Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima

Präsentation zum Thema: "Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima"—  Präsentation transkript:

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

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

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

8 Photodissoziation Bei genügend hoher Energie eines Photons (Wellenlängen kürzer als ~1 mm) Aufbrechen molekularer Bindung molekularer Sauerstoff (O2, bei l<200 nm) Ozon (O3, bei l= nm) Wichtig für Ozonproduktion in der Stratosphäre O

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 mm, > 12 mm), O3 (9.6 mm), CO2 (15 mm) 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 Natürliche Linienverbreiterung
Endliche Zeit Dt > 0 für Emission oder Absorption führt zu natürlicher Linenverbreiterung: Einsetzen der Energie eines Photons in Unschärferelation ergibt

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

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

15 Kurzwelliger Strahlungstransport
(oder Strahlungstransport unter Vernachlässigung der erneuten Emission in der Atmosphäre) Absorption ist proportional zur Intensität der Strahlung und zur Menge des absorbierenden Gases Die Proportionalitätskonstante ist der Absorptionsquerschnitt (Einheit m2kg-1, abhängig von Druck und Temperatur des Gases und der Frequenz des Lichtes) Allgemeiner: „Auslöschungsquerschnitt“

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

17 Definition der optischen Weglänge in der Vertikalen:
Auslöschungskoeffizient Dichte des absorbierenden Gases 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
Welche Faktoren oder Prozesse spielen eine Rolle? ? Atmosphäre Meeres- oder Landoberfläche

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 In enlang des Weges unter einem Winkel q durch eine Schicht der Dicke dz = Emission minus Absorption durch das Gas entlang des Weges:

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

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

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

26 Einfachster Fall: Isotherme Atmosphäre der Temperatur TA über einer Oberfläche der Temperatur Ts
Hier lässt sich abkürzen:

27 Exponentialform der Transmissionsfunktion
Transmissionsfunktion über ein Frequenzintervall Dn. b =1.66 S: mittlere Liniendichte a: 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 Kurzwelliger Strahlungsgang
Sonne Oberrand der Atmosphäre Atmosphäre Meeres- oder Landoberfläche

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

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

32 Spezialfall: Isotherme Atmosphäre
Aus folgt: 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: