Atmosphärische Grundlagen

Meteorologie

• Physikalische & chemische Prozesse in der Atmosphäre

• Eigenschaften und Ursachen des Wettergeschehens

• Aktuelle Erscheinungen und Prozesse

Hauptthemengebiete der Meteorologie

Klima & Wetter

Klimatologie

• Teilgebiet der Meteorologie

• erfasst physikalische Erscheinungen in der Atmosphäre

  • Schwerpunkt auf mittlere und höhere Atmosphäre

• lange Datenreihe = Mittelwertklimatologie

Klimageographie

• Teilgebiet der Geographie

• Physikalische Interpretation nötig (Folgebeschreibung)

• Analyse der Auswirkungen des Klimas auf Erdoberfläche & andersrum

Wieso gibt es keine klare Abgrenzung zwischen Klimatologie & Klimageographie?

Klimatologische Grundlagen sind für Klimageographie nötig

Wozu dienen zeitliche Skalen ?

Abstufung von Erscheinungen und Zuständen in der Atmosphäre

Wetter - Dauer & Definition

• Minuten/Stunden, max. mehrere Tage; “Augenblickszustand”

• Temporäre Ausprägung des atmosphärischen Zustandes an bestimmten Orten (räumlich & zeitlich begrenzt)

• = messbarer Zustand in Troposphäre

Wetter (Beispiele)

Cumulus-Wolke, Tropischer Wirbelsturm (Zyklon,Hurrikan…), Tiefdruckgebiet der Mittelbreiten (Frontalzyklone…)

Witterung - Dauer, Definition

• mehrere Tage bis 1 Jahr, “Saison”

• Zeitraum mit relativ konstanter Wetterausprägung

Witterung - Beispiele

Kalter Winter, Altweibersommer, Trockenjahr (hydrologisch)

Klima (Dauer, Definition)

• mehrere Jahre bis Mio. Jahre u.a. Klimanormalperiode (=30 Jahre), “Dauertrend”

• durchschnittlicher Zustand der Erdatmosphäre über langen Zeitraum; langanhaltende Klimaereignisse

Klima (Beispiele)

kleine Eiszeit, Pleistozän, Sahel-Dürre(70/80er), Gletscherrückgang im 20. Jhd.

Bis zu welcher Sphäre steigen Luftpakete auf?

Troposphäre

Welche zeitlichen Skalen gibt es

Wetter, Witterung, Klima

Welche räumlichen Skalen gibt es?

Mikro-, Meso-, Makroklima

Mikroklima (Größe, Auswirkungen, Beispiele)

• bis 2km Ausdehnung

• z.B. Abkühlung auf kleinem Raum

• Tornado, Cumulus Wolke

Mesoklima (Größe, Auswirkungen, Beispiele)

• bis 2000km

• z.B. starke Wetterunterschiede innerhalb von Städten

• Gewitterzelle, Föhn, Frontalzyklone

Makroklima (Größe, Auswirkungen, Beispiele)

• über 2000km

• oft überregional oder global wirkend = Klimaphänomen die auf mehrere Bereiche Auswirkungen haben

• Mäander der Westwinddrift, El Nino

Subskalige Phänomene

Bei Messungen bestimmte Zellen/Wetterzustände von Messstationen nicht einberechnet

Als was können räumliche Skalen erfasst werden?

Skaliges-, Subskaliges-, Supraskaliges Phänomen

Strahlungshaushalt; Was ist mit “Haushalt” gemeint?

Bilanz der Input & Outputgrößen für ein System

Strahlungshaushalt: System Bestandteile

System = Erdoberfläche + Atmosphäre

Input, Output & Zusätzliches beim System des Strahlungshaushaltes

• Input (Quelle der Strahlung) = Sonnenstrahlung

• Output = Ausstrahlung in den Weltraum

• Zusätzlich: Systeminterner Energieumsatz —> Strahlung zws. Erdoberfläche und Atmosphäre

Welche 3 Strahlungsgesetze gibt es?

Plancksches Strahlungsgesetz, Stefan-Boltzmann-Gesetz, Wiensches Verschiebungsgesetz

Was beschreibt das Planksche Strahlungsgesetz?

= beschreibt Zusammensetzung der Gesamtstrahlung eines Körpers & wieviel ein bestimmter Körper ausstrahlt

Kurzwellig =

Energiereiche Strahlung

langwellig =

Energiearme Strahlung

Planck’sches Strahlungsgesetz: Bei wieviel µm liegt da Maximum der Sonne

0,5 µm

Was besagt das Stefan-Boltzmann-Gesetz?

• Ausstrahlungsenergie eines strahlenden Körpers ist abhängig von Oberflächentemperatur

• warme Körper senden mehr Strahlung aus als kalte

• Wieviel strahlt ein Körper bei einer bestimmten Temperatur aus?

Was passiert bei einem Schwarzer Körper/Strahler mit der Strahlung?

jegliche auftreffende Strahlung wird absorbiert; nichts reflektiert

—> nur theoretische Vorstellung

• Vantablack (absorbiert 99,965%)

Wie heißt das passende Gesetz dazu?

Stefan-Boltzmann-Gesetz

Wie lässt sich die Ausstrahlungsenergie berechnen?

Mit Boltzmann-Konstante

Was beschreibt das Wiensche Verschiebungsgesetz?

Die Wellenlänge, welcher ein Körper bei der intensivsten Abstrahlung aussendet

Je höher die Temperatur eines schwarzen Strahlers, desto…

kurzwelliger die Ausstrahlung

Was beschreibt die Solarkonstante?

annähernd konstante Bestrahlungsintensität der Sonnenstrahlung an der Obergrenze der Erdatmosphäre

Sonnennächster Punkt

Perihel

Sonnenfernster Punkt

Aphel

Worauf bezieht sich der Weltenenergieverbrauch?

Solarkonstante an Obergrenze der Atmosphäre

Sonnenfernster Punkt + Datum

Aphel 3.-6. Juli

Sonnennächster Punkt + Datum

Perihel (2.-5. Januar)

Schiefe der Ekliptik

Neigung der Erdachse = 23,5°

Solstitien (Nord- oder Südhalbkugel, längster & kürzester Tag)

Nordhalbkugel , 21.06. Sommersonnenwende (längster Tag), 21.12. Wintersonnenwende (kürzester Tag)

Äquinoktien (für gesamte Erde)(Datum + Bezeichnung)

20.03. & 23.09. Tag- und Nachtgleiche

Was könne die Erdrevolution & Ekliptikschiefe (abhängig von den Breitenkreisen) erzeugen:

• unterschiedliche Tages- und Nachtlänge

• Jahreszeitenrhythmus

• Schwankungen der Einstrahlungsdichte- und Dauer

• Unterschiedliche Einstrahlungswinkel

Erdrevolution

Bewegung der Erde um die Sonne in einer Ellipsenbahnn

—> Jahreszeiten

Erdrotation

West nach Ost in 24h um 360°

—> Tageszeiten

Welchen Einfluss können Treibhausgase auf Strahlung haben?

können Strahlung bestimmter Wellenlängen absorbieren oder reflektieren

Absorptionsbanden

Spektralbreich, in denen ein Gas besonders intensiv absorbiert

Wo Messung der Strahlungsmenge der Sonne?

Obergrenze der Atmosphäre

Was kann außerdem die Strahlung verändern?

Luftmoleküle & Spurengase

Transmission

elektromagnetische Strahlung passiert die Atmosphäre ungehindert durch atmosphärisches Fenster

Welche Arten der Extinktion gibt es?

Absorption & diffuse Reflexion (Streuung)

Extinktion

Abschwächung einer Strahlung (durch Absorption oder diffuser Reflexion)

Absorption

Aufnahme der eintreffenden Strahlung und Abgabe eigener Strahlung gemäß der Temperatur (Plancksches Gesetz)

Diffuse Reflexion

Streuung der eintreffenden elektromagnetischen Strahlung in verschieden Richtungen

Strahlung der Sonne wird gefiltert durch: (6)

1. Ozonabsorption (Filterung im UV)

2. Streuung an Luftmolekülen

3. Streuung an Dunstpartikeln

4. Absorption im Wasserdampf

5. weitere Absorption durch Dunst

6. Tatsächlich an Erdoberfläche ankommend (immer mehr Strahlung verloren, Wellenlänge verändert, Energie geht verloren)

Was wird dargestellt?

Abendrot

Was wird dargestellt

Himmelblau

Wie kommt es zu Himmelblau oder Abendrot?

Prozesse der Streuung (abhängig von Tageszeit & Zustand der Atmosphäre)

Welche Wellenlänge begünstigt starke Streuung?

kleine Wellenlänge

Je länger der Weg der Strahlung, desto…

weniger kurzellige Strahlen —> d.h. eher rotes Licht

Wofür steht ppm?

parts per million

Wofür steht ppb

parts per billion

Hauptgase in Richtiger Reihenfolge + Prozente

Stickstoff 78%, Sauerstoff 21%, Argon 1% (=

Chemische Formel Stickstoff

N2

Chemische Formel Sauerstoff

O2

Chemische Formel Argon

Ar

Spurengase, richtige Reihenfolge

Kohlenstoff, Neon, Helium, Methan, Krypton, Distickstoffoxid (Lachgas)

ppm Kohlenstoffdioxid in Atmosphäre

415ppm

Treibhausgase

Kohlendioxid, Methan (CH4), Lachgas (N2O)

Edelgase

Neon, Helium, Krypton

Warum ergeben bereits die ersten vier Gase eine Summe von > 100%?

Volumenanteile oft mit über 100% angegeben, (dient lediglich der Darstellung )

Warum ist der Wasserdampf nicht als Gas angeführt?

Wasserdampf wichtigste Gas für NATÜRLICHEN Treibhauseffekt

von Lufttemperatur und Umgebung abhängig & somit zu variabel, um ihn in chem. Zusammensetzung aufzuführen

Spurengase - Treibhauswirkung

starke Treibhauswirkung im Gegensatz zu anderen Gasen & langlebiger, sind entscheidende natürliche und anthropogen Treibhauskomponenten

was zeigt CO2 Äquivalent ?

Strahlungsantrieb/Treibhauspotenzial auf 100 Jahre bezogen

Wie viel mal mehr wirksamer ist Lachgas als CO2?

CH4 ist in 100 Jahren 21x treibhauswirksamer als CO2

Wovon ist Transmission oder Absorption abhängig?

Der Molekülsstruktur

Ohne Treibhausgase

Mit Treibhausgasen

Einstrahlung der Sonne ( Welle, Energie)

kurzwellig & energiereich

Ausstrahlung der Erdoberfläche ( Welle, Energie)

Langweilig, Energiearm

Wofür sorgen Gase, die bei kurzwelliger Strahlung wirken?

Abkühlung der Erdoberfläche

Wofür sorgen Gase, die bei langwelliger Strahlung wirken?

Erwärmung der Erdoberfläche

Erdmitteltemperatur OHNE natürlichen Glashauseffekt =

- 20°C

Was wird hier dargestellt?

Absorptionsbanden verschiednerer Gase in der Atmosphäre

Was sind “atmosphärische Fenster”?

Spektralbereiche für die Transmission von Strahlung (z.B. langwelliger Strahlung der Erdoberfläche)

Wozu kann ein Zusammenwirken der Gase führen?

viel Absorption, welche in Eigenstrahlung umgewandelt wird —> durch Erhöhung der Gasanteile wird Erde zu stark erwärmt

Albedo Defintion

Verhältnis von reflektierter zur einfallenden Energie (Wieviel % der einfallenden Energie wird von einer Oberfläche wieder reflektiert)

Weshalb ist die Beachtung von Albedo relevant?

für Messgeräte, zur Vermeidung, dass sie eigene Temperatur messen, Helle Oberflächen oder Abdeckung nötig

Reihenfolge Albedo ( Neuschnee, Altschnee, Gletschereis, Wolken, Tiefes Wasser (tief, hoch, streifend), Laubwald, Nadelwald, Beton, Schwarzkörper

1. Tiefes Wasser bei streifender Sonne

2. Neuschnee

3. Wolken

4. Tiefes Wasser bei tierstehender Sonne

5. Altschnee

6. Gletschereis

7. Laubwald

8. Nadelwald

9. Tiefes Wasser bei hochstehender Sonne

10. Beton Schwarzkörper

Reihenfolge Albedo

1. Tiefes Wasser bei streifender Sonne

2. Neuschnee

3. Wolken

4. Tiefes Wasser bei tierstehender Sonne

5. Altschnee

6. Gletschereis

7. Laubwald

8. Nadelwald

9. Tiefes Wasser bei hochstehender Sonne

10. Beton Schwarzkörper

Albedo Ergänzung Schnee

• unterschiedliche kristalline Struktur bewirkt verschiedene. Reflexionsrichtungen und -werte

• Vorkommen von Ruß und Ablagerungen “verdrecken”

Albedo Ergänzung Wasser

• Abhängig von Einfallswinkel der Sonne auf Wasseroberfläche

Albedo Ergänzung Vegetation Besonderheit (+ was machten bei Messungen)

• Laubwälder mit unterschiedlichen. Farben

• bei Messungen Messgeräte nicht zu tief ansetzen —> Verfälschung durch “Heizplatte” der Erde

Erdmitteltemperatur durch natürlichen Glashauseffekt =

+ 15°C