Erd- und Himmelmechanik Geographisches Institut Erd- und Himmelmechanik - Grundlagen -

Erd- und Himmelsmechanik Erdklima Motor des Klimas? Sonne Einführungsübung: Geomorphologie (Fr. 16:00 – 18:00 Uhr c.t.) RN 239

Erd- und Himmelsmechanik Solarkonstante: Strahlungsenergie, welche unter Vernachlässigung des Atmosphäreneinflusses bei mittlerem Sonnenabstand und senkrechtem Strahleneinfall in einer Minute durch die Flächeneinheit fließt = Strahlungsenergiemenge auf der Erdeoberfläche = ~ 1.370 W/m2 (Mittelwert)

Erd- und Himmelsmechanik 23,5° = schiefe der Ekliptik

Erd- und Himmelsmechanik Schiefe der Ekliptik führt zu unterschiedlichen Besonnungszonen auf der Erdoberfläche scheinbares Wandern der Sonne im Bereich der Wendekreise (23,5°); Tag-Nacht-Äquivalenz im Sonnenzenit; variierende Tag-Nachtdauer in den Mittelbreiten mit zunehmender Tendenz zu den Polen hin; Polartag /-nacht jenseits der Polarkreise (66,5°); Strahlungsintensität und effektive Erwärmung (ohne Berücksichtigung der Atmosphäre) nehmen zu den Polen hin ab

Erd- und Himmelsmechanik = Erdrotation (23h 56min 4sec) [gegen den UZS]

Erd- und Himmelsmechanik = Erdrevolution (365,25 Tage) Einführungsübung: Geomorphologie (Fr. 16:00 – 18:00 Uhr c.t.) RN 239

Erd- und Himmelsmechanik Umlauf der Erde um die Sonne (Erdrevolution) 1. Keplersches Gesetz: tatsächlich „eiert“ die Erde um die Sonne!; 2. Keplersches Gesetz:  variierende Geschwindigkeit der Erderevolution schneller in Sonnennähe – langsamer in Sonnenferne ( = 29,8 km/s = 107 280 km/h) Entfernung der Erde zur Sonne = 1 Astronomische Einheit (AE) = 150 Mio. km Sonnennähe (Perihel): 2. Januar (~ 147 Mio. km) Sonnenferne (Aphel): 4. Juli (~ 152 Mio. km) im Brennpunkt der Ellipse steht die Sonne; eine gedachte Verbindungslinie Sonne/Erde überstreicht in der gleichen Zeit gleiche Flächen;

Solares Klima J = J0 • sin(β) Klima → [klino] „ich neige“ J = J0 • cos(α) ; (α=90°-β) J = Strahlungsleistung; J0 = Strahlungsleistung bei senkrechtem Einfallswinkel; β = Einfallswinkel gegenüber dem Horizont.

Solares Klima Das solares Klima Energiebilanz und –verteilung auf der Erde im Jahresmittel: zu den Äquinoktien (Sonnennähe) herrscht eine symmetrische Verteilung der Energiemenge auf der Nord- und Südhalbkugel zu den Solstitien (Sonnenferne) herrscht einseitige Energieverteilung auf den Erdhalbkugeln (sonnenzugewendet = 24h Einstrahlung) (sonnenabgewendet = keine Energiezufuhr) SÜD 0° NORD ganzjährige Energiezufuhr in den Tropen jahreszeitliche Schwankungen in den Mittelbreiten jahrszeitliches Alternieren an den Polen

Bau und Funktion der Atmosphäre Gliederung der Atmosphäre physiko-chemisch: Ozonosphäre (16-20 km) Chemosphäre (20-600 km) Durchmischungsgrad: Homosphäre (0-100 km) Homopause (100-120 km) Heterosphäre (>120 km) radio-physikalisch: Ionosphäre Magnetosphäre Aerodynamik: Prandtl-Schicht (0-50 m) Ekman-Schicht (50-1.000 m) freie Atmosphäre (> 1 km) Lebenszone: Biosphäre (0-20 km) Temperatur: Troposphäre Stratosphäre Mesosphäre Thermosphäre Exosphäre Tro-St-Me-Ther-Ex

Bau und Funktion der Atmosphäre Aufbau der Atmosphäre 500-100.000 km Exosphäre 85-640 km Thermosphäre Mesopause 50-85 km Mesosphäre Stratopause 12-50 km Stratosphäre Tropopause 0-12 km Troposphäre

Bau und Funktion der Atmosphäre

Bau und Funktion der Atmosphäre diffuse Reflektion selektive Absorption

Bau und Funktion der Atmosphäre Je mehr Luftteilchen, desto mehr Reflektion und Absorption einfallende Sonnenstrahlung wird polwärts zunehmend geschwächt S0° Globalstrahlung (G) = direkte Sonnenstrahlung (Q) + diffuse Strahlung (q)

Bau und Funktion der Atmosphäre Globalstrahlung bei wolkenlosem Himmel: EINSTRAHLUNG Tropen 6 : 1 Subtropen 5 : 1 Mittelbreiten 6 : 1 2 : 1 Polargebiete 4 : 1 1,5 : 1 (Sommer) (Winter) höchste Globalstrahlung an den Wendekreisen (NHK: +; SHK: -); Globalstrahlung am Äquator geringer, da ständige Bewölkung;

Bau und Funktion der Atmosphäre Rückstrahlungsvermögen eines Körpers: AUSSTRAHLUNG Neuschnee Sand Gras Nadelwald Haufenwolken Wasserflächen bei: hohem Sonnenstand niedrigem Sonnenstand 75 – 95 % 35 – 45 % 10 – 20 % 5 – 15 % 70 – 90 % 7 – 10 % 20 – 25 %

Bau und Funktion der Atmosphäre Rückstrahlungsvermögen eines Körpers: AUSSTRAHLUNG ALBEDO Was passiert mit dem Rest der Energie? …die wird absorbiert! Was bedeutet das? … atmosphärische / terrestrische Teilchen nehmen Energie auf und geraten in Schwingung! (= Temperaturerhöhung)

Bau und Funktion der Atmosphäre

Bau und Funktion der Atmosphäre Effektive Ausstrahlung CO2 / H2O - Reflektor Gegenstrahlung Erdstrahlung Einstrahlung

Bau und Funktion der Atmosphäre Strahlungsbilanz Es gibt Zeiten und Regionen des Energieüberschusses… [Tag; Sommer; Tropen] …sowie Zeiten und Regionen des Energiedefizits [Nacht; Winter; Polargebiete] Tag; Sommer; Tropen Nacht; Winter; Polargebiete Die Beziehung zwischen Überschuss und Defizit wird als Strahlungsbilanz bezeichnet

→ Luft wird bewegt! Bau und Funktion der Atmosphäre Atmosphärische Ausgleichsbewegungen Um diese Unterschiede auszugleichen, wird Energie von Überschussgebieten in Defizitgebiete transportiert! Und wie wird Energie in der Atmosphäre transportiert? → Luft wird bewegt!

Bau und Funktion der Atmosphäre Atmosphärische Ausgleichsbewegungen vertikale Bewegungen: Erdoberfläche und erdnahe Atmosphäre (Einstrahlung = Energieüberschuss) Außenseite der Atmosphäre (Ausstrahlung = Energiedefizit) Ausgleich durch: horizontale Bewegungen: vertikale Luftbewegungen Verdunstung von Wasser an der Erdoberfläche und Kondensieren in höheren Sphären Ausgleichsbeziehung: Erde - Atmosphäre

Bau und Funktion der Atmosphäre Atmosphärische Ausgleichsbewegungen horizontale Bewegungen: Einstrahlung / Energieüberschuss? (am Äquator / zwischen den Wendekreisen alternierend) [höhere Atmosphäre und verstärkte Wolkenbildung] Ausstrahlung / Energiedefizit? (an den Polen) [niedrigere Atmosphäre und geringere Luftfeuchte] Ausgleich durch: vertikale Luftbewegungen = Winde Ausgleichsbeziehung: Äquator - Pol

Bau und Funktion der Atmosphäre Atmosphärische Ausgleichsbewegungen horizontale Bewegungen: Das maximale horizontale (meridionale) Energiegefälle liegt bei ~ 30°-60° …man nennt diesen Bereich die PLANETARISCHE FRONTALZONE

Bau und Funktion der Atmosphäre Wir fassen zusammen…! Strahlungs unterschiede bedeuten… Temperatur unterschiede,… und die bedeuten Druck unterschiede,… und die führen zu Ausgleichsbewegungen, den Winden… letztlich also zur Zirkulation der Atmosphäre