Einführung in die Physische Geographie Teil Klima und Wasser 1. Organisatorisches Strahlung als Antrieb im Klimasystem Klimawandel PD Dr. Otto Klemm Universität Bayreuth BITÖK Klimatologie, 95440 Bayreuth Tel.: 0921-55-5674; FAX: 0921-55-5799 email: klemm@bitoek.uni-bayreuth.de http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/~Otto.Klemm Stand: 08/2000 Prof. Dr. Otto Klemm

organisatorisches http://kli.uni-muenster.de Skript im www: Lehre  Vorlesungen Username: Passwort:

empfohlene Lehrbücher Smithson, P., Addison, K. & Atkinson, K. (2002) Fundamentals of the Physical Environment, 3rd ed. Routledge, London, 625 S. [ca. 155 €] ISBN 0-415-23293-7 & 0-415-23294-5; www.routledge.com (in Bibliothek vorhanden) Strahler, A. & Strahler, A. (1997) Physical Geography: Science Systems of the Human Environment, John Wiley & Sons, New York, 637 S. ISBN 0-471-11299-2; in Bibliothek vorhanden Strahler, A. & Strahler, A. (2002) Physische Geographie. Ulmer UTB, Stuttgart, 2. Aufl., 686 S. ISBN 3-8252-8159-0 & 3-8001-2793-8; in Bibliothek vorhanden Goudie, A. (2002) Physische Geographie: Eine Einführung. Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, 4. Aufl. 471 S. ISBN 3-8274-1202-1; in Bibliothek vorhanden Dingman, S.L. (1994): Physical Hydrology. Macmillan Publ. Comp. New York, 575 S. ISBN 0-02-329745-X; in Bibliothek vorhanden Malberg, H. (2002) Meteorologie und Klimatologie. Eine Einführung. 4. ed., Springer, Berlin u.a., 364 S.

Die Erde

Zusammensetzung der Atmosphäre: stabile Gase durchschnittliche Aufenthaltszeit » 103 a Gas Formel Mischungsverhältnis Stickstoff N2 78.08 % Sauerstoff O2 20.95 % Argon Ar 0.93 % Neon Ne 18 ppm Helium He 5.2 ppm Krypton Kr 1.1 ppm Wasserstoff H2 0.55 ppm Xenon Xe 0.087 ppm Summe ca. 99.97 % der trockenen Atmosphäre zusätzlich kommt Wasserdampf vor in hoch variablen Mischungsverhältnissen von bis zu 5 %

Quelle: Fonds der Chemischen Industrie Für die wichtigsten Stoffe die typischen Verweilzeiten... Anschluss an folgende Punkte herstellen: Im großen Bild passt die CO2 Rekonstruktion zu den Temperatur proxy-daten Beim N nur auf geringe Reaktionsfähigkeit hinweisen, war lange sehr schwer zu messen.... Quelle: Fonds der Chemischen Industrie

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

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

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, …

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

Die Erde im Sonnensystem Periphel (02.01.) [147 · 106 km) N-Sommer-“Halbjahr“: 186 Tage N-Winter-“Halbjahr“: 179 Tage Aphel (02.07.) [152 · 106 km) http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals

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. http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals

Spektrum von Sonne und Erde spektrale Strahlflussdichte - der Sonne (links) bei ca. 6000 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 wird „kurzwellig“ genannt, das Erd-Spektrum „langwellig“ (Grenze bei ca.  = 3.5 µm) Quelle: Ahrens, 2000

Stefan – Boltzmann - Gesetz Die „Schwarzkörperstrahlung“, Wärmeabstrahlung eines jeden Körpers (und auch Gases), EB, ist eine Funktion nur der Temperatur und kann folgendermaßen beschrieben werden: Hier ist  die Stefan-Boltzmann - Konstante mit  = 5.67  10-8 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)

Quelle: Seinfeld und Pandis, 1998 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

Absorption solarer Strahlung Quelle: Häckel, 1999

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

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 Oberfläche Albedo r frischer Schnee 0.95 graues Eis 0.60 Boden 0.06 ... 0.25 dicke Wolken 0.70 ... 0.95 dünne Wolken 0.20 … 0.65 städtisches Mittel 0.15 Getreide 0.2 Wald 0.05 .. 0.25 Gras 0.25 tiefes Wasser, hochstehende Sonne 0.05 .. 0.20 tiefes Wasser, tiefstehende Sonne ca. 0.8 besonders bei Wasseroberflächen ist die Albedo abhängig vom Einfallswinkel. die planetare Albedo der Atmosphäre ist ca. 30 %

E. Schaller, http://alice.luft.tu-cottbus.de globale Strahlungsbilanz - Treibhauseffekt Die durch-schnittliche Einstrahlung beträgt ca. 342 W m-2 Der natürliche Treibhauseffekt beträgt 33 K 342 W m-2 % + 32 + 19 - 51 E H E. Schaller, http://alice.luft.tu-cottbus.de

Effektivität der Treibhausgase das wichtigste Treibhausgas ist H2O Gas Formel GWP MV absoluter Beitrag zum Treibhaus-effekt Beitrag zum natürlichen Treibhauseffekt Lebensdauer in der Atmo-sphäre Kohlendioxid CO2 1 375 ppm 7 K 4 – 120 a Methan CH4 21 1.75 ppm 10 % 0.8 K 3.6 – 10 a Lachgas N2O 310 310 ppb 26 % 1.5 K 20 – 150 a Ozon (Tropos-phäre!) O3 4000  30 ppb 34 % 2.4 K Tage - Wochen Schwefel-hexa-fluorid SF6 23900 3 ppt 0.02 % - 3200 a Wasser H2O 0.01 – 5 % 3 21 K GWP = global warming potential (auf molekularer Basis)

Entwicklung der Erdatmosphäre aus: Graedel und Crutzen, 1994

aus: Graedel und Crutzen, 1994 Klimazeugen aus: Graedel und Crutzen, 1994

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

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

Historische Kalt- und Warmzeiten Jahre vor heute Temp Alpen Nordeuropa Nordamerika warm Holozän 12000 kalt Würm Weichsel Wisconsin 75000 Eem Sangamon 125000 Riß Warthe/Saale/Drenthe Illinoian 175000 Holstein Yarmouth 225000 Mindel Elster Kansan 280000 Cromer Aftonian 320000 Günz Menap Nebrascan 390000 Waal 420000 Donau Eburon 470000 Tegelen 510000 aus: v. Storch et al., 1999

Klimaoptima und –pessima in Europa Zeitraum Klimaabschnitt Klimarelevante 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 380 - 750 Pessimum der Völkerwanderungszeit, kühl und niederschalgsreich, verbreitet Gletschervosstöße 375 – 568 germanische Völkerwanderung, 410 Einnahme Roms durch die Westgoten 950 - 1250 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 1250 Klimawende mit ausgedehnter Abkühlung, viele Niederschläge, Stürme 1250 - 1850 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. 1900 modernes Optimum mit erstem Maximum der globalen Lufttemperatur um 1940, verstärkter Temperaturanstieg seit Beginn der 1970er Jahre, relativ trocken

Einfluss der Erdumlaufbahn aus: Graedel und Crutzen, 1994

Einfluss der Erdumlaufbahn aus: Graedel und Crutzen, 1994

Sonnenfleckenaktivität http://www.routledge.com

Klimaentwicklung mittelalterliches kleine Eiszeit Optimum http://www.ipcc.ch

Klimaentwicklung http://www.ipcc.ch

Klimaentwicklung http://www.ipcc.ch

klimarelevante Spurengase http://www.ipcc.ch

klimarelevante Spurengase Mittelwert 2004: 377 ppm Haupt-Quelle für CO2: Verbrennung fossiler Biomasse Haupt-Senke: Aufnahme im Ozean, Aufnahme in Biomasse Quelle: Climate Monitoring & Diagnostics Laboratory, http://www.cmdl.noaa.gov/info/testimony.html

klimarelevante Spurengase Quelle: Häckel. 1999

klimarelevante Spurengase Haupt-Quelle für CH4: Emission aus landwirtschaftlicher Aktivität (Rinder, Reis…) Haupt-Senke: Reaktion mit OH-Radikalen in der Atmosphäre http://www.ipcc.ch

klimarelevante Spurengase Haupt-Quelle für NO2: Emission aus landwirtschaftlicher Aktivität (Rinder, Reis…) Haupt-Senke: Transport in die Stratosphäre (wenig effektiv!) http://www.ipcc.ch

„Treibhauseffekt“ http://www.ipcc.ch

Klimamodellierung http://www.ipcc.ch

Klimamodellierung http://www.ipcc.ch

Klimavorhersage http://www.ipcc.ch

Klimavorhersage http://www.ipcc.ch

Klimavorhersage http://www.ipcc.ch

Meeresspiegel http://www.ipcc.ch

Klimaentwicklung http://www.ipcc.ch

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

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 Wolkenbedeckung nimmt zu globale Albedo nimmt zu geringere Absorbtion von Strahlung Temperatur fällt vorsicht: die Rolle der Wolken ist nicht einheitlich