Vorlesung 2 Flashcards
Was werden als Klimaelemente bezeichnet und welche gibt es?
physikalisch messbare und veränderliche Phänomene der Atmosphäre. Dazu zählen: - Temperatur - Luftdruck - Niederschlag - Windrichtung und Windgeschwindigkeit - Strahlungsflüsse
Was sind Klimafaktoren?
Parameter, welche das Klima beeinflussen.
Dazu zählen z. B. die Solarstrahlung, Erdbahnparameter, Entfernung zum
Meer, Exposition und Höhenlage eines Ortes.
Welches sind die wichtigsten klimarelevanten Gase?
- Wasser (H2O)
- Kohlenstoffdioxid (CO2)
- Methan (CH4)
- Distickstoffmonoxid (N2O)
- Ozon (O3)
- halogenierte Kohlenwasserstoffe (v.a. FCKWs)
- Schwefelhexafluorid (SF6)
Die Funktionen der Atmosphäre sind:
• Schutz der Lebewesen vor schädlicher Strahlung aus dem Weltraum (Filter
für UV- und Röntgenstrahlung der Sonne)
• Schutz vor schneller Auskühlung und Überhitzung (z.B. Wärmeausgleich
zwischen Tag und Nacht)
• Ermöglicht eine durchschnittliche Erdoberflächentemperatur von ca.
+ 15 °C anstatt -18 °C ohne Atmosphäre Treibhauseffekt
• Transport von Energie (fühlbare Wärme der Luft und latente Wärme des
Wasserdampfs) aus Äquatornähe in mittlere und höhere Breiten
• Transport von Wasserdampf
• Hauptspeicher für Stickstoff (für Pflanzen wichtig)
• Reservoir für Kohlendioxid und Sauerstoff
• Ist einbezogen in verschiedene lebensnotwendige Stoffkreisläufe
• Verteilung und Abbau (Oxidation, Reaktionen mit Radikalen, Photolyse) von
natürlichen und anthropogenen Emissionen
• Schutz vor kleineren Meteoriten
Was ist Druck?
Kraft, die pro Flächeneinheit auf eine Fläche wirkt
Einheit: kg/ms2 = N/m2 = Pa (Pascal)
Was beträgt der mittlere planetare Luftdruck im Meeresniveau?
1013 hPa
Was ist die Faustregel der barometrischen Höhenformel?
Bei einer Höhenänderung um 80 m ändert sich der Luftdruck um etwa
1% des Ausgangsluftdruckes.
Welche Konsequenz kann aus der bar. Höhenf. gezogen werden?
Die Luft dehnt sich bei Hebung aus, weil der Umgebungsdruck
abnimmt.
-> Abkühlung der Luft, da zur Ausdehnung Arbeit aufgewendet werden
muss
Welches Problem entsteht der Anwendung der barometrischen Höhenformel?
Die Dichte der Luft ist abhängig vom Wasserdampfgehalt -> feuchte Luft ist kein ideales Gas konstanter Zusammensetzung -> bei konkreten Berechnungen im Detail Anpassung nötig: Konzept der virtuellen Temperatur T'
Was ist die virtuelle Temperatur?
Die virtuelle T ist diejenige T, die trockene Luft haben muss, damit sie dieselbe Dichte hat wie feuchte Luft mit gegebener (also messbarer) Temperatur T
Fakten zur Sonne:
• Radius der Sonne: 6,96*10^5 km • Masse 1,98*10^30kg • G = 274 m/s2 • Abstand Erde – Sonne ca. 150 * 10^6 km • Im Inneren: Kernfusion von Protonen zu Heliumionen unter starker Energieabstrahlung • Photosphäre: sichtbare Sonnenoberfläche • Oberflächentemperatur: ca. 5.800 Kelvin (= 5526,85 °C)
Welcher Aspekt ist der wichtigste für den Effekt der Sonneneinstrahlung für das Klima auf der Erde?
Die Bewegung der Erde
Welche arten der Erdbewegung gibt es und wie sind sie definiert?
• Erdrotation:
Drehung der Erde um die eigene Achse von West nach Ost
Dauer einer vollständigen Drehung: ca. 23 h 56 min 4 s (Sterntag)
-> bewirkt den Tagesgang der Klimaelemente
• Erdrevolution: Umlauf der Erde um die Sonne – Dauer: 365,25 Tage
->bewirkt die Jahreszeiten der mittleren und höheren Breiten
• in Kombination mit der Exzentrizität und der Schiefe (=Obliquität) der Ekliptik
(die Exzentritität schwankt zwischen 0,5 und 6 %, die Schiefe der Ekliptik
zwischen 22° und 24,5°)
• Präzessionsbewegung:
Richtungsänderung der Erdachse im Raum
Was sind die Orbitalparameter und was ergibt sich aus diesen?
P: Präzession – ‚trudelnder Kreisel‘ ~ 22.000 a T: Obliquität (Erdschiefe) – Veränderung des Neigungswinkels ~ 41.000 a E: Exzentrizität – Veränderung des Radius ~ 100.000 a
==> Milankovic-Zyklen
Zentrale Begriffe der Sonne-Erde-Relation:
• Perihel: Sonnennächster Stand – ca. 3. Januar • Aphel: Sonnenfernster Stand – ca. 3. Juli • Sommer-Solstitium: Sommersonnenwende – ca. 21. Juni • Winter-Solstitium: Wintersonnenwende – ca. 22. Dezember • Äquinoktien: Dauer von Tag und Nacht sind in allen Breiten (mit Ausnahme des Pols) gleich – ca. 21. März und 23. September
Welche Folge ergibt sich aus der Schiefe der Ekliptik?
Die Erdoberfläche wird an verschiedenen Positionen
der Erdumlaufbahn unterschiedlich bestrahlt. Dies führt zur strahlungsklimatischen Zonierung in Jahreszeiten- und Tageszeitenklimate mit unterschiedlichen Sonnenscheindauern und -höhen.
Einflüsse auf die einfallende Energiezufuhr ins System Erde
• Einfallswinkel
• Mit einem Einfallswinkel von 90° entspricht die einfallende Energie der
Solarkonstanten.
• Sinkt der Winkel, sinkt auch die einfallende Energie pro m². Dadurch ergibt
sich für jeden Breitengrad und jede Jahreszeit eine angepasste Solarkonstante, abhängig vom Winkel der Sonneneinstrahlung zur Erdoberfläche.
Queller: Goßmann 1988:141
• Grund: Die gleiche Strahlungsmenge verteilt sich auf eine
größere Fläche
Welche Strahlungsklimatische Zonen gibt es?
- Strahlungsklimatische Tropen
- Strahlungsklimatische Mittelbreiten
- Niedere Mittelbreiten
- Höhere Mittelbreiten
- Polarzone
Fakten zu den Tropen:
• Erstreckung: Zwischen beiden Wendekreisen
• Sonnenstand: max. 90° (2x im Jahr), min. 43° zu den Solstitien am Wendekreis
• Variation der Tageslängen: max. 3 Stunden
• Mitteltemperatur des kältesten Monats ist im Schnitt nicht unter 18°C
• Weitere Aufteilung in eine wendekreisnahe und eine äquatornahe Zone
• Dominanz der Tagesschwankungen gegenüber jährlichen Schwankungen
-> Tageszeitenklima
Fakten zu den Mittelbreiten:
• Erstreckung: Zwischen Wendekreis und Polarkreis
• Unterschiedlichste Strahlungsverhältnisse, daher zusätzliche Einteilung in niedere
Mittelbreiten zwischen 23,5°und 45° und hohe Mittelbreiten zwischen 45° und 66,5°
Fakten zu den niederen Mittelbreiten:
• Sonnenstand: max. 90° (am Wendekreis im Sommer), min. 21,5° (bei 45° Breite im
Winter)
• Variation der Tageslängen: Im Sommer deutlich länger als im Winter
• Dominanz der jährlichen Schwankungen:
Im Sommer fast tropische Temperaturen beim höchsten Sonnenstand,
im Winter beim tiefsten Sonnenstand recht kühl
-> Jahreszeitenklima
Fakten zu den hohen Mittelbreiten:
• Sonnenstand: max. 68,5° (bei 45° Breite im Sommer), min. 0° (am Polarkreis im
Winter)
• Variation der Tageslängen: Hochsommer mit langen Tagen (bis 15 Stunden) und
Hochwinter mit sehr kurzen Tagen, charakteristische Übergangsjahreszeiten
(Frühling und Herbst) bei mittelhohem Sonnenstand
-> Jahreszeitenklima
Fakten zur Polarzone:
• Erstreckung: zwischen Polarkreis und Pol
• Sonnenstand: max. 47° (am Polarkreis im Sommer),
min. -23,5° (am Pol im Winter)
• halbjährlicher Wechsel zwischen Polarnacht und Polartag,
Dauer: am Pol ein halbes Jahr, am Polarkreis nur am Solstitium
-> Jahreszeitenklima
Was ist die entscheidende Größe für klimatische Vorgänge?
Die Energiemenge, die durch die solare Strahlung in das System Erde
inklusive der Atmosphäre eingetragen wird.
Was gilt bei einer energetischen Betrachtung der Erde ohne Atmosphäre?
- dem Energieinhalt der Sonnenstrahlung
- dem Einstrahlungswinkel ( Lambert‘sches Kosinusgesetz)
- der Beleuchtungsdauer
• Die Bestrahlungsstärke an der oberen Atmosphärengrenze, die sogenannte
extraterrestrische Strahlung, kann als weitestgehend konstant angesehen
werden.
Was beträgt die Solarkonstante?
Auf 1 m² bestrahlte Fläche an der oberen Atmosphärengrenze, die senkrecht zur Richtung der Strahlung steht, trifft bei mittlerem Abstand zur
Sonne von 1,496 * 108 km eine Wärmeenergie von 1.368 W (=1368 J/s).
Also:
S0 = 1368 W/m² = 1,37 KW/m²
Schwankungen durch Erdrevolution:
Solarkonstante im Perihel: S0 = 1420 W/m²
Solarkonstante im Aphel: S0 = 1319 W/m²
Was besagt das Lambert’sche Kosinusgesetz?
S1 = S0 * cos(z) = S0 * sin(h) S1 = Strahlungsmenge, die auf eine horizontale Fläche trifft S0 = Solarkonstante h = Einfallswinkel der Strahlung bzw. die Sonnenhöhe z = Zenitdistanz
Was sind andere Einflüsse auf das Klima jenseits der Solarstrahlung?
- Ozeanität
- Kontinentalität
- Oberflächenbeschaffenheit
- Land-/Meer-Verteilung
- Relief
- Atmosphäre
Definition der elektromagnetischen Strahlung:
• HÄCKEL, H. (20086:161):
„Die Strahlung ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Energie ohne materiellen
Träger transportiert wird. Damit besitzt die Strahlung die Möglichkeit, Energie
durch den „luftleeren“ Weltraum von der Sonne auf die Erde zu übertragen.
Ohne die Strahlungsenergie von der Sonne wäre die Erde ein kalter, unbelebter
Brocken Materie.“
• Strahlung = elektromagnetische Wellen oder Fluss von Teilchen (sog. Photonen)
(„Welle-Teilchen-Dualismus“)
• in Meteorologie Wellencharakter überwiegend, in der Biologie
Teilchencharakter
• gemessen in energetischen Einheiten [W/m²] oder Teilchenflüssen [µmol/(m²s)]
Kenngrößen elektromagnetischer Strahlung
• Ausbreitungsgeschwindigkeit für alle Wellenlängen (λ) gleich c ~ 300000 km s-1 (Lichtgeschwindigkeit) • c = λ f (f: Frequenz) kurzwellige Strahlung – hohe Frequenz langwellige Strahlung – niedrige Frequenz je höher die Frequenz bzw. kleiner die Wellenlänge, desto energiereicher
Woraus besteht klimarelevante Strahlung?
solare und terrestrische Strahlung
Das Plancksche Strahlungsgesetz und was es beschreibt:
𝜕𝑄/𝜕𝜆=(2ℎ𝑐^2)/(𝜆^5 [exp(ℎ𝑐/(k𝜆T))− 1])
h ≈ 6.62610-34 Js (Plank‘sche Wirkungskonstante)
k ≈ 1.38110-23 JK-1 (Boltzmann-Konstante)
c ≈ 2.9979*108 ms-1 (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum)
λ = Wellenlänge
-> beschreibt die Emission (Temperaturstrahlung) eines idealen schwarzen Körpers (Strahlungsenergie pro Flächeneinheit und Wellenlänge)
Wiensches Verschiebungsgesetz
-> Zusammenhang zwischen der Wellenlänge der maximalen
Emission und der Temperatur eines Körpers
λmax • T = a λmax = a / T T = Temperatur schwarzer Körper [K] λmax = Wellenlänge des spektralen Maximums a = 2880 μm K Gesamte Strahlungsintensität = Fläche unter der Kurve = Integration des Planckschen Gesetzes
Stefan-Boltzmannsches Gesetz
->Zusammenhang zwischen abgestrahlter Leistung und
Temperatur
• E = σ T4
• abgestrahlte Energie steigt mit steigender Temperatur
(mit der 4. Potenz!)
• gilt nur für schwarze Körper
• reale feste und flüssige Substanzen geben nur Teil ab
→ Emissionsvermögen ε
E = ε σ T4
E = Energiemenge (W m-2), die pro Einheitsfläche emittiert wird.
ε = Emissionsvermögen (für ideale Schwarzkörper = 1, für reale
Körper <1)
σ = Stefan-Boltzmann Konstante: 5.67 * 10-8 W m-2 K-4
T = Temperatur (K)
Strahlung von Sonne und Erde
• Sonne: Strahlung ~ schwarzer Körper von knapp 6000 K
• Erde: mittlere Temperatur: ca. 288 K (15°C)
-> Strahlung der Erde viel schwächer (Planck, Stefan-Boltzmann)
-> Strahlungsmaximum bei größeren Wellenlängen (Wien)
-> Sonnenstrahlung (“kurzwellig”) und terrestrische Strahlung
(“langwellig”) sind relativ klar getrennt
ESonne= ε σ T4 mit e = 1 ≈ 76,0 MW/m²
EErde= ε σ T4 mit e = 1 ≈ 385 W/m²
Die Sonne ist etwa 20 mal so heiß wie die Erde.
Sie strahlt aber 197.000 mal mehr Energie ab!
