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Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) – André Paul Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima.

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Präsentation zum Thema: "Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) – André Paul Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima."—  Präsentation transkript:

1 Das Klimasystem und seine Modellierung ( ) – André Paul Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima

2 Vorlesungsplan Einführung in das Klimasystem Die globale Energiebilanz Konzeptionelle Klimamodelle: Das 0-dimensionale Energiebilanzmodell Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima Konzeptionelle Klimamodelle: Das Strahlungs- Konvektions-Modell Wärmehaushalt der Erde Wasserhaushalt der Erde (hydrologischer Kreislauf)

3 Vorlesungsplan Klimaempfindlichkeit und Rückkopplungsmechanismen Allgemeine atmosphärische Zirkulation und Klima Allgemeine ozeanische Zirkulation und Klima Konzeptionelle Klimamodelle: Das 1-dimensionale Energiebilanzmodell Realitätsnahe globale Klimamodelle

4 Wiederholung Konzept zur Schwarzkörperstrahlung Atmosphärisches Fenster Photodissoziation Photoionisation Unschärferelation

5 Konzept zur Schwarzkörperstrahlung

6 Absorptionsspektren im Infrarot für verschiedene atmosphärische Gase [Abbildung 3.4 aus Hartmann (1994)]. atmosphärisches Fenster zwischen 8 und 12 m Ozon Wasserdampf Rotation Schwingung und Rotation

7 Atmosphärisches Fenster Nur durch das atmosphärische Fenster kann langwellige Strahlung relativ ungehindert die Atmosphäre passieren –Wasserdampf: Schwingungs- und Rotationsbande nahe 6.3 m, reine Rotationsbande oberhalb von 12 m –Zwischen 8 und 12 m sonst nur noch 9.6- m-Bande des Ozons

8 Bei genügend hoher Energie eines Photons (Wellenlängen kürzer als ~1 m) –Aufbrechen molekularer Bindung molekularer Sauerstoff (O 2, bei <200 nm) Ozon (O 3, bei = nm) –Wichtig für Ozonproduktion in der Stratosphäre Photodissoziation OO

9 Photoionisation Bei sehr hoher Energie eines Photons (Wellenlängen unter ungefähr 100 nm) –Herausschlagen eines Elektrons aus der äußeren Hülle eines Atoms –Wichtig in Ionosphäre + -

10 Absorptionslinien und Linienverbreiterung Häufung von Absorptionslinien in einem Frequenzbereich heißt Absorptionsbande –Vibrations- und Rotationsübergänge am Wichtigsten für terrestrische Strahlung –Wasserdampf (6.3 m, > 12 m), O 3 (9.6 m), CO 2 (15 m) Linienverbreiterung durch –Druck- oder Stoßverbreiterung –Doppler-Effekt –Unschärferelation Hypothetisches Linienspektrum (a) vor (b) nach Linienverbrei- terung [Abbildung 3.5 aus Hartmann (1994)].

11 Unschärferelation Heisenberg (1927): Ort und Impuls oder Energie und Zeit können nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit gemessen werden.

12 Einsetzen der Energie eines Photons Natürliche Linienverbreiterung Endliche Zeit t > 0 für Emission oder Absorption führt zu natürlicher Linenverbreiterung: in Unschärferelation ergibt

13 Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima Kurzwelliger Strahlungstransport Langwelliger Strahlungstransport Hartmann (2004), Kapitel 3, Abschnitte , S

14 Absorption kurzwelliger Strahlung Meeres- oder Landoberfläche Sonne Welche Faktoren oder Prozesse spielen eine Rolle? ? Atmosphäre

15 Die Proportionalitätskonstante ist der Absorptionsquerschnitt (Einheit m 2 kg -1, abhängig von Druck und Temperatur des Gases und der Frequenz des Lichtes) Kurzwelliger Strahlungstransport Absorption ist proportional zur Intensität der Strahlung und zur Menge des absorbierenden Gases Allgemeiner: Auslöschungsquerschnitt (oder Strahlungstransport unter Vernachlässigung der erneuten Emission in der Atmosphäre)

16 Auslöschung eines Sonnenstrahls beim Durchgang durch eine planparallele Atmosphäre [Abbildung 3.7 aus Hartmann (1994)]. Zusammenhang zwischen Weglänge und Höhe: Es folgt für den Strahlungsfluss : Zenitwinkel

17 Auslöschungskoeffizient Dichte des absorbierenden Gases Definition der optischen Weglänge in der Vertikalen: Mit folgt Lösung:exponentieller Abfall

18 Die Heizrate, die mit der Absorption der kurzwelligen Strahlung verbunden ist, ist gegeben durch: Mit Hilfe von folgt: wobei Bei konstanter Dichte des absorbierenden Gases ist die Heizrate proportional zum Strahlungsfluss (gilt für molekularen Sauerstoff und Stickstoff in der oberen Atmosphäre).

19 Langwelliger Strahlungstransport Meeres- oder Landoberfläche Atmosphäre Welche Faktoren oder Prozesse spielen eine Rolle? ?

20 Langwelliger Strahlungstransport Zusätzlich: Emission in der Atmosphäre Vereinfachte Lösungen für den Strahlungstransport –Integration über alle Wellenlängen

21 Weg nach oben gerichteter terrestrischer Strahlung durch eine planparallele Atmosphäre [Abbildung 3.8 aus Hartmann (1994)]. Atmosphärische Schicht

22 Gleichung für den langwelligen Strahlungstransport Änderung der Intensität I enlang des Weges unter einem Winkel durch eine Schicht der Dicke dz = Emission minus Absorption durch das Gas entlang des Weges:

23 Größter Beitrag dort, wo die Transmission sich am stärksten ändert. Langwelliger Strahlungsfluss von der Oberfläche, der das Niveau z erreicht Beitrag der atmosphärischen Gase oberhalb des Niveaus z Beitrag der atmosphärischen Gase unterhalb des Niveaus z Nahezu keine langwellige Einstrahlung aus dem Weltall. Vereinfachte Lösungen für den Strahlungstransport

24 Meeres- oder Landoberfläche von Oberfläche von Gasen unterhalb von z von Gasen oberhalb von z Beiträge zum langwelligen Strahlungstransport

25 Transmissionsfunktion und Lufttemperatur (K) als Funktionen der Höhe [Abbildung 3.9 aus Hartmann (1994)]. Tropopause

26 Einfachster Fall: Isotherme Atmosphäre der Temperatur T A über einer Oberfläche der Temperatur T s Hier lässt sich abkürzen:

27 Exponentialform der Transmissionsfunktion Transmissionsfunktion über ein Frequenzintervall. =1.66 S: mittlere Liniendichte : mittlere Halbwertsbreite d: mittlerer Abstand zwischen den Linien Transmissionsfunktion für zufällig verteilte Linien nach Goody (1952), siehe auch Stephens (1984) sowie Washington und Parkinson (1986).

28 Anhang

29 Meeres- oder Landoberfläche Sonne Atmosphäre Kurzwelliger Strahlungsgang Oberrand der Atmosphäre

30 In einer isothermen Atmosphäre im hydrostatischen Gleichgewicht gilt für die Dichte eines absorbierenden Gases mit konstantem Mischungsverhältnis: mit Spezialfall: Isotherme Atmosphäre Skalenhöhe. Dichte an der Oberfläche, Einsetzen in Gleichung für optische Weglänge liefert:

31 Gesamte optische Weglänge (z = 0) : Reduktion der Solarstrahlung an der Oberfläche: oder Absorptionskoeffizient für kurzwellige Strahlung oder

32 Aus folgt: Spezialfall: Isotherme Atmosphäre Mit erhält man für die Absorptionsrate pro Volumeneinheit:

33 Differenzieren der Absorptionsrate nach der optischen Weglänge: Die Absorptionsrate wird maximal für Für das entsprechende Druckniveau gilt:


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