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18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 METSWN Organisation, 2 nd half 1 830. NovemberRadiation introduction (UL) 97. DecemberEM.

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1 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 METSWN Organisation, 2 nd half NovemberRadiation introduction (UL) 97. DecemberEM Spectrum; Reflection and refraction (SC) DecemberThermal emission and Transmission (SC) JanuaryGas absorption (SC) JanuaryHeating rates (Exercises, KE) JanuaryRadiative transfer; Scattering (SC) 141. FebruaryRT Exercise and summary (UL) Klausurtermin!

2 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 2 Content 1.Introduction 2.Properties of electro- magnetic radiation 3.Electromagnetic Spectrum 4. Reflection and Refraction 5. Radiative properties of natural surfaces 6. Thermal emission 7. Atmospheric transmission 8. Atmospheric emission 9. Absorption atmospheric gases 10. Broadband fluxes and heating rates (cloud free) 11. Radiative transfer with scattering 12. Scattering and absorption by particels 13. Radiative transfer with multiple scattering

3 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Lernziele 3 Mathematische Beschreibung der atmosphärischen Transmission (Beer-Lambert, optische Dicke, Dämpfung (dB), verschiedene Ausdrücke für den Extinktionskoeffizienten..) Bei welchen Wellenlängen ist die Transmission der Atmosphäre besonders hoch/niedrig? Wie hängt die wolkenoptische Dicke mit dem Flüssigwassergehalt und dem Teilchenradius zusammen? 7. Atmosphärische Transmission τ = 1 (Neper) entspricht Reduktion auf 37 %, bzw. 4.3 dB Streueffizienz ca. 2!

4 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Lernziele 4 Beschreibung des Strahlungstransports mittels der Schwarzschild-Schuster Gleichung Nutzung der optischen Dicke als Vertikalkoordinate und Interpretation der Terme der Strahlungstransportgleichung Definition und Aussage von Wichtungsfunktionen Interpretation von spektral hochaufgelösten Messungen der Strahldichte vom Boden und vom Satellit 8. Atmosphärische Emission z Wichtungs- funktion optisch dünn optisch dick

5 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Emission im Infrarot mittels Spektrometer 5 Bodengebundene Messung Richtung Zenit Planckkurve Was sieht man hier Was absorbiert hier? Woher kommen die Linien? Fensterbereich Woher kommt das Signal?

6 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 6 Wo wurde vom Satelliten gemessen? Tropischer Westpazifik südlicher Irak Antarktis Sahara

7 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Lernziele 7 Wie funktioniert die Absorption durch Gase in der Atmosphäre? Welche Eigenschaften der Moleküle bestimmen wo im elektromagnetischen Spektrum die Absorption auftritt? Durch welche Prozesse werden Absorptionslinien verbreitert und was ist die Form der verbreiterten Linie? 9. Absorption atmosphärischer Gase

8 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 8 Dipolmomente Damit ein Molekül mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken kann muss es ein magnetisches oder ein elektrisches Dipolmoment besitzen. Externes magnetisches oder elektrisches Feld muss ein Drehmoment auf das Molekül ausüben! Homonukleare Moleküle wie O 2 und N 2 haben wegen ihrer symmetrischen Ladungsverteilung (positiv und negativ) kein permanentes Dipolmoment! Heteronukleare zweiatomige Moleküle wie CO haben generell ein permanentes Dipolmoment! Alle drei- oder mehratomigen Moleküle (Ausnahme CO 2 und CH 4 ) haben ein permanentes Dipolmoment durch die verschiedenen Asymmetrien in ihrer Struktur Monoatomare Bestandteile wie Argon haben keine Rotationsübergänge Molekularer Stickstoff N 2 hat weder elektrisches noch magnetisches Dipolmoment keine Rotationsübergänge Molek. Sauerstoff O 2 hat magnetisches Dipolmoment Übergänge 60&118 GHz Kohlendioxid CO 2 und Methan CH 4 haben normalerweise keine Dipolmomente jedoch können Vibrationsbewegungen Symmetrie aufbrechen Alle anderen wichtigen atmosphärischen Gase haben Rotationsübergänge

9 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 9 Vibrations- und Rotationsübergänge

10 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 10 Vibrationsübergänge Molekurer Verbund ist nicht starr sondern federartig. Für kleine Auslenkungen r-r gilt: Harmonischer Oszillator mit Resonanzfrequenz Im quantenmechanischen Limit ist die aktuelle Vibrationsfrequenz gequantelt Vibrationsquantenzahl n kFederkonstante vResonanzfrequenz Zusammenhang mit der Energie Vibrationsübergang Δν=±N verursacht eine Energieänderung Übergangsfrequenzen sind Vielfache der Resonanzfrequenz des harmonischen Oszillators Vibrationsprozesse stellen kleine Auslenkungen der Atome aus ihrer Gleichgewichtslage dar.

11 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 11 Mehratomige Moleküle Petty Fig. 9.4

12 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Vibrationsübergänge N gekoppelte Atome besitzen 3N Freiheitsgrade. Da jeweils 3 Freiheitsgrade auf die Gesamttranslation und die Gesamtrotation entfallen, gibt es insgesamt 3N-6 Vibrationsfreiheitsgrade. Jeder Bewegungsmode entspricht einer klassischen Frequenz. Die Gesamtvibrationsenergie eines Moleküls ergibt sich mit: E = (n 1 + 1/2) h (n 3N-6 + 1/2) h 3N-6 mit n i =0,1,2, Sind alle Vibrationsquantenzahlen n i =0 liegt der Grundzustand vor. Die Anzahl und die Stärke der Energielevel hängt von der molekularen Struktur, (Anzahl und Art der Atome, molekulare Geometrie und Stärke der Verbindungen) ab. Fundamentalschwingungen kennzeichnen Übergänge vom Grundzustand zu einem Zustand bei dem nur ein n i gleich eins ist. Die korrespondierenden Frequenzen sind 1, 2,.., i. Oberschwingungen bezeichnen Übergänge vom Grundzustand zu einem Zustand bei dem nur ein n i größer gleich 2 ist und alle anderen gleich null. Die korrespondierenden Frequenzen sind 2 1, 2 2,.., 2 i. Alle anderen Übergänge sind Kombinationsschwingungen der Obigen.

13 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Vibrationsprozesse: H 2 O Das Wassermolekül besteht aus drei Atomen (N=3) und hat somit 3 Schwingungsfreiheitsgrade und drei klassische Frequenzen ν i, die den Wellenlängen λ 1, λ 2 und λ 3 entsprechen Eine Kombinationsschwingung ist z.B. ν 2 + ν 3 deren Wellenlänge sich mit 1/λ = 1/λ 3 + 1/λ 2 zu 1.87 μm ergibt. Ein Beispiel für eine Oberschwingung ist 2ν 3, die einer Wellenlänge von 1.4 μm entspricht. 13

14 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 14 Vibrations-Rotationsübergänge Vibrationübergänge sind mit stärkeren Energien verbunden als Rotationsübergänge Absorbtionslinien bei höheren Frequenzen (thermisches und nahes IR) Vibrations- und Rotations- übergänge treten oft simultan auf kombinierter Effekt führt zu leicht höheren (oder niedrig.) Frequenzen als reine Vibrationsübergänge! Aufsplitten des Vibrations- übergangs in eine Serie naheliegender separater Linien reine Vibration ΔJ = 0 ΔJ = -1ΔJ = 1 Petty Fig. 9.3 Rotationsübergänge haben im Gegensatz zu Vibrationsübergängen keine gleichmässigen Abstände n n

15 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 15 Elektronenübergänge n n Petty Fig. 9.5

16 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 16 Linienformen Natürliche Verbreiterung Heisenbergsche Unschärfe durch begrenzte Lebenszeit Δt eines Energiezustandes vernachlässigbar Dopplerverbreiterung Zufallsbewegung der Moleküle führt zur Frequenzverschiebung dominant in Mesosphäre Druckverbreiterung Kollisionen unterbrechen natürliche Übergänge dominant in Tropo- und Stratosphäre Petty Fig. 9.6

17 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 17 Linienbeschreibung Linienposition Mittenfrequenz ν 0 Linienform Funktion, die vom Abstand der Frequenz zu Linienmitte abhängt Normierung auf 1: Linienstärke S σAbsorptionsquerschnitt pro Molek. α 1/2 Halbwertsbreite SLinienstärke ν 0 Mittenfrequenz ν0ν0 S typischerweise symmetrische Linienformen! Halbwertsbreite definiert, wann Linienamplitude auf Hälfte abgefallen ist: Petty Fig. 9.6

18 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 18 Linienformen Gasmoleküle sind in konstanter Bewegung Temperatur ist Maß für die mittlere kinetische Energie statistische Verteilung der Geschwindig- keit in Richtung s entsprechend Maxwell-Boltzmann Verteilung Dopplerverschiebung mMasse des Moleküls (=M/N a ) k B Boltzmann-Konstante ν s Geschwindigkeit in Richtung s ν 0 Standardabweichung von v s mit Doppler-Halbwertsbreite Petty Fig. 9.7 gleiches S und gleiches α

19 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Druckverbreiterung 19 bei dichter Atmosphäre kollidieren Moleküle sehr häufig Kollision beeinflusst gerade absorbierendes bzw. emittierendes Molekül Druckverbreiterung verschiedene Erklärungsmodelle, üblicher- weise Lorentz-Linienform α L Lorentz-Halbwertsbreite α 0 Referenzmessung im Labor bei T 0, p 0 nempirischer Exponent ν 0 Mittenfrequenz

20 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Linienverbreiterung 20 Probleme mit Lorentz-Modell 1) entfernte Flanken 2) nur gültig bei α L <<ν 0 1.führt zu Problemen bei bei der Beschreibung der Absorption in Fenstern durch Akkumulierung vieler Linienbeiträge 2.bedeutet, dass Absorption bei Frequenz ν=0 nicht 0 wäre. Problem bei niedrigen Frequenzen (Mikrowellen) van Vleck-Weisskopf Linienform (asymmetrisch) Petty Fig. 9.8

21 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Linienverbreiterung 21 Doppler- und Druckverbreiterung treten in jeder Höhe auf Dopplerverbreiterung hat bei gleichem α D und α L mehr Beiträge nahe der Linienmitte Voigt Linienform berücksichtigt sowohl Doppler- als auch Druckverbreiterung Im Mikrowellenbereich dominiert Druckverbreiterung bis ca. 0.1h Pa Petty Fig. 9.9

22 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Kontinuumsabsorption (nicht-resonant) 22 Photodissoziation - Aufbrechen eines Moleküles in 2 Teile - Bindungsenergie des Moleküls legt Dissoziationspotential fest nur Frequenzen darüber können absorbiert werden überschüssige Energie wird in kinetische umgesetzt sehr wichtig in der Stratosphäre Photoionisation - Produktion von positiv geladenem Ion und freiem, negativ geladenem Ion, z.B. - Ionisierungspotential i.a. höher als Dissoziationspotential immer UV-Strahlung (oder Röntgen und Gamma Strahlung) notwendig nur in der hohen Atmosphäre wichtig (Bildung Ionosphäre!) - Ionisierungspotentiale angeregter Atome/Moleküle sind niedriger Strahlung mit längeren Wellenlängen kann genutzt werden Kontinumsabsorption durch Wasserdampf

23 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Kontinuumsabsorption - Wasserdampf 23 Signifikante Kontinuumsabsorption im Infrarot- und Mikrowellenbereich. Zwei mögliche Erklärungen: Beiträge entfernter Linien - Lorenztheorie ist unzureichend bei weit entfernten Linienflanken - Summation über Beiträge sehr vieler weit entfernt liegender Linien H 2 O Cluster: - Wassermoleküle üben aufeinander anziehende Kräfte auf relativ leichte Kondensation - zeitweilige Bildung von Molekül-Klustern Dimer (2 Moleküle), Trimer (3 Moleküle).. - wesentlich komplexere Vibrations- und Rotationsübergänge im Vergleich zu einzelnem Moleküle wesentlich verschmiertere Übergänge über weiten Wellenlängenbereich Evtl. Kombination aus beiden Prozessen Volumenextinktionskoeffizient der Kontinuumabsorption is ungefähr prop. zum Quadrat der Wasserdampfdichte! Wichtig in unterer Troposphäre

24 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Absorption - Anwendungen 24 zweiatomiges Molekül ist weniger komplex nur eine Rotations- und eine Vibrations- quantenzahl Petty Fig reine Rotation

25 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Absorption - Anwendungen 25 Atmosphärische Strahlung, Susanne Crewell, SS 2008 Verbesserte Absorptionsmodelle seit 1990 durch Vergleich von Messungen und Theorie D. Turner

26 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Absorption – Anwendungen CO 2 26 Petty Fig und 9.13

27 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/ Breitbandige Flüsse und Erwärmungsraten solar terrestrisch Divergenz der Strahlungsflüsse in der Atmosphäre führt zu Erwärmung bzw. Abkühlung Absorption kann durch Datenbanken über Linienabsorption (Linienposition, -stärke und Halbwertsbreite) beschrieben werden, ist aber sehr komplex HITRAN'2004 Database (Version 13.0) enthält 2,713,968 Spektrallinien für 39 verschiedene Molekülehttp://cfa-www.harvard.edu/HITRAN/ 27

28 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/ Erwärmungsraten und breitbandige Flüsse 28 zuerst Line-by-line Berechnung (für jede ν ) Achtung: monochromatisch bei Wellenzahl ν nicht-streuende Atmosphäre plan-parallele Atmosphäre keine extraterrestrische Quelle mit Transmission optischer Dicke Wichtungsfunktion μcos Zenitwinkel β a,v Absorptionskoeffizient [m -1 ] νWellenzahl [cm -1 ] Kenntnis von β av (z) und T(z)

29 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Berechnung des Absorptionskoeffizienten 29 Summe von Linien- und Kontinuumsbeiträgen von N Gasen und M Absorptionslinien Einfluss der Höhe z: durch Abhängigkeit von Temperatur T(z), Druck p(z) und Dichte des Bestandteils ρ i (z) mit Kenntnis der Linienparameter für eine bestimmte Wellenzahl ν lassen sich für jede Höhe die auf bzw. abwärts gerichteten Strahldichten berechnen Berechnung des Strahlungstransports Linie für Linie (Line by Line = LBL) alle Beiträge benachbarter Linien (Abbruch!) werden berücksichtigt S i,j Linienstärke f i,j Linienform k a Massenabsorptionsquerschnitt [m 2 /kg] ρ i Dichte Gas ν i,j Mittenfrequenz von Gas i der Linie j Für Fernerkundungsanwendungen (diskrete Frequenzen) meist ausreichend

30 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Monochromatischer Fluss 30 Berechnung des breitbandigen Nettoflusses in jeder Höhe z LBL Rechnungen für - große Zahl monochromatischer Wellenzahlen - moderate Zahl von Höhen z Flussberechnungen sind millionenfach rechenzeitintensiver als Strahldichte- Berechnungen Heizraten müssen berechnet werden in - Global Circulation Models (GCM) - Numerical Weather Prediction (NWP) models für jeden Punkt der Erdkugel in regulären Zeitabständen für die verschiedenen Atmosphärenzustände Lösung: - Bandenmodelle - K-Verteilung

31 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Problem: 31 Wie bestimmt man die breitbandige Transmission? - abhängig von den Profilen der relevanten Gase N=1 N=4

32 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 k-Verteilungsmethode effiziente, flexible Methode zur Integration über komplexes Spektralintervall wesentlich gröbere Diskretisierung und somit Reduktion der Rechenzeit möglich auch möglich bei Streuung Petty, Fig gleicher Wert von k taucht mehrfach auf Sortierung nach der Größe des Absorptionskoeffizienten k Aufteilung in Bereich g[0,1] ergibt neue, leicht integrierbare Funktion k(g)

33 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 k-Verteilungsmethode Petty, Fig.10.5 Vorteil: macht keinen Annahmen über die Art der Linienverteilung Datenkompression Problem: inhomogene Atmosphäre Korrelation verschiedener Druckniveaus Rekonstruktion Correlated-k Methode hat < 1% Fehler 33

34 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Anwendung: Berechnung von Heizraten Netto-Strahlungsfluss ist der netto aufwärtsgerichtete Strahlungsfluss [Wm -2 ] durch horizontale Fläche in Höhe z Ist F net (z) größer als F net (z+Δz) kommt in der Schicht Δz zusätzliche Strahlungs- energie hinzu Absorption und Erwärmung der Luftschicht c p spez. Wärmekpazität bei konst. Druck = 1004 J kg -1 K -1 ρLuftdichte [kg m -3 ] HHeizrate [K /Tag] Strahlungsflussdivergenz H> 0: Erwärmung H< 0: Abkühlung 34

35 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Berechnung von Heizraten 35 Berechnung der Netto-Strahlungsflüsse in jeder Höhe z mittels der bandgemittelten Transmission t i Berechnung der Heizraten

36 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Berechnung von Heizraten Netto Erwärmung/Abkühlung durch Austausch mit der Oberfläche Schwarzer Untergrund da T s meist>T(z) Erwärmung Netto Erwärmung/Abkühlung durch Aus- tausch mit Obergrenze der Atmosphäre (TOA) Auskühlung in Weltraum * *Bei solarer Strahlung ist B(z) =0 und F i () ist Quellterm Strahlungsaustauschprozesse zwischen dem Höhenniveau z und allen anderen Schichten z. Signifikant bei - großen Temperaturunterschieden - starker Strahlungskopplung (2.te Abl.) Austausch mit oberen Schichten Austausch mit unteren Schichten Kühlung von oben wird meist durch Erwärmung von unten kompensiert 36

37 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Heizraten: Solare Strahlung Petty, Fig.10.6 Standardatmosphären mit typischen Temperatur- und Feuchteprofilen für tropisch, mittl. Breiten, subarktisch und arktisch Wasserdampf und Ozon sind die dominanten Absorber solarer Strahlung Ozon dominiert die Stratosphäre mit H>2K/Tag (Ursache für die Existenz der Stratosphäre) Wasserdampf hat höchste Konzentration in unterer Atmosphäre und führt zur Erwärmung bis 1.5 K/Tag Kohlendioxid ist gleichmäßig durchmischt (Lebenszeit ca. 5 Jahre) und hat geringe Er- wärmungsrate von 0.05 K/Tag 37

38 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Heizraten: Solare Strahlung Petty, Fig.10.7 Gesamtheizrate ergibt sich aus der Summe der einzelnen Komponenten Bei niedrigeren Zenitwinkeln sind die Heizraten geringer Im Fall von Wolken kommt es zu drastischen Änderungen Nichtabsorbierte Sonnenstrahlung führt auch indirekt zur Erwärmung - Emission und Reabsorption langwelliger Strahlung - direkte Wärmeleitung der Oberfläche - Verdunstung an Oberfläche (latente Wärme) 38

39 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Heizraten: Langwellige Strahlung Petty, Fig.10.8 Simultane Emission und Absorption Absorption dominant Erwärmung Emission dominant Kühlung Wasserdampf durch 6.3 μm Band und Bereich > 15 μm dominant. Stärkster Beitrag bis 3.5 K/Tag in unteren, feuchten Schichten. Relative Maxima durch zwei Bänder. H 2 O Kontinuum ist sehr sensitiv zur Druckverbreiterung CO 2 Bande bei 15 μm ist so stark, dass sofort Absorption und wieder Emission auftritt. Nur im Bereich der Tropopause Erwärmung durch Absorption. Ozon führt zur signifikanten langwelligen Erwärmung der Stratosphäre durch die Absorption von aufwärtsgerichteter Strahlung bei 9.6 μm am unteren Rand der Ozonschicht 39

40 18. Januar 2013 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Heizraten: Langwellige Strahlung 40 Petty, Fig.10.9 In wolkenfreier Atmosphäre unterscheiden sich verschiedene Regionen nur wenig durch unterschiedliche Temperatur- und Feuchetprofile. Langwellige Strahlung führt zur Abkühlung der Atmosphäre In der Stratosphäre gleichen sich langwellige Kühlung und solare Erwärmung in etwa aus (keine anderen Energieaustauschprozesse) Wolken und Aerosole verursachen starke Effekte bei den Heizraten sowohl im Langwelligen als auch im Solaren


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