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Einführung in die Physische Geographie Prof. Dr. Otto Klemm Teil Klima und Wasser 1. Organisatorisches Strahlung als Antrieb im Klimasystem Klimawandel.

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1 Einführung in die Physische Geographie Prof. Dr. Otto Klemm Teil Klima und Wasser 1. Organisatorisches Strahlung als Antrieb im Klimasystem Klimawandel

2 organisatorisches Skript im www: Lehre Vorlesungen Username: Passwort:

3 empfohlene Lehrbücher Smithson, P., Addison, K. & Atkinson, K. (2002) Fundamentals of the Physical Environment, 3rd ed. Routledge, London, 625 S. [ca. 155 ] ISBN & ; (in Bibliothek vorhanden) Strahler, A. & Strahler, A. (1997) Physical Geography: Science Systems of the Human Environment, John Wiley & Sons, New York, 637 S. ISBN ; in Bibliothek vorhanden Strahler, A. & Strahler, A. (2002) Physische Geographie. Ulmer UTB, Stuttgart, 2. Aufl., 686 S. ISBN & ; in Bibliothek vorhanden Goudie, A. (2002) Physische Geographie: Eine Einführung. Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, 4. Aufl. 471 S. ISBN ; in Bibliothek vorhanden Dingman, S.L. (1994): Physical Hydrology. Macmillan Publ. Comp. New York, 575 S. ISBN X; in Bibliothek vorhanden Malberg, H. (2002) Meteorologie und Klimatologie. Eine Einführung. 4. ed., Springer, Berlin u.a., 364 S.

4 Die Erde

5 Zusammensetzung der Atmosphäre: stabile Gase durchschnittliche Aufenthaltszeit » 10 3 a GasFormelMischungsverhältnis StickstoffN2N % SauerstoffO2O % ArgonAr0.93 % NeonNe18 ppm HeliumHe5.2 ppm KryptonKr1.1 ppm WasserstoffH2H ppm XenonXe0.087 ppm Summe ca % der trockenen Atmosphäre zusätzlich kommt Wasserdampf vor in hoch variablen Mischungsverhältnissen von bis zu 5 %

6 Quelle: Fonds der Chemischen Industrie

7 Aufbau der Atmosphäre Quelle: von Storch et al., 1999 Standard- Atmosphäre

8 Klima - Definition Das Wetter ist der augenblickliche Zustand der Atmosphäre an einem Ort, wie er durch die Klimaelemente (Strahlung, Temperatur, Luftfeuchte, Niederschlag, Wind, u.a.) gekennzeichnet ist. [ Die Witterung ist der typische Charakter des Wetterablaufs eines bestimmten Zeitraums. Der Zeitraum kann Tage bis Monate umfassen ] Klima ist die Synthese des Wetters über einen Zeitraum, der lange genug ist, um dessen statistische Eigenschaften bestimmen zu können. Das Wetter ändert sich schnell, das Klima nur langsam

9 Klimaelemente Luft - Temperatur Luftfeuchte Luftdruck Wind (Richtung und Geschwindigkeit) Niederschlag Strahlung (in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts) und viele andere mehr, z.B.: fühlbarer Wärmestrom, latenter Wärmestrom, Bodentemperatur, Albedo, Schubspannung, Spurenstoffflüsse, …

10 Klimafaktoren sind Prozesse und Umstände, die das Klima generieren, aufrechterhalten und verändern Klimafaktoren astronomische Klimafaktorengeographische Klimafaktoren Tag- NachtlängeGeografische Breite SonnenfleckenaktivitätHöhe über NN Neigung der Erdachse (Sommer / Winter) Nähe zum Ozean Einstrahlungswinkel der Sonnenstrahlung Topographische Besonderheiten (z.B. Hangneigung Spektrale Aufteilung der Sonnenstrahlung Verstädterung

11 Die Erde im Sonnensystem Aphel (02.07.) [152 · 10 6 km) Periphel (02.01.) [147 · 10 6 km) N-Sommer-Halbjahr: 186 Tage N-Winter-Halbjahr: 179 Tage

12 Einstrahlung durch die Sonne Alle Prozesse, die auf der Erdoberfläche ablaufen, gewinnen die dafür notwendige Energie aus der Strahlungsenergie der Sonne. Unterschiede im Ablaufen der Prozesse kommen u.a. dadurch zustande, dass unterschiedliche Orte zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedlich viel Strahlungsenergie erhalten.

13 Quelle: Ahrens, 2000 Spektrum von Sonne und Erde spektrale Strahlflussdichte - der Sonne (links) bei ca K - der Erde (rechts) bei 288 K (Erdoberfläche) bzw. 255 K (Oberkante Atmosphäre) Das solare Spektrum liegt zwischen 0.2 µm 4 µm; das Spektrum der Erde liegt zwischen 4 µm 50 µm. Das solare Spektrum wirdkurzwellig genannt, das Erd-Spektrum langwellig (Grenze bei ca. = 3.5 µm)

14 Stefan – Boltzmann - Gesetz Die Schwarzkörperstrahlung, Wärmeabstrahlung eines jeden Körpers (und auch Gases), E B, ist eine Funktion nur der Temperatur und kann folgendermaßen beschrieben werden: Hier ist die Stefan-Boltzmann - Konstante mit = W m -2 K -4. Nicht jeder Körper ist schwarz. Die Emissivität nicht-schwarzer (grauer) Körper ist kleiner als die entsprechende Schwarzkörperstrahlung, wobei die Abweichung von den Schwarzkörpereigenschaften eine Funktion der Wellenlänge des Lichts ist. im langwelligen Bereich (Wärmestrahlung) sind die Werte für allerdings groß (meist über 0.9)

15 Absorption solarer Strahlung Atmosphärische Gase absorbieren die solare Strahlung zum Teil. Ozon wirkt besonders stark in der Stratosphäre (Chapman-Cycle): Quelle: Seinfeld und Pandis, 1998

16 Absorption solarer Strahlung Quelle: Häckel, 1999

17 Absorption der Ausstrahlung der Erde aus Kraus, 2000, verändert Beispiel eines vom Satelliten aus beobachteten Emissionsspektrums der Erde atmosphärische Fenster: 8 µm 9 µm; 10 µm 12 µm Wellenlänge / µm

18 Reflexion kurzwelliger Strahlung Ein Teil der ankommenden Strahlung wird reflektiert. Das Verhältnis der reflektierten zu eintreffenden Strahlung nennt man Albedo r Die Albedo wird meist für den solaren Anteil der Strahlung gemessen: r: Albedo der kurzwelligen Strahlung (ca: 4 µm) K : einfallende kurzwellige Strahlung K : reflektierte kurzwellige Strahlung besonders bei Wasseroberflächen ist die Albedo abhängig vom Einfallswinkel. die planetare Albedo der Atmosphäre ist ca. 30 % OberflächeAlbedo r frischer Schnee0.95 graues Eis0.60 Boden dicke Wolken dünne Wolken0.20 … 0.65 städtisches Mittel0.15 Getreide0.2 Wald Gras0.25 tiefes Wasser, hochstehende Sonne tiefes Wasser, tiefstehende Sonneca. 0.8

19 E. Schaller, Die durch- schnittliche Einstrahlung beträgt ca. 342 W m -2 Der natürliche Treibhauseffekt beträgt 33 K globale Strahlungsbilanz - Treibhauseffekt EH 342 W m -2 %

20 Effektivität der Treibhausgase das wichtigste Treibhausgas ist H 2 O GasFormelGWPMVabsoluter Beitrag zum Treibhaus- effekt Beitrag zum natürlichen Treibhauseffek t Lebensdauer in der Atmo-sphäre Kohlendio xid CO ppm17 K4 – 120 a MethanCH ppm10 %0.8 K3.6 – 10 a LachgasN2ON2O ppb26 %1.5 K20 – 150 a Ozon (Tropos- phäre!) O3O ppb 34 %2.4 KTage - Wochen Schwefel- hexa- fluorid SF ppt0.02 %-3200 a WasserH2OH2O0.01 – 5 %321 K GWP = global warming potential (auf molekularer Basis)

21 Entwicklung der Erdatmosphäre aus: Graedel und Crutzen, 1994

22 Klimazeugen aus: Graedel und Crutzen, 1994

23 Klimazeugen aus: v. Storch et al., 1999 Holozän Würm / Weichsel Riß / Saale Mindel / Elster Günz Donau

24 Klimazeugen aus: v. Storch et al., 1999 Würm Riß

25 Historische Kalt- und Warmzeiten Jahre vor heuteTempAlpenNordeuropaNordamerika warmHolozän kaltWürmWeichselWisconsin warmEemSangamon kaltRißWarthe/Saale/DrentheIllinoian warmHolsteinYarmouth kaltMindelElsterKansan warmCromerAftonian kaltGünzMenapNebrascan warmWaal kaltDonauEburon Tegelen aus: v. Storch et al., 1999

26 Klimaoptima und –pessima in Europa ZeitraumKlimaabschnittKlimarelevante Ereignisse 1200 – 600 v. Chr. Subatlantikum – Pessimum, ausgeprägt kalte Periode, mitteleuropäische Temperaturen um 1 – 2 K unter heute, besonders kühle Sommer, niederschlagsreich 750 – 550: Kolonisation des Mittelmeerraums durch die Griechen 200 v. Chr. – 380 n. Chr. Optimum der Römerzeit Jahresmittel 1 – 1.5 K über heute, meist niederschlagsreich, erst 300 – 400 n.Chr. trockener 98 – 117 größte Ausdehnung des Römischen Reiches, 218 v.Chr. Alpenüberquerung durch Hannibal Pessimum der Völkerwanderungszeit, kühl und niederschalgsreich, verbreitet Gletschervosstöße 375 – 568 germanische Völkerwanderung, 410 Einnahme Roms durch die Westgoten mittelalterliches Optimum Jahresmittel 1 – 1.5 K über heute, zunächst niederschlagsreich, dann trockener 800 – 1000 Seefahrten der Normannen, Besiedlung Islands und Grönlands, Weinanbau bis nach NW – Europa um 1250Klimawende mit ausgedehnter Abkühlung, viele Niederschläge, Stürme kleine Eiszeit, Jahresmittel etwa 1 K unter heute, bes. strenge Winter, starke Schwankungen, am Ende trocken 1492 Beginn des Zeitalters der Ent- deckungen und Auswanderungen, 1525 Bauernkriege, 1618/48 Dreißigjähriger Krieg, 1789 franz. Revolution ab ca. 1900modernes Optimum mit erstem Maximum der globalen Lufttemperatur um 1940, verstärkter Temperaturanstieg seit Beginn der 1970er Jahre, relativ trocken

27 Einfluss der Erdumlaufbahn aus: Graedel und Crutzen, 1994

28 Einfluss der Erdumlaufbahn aus: Graedel und Crutzen, 1994

29 Sonnenfleckenaktivität

30 Klimaentwicklung mittelalterliches Optimum kleine Eiszeit

31 Klimaentwicklung

32 Klimaentwicklung

33 klimarelevante Spurengase

34 Quelle:Climate Monitoring & Diagnostics Laboratory, klimarelevante Spurengase Haupt-Quelle für CO 2 : Verbrennung fossiler Biomasse Haupt-Senke: Aufnahme im Ozean, Aufnahme in Biomasse Mittelwert 2004: 377 ppm

35 Quelle:Häckel klimarelevante Spurengase

36 klimarelevante Spurengase Haupt-Quelle für CH 4 : Emission aus landwirtschaftlicher Aktivität (Rinder, Reis…) Haupt-Senke: Reaktion mit OH-Radikalen in der Atmosphäre

37 klimarelevante Spurengase Haupt-Quelle für NO 2 : Emission aus landwirtschaftlicher Aktivität (Rinder, Reis…) Haupt-Senke: Transport in die Stratosphäre (wenig effektiv!)

38 Treibhauseffekt

39 Klimamodellierung

40 Klimamodellierung

41 Klimavorhersage

42 Klimavorhersage

43 Klimavorhersage

44 Meeresspiegel

45 Klimaentwicklung

46 Rückkopplungsmechanismen positiv Wasserdampf - Rückkopplung Temperatur steigt Verdunstung nimmt zu Temperatur steigt weiter Treibhauseffekt verstärkt sich atm. Wasserdampfgehalt nimmt zu Eis – Albedo - Rückkopplung Temperatur steigt Schnee- und Eisbedeckung nimmt ab Temperatur steigt weiter Absorption solarer Strahlung steigt Albedo nimmt ab

47 Rückkopplungsmechanismen negativ Eis - Akkumulation - Rückkopplung Temperatur steigt atm. Wasserdampfgehalt steigt Albedo nimmt zu Schnee und Eisbedeckung nimmt zu Meeresspiegel sinkt Niederschlag nimmt zu geringere Absorbtion von Strahlung Temperatur fällt Strahlung - Wolken - Rückkopplung Temperatur steigt atm. Wasserdampfgehalt steigt globale Albedo nimmt zu Wolkenbedeckung nimmt zu geringere Absorbtion von Strahlung Temperatur fällt vorsicht: die Rolle der Wolken ist nicht einheitlich


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