Wiederholung 5. Stunde Was sind die Milankovitch-Zyklen? Wie unterschied sich die solare Ein- strahlung vor 115 kyr zu Beginn der letzten Eiszeit (Glazial)

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1 Wiederholung 5. Stunde Was sind die Milankovitch-Zyklen? Wie unterschied sich die solare Ein- strahlung vor 115 kyr zu Beginn der letzten Eiszeit (Glazial) von heute? Wie sieht die globale Strahlungsbilanz als - Funktion der geographischen Breite aus? - Funktion der Höhe aus? Was ist das Strahlungs-Konvektions- gleichgewicht? Wie war die erste Klima-Vorhersage von Manabe und Wetherald, 1967? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

2 Solare Variation Ergebnisse Nairobi Konferenz
Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

3 Erste Vorhersagen zum Einfluss von CO2
300 ppm typischer Wert um 1960 Verdopplung des CO2-Gehaltes bedeutet eine Erhöhung der Bodentemperatur um 1.4 bis 3.0 K, je nach Behandlung des Wasserdampfes 1.) Festhalten der absoluten Feuchte ρw 2.) Festhalten der relativen Feuchte RH CO2 Änderung konstante RH konstante ρw 300 auf 150 -2 K -1K 300 auf 600 +3.0 K +1.4 K positive Wasserdampfrückkopplung wesentliche Rolle des Wasserdampfes! Manabe and Wetherald, 1967 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

4 Horizontale Energietransporte
Vertikal gemittelte, aber horizontal variable Energiebilanz des Klimasystems ed Energiedichte im Gesamtklimasystem (Jm-2] HE horizontaler, 2-dim. Transport vonm ed Atmosphäre Ozean Eis Boden Gesamtenergietransport durch die beweglichen Komponenten des Klimasystems, aufteilbar in mittlere Strömung und turbulente Eddies („Wetter“  synoptische Eddies in Atmosphäre und Ozean) Betrachtung von langjährigen Jahresmitteln: vertikal und langjährig gemittelte Energiehaushaltsgleichung des Klimasystems Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

5 Räumliche Verteilung der Strahlungsbilanzkomponenten
Netto thermische Ausstrahlung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

6 Räumliche Verteilung der Strahlungsbilanzkomponenten
Transporte zur Umverteilung! tropische Überschussregionen bis über 80 Wm2, Defizitregionen in den mittleren und hohen Breiten ISCCP Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Quelle: Hartmann, D. L., Global Physical Climatology, 1994

7 MODIS Klimatologie Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

8 Kontraste in zonaler Richtung
Saharaanomalie hohe Bodenalbedo (Sand) → relatives Minimum der solaren Einstrahlung hohe Temperaturen, hohe Trockenheit: solare Energie kann nicht zur Verdunstung von Wasser eingesetzt werden (Bowenverhältnis LE/H < 1) → hohe thermische Ausstrahlung negative Strahlungsbilanz positive Anomalien über tropischen Kontinenten und indonesischem Archipel (geringe thermische Ausstrahlung in Folge hoher Wolken) negative Anomalien über ozeanischen Auftriebsgebieten (hohe Reflektion durch niedrige Stratusbewölkung) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

9 Analogie zum 1-dim. vertikal aufgelöstem Fall
Zonal gemittelte Strahlungsgleichgewichtstemperaturen TE: meridionaler Temperaturgradient von 100 K zwischen Pol-Äquator TS & TBoden: nur 50K Unterschiede müssen auf horizontale (vor allem meridionale) Energietransporte zurückzuführen sein Analogie zum 1-dim. vertikal aufgelöstem Fall TE berechnete Strahlungsgleichgewichttemperatur TS gemessene Strahlungstemperatur horz.&vert. gemittelt: energetische Überschüsse Tropen/Subtropen Bodennähe Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

10 Bestimmung von HE aus der Strahlungsbilanz
Helmholtztheorem: einsetzen in: Poissongleichung: Lösung in Kugelgeometrie durch Dar- stellung mit Kugelfunktionen Geschwindigkeits- potenzial (divergenter Anteil) Stromfunktion (rotationeller Anteil) Strahlungsbilanz > 0 S N Energietransport Energietransport Strahlungsbilanz < 0 S N Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

11 Globale Verteilung von χ und HE,D
χ Potentialfunktion farbig (W) HE,D divergenter Energie-transportvektor Pfeile (W/m) maximale Transporte ca. 2·108 Wm-1 (vertikal-integrierte Energieflussdichte) über den „0-Strahlungs-bilanz-Breitengrad“ werden ca. 6·1015 W transportiert aus ISCCP Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

12 Zonal gemittelter Energietransport (nordwärts)
Quellregion max. Transporte Senke SH NH Peixoto and Oort, 1992 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

13 Energietransport: Zonale Asymmetrien
- Senken: 1.) Sahara-Region 2.) Amazonas-Gebiet Quellen: Tropen/Subtropen (v.a. Indonesischer Raum) ISCCP Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

14 Das energetische Bild des irdischen Klimasystems
Erstellung eines zusammenfassenden Bildes der notwendigen vertikalen und horizonalen Transporte 2D-Betrachtung (vertikal gemittelt) Tropen als Quellregion der Energietransporte mittlere Breiten (Strahlungsbilanz ~ 0) als Transportregion polare/subpolare Breiten als Senkregionen der Energietransporte vertikale Betrachtung (horizontal gemittelt) Boden (=Ozean, Eis, Biosphäre, feste Erde) als Quellregion Troposphäre als Senkregion Stratosphäre im Strahlungsgleichgewicht (nur geringe Vertikaltransporte) aufgrund hohem Bowenverhältnis (LE/H ~ 5) → tropische Ozeane als (überwiegende) Quelle der Energietransporte Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

15 Das energetische Bild des irdischen Klimasystems
Konsequenzen der Verdunstung über den tropischen Ozeanen 1.) durch Kondensation des Wasserdampfes wird latenter Wärme wieder frei und erhöht die Energie der Atmosphäre (Auffüllung der Senke) 2.) ständige Verdunstung bedeutet eine Salzquelle für den Ozean → diese muss auch durch einen Transportprozess mit noch zu definierenden Salzsenken verbunden werden (Gesamtsalzgehalt der Ozeane konstant); daraus muss ein ozeanischer Energietransport resultieren Gesamttransport von Energie erfolgt durch Atmosphäre und Ozean Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

16 Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport
dazu Betrachtung der Energiehaushaltsgleichung (in p-Koordinaten) mit e = cp+T + Lq [J/kg] für die Atmosphäre: Mittelung in zonaler Richtung: ergibt: mit den zonal gemittelten merifionalen bzw. vertikalen Energietransporten in der Atmosphäre λ geogr. Breite ϕ geogr. Länge Re Erdradius φ Geopotenzial Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

17 Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport
langjähr. Mittel: Definition einer Transportfunktion ψe, s.d. Gleichung links indentisch erfüllt: folgt: Bestimmungsgleichung für ψe (Transportstromfunktion) stellt eine Poissongleichung in der (ϕ,p) - Ebene dar Man erhält ψe(ϕ,p), welche aus Messungen von Q, H und LE bestimmbar ist P [db] SP 60 30 -30 -60 NP Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

18 Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport
zwischen 30 N und 30 S: großer Energietransport zum Boden → etwa die Hälfte der energie geht in den Boden (Ozeane) in Subtropen und mittleren Breiten weisen Stromlinien nordwärts dabei wird langwellige Energie abgegeben SP 60 30 -30 -60 NP Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

19 Transportmechanismen in der Atmosphäre
vertikaler Transport: Konvektionsmechanismus bei instabiler Schichtung (Verfrachtung von überschüssiger Energie an der Grenzfläche Atmosphäre/Untergrund in die Defizitregion Troposhäre) kein erkennbares Analogon für die horizontalen Transporte, vielmehr gibt es eine Reihe von Prozessen die für die Transporte verantwortlich sind (ableitbar aus Beobachtungen) Ruddman, 2000 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

20 Mittlere Meridionalzirkulation (Hadley Zellen)
Horizontale Transportmechanismen I Mittlere Meridionalzirkulation (Hadley Zellen) Wasserdampfkondensation in den Tropen/Subtropen führt zu einem ständigen Aufheizen der Atmosphäre → mittlere Aufwärtsbewegung aus Massenerhaltungsgründen muss Luft aus den weiter nördlich/südlich gelegenen Gebieten nachgeführt werden (Passatwinde) Gleichzeitiges polwärtsgerichtetes Ausströmen mit Ausbildung des Subtropenhochs („Azorenhochs“) bei ca. 30° Breite nicht nur Massentransport, sondern Transport von innerer, latenter und potentieller Energie ↓ wesentlicher Transportmechanismus in den Tropen/Subtropen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

21 Horizontale Transportmechanismen II
Atmosphärische Wellen der mittleren Breiten (Transport durch sich neu bildende Hoch/Tiefdruckgebiete) positive (nordwärtsgerichtete) Geschwindigkeiten fallen zusammen mit positiven Temperaturabweichungen negative (südwärtsgerichtete) Geschwindigkeiten fallen zusammen mit negativen Temperaturabweichungen Produkt aus Geschwindigkeitsabweichung und Temperaturabweichung immer positiv: Transport von innerer Energie nach Norden entsprechendes gilt für latente und potentielle Energie Wellen selber initiiert durch den Energieunterschied zwischen mittleren Breiten und Subtropen (barokline Instabilität) ↓ wesentlicher Transportmechanismus in mittleren Breiten Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

22 Transportmechanismen im Ozean
Gesamtsalzgehalt der Ozeane konstant ständige Verdunstung in den Tropen/Subtropen → Salzquelle für Ozean → durch einen Transportprozesse mit Salzsenken verbunden ozeanischer Energietransport Transport von latenter Energie führt in den mittleren Breiten zu verstärktem Freisetzen von latenter Wärme und damit auch zur Niederschlagsbildung, welcher dem Ozean zu Gute kommt (direkt/“run-off“) → Senke für Salzgehalt das Bowenverhältnis (LE/H) ist endlich groß → zu einem geringeren Teil wird auch der Ozean von der solaren Einstrahlung erwärmt, d.h. Transport von innerer Energie aus den Tropen heraus Transportmechanism: ozeanische „Wetterwirbel“ analog der atmosphärischen Antarktischer Ringstrom (Zirkumspolarstrom) Westliche Randströme (Golfstrom, Kurushio) Transport von warmem, salzreichem Wasser aus den Tropen heraus Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

23 Transportmechanismen Ozean/Atmosphäre im Vergleich
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24 Zusammenfassung: „Wärmemaschine“ Klimasystem
Strahlungsbilanz > 0 Energietransporte < 0 Wellentransporte Atmosphäre Kondensation Konvektion Hadley-Zelle innere Energie latente Energie potentielle Energie kinetische Energie Niederschlag Verdunstung H Passate Wärme Erwärmu Eis Pol Äquator Salz Salz Salz Salz und Energie Ozean Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007