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Geographisches Institut Erd- und Himmelmechanik - Grundlagen -

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Präsentation zum Thema: "Geographisches Institut Erd- und Himmelmechanik - Grundlagen -"—  Präsentation transkript:

1 Geographisches Institut Erd- und Himmelmechanik - Grundlagen -

2 Einführungsübung: Geomorphologie(Fr. 16:00 – 18:00 Uhr c.t.)RN 239 Erd- und Himmelsmechanik ErdklimaSonne Motor des Klimas?

3 Solarkonstante: Strahlungsenergie, welche unter Vernachlässigung des Atmosphäreneinflusses bei mittlerem Sonnenabstand und senkrechtem Strahleneinfall in einer Minute durch die Flächeneinheit fließt = Strahlungsenergiemenge auf der Erdeoberfläche = ~ W/m2 (Mittelwert) Erd- und Himmelsmechanik

4 = schiefe der Ekliptik 23,5° Erd- und Himmelsmechanik

5 Schiefe der Ekliptik führt zu unterschiedlichen Besonnungszonen auf der Erdoberfläche scheinbares Wandern der Sonne im Bereich der Wendekreise (23,5°); scheinbares Wandern der Sonne im Bereich der Wendekreise (23,5°); Tag-Nacht-Äquivalenz im Sonnenzenit; Tag-Nacht-Äquivalenz im Sonnenzenit; variierende Tag-Nachtdauer in den Mittelbreiten mit zunehmender variierende Tag-Nachtdauer in den Mittelbreiten mit zunehmender Tendenz zu den Polen hin; Tendenz zu den Polen hin; Polartag /-nacht jenseits der Polarkreise (66,5°); Polartag /-nacht jenseits der Polarkreise (66,5°); Strahlungsintensität und effektive Erwärmung (ohne Berücksichtigung der Atmosphäre) nehmen zu den Polen hin ab Erd- und Himmelsmechanik

6 = Erdrotation (23h 56min 4sec)[gegen den UZS] Erd- und Himmelsmechanik

7 Einführungsübung: Geomorphologie(Fr. 16:00 – 18:00 Uhr c.t.)RN 239 = Erdrevolution (365,25 Tage) Erd- und Himmelsmechanik

8 Umlauf der Erde um die Sonne (Erdrevolution) 1. Keplersches Gesetz: 1. Keplersches Gesetz: tatsächlich „eiert“ die Erde um die Sonne!; tatsächlich „eiert“ die Erde um die Sonne!; 2. Keplersches Gesetz: 2. Keplersches Gesetz:  variierende Geschwindigkeit der Erderevolution  variierende Geschwindigkeit der Erderevolution schneller in Sonnennähe – langsamer in Sonnenferne (  = 29,8 km/s = km/h) Entfernung der Erde zur Sonne = 1 Astronomische Einheit (AE) Entfernung der Erde zur Sonne = 1 Astronomische Einheit (AE) = 150 Mio. km = 150 Mio. km Sonnennähe (Perihel):2. Januar (~ 147 Mio. km) Sonnenferne (Aphel):4. Juli (~ 152 Mio. km) im Brennpunkt der Ellipse steht die Sonne; eine gedachte Verbindungslinie Sonne/Erde überstreicht in der gleichen Zeit gleiche Flächen; Erd- und Himmelsmechanik

9 Klima Solares Klima J = J 0 sin(β) J = J 0 cos(α) ; (α=90°-β) J = Strahlungsleistung; J 0 = Strahlungsleistung bei senkrechtem Einfallswinkel; senkrechtem Einfallswinkel; β = Einfallswinkel gegenüber dem Horizont. dem Horizont. →[klino] „ich neige“

10 Das solares Klima Energiebilanz und –verteilung auf der Erde im Jahresmittel: zu den Äquinoktien (Sonnennähe) herrscht eine symmetrische zu den Äquinoktien (Sonnennähe) herrscht eine symmetrische Verteilung der Energiemenge auf der Nord- und Südhalbkugel Verteilung der Energiemenge auf der Nord- und Südhalbkugel zu den Solstitien (Sonnenferne) herrscht einseitige Energieverteilung zu den Solstitien (Sonnenferne) herrscht einseitige Energieverteilung auf den Erdhalbkugeln auf den Erdhalbkugeln SÜD0° NORD  ganzjährige Energiezufuhr in den Tropen  jahreszeitliche Schwankungen in den Mittelbreiten Mittelbreiten  jahrszeitliches Alternieren an den Polen (sonnenzugewendet = 24h Einstrahlung) (sonnenabgewendet = keine Energiezufuhr) Solares Klima

11 Bau und Funktion der Atmosphäre Gliederung der Atmosphäre Temperatur: Troposphäre Troposphäre Stratosphäre Stratosphäre Mesosphäre Mesosphäre Thermosphäre Thermosphäre Exosphäre Exosphäre Durchmischungsgrad: Homosphäre (0-100 km) Homosphäre (0-100 km) Homopause ( km) Homopause ( km) Heterosphäre (>120 km) Heterosphäre (>120 km) physiko-chemisch: Ozonosphäre (16-20 km) Ozonosphäre (16-20 km) Chemosphäre ( km) Chemosphäre ( km) radio-physikalisch: Ionosphäre Ionosphäre Magnetosphäre Magnetosphäre Lebenszone: Biosphäre (0-20 km) Biosphäre (0-20 km) Aerodynamik: Prandtl-Schicht (0-50 m) Prandtl-Schicht (0-50 m) Ekman-Schicht ( m) Ekman-Schicht ( m) freie Atmosphäre (> 1 km) freie Atmosphäre (> 1 km) Tro-St-Me-Ther-Ex

12 Bau und Funktion der Atmosphäre Aufbau der Atmosphäre Exosphäre Thermosphäre Mesosphäre Stratosphäre Troposphäre km km km km 0-12 km Mesopause Stratopause Tropopause

13 Bau und Funktion der Atmosphäre

14 diffuse Reflektion selektive Absorption

15 Bau und Funktion der Atmosphäre S 90° S 0° Je mehr Luftteilchen, desto mehr Reflektion und Absorption  einfallende Sonnenstrahlung wird polwärts zunehmend geschwächt polwärts zunehmend geschwächt Globalstrahlung (G) = direkte Sonnenstrahlung (Q) + diffuse Strahlung (q)

16 Globalstrahlung bei wolkenlosem Himmel: Tropen6:1 Subtropen5:1 Mittelbreiten6:1 2:12:12:12:1 Polargebiete4:1 1,5:1 (Sommer)(Winter)(Sommer)(Winter) Bau und Funktion der Atmosphäre EINSTRAHLUNG höchste Globalstrahlung an den Wendekreisen (NHK: +; SHK: -); höchste Globalstrahlung an den Wendekreisen (NHK: +; SHK: -); Globalstrahlung am Äquator geringer, da ständige Bewölkung; Globalstrahlung am Äquator geringer, da ständige Bewölkung;

17 Bau und Funktion der Atmosphäre AUSSTRAHLUNG Rückstrahlungsvermögen eines Körpers: NeuschneeSandGrasNadelwaldHaufenwolken Wasserflächen bei: hohem Sonnenstand hohem Sonnenstand niedrigem Sonnenstand niedrigem Sonnenstand 75 – 95 % 35 – 45 % 10 – 20 % 5 – 15 % 5 – 15 % 70 – 90 % 7 – 10 % 7 – 10 % 20 – 25 %

18 Bau und Funktion der Atmosphäre AUSSTRAHLUNG Rückstrahlungsvermögen eines Körpers: ALBEDO Was passiert mit dem Rest der Energie? …die wird absorbiert! Was bedeutet das? … atmosphärische / terrestrische Teilchen nehmen Energie auf und geraten in Schwingung! (= Temperaturerhöhung)

19 Bau und Funktion der Atmosphäre

20 CO 2 / H 2 O - Reflektor Einstrahlung Erdstrahlung Effektive Ausstrahlung Gegenstrahlung

21 Bau und Funktion der Atmosphäre Strahlungsbilanz Es gibt Zeiten und Regionen des Energieüberschusses… [] [Tag; Sommer; Tropen] …sowie Zeiten und Regionen des Energiedefizits [] [Nacht; Winter; Polargebiete] Die Beziehung zwischen Überschuss und Defizit wird als Strahlungsbilanz bezeichnet Tag;Sommer;Tropen Nacht;Winter;Polargebiete

22 Bau und Funktion der Atmosphäre Atmosphärische Ausgleichsbewegungen Um diese Unterschiede auszugleichen, wird Energie von Überschussgebieten in Defizitgebiete transportiert! Und wie wird Energie in der Atmosphäre transportiert? → Luft wird bewegt!

23 Bau und Funktion der Atmosphäre Atmosphärische Ausgleichsbewegungen vertikale Bewegungen: Erdoberfläche und erdnahe Atmosphäre (Einstrahlung = Energieüberschuss) Außenseite der Atmosphäre (Ausstrahlung = Energiedefizit) Ausgleich durch: vertikale Luftbewegungen vertikale Luftbewegungen Verdunstung von Wasser an der Verdunstung von Wasser an der Erdoberfläche und Kondensieren Erdoberfläche und Kondensieren in höheren Sphären in höheren Sphären horizontale Bewegungen: Ausgleichsbeziehung: Erde - Atmosphäre

24 Bau und Funktion der Atmosphäre Atmosphärische Ausgleichsbewegungen horizontale Bewegungen: Einstrahlung / Energieüberschuss? (am Äquator / zwischen den Wendekreisen alternierend) [höhere Atmosphäre und verstärkte Wolkenbildung] Ausstrahlung / Energiedefizit? (an den Polen) [niedrigere Atmosphäre und geringere Luftfeuchte] Ausgleich durch: vertikale Luftbewegungen vertikale Luftbewegungen = Winde Ausgleichsbeziehung: Äquator - Pol

25 Bau und Funktion der Atmosphäre Atmosphärische Ausgleichsbewegungen horizontale Bewegungen: Das maximale horizontale (meridionale) Energiegefälle liegt bei ~ 30°-60° …man nennt diesen Bereich die PLANETARISCHE FRONTALZONE

26 Bau und Funktion der Atmosphäre Wir fassen zusammen…! Strahlungs unterschiede bedeuten… Temperaturunterschiede,… und die bedeuten Druckunterschiede,… und die führen zu Ausgleichsbewegungen, den Winden… letztlich also zur Zirkulation der Atmosphäre


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