klimawandel ws 05/06 joachim curtius institut für physik der atmosphäre universität mainz
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Klimawandel
WS 05/06
Joachim CurtiusInstitut für Physik der Atmosphäre
Universität Mainz
CO
2
(pp
m)
Inhalt
1. Überblick
2. Grundlagen
3. Klimawandel heute: Beobachtungen
4. CO2
5. Andere Treibhausgase
6. Aerosole und Wolken
7. Solare Variabilität
8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel
9. Klimageschichte
10. Klimaschutz
2. Grundlagen
Klima
Abstrahlung von Energie durch Sonne und Erde:Plancksches Strahlungsgesetz
Absorption durch atmosphärische Gase
Strahlungshaushalt
Treibhauseffekt: natürlich und anthropogen; CO2
Strahlungsantrieb
2. Grundlagen
Klima: Mittelwerte, Jahresgänge und Schwankungs-
breite von Temperatur, Niederschlag, und weiteren meteorologischen Größen
Häufigkeit von Extremwerten
30-jährige Mittelung
Klima vs. Wetter...
Klimawandel: Zeitskalen...
Klima von =klino="ich neige" (Permeides ~500 v. Chr.), Klimazonen in Abhängigkeit vom Neigungswinkel der Sonne
Klimazonen
Strahlungshaushalt
Wie kommt es zum Treibhauseffekt?
Wie erklären sich die hier angedeuteten Strahlungsflüsse?
Spektrum elektromagnetischer Strahlung
[Schönwiese]
c =
Plancksches Strahlungsgesetz (1900):
22 1
,exp 1
hcB T
hck
Planck-Gesetzbeschreibt die spektrale Energiedichte B der Abstrahlung eines schwarzen Strahlers mitder Temperatur T.
PlanckschesWirkungsquantum:h = 6,626 10-34 Js
[Kraus]
Plancksches Strahlungsgesetz (1900):
22 1
,exp 1
hcB T
hck
Stefan-Boltzmann-Konstante:
Stefan-Boltzmann-Gesetz:
4B T
8 2 45,67 10 Wm K
Gesamte abgestrahlte Energie des schwarzen Strahlers hängt nur von der Temperatur des Strahlers ab und zwar zur 4. Potenz[Kraus]
Plancksches Strahlungsgesetz (1900):
22 1
,exp 1
hcB T
hck
Sonne: max 0.5 µm TSonne 5776 K
Erde: max10 µm TErde 288 K
Wiensches Ver-schiebungsgesetz:
max 2898T m K
[Kraus]
Planck-Kurven für Erde und Sonne (normiert):
Erde: 99% der Strahlung zwischen 4 und 100 µm terrestrischer = langwelliger Strahlungsbereich
Sonne: 99% der Strahlung zwischen 0.23 und 5 µm solarer = kurzwelliger Strahlungsbereich
terrestrisches Strahlungs-fenster8-12 µm
Spektrale Verteilung der Abstrahlung von Sonne und Erde im Vergleich mit Planck-Strahler
Sonne:Oberfläche ~5776°C
Strahlung maximalim sichtbaren Bereich (0.4 – 0.8 µm)
Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für em-Strahlung
IR-Aufnahme der Erdoberfläche
JJA
DJF
Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre:
Rotations-Vibrationsspektren von CO2
Moleküle wie CO2 und H2O absorbieren langwellige Photonen.Die zugeführte Energie wird zunächst in Rotations-Vibrations-Energie umgesetzt. Insgesamt führt die zugeführte Energie zur Erwärmung der atmosphärischen Luftschicht (Energieübertrag auch durch Stöße mit anderen Luft-Molekülen) und die Energie wird wieder durch langwellige Photonenin alle Richtungen abgestrahlt.
Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre:
Rotations-Vibrationsspektren von CO2
in der Atmosphäre noch Druck- und Doppler-verbreiterung der Linien: deshalb Absorptionsbanden
Rotations-Vibrations-Spektrendes CO2
Absorptions-spektrenverschiedeneratmosphärischer Gase
[Kraus]
2 2 21366 2 :1321 :1413kI Wm Aphel Wm Perihel Wm
Solarkonstante IK:Strahlungsflussdichte der von der Sonne kommenden und über alle Wellenlängen integrierten Strahlung, die extraterrestrisch (also außerhalb der Erdatmosphäre), von einer senkrecht zur Strahlrichtung orientierten Fläche beim mittleren Abstand Erde-Sonne (1496108m = 1 AE) empfangen wird.Aus Satellitenmessungen:
24
2
4
4Sonne
K SonneS E
RI T
r
aus IK kann sofort die Oberflächentemperatur der Sonne bestimmt werden:
2, 342
4K
K gm
II Wm
Oberfläche kurzwellige Albedo (0.3-4 µm)
in Prozent
langwellige Albedo (4-100 µm)
in Prozent
System Erde/Atmosphäre 30
Neuschnee 75-95 0,5
Altschnee 40-70
Sand 20-40 10
Gras 15-30 1-2
Wasser bei hochstehender Sonne
5-10 4
Wasser bei niedrigstehender Sonne
50-80
Wolken 23-90 0-10
Albedo:Reflexionsvermögen verschiedener Oberflächen im kurzwelligen (und langwelligen) Bereich
Strahlungshaushalt
kurzwellig
langwellig
4 4
4 4
4
2 0
0,7 04
0,7 04
A B
KA B
KA
T T
IT T
IT
Einfaches Glashausmodell:
Fläche A:
Fläche B:
Bilanz:
Ergebnis:TA= -18°C, TB= 30°C
TA entspricht Teff,Erde
Modell: Atmosphäre = eine Fläche Erdoberfläche habe Albedo von 30% keine anderen Energietransporte natürlicher Treibhauseffekt qualitativ
4 42 0A A A BT T
Erweiterung des einfachen Glashausmodells:
Fläche A:
Fläche B:
Ergebnis:für TB= 288 K, folgt TA= 242 K
und A=0,78
für TB= 289 K, folgt TA= 243 Kund A=0,79
Modell: Atmosphäre = eine Fläche Erdoberfläche habe Albedo ag keine anderen Energietransporte langwelliges "Fenster" mit Hilfe von A Wirkung von zusätzlichen Treibhausgasen
4 4 1 04K
A A B g
IT T a
Strahlungsantrieb F:
"Änderung der Strahlungsbilanz an der Tropopause durch Störung der Energieflüsse im Subsystem Erdoberfläche-Atmosphäre" (nach Schönwiese, IPCC-Def. komplizierter).
negativer Strahlungsantrieb: Abkühlungpositiver Strahlungsantrieb: Erwärmung
semi-empirische Verknüpfung mit Temperatur der Erdoberfläche:
F T
dc F Tdt
Im langfristigen Gleichgewicht:
ZeitverzögerungKlimaantwort Strahlungs-
antrieb Parameter:Sensitivität (Rückkopplungen etc.)
Änderung derOberflächentemperatur
anthropogener Klimawandel:
zwei Teile:
A) Detektion
B) Ursachen zuordnen
Natürlicher Treibhauseffekt:
~33 K, davon:
62 % H2O (20,6 K) 22 % CO2 ( 7,2 K)
7 % O3 (2,4 K)4 % N2O (1,4 K)2,5 % CH4 (0,8 K)
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