Projektseminar numerische Klimasimulation Teil 2.

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1 Projektseminar numerische Klimasimulation Teil 2

2 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? strahlungsoutput_kw = strahlungsinput_kw * albedo strahlungsoutput_lw = (sbkonstante * temperatur**4 * emissionsgrad) * transmissivitaet strahlungsbilanz = strahlungsinput_kw - strahlungsoutput_kw - strahlungsoutput_lw =+46.6935 [W/m**2] => positive Energiebilanz! => die Erde erwärmt sich durch den Überschuss an Strahlungsenergie! Berechnung der Erwärmung? Wieviel Grad / Energiezufuhr? Teilsystem Strahlungsbilanz:

3 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? Teilsystem Wärmebilanz: Umwandlung der Nettostrahlung in Wärmeenergie: Abhängig von Wärmekapazität [J/(K*kg) -> J/(K*m²)] = Wärmeenergiezufuhr [J/(m²*sec)] / Temperaturänderung [K/sec] => Temperaturänderung = Wärmeenergiezufuhr / Wärmekapazität Wärmeenergie = strahlungsbilanz Wärmekapazität [J/(K*m 2 ] (bezogen auf m²!) (vgl: Wasser ~4196 J/(kg*K)) 1.0E7 (=10,000,000) nur Atmosphäre 2.0E8 mit Ozean 50m tief (real 70m – 30% Festland) 1.0E9mit Ozean 250m tief (real ca. 360m) 1.6E10mit Ozean 3900m tief

4 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? Teilsystem Wärmebilanz: Temperaturänderung = Wärmeenergiezufuhr / Wärmekapazität Temperaturänderung = +46.6935 [J/(sec*m 2 )] / 200,000,000 [J/(K*m 2 )] = +0,000000233 K/sec = Erwärmung durch Strahlungsüberschuss Konsequenzen für Strahlungshaushalt? Heisst das, die Erde erwärmt sich kontinuierlich?

5 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? temperatur = 273.15 [K] strahlungsoutput_kw = strahlungsinput_kw * albedo strahlungsoutput_lw = (sbkonstante * temperatur**4 * emissionsgrad) * transmissivitaet strahlungsbilanz = strahlungsinput_kw - strahlungsoutput_kw - strahlungsoutput_lw temperaturänderung =strahlungsbilanz / waermekapazitaet temperatur = temperatur + temperaturaenderung = 273.15 [K] + 0.000000233 [K/sec] =273.150000233 [K nach einer Sekunde]

6 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? Gesamtsystem Energiebilanz: Bei Ausgangstemperatur 273.15 K erwärmt sich Erde um 0.000000233 K/sec = 273.150000233 K => nach einer Sekunde neue, höhere Temperatur => höherer strahlungsoutput_lw => in der nächsten Sekunde geringere Erwärmung etc. = negative Rückkopplung! bis Gleichgewichtszustand erreicht ist: = strahlungsoutput_lw + strahlungsoutput_kw = strahlungsinput_kw strahlungsbilanz = 0

7 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? Gesamtsystem Energiebilanz: Praktische Umsetzung der Berechnung von Zeitschritten: do-Schleife: do i = i_start, i_endi = Laufvariable (integer!) i_start = startwert (integer!) [Anweisungen]i_end = endwert (integer!) enddo Ablauf: erster Schleifendurchlauf: i = i_start, bei enddo i=i+1 zweiter Schleifendurchlauf i = i_start + 1 etc. bis i > i_end