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Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz CO 2 (ppm)

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Präsentation zum Thema: "Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz CO 2 (ppm)"—  Präsentation transkript:

1 Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz CO 2 (ppm)

2 Inhalt 1. Überblick 2. Grundlagen 3. Klimawandel heute: Beobachtungen 4. CO 2 5. Andere Treibhausgase 6. Aerosole und Wolken 7. Solare Variabilität 8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel 9. Klimageschichte 10. Klimaschutz

3 2. Grundlagen Klima Abstrahlung von Energie durch Sonne und Erde: Plancksches Strahlungsgesetz Absorption durch atmosphärische Gase Strahlungshaushalt Treibhauseffekt: natürlich und anthropogen; CO 2 Strahlungsantrieb

4 2. Grundlagen Klima: Mittelwerte, Jahresgänge und Schwankungs- breite von Temperatur, Niederschlag, und weiteren meteorologischen Größen Häufigkeit von Extremwerten 30-jährige Mittelung Klima vs. Wetter... Klimawandel: Zeitskalen... Klima von =klino="ich neige" (Permeides ~500 v. Chr.), Klimazonen in Abhängigkeit vom Neigungswinkel der Sonne

5 Klimazonen

6 Strahlungshaushalt Wie kommt es zum Treibhauseffekt? Wie erklären sich die hier angedeuteten Strahlungsflüsse?

7 Spektrum elektromagnetischer Strahlung [Schönwiese] c =

8 Plancksches Strahlungsgesetz (1900): Planck-Gesetz beschreibt die spektrale Energiedichte B der Abstrahlung eines schwarzen Strahlers mit der Temperatur T. Plancksches Wirkungsquantum: h = 6, Js [Kraus]

9 Plancksches Strahlungsgesetz (1900): Stefan- Boltzmann- Konstante: Stefan- Boltzmann- Gesetz: Gesamte abgestrahlte Energie des schwarzen Strahlers hängt nur von der Temperatur des Strahlers ab und zwar zur 4. Potenz [Kraus]

10 Plancksches Strahlungsgesetz (1900): Sonne: max 0.5 µm T Sonne 5776 K Erde: max 10 µm T Erde 288 K Wiensches Ver- schiebungsgesetz: [Kraus]

11 Planck-Kurven für Erde und Sonne (normiert): Erde: 99% der Strahlung zwischen 4 und 100 µm terrestrischer = langwelliger Strahlungsbereich Sonne: 99% der Strahlung zwischen 0.23 und 5 µm solarer = kurzwelliger Strahlungsbereich

12 terrestrisches Strahlungs- fenster 8-12 µm Spektrale Verteilung der Abstrahlung von Sonne und Erde im Vergleich mit Planck-Strahler Sonne: Oberfläche ~5776°C Strahlung maximal im sichtbaren Bereich (0.4 – 0.8 µm)

13 Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für em-Strahlung

14 IR-Aufnahme der Erdoberfläche JJA DJF

15 Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre: Rotations-Vibrationsspektren von CO 2 Moleküle wie CO 2 und H 2 O absorbieren langwellige Photonen. Die zugeführte Energie wird zunächst in Rotations-Vibrations- Energie umgesetzt. Insgesamt führt die zugeführte Energie zur Erwärmung der atmosphärischen Luftschicht (Energieübertrag auch durch Stöße mit anderen Luft-Molekülen) und die Energie wird wieder durch langwellige Photonen in alle Richtungen abgestrahlt.

16 Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre: Rotations-Vibrationsspektren von CO 2 in der Atmosphäre noch Druck- und Doppler- verbreiterung der Linien: deshalb Absorptionsbanden Rotations- Vibrations- Spektren des CO 2

17 Absorptions- spektren verschiedener atmosphärischer Gase [Kraus]

18 Solarkonstante I K : Strahlungsflussdichte der von der Sonne kommenden und über alle Wellenlängen integrierten Strahlung, die extraterrestrisch (also außerhalb der Erdatmosphäre), von einer senkrecht zur Strahlrichtung orientierten Fläche beim mittleren Abstand Erde-Sonne ( m = 1 AE) empfangen wird. Aus Satellitenmessungen: aus I K kann sofort die Oberflächentemperatur der Sonne bestimmt werden:

19 Oberflächekurzwellige Albedo (0.3-4 µm) in Prozent langwellige Albedo (4-100 µm) in Prozent System Erde/Atmosphäre30 Neuschnee75-950,5 Altschnee40-70 Sand Gras Wasser bei hochstehender Sonne Wasser bei niedrigstehender Sonne Wolken Albedo: Reflexionsvermögen verschiedener Oberflächen im kurzwelligen (und langwelligen) Bereich

20 Strahlungshaushalt kurzwellig langwellig

21 Einfaches Glashausmodell: Fläche A: Fläche B: Bilanz: Ergebnis: T A = -18°C, T B = 30°C T A entspricht T eff,Erde Modell: Atmosphäre = eine Fläche Erdoberfläche habe Albedo von 30% keine anderen Energietransporte natürlicher Treibhauseffekt qualitativ

22 Erweiterung des einfachen Glashausmodells: Fläche A: Fläche B: Ergebnis: für T B = 288 K, folgt T A = 242 K und A =0,78 für T B = 289 K, folgt T A = 243 K und A =0,79 Modell: Atmosphäre = eine Fläche Erdoberfläche habe Albedo a g keine anderen Energietransporte langwelliges "Fenster" mit Hilfe von A Wirkung von zusätzlichen Treibhausgasen

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24 Strahlungsantrieb F: "Änderung der Strahlungsbilanz an der Tropopause durch Störung der Energieflüsse im Subsystem Erdoberfläche- Atmosphäre" (nach Schönwiese, IPCC-Def. komplizierter). negativer Strahlungsantrieb: Abkühlung positiver Strahlungsantrieb: Erwärmung semi-empirische Verknüpfung mit Temperatur der Erdoberfläche: Im langfristigen Gleichgewicht: Zeitverzögerung Klimaantwort Strahlungs- antrieb Parameter: Sensitivität (Rückkopplungen etc.) Änderung der Oberflächentemperatur

25 anthropogener Klimawandel: zwei Teile: A)Detektion B)Ursachen zuordnen

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28 Natürlicher Treibhauseffekt: ~33 K, davon: 62 % H 2 O (20,6 K) 22 % CO 2 ( 7,2 K) 7 % O 3 (2,4 K) 4 % N 2 O (1,4 K) 2,5 %CH 4 (0,8 K)


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