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

Vorlesungsplan Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima Empirische Modelle für das Strahlungsgleichgewicht Eindimensionale Strahlungs-Konvektions-Modelle Rolle der Wolken Konzeptionelle Klimamodelle: Das Strahlungsmodell MODTRAN Konzeptionelle Klimamodelle: Strahlungs-Konvektions-Modelle

Empirische Modelle für das Strahlungsgleichgewicht Einfache Beispiele: Zwei-Schichten-Modell: kabs = 0, e = 1 Planet X mit Treibhauseffekt: isotherme Atmosphäre der Temperatur TA über einer Oberfläche der Temperatur Ts mit kabs > 0 und e < 1.

e Tstrat Stratosphere e TSA Schema eines Zwei-Schichten-Modells für das Strahlungsgleichgewicht des Atmosphäre-Erdoberfläche-Systems mit den Strahlungsflüssen [Abbildung 3.10 aus Hartmann (1994)], ergänzt um dünne stratosphärische und oberflächennahe Luftschichten.

Tstrat keine Tropopause Sprung zwischen oberflächennaher Lufttemperatur und Oberflächentemperatur T2 T1 TSA Ts Temperaturprofil des Zwei-Schichten-Modells für das Strahlungsgleichgewicht [Abbildung 3.11 aus Hartmann (1994)].

Planet X mit Treibhauseffekt Absorption von Sonneneinstrahlung in einem Ein-Schicht-Modell der Atmosphäre mit der Rate führt auf eine Oberflächentemperatur von Nur für k<e ist Ts>Te.

Das Strahlungsmodell MODTRAN http://geosci.uchicago.edu/~archer/cgimodels/radiation.html

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:

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

Schwarzkörperstrahlung für Temperaturen von 300 k (ein heißer Sommertag) bis 220 K (Troposphäre in 10 km Höhe)

Das Spektrum der Strahlung, die die Erde verlässt, verläuft zwischen zwei Schwarzkörperspektren 220 K: von Treibhausgasen in der oberen Atmosphäre (z.B. den Biegeschwingungen von CO2 bei einer Wellenzahl von 700 cm-1) 270 K: von der Erdoberfläche durch das atmosphärische Fenster

Absorption durch CO2 Kern der Absorption durch CO2 liegt im Bereich zwischen 600 und 800 cm-1 und folgt einem Schwarzkörperspektrum von 220 K.

Ist der Effekt einer Erhöhung der CO2-Konzentration heute (~375 ppm) um 5 ppm der gleiche wie während des letzten Glazials (CO2-Konzentration ~200 ppm)?

Ausgehende infrarote Strahlung am Erdboden: 290.9 W m-2 Atm. CO2-Konz. (ppm) Ausgehende infrarote Strahlung (TOA, W m-2) Durchgelassene infrarote Strahlung (%) 249.159 85.7 10 239.802 82.4 100 232.14 79.8 375 227.87 78.3 1000 224.604 77.2

Ausgehende infrarote Strahlung am Oberrand der Atmosphäre als Funktion der atmosphärischen CO2-Konzentration

Bandsättigung Kern der CO2-Bandes gesättigt, Ränder noch nicht Energieflussdichte wächst nicht linear mit der CO2-Konzentration, sondern proportional zum Logarithmus der CO2-Konzentration