehende Wärmestrom ist der Temperaturdifferenz proportional
die Temperatur die als Folge eintritt, erhält man aus der Energiebilanz der ruhenden Flüssigkeit mit konstanter Dichte p
Vertikalbewegung in der Atmosphäre resultiert aus…
…Konvektion
…Konvergenz oder Divergenz horizontaler Strömung
…Orthographischer Hebung
…Auftrieb durch Freisetzung latenter Wärme bei Kondensation
Konvergenz horizontaler Strömungen
Zusammenfließen von Luftmassen
Divergenz horizontaler Strömungen
Auseinanderliegen von Luftmassen
Horizontaler Strömung über Gelände (orthographische Hebung)
− beim Hinaufströmen auf ein Gebirge entsteht Abkühlung und damit Kondensation, Wolkenbildung, Niederschlag
− in Städten spielen Gebäude wesentliche Rolle, obwohl sie nicht genug hoch sind, zu Kondensationshervorrufen
− entscheidend für Bildung Gewitterwolken
Auftrieb durch die Freisetzung latenter Wärme
− erzwungener Auftrieb durch die Freisetzung latenter Wärme, die die Luftpaket weiter erwärmt und weitere Aufsteigen fördert
− entscheidend für Bildung der Gewitterwölken – ohne diese zusätzliche Energie, würden die Luftmassen nicht hoch genug aufsteigen
Adiabatische Prozesse
Wenn sich der physikalische Zustand eines Materials ändert (z. B. Druck, Volumen, Temperatur)
ohne dass Wärme zu-, oder abgeführt wird, dann wird diese Änderung als adiabatisch bezeichnet.
Trockene / Feuchte adiabatische Prozesse
- das Luftpaket in 1000 m Höhe, T = 10°C
- es steigt auf → Abkühlung entsprechend dem trockenadiabatischen Gradient um 1°C/100 m
- weite Aufsteigung, Abkühlung
- bei bestimmten Punkt erreicht es in Bezug auf seinen Wasserdampfgehalt die relative Feuchtigkeit von 100% = Sättigung
- Kondensation → Auskühlung folgt seit jetzt den feuchtadiabatischen Gradient
- die Abkühlung ist langsamer, weil es durch die aus der Kondensation freisetzende latente Wärme verringert wird
Luftfeuchtigkeit
− Wasserdampf in der Atmosphäre nicht homogen verteilt
− der Wasserdampf spielt eine überragende Rolle in der Atmosphäre
→ Wolkenbildung,Niederschläge, Nebel, nasse Deposition von Stoffen, das wichtigste Treibhausgas!
− Wasser ist der einzige Stoff, die in der Atmosphäre in allen drei Phasen vorkommt
− bei den Phasenumwandlungen werden großen Energiebeträge gebraucht oder freigesetzt
− dazu auch hohe energetische Wirksamkeit bei den Strahlungs-Emissionen und Strahlungs-
Absorption durch die Wassermoleküle
Sättigungsdampfdruck [Pa]
- der Druck bei dem der gasförmige Aggregatzustand sich mit dem flüssigen oder festen Aggregatzustand im Gleichgewicht befindet
− direkt von Temperatur des Stoffes abhängig
− er ist ein Maß für die maximal mögliche Wasserdampfmenge, die bei einer bestimmten
Temperatur in einem Luftvolumen gehalten werden kann, ohne dass es zur Deposition oder
Kondensation kommt
− je wärmer das Luftpaket, desto größer der Sättigungsdampfdruck dieses Luftpakets, desto
mehr Wasserdampf kann die Luft halten
Spezifische Feuchte [-]
- gibt die Masse des Wasserdampfes an, die sich in einer bestimmten Masse feuchter Luft befindet.
- Der Zahlenwertbereich geht von 0 zu 1, wobei für trockene Luft q = 0 ist und für luftfreien Dampf bzw. flüssiges Wasser s=1 ist
Absolute Feuchte [g/m3]
− die Menge an Wasserdampf die in einem Kubikmeter Luft enthalten ist
− diese Größe hat einen Nachteil
→ sie ändert sich bei einer Volumenänderung, obwohl der Wasserdampfgehalt gleich bleibt!
Relative Feuchte [- oder %]
− praktischer als absolute Feuchte
− das Verhältnis zwischen Mischungsverhältnis und dem gesättigten Mischungsverhältnis bei
vorliegender Temperatur
− d.h. Wie viel Prozent der möglichen Sättigung ist in diesem Luftpaket erreicht entsprechend
seiner Temperatur?
Taupunkt
− diejenige Temperatur, die bei bestimmtem Druck unterschritten werden muss, damit Wasserdampf als Tau oder Nebel kondensieren anfängt
− je wärmere Luft, desto mehr Wasser kann sie aufnehmen
− am Taupunkt beträgt die relative Feuchtigkeit 100% und die Luft ist mit Wasserdampf gesättigt
Temperaturgradient
- Änderung der Temperatur über ein Höhensegment
− obwohl sich die Temperatur in der Atmosphäre auf unterschiedliche Weise mit der Höhe ändern kann, ist für nicht allzu große Höhenintervalle eine lineare Temperaturabnahme typisch
trockenadiabatische Temperaturgradient
o Abkühlung aufgrund der Ausdehnung, die mit Druckabnahme verbunden ist o 0,98 K /100 m bzw. 1K / 100 m
o gilt solange die relative Feuchtigkeit unter 100% bleibt
o keine Überschreitung des Taupunkts und folglich Kondensation erfolgt
der feuchtadiabatische Temperaturgradient
gibt die Änderung der aufsteigenden Luft, in welcher Wasserdampf kondensiert
o 0,5-0,7 K / 100 m
o die Abkühlung infolge der Ausdehnung (trockenadiabatische Abkühlung) wird teilweise durch die freiwerdende Verdunstungswärme des Wassers kompensiert
o bei Verdunstung wird Wärme gebraucht, deswegen ist das bei der Kondensation wieder freigesetzt
Differenz zwischen TTG und aktuellen TG
ist ein Maß für die thermische Stabilität der Schichtung gegenüber Vertikalbewegungen
-> Eindruck über die Stabilität der Atmosphäre
über/unter adiabatische Schichtung
Latente Wärme bzw. Umwandlungswärme
− die Wärmemenge, die bei der Änderung fester, flüssiger oder gasförmiger Aggregatzustände verbraucht oder freigesetzt wird
− !! in Klimatologie wird damit die bei der Verdunstung des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs verbrauchte Energie bezeichnet
− diese Energie wird bei Kondensation des Wasserdampfes wieder in fühlbare Wärme überführt
− je nach Art der Zustandsänderung spricht man auch von
Verdunstungswärme,
Schmelzwärme,
Sublimationswärme (aber hier mit latenter Wärme nur die Verdunstungswärme gemeint)
potentielle Temperatur (fiktives Temperaturmaß)
− Sie dient in der Meteorologie dazu, die Temperatur von Luft unterschiedlicher Höhen miteinander vergleichbar zu machen, d. h. unterschiedliche Drucke berücksichtigen
− Die potentielle Temperatur ist ein Maß für die Summe aus innerer Energie (örtlicher Temperatur) und potentieller Energie (Höhe/Tiefe)
− Die potentielle Temperatur ist jene Temperatur, die ein Gas- oder Flüssigkeitspaket hätte, wenn man es durch eine adiabatische Zustandsänderung auf einen Normaldruck p0 (1013,25 hPa) bringen würde
Überadiabatische Schichtung
- Labil
− Nimmt die aktuelle Temperatur der Atmosphäre bei überadiabatischer Schichtung um mehr als 0,98 K/100 m ab, so verringert sich die potenzielle Temperatur mit der Höhe
− d.h. ↑ die Temperatur der Luft nimmt mit der Höhe überadiabatisch ab (Abkühlung um mehr als 1 K/100 m), deshalb wenn diese Luft adiabatisch wieder zurück senken würde (Erwärmung um 1K/100 m), wäre die Temperatur auf dem ursprünglichen Niveau niedriger als am Anfang! (Es kann sich adiabatisch nicht genug erwärmen, weil die Abkühlung überadiabatisch war.)
unteradiabatische Schichtung
- stabil
− ist die aktuelle Temperaturabnahme der Luft mit der Höhe kleiner als 0,98 K/100 m, dann erfolgt eine Zunahme der potentiellen Temperatur mit der Höhe
− statisch stabiles Gleichgewicht
Archimedisches Prinzip
„Der Unterschied in der Dichte zwischen einem Luftpaket und seiner Umgebung impliziert einen Ab- oder Auftrieb.“
Stabilisierung der Atmosphäre erfolgt bei:
o Warmluftadvektion mit der Höhe zunehmend
o Kaltluftadvektion mit der Höhe abnehmend
o Warmluftadvektion über Kaltluftadvektion
o Abkühlung der bodennahen und/oder Erwärmung der oberen Schichten
Labilisierung der Atmosphäre erfolgt bei:
o Warmluftadvektion mit der Höhe abnehmend
o Kaltluftadvektion mit der Höhe zunehmend
o Kaltluftadvektion über Warmluftadvektion
o Erwärmung der bodennahen Schichten
o Abkühlung der oberen Schichten
Labilisierung der Atmosphäre erfolgt bei:
o Warmluftadvektion mit der Höhe abnehmend
o Kaltluftadvektion mit der Höhe zunehmend
o Kaltluftadvektion über Warmluftadvektion
o Erwärmung der bodennahen Schichten
o Abkühlung der oberen Schichten
Strahlung
− Wärmeübertragung durch langwellige elektromagnetische Strahlung
− ohne Transport von Materie
− die Erdoberfläche absorbiert die kurzwellige Sonnenstrahlung und erwärmt sich hierdurch
Solarkonstante
Strahlungsleistung pro Quadratmeter bezogen auf eine Empfängerfläche senkrecht zur
einfallenden Strahlung am „oberen Rand“ der Atmosphäre
Kurzwellige Strahlung 0,3-3 μm
- Globalstrahlung:
a. direkte Sonnenstrahlung – ungehinderte durch Atmosphäre
b. diffuse (Streu-) Strahlung - Reflektierte Strahlung
− Maximale Einstrahlung zum Zeitpunkt des Sonnenhöchstandes
− Einflussfaktoren
o Astronomische Faktoren
– Kugelform der Erde, Rotation der Erde, Neigung der Erdachse 23,4° (Jahreszeiten), elipsenförmige Erdbahn, geographische Breite
o Zusammensetzung der A:
- Luftverschmutzung, Ozonschicht, Bewölkung, Dicke der Atmosphäre (Seehöhe), Aerosole
Langwellige Strahlung >3 μm
- Terrestrische Strahlung (Ausstrahlung der Erde)
- Atmosphärische Gegenstrahlung infolge Absorption durch Atmosphäre (H2O, CO2…)
− langwellige Strahlung an der Erdoberfläche abhängig von:
o Zusammensetzung der Atmosphäre (atmosphärische Gase, Bewölkung)
o Temperatur der Erdoberfläche
− Strahlungsabgabe 24 Stunden am Tag, maximale Ausstrahlung zum Zeitpunkt der maximalen Temperatur
Schwarzer Körper
− ein idealer Schwarzer Körper absorbiert elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen vollständig und emittiert selbst Strahlung entsprechend Planck ́schen Strahlungsgesetz.
− Die Strahlung eines schwarzen Körpers hängt nur von dessen Temperatur und nicht von seiner materiellen Beschaffenheit ab
− in der Realität nur näherungsweise innerhalb begrenzter Spektralintervalle zu erreichen − für einzelne Wellenlänge nahezu erfüllt für Schnee, Erdoberfläche, Wolkenuntergrenze
Das Planck ́sche Strahlungsgesetz
Die Energie Eλ,sk, [J oder W.s-1] die pro m2 und Sekunde in einem Wellenlängenbereich in den Raumwinkel von einem schwarzen Körper ausgestrahlt wird, ist eine Funktion der Wellenlänge und der Temperatur T [K]
Das Wiensche Verschiebungsgesetz
− beschreibt, dass sich die Strahldichte eines schwarzen Körpers mit steigenden Temperaturen zu kleineren Wellenlängen verschiebt
Stefan-Boltzmann Gesetz
− die gesamte Strahlungsintensität E [W.m-2] eines Körpers ist proportional der 4. Potenz der absoluten Temperatur des strahlenden Körpers
Kirchhoffsches Gesetz
der spektrale Absorptionsgrad aλ und der spektrale Emissionsgrad ελ eines Körpers (auch eines Gases) sind gleich
Strahlungsmodifikation in der Atmosphäre
- Absorption durch atmosphärische Gase = Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme
- Streuung = Ablenkung der Photonen ohne Energieumwandlung
− durch Moleküle – Rayleigh Streuung
▪ Partikeldurchmesser < Wellenlänge
− durch Aerosol – Mie Streuung
▪ Partikeldurchmesser ca. gleich der Wellenlänge - Reflexion am Boden und an Wolken
Verfügbarkeit solarer Strahlung am Erdboden bestimmt durch
− Bewölkung
− Absorption durch Gase
− Schwächung (Extinktion) durch Aerosole (Teilchen)
− Schwächung durch Luftmoleküle
das Beersche Gesetz
beschreibt Abschwächung der Strahlung bei dem Durchgang durch ein Medium mit Absorbierender Substanz
Zusammensetzung der Strahlung
− Direkte + Diffuse = Globalstrahlung
− Diffuse Strahlung ist der Anteil, der durch Streuprozesse abgelenkt wird
− Reflektierte Strahlung bestimmt durch Albedo = Reflexionseigenschaft der Oberfläche, Reflexionsgrad
- atmosphärische (Gegen)Strahlung
= die gegen die Erdoberfläche gerichtete langwellige Strahlung der Atmosphäre
Haupteinflussfaktoren auf die Energiebilanz
− Änderung der Strahlungseigenschaften (Albedo, Emissionskoeffizient)
− Änderung der dynamischen Eigenschaften (Rauigkeitslänge des Untergrunds)
− Änderung der thermischen und hygrischen Kennwerte des Untergrunds und Baumaterials
(Dichte, Warmleitfähigkeit, spezifische Wärme, Speichervermögen, Bodenwassergehalt)
− Emission von gasförmigen und festen Luftverunreinigungen
− Freisetzung von Energie durch anthropogene Aktivitäten
Ursachen für die Ausbildung der städtischen Wärmeinseln
- Absorption kurzwelliger Strahlung
- Absorption und Re-emission langweiliger Strahlung durch Partikel und Gase
- Reduzierte langwellige Austrahlung durch den urban Canyon
- frei waren von Wärme durch anthropogen Prozesse (Verbrennung)
- Erhöhte Wärmespeicherung durch größere Oberflächen und Materialeigenschaften der Stadt
- reduzierte Evapotranspiration (Verdichtung, Verbauung, Mangel an Grün- und Wasserflächen
- Verminderter turbulenter Wärmestrom
Smoky fog „smog“
− lokales Auftreten
− zumeist im Herbst / Winter
− primär durch direkte PM Emission bzw. sekundäre PM Bildung geprägt
− PM = particulate matter = Feinstaub
Photochemischer „smog“
− Regionales Auftreten
− durch Ozon, sekundäre gebildete Feinstaub (PM) Bildung geprägt
− primär im Sommer
Emission:
Ausstoß von Schadstoffen bzw. Vorläufersubstanzen sekundärer Schadstoffe in die Atmosphäre
Immissionen:
Störfaktoren die aus der Umwelt auf den Menschen wirken
Exposition:
die (gesundheitliche bzw. ökologische) Belastung von einzelnen Personen oder
Ökosystemen durch Luftschadstoffe
troposphärischer Ozon
- Oberflächennahes Ozon
− Ozon ist ein Reizgas
− gebildet aus NOx oder VOCs durch photochemische Bildungsprozesse
− höher im Sommer – temperaturabhängig
thermischer Komfort
- ist der Gemütszustand der die Zufriedenheit mit der Umgebungslicht Temperatur ausdrückt
- Wärmeübertragung ist proportional zur Temperaturdifferenz
Einflussfaktoren auf den thermischen Komfort
Meteorologische • Lufttemperatur • Luftfeuchte • Wind • Mittlere Strahlungstemperatur (Größe für Strahlungsbilanz des Körpers)
physiologische
- Alter
- Geschlecht
- Körpergröße
- Gewicht
- Aktivitätsumfang
- Bekleidung
Auswirkungen von Kältestress
- Unterkühlung (Hypothermie) (KT < 35º)
- Erschöpfungsstadium (KT 32-35º)
- Adynamiestadium (KT 32-28º)
- Lähmungsstadium (KT <28º)
- Erfrierungen
Auswirkungen von Hitzestress
Sonnenstich
- Kopfschmerzen, Übelkeit, Erbrechen, Nackensteifheit, Fieber, Schwindel
Hitzeerschöpfung
- Schwitzen, Kopfschmerzen, Übelkeit, Schwindel
Hitzschlag
- trockene Haut, Krämpfe, Bewusstlosigkeit
Äquivalenttemperatur
− beinhaltet Temperatur und Feuchtigkeit
− beschreibt den Wärmeinhalt der Luft, der der fühlbaren Wärme proportional ist
