Vorlesung Hydrologie I  SS 2015 Vorlesung Hydrologie I Dr. Fred Hattermann Do 8.15-9.45 Haus 12 Hattermann@pik-potsdam.de 1

Inhalts- und Terminübersicht 1. VL 10.04.14 Einführung 2. VL 17.04.14 Wasserkreislauf 3. VL 24.04.14 Strahlung 4. VL 08.05.14 Komponenten und Prozesse des Wasserkreislaufs 5. VL 15.05.14 Niederschlag I 6. VL 22.05.14 Niederschlag II 7. VL 05.06.14 Verdunstung

Inhalts- und Terminübersicht 8. VL 12.06.14 Versickerung 9. VL 19.06.14 Infiltration 10. VL 26.06.14 Abfluss I 11. VL 03.07.14 Abfluss II 12. VL 10.07.14 Einheitsganglinie I 13. VL 17.07.14 Einheitsganglinie II

2. Wasserkreislauf Wasserhaushaltsgleichung Grundsätzlich gilt über sehr lange Zeiträume für terrestrische Systeme: Niederschlag (N) = Abfluss (Q) + Verdunstung (V) Tatsächlich wird aber Wasser im System gespeichert (S), z.B. im Grundwasser, in der ungesättigten Zone und in den Oberflächengewässern:

2. Wasserkreislauf Niderschlag = Abfluss Verdunstung + 5

2. Wasserkreislauf 6

2.2 Der globale Wasserkreislauf Datengrundlage: Endlicher 1991, S. 71.

3. Strahlung 3.1 Der Energiehaushalt der Erde Global gemittelte jährliche Energiebilanz der Erde Beispiele: 168 + 324 = 492 = 24 + 78 +390 und 342 = 107 + 235 und 165 + 30 + 40 = 235 Quelle: Kiehl and Trenberth, 1997

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde Der Strahlungshaushalt ist wichtigster Bestandteil des Energiehaushalts der Erde und beschreibt die Flüsse und Wechselwirkungen der verschiedenen Haushaltsgrößen. Die Strahlungsbilanz fasst die verschiedenen Haushaltsgrößen in einer Gleichung zusammen.

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde Die Strahlungsbilanz der einfallenden Sonnenstrahlung (überwiegend kurzwellig): Rk = Rg - Rsr =Rsd + Rsi - Rsr = (1 - a) * Rg Rk = kurzwellige Strahlungsbilanz Rg = Globalstrahlung Rsd = direkte Strahlung Rsi = diffuse Strahlung (Himmelsstrahlung) Rsr = Reflexstrahlung (Einfluss Ozonschicht etc.) a = Albedo Globalstrahlung = gesamte an der Erdoberfläche auf eine horizontale Empfangsfläche auftreffende Solarstrahlung (Direktstrahlung + Diffusstrahlung) Nettostrahlung = absorbierte Sonnenstrahlung = Globalstrahlung – Albedo

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde Bilanz der von der Erdoberfläche emittierten Wärmestrahlung (langwellig, infrarot): Rl = RlA - RlE Rl = langwellige Strahlungsbilanz RlE = Ausstrahlung der Erdoberfläche (terrestrische Strahlung) RlA = Gegenstrahlung (durch Atmosphärengase, Aerosole und Wolken)

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde Gesamtstrahlungsbilanz (Q) (Nettostrahlung): Rn = Rk – Rl = Rg - Rr - Rl einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung 342 Watt pro m2 reflektierte Sonnenstrahlung 107 Watt pro m2 emittierte langwellige Strahlung 235 Watt pro m2 SALDO (effektiver “Energie-Input") = ± 0 Watt pro m2

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde Global gemittelte jährliche Strahlungsbilanz (in %) der Erde Quelle: www.klima-der-erde.de

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde Die zur Erde kommende Sonnenenergie wird durch Wolken, Luft und Boden (hier besonders von Schnee) zu 30 % wieder in den Weltraum reflektiert (das heißt die Albedo der gesamten Erde ist 0,30). Die restlichen 70 % werden absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre, 50 % vom Erdboden. Letztere werden durch Wärmestrahlung und durch Wärmeleitung mit anschließender Konvektion wieder an die Lufthülle abgegeben. Würde diese Energie wieder vollständig in den Weltraum abgestrahlt werden, läge die mittlere Lufttemperatur bei −18 °C, während sie tatsächlich +15 °C beträgt. Die Differenz erklärt sich aus dem natürlichen Treibhauseffekt der Atmosphäre. Die sogenannten Treibhausgase in der erwärmten Atmosphäre (vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid) emittieren Infrarotstrahlung – auch in Richtung Erde. Die von der Atmosphäre emittierte Infrarotstrahlung führt zu einer Erwärmung der Erdoberfläche um durchschnittlich 33 °C. (Wikipedia)

3.3 Grundlegende Gleichungen Gesetz von Stefan Boltzmann: Die ausgestrahlte Energie S von 1 cm2 Oberfläche eines schwarzen Körpers pro Minute steigt mit der 4. Potenz der absoluten Temperatur: Da aber kein idealer schwarzer Körper, Korrektur mit stoffspezifischem Emmissionskoeffizienten ε:

3.3 Grundlegende Gleichungen „Schwarzer Körper“ Jeder Körper, dessen Temperatur größer als 0 K ist, emittiert/ sendet elektromagnetische Strahlung aus. Die thermische Ausstrahlung eines schwarzen Körpers ist nur von seiner Temperatur T abhängig. Ein „Schwarzer Körper“ absorbiert die gesamte auftreffende Strahlungsenergie, um sie später zu emittieren. Somit findet keine Reflexion oder Transmission von Strahlungsenergie statt. Die Intensität und spektrale Verteilung der emittierten Strahlung wird durch das Planksche Strahlungsgesetz beschrieben.

3.3 Grundlegende Gleichungen Wiensche Verschiebungsgesetz: Die Wellenlänge der maximaler Energie λmax ist umso kleiner, je höher die Temperatur des Körpers ist:

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde Sonnenspektrum Die elektromagnetische Strahlung der Sonne hat ihr Maximum bei 500 nm Wellenlänge (blau-grünes Licht), reicht aber von harter Röntgenstrahlung mit weniger als 0,1 nm bis zu langen Radiowellen. Das Spektrum ist von etwa 140 nm (UVC) bis etwa 10 cm (Mikrowelle) näherungsweise das eines Schwarzen Strahlers bei einer Temperatur von knapp 6000 K, der Temperatur der Photosphäre. Im Bereich von naher Infrarotstrahlung (NIR) bis ins UV enthält das Spektrum eine Vielzahl von Absorptionslinien, die sogenannten Fraunhoferlinien. Sie entstehen durch Strahlungsabsorption in der Chromosphäre der Sonne. Wikipedia

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde Sichtbares Licht: 0,36-0,76 µm Ultraviolette Strahlung: < 0,36 µm (UV-Strahlung) Infrarotes Strahlung: > 0,8 µm (nahes 0,8-2 µm, darüber fernes Infrarot) Die Ursache für die Energieverluste (Extinktion): diffuse Reflexion und selektive Adsorption http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenstrahlung, siehe auch Weischet 1991, Seite 61 ff

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenstrahlung, siehe auch Weischet 1991, Seite 61 ff

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Atmospheric_Transmission.png

3.3 Grundlegende Gleichungen . Die Solarkonstante E0 ist die langjährig gemittelte extraterrestrische Sonnenbestrahlungsstärke (Intensität), die bei mittlerem Abstand Erde–Sonne ohne den Einfluss der Atmosphäre senkrecht zur Strahlrichtung auf die Erde auftrifft. Der Mittelwert für die Solarkonstante wurde 1982 von der Weltorganisation für Meteorologie in Genf festgelegt auf: Infolge der Bahnexzentrizität schwankt der Abstand der Erde zur Sonne jahresperiodisch zwischen 147,1 · 106 km und 152,1 · 106 km. Mit ihm schwankt die Bestrahlungsstärke auf der Erde zwischen 1325 W/m² und 1420 W/m². Im Perihel liegt der Wert somit ca. 3,4 % oberhalb und im Aphel ca. 3,3 % unterhalb des Jahresmittels. Bei Bewölkung beträgt die am Boden ankommende Sonnenenergie ca. 752 W/m² und ca. 1066 W/m² bei klarem Wetter.

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde Ө = Einfallswinkel d = Durchlässigkeit l = Wellenlänge m = Beersche Koeffizient

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde Lateraler Wärmetransport IPCC, 2005

Strahlungsbilanz der Erde im Jahresverlauf 3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde Strahlungsbilanz der Erde im Jahresverlauf

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde

3.2 Der Strahlungshaushalt der Erde

Wasserkreislauf – Atmosphärischer Transfer

2.2 Der globale Wasserkreislauf Niederschlag

2.2 Der globale Wasserkreislauf Potentielle Verdunstung

2.2 Der globale Wasserkreislauf Aktuelle Verdunstung

3.4 Strahlungseigenschaften natürlicher Körper Reflexionsvermögen α natürlicher Oberflächen für die Solarstrahlung (Albedo) Schnee, sehr rein und frisch 0.8 … 0.9 Alter Schnee 0.4 … 0.6 Sand und Dünen, Trocken 0.25 … 0.35 Rasen 0.25 Äcker 0.15 Wald 0.05 … 0.18 Flüsse, Seen 0.05 … 0.1 Meer 0.03 … 0.07

3.4 Strahlungseigenschaften natürlicher Körper Absorptions- und Reflexionsvermögen von Oberflächen für langwellige Strahlung ε L α L Schneedecke 0.995 0.005 Rasen 0.984 0.016 Wasser 0.96 0.04 Kalk, Kies 0.92 0.08 Sand 0.9 0.1 Wolken 0.9-1.0 0.0-0.1 Al-Bronze 0.35-0.45 0.55-0.65 Blech 0.07 0.93 Polierte Metalle 0.02 0.98 Adsorptionsvermögen + Reflexionsvermögen + Durchlässigkeit = 1

3.5 Der Treibhauseffekt Es gibt drei Möglichkeiten, die Strahlungsbilanz der Erde zu ändern: Änderung der kurzwelligen Einstrahlung; Änderung der kurzwelligen Rückstrahlung (Albedo); Änderung des langwelligen Strahlungshaushaltes.

3.5 Der Treibhauseffekt

3.5 Der Treibhauseffekt http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Atmospheric_Transmission.png

3.5 Der Treibhauseffekt

3.6 Messung Zur Messung des Momentanwerts der Globalstrahlung dienen Pyranometer (Einheit der Bestrahlungsstärke = Watt pro Quadratmeter (W/m²). Sonnenscheindauer wird mir Heliographen gemessen. Fernerkundlich kann z.B. durch Satelliten die reflektierte und emittierte Strahlung gemessen werden.

3.6 Messung Berechnung der Globalstrahlung Rg nach Hargreaves: Kt ist ein empirischer Koeffizient, Ra die extraterrestrische Einstrahlung.

3.7 Global Diming Trenduntersuchung Strahlung Mann/Kendall Test (Zeitreihen gehen von 1951-2003).