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

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)

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

Wiederholung Konzept zur Schwarzkörperstrahlung Atmosphärisches Fenster Photodissoziation Photoionisation Unschärferelation

Konzept zur Schwarzkörperstrahlung http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

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

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

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=200-300 nm) Wichtig für Ozonproduktion in der Stratosphäre O

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

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)].

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

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

Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima Kurzwelliger Strahlungstransport Langwelliger Strahlungstransport Hartmann (2004), Kapitel 3, Abschnitte 3.1-3.5, S. 40-52

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

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“

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)].

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

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).

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

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

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

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:

„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.

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

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

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

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).

Anhang

Kurzwelliger Strahlungsgang Sonne Oberrand der Atmosphäre Atmosphäre Meeres- oder Landoberfläche

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:

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

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

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