Atmosphäre Arbeitsklima Bioklima Akklimatisation Klimaanlage Modul GEO 131, Physische Geographie A, WS 10/11 Atmosphäre Priv.-Doz. Dr. Martin Gude Klimaanlage Arbeitsklima Akklimatisation Bioklima Was bedeutet Klima? Charakterisierung atmosphärischer Zustände Bezug auf einen Ort oder eine Region Generalisierung der Wetterzustände Kennzeichnung durch mittlere und extreme Werte

Struktur des Modulteils Klimageographie Gliederung der Vorlesung Atmosphäre und Energiehaushalt Globale Zirkulation der Atmosphäre Atmosphärische Feuchtigkeit und Niederschlag Klimazonen und regionale Klimasysteme Klimaänderungen und Klimamodelle Vor- und Nachbereitung (Strahler & Strahler 2005) Kapitel 3 20 S. Kapitel 5 24 S. Kapitel 8 20 S. Übungsaufgaben

Klima im täglichen Leben

Klima im täglichen Leben Wetterextreme aus: BBC 2004

Klima und Wettervorhersage Satellitenaufnahme Aktuelles Satellitenbild

Klima und Wettervorhersage Wetterkarte Aktuelles Satellitenbild

Definition Klima Das terrestrische Klima ist die für einen Standort, eine definierbare Region oder ggf. auch globale statistische Beschreibung der relevanten Klimaelemente, die für eine nicht zu kleine zeitliche Größenordnung die Gegebenheiten und Variationen der Erdatmosphäre hinreichend ausführlich charakterisiert. Ursächlich ist es eine Folge der physiko-chemischen Prozesse und Wechsel-wirkungen im Klimasystem sowie der externen Einflüsse auf dieses System. Schönwiese (1994) aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002

Meteorologisch-klimatologische Informationsquellen Neoklimatologie (Zeitreihen ab 1659 n. Chr., globale Daten seit ca. 1850/60) direkte Punktmessungen der Klimaelemente großräumige Messung von Klimaelementen mit Fernerkundung Klimamodelle und Prognosen Paläoklimatologie (maximale Reichweite 3,8 Milliarden Jahre) Geoarchive (Gletscher, Sedimente, Moore, Fossilien, etc.) Witterungstagebücher verschiedener Gelehrter: z. B. C. Ptolemäus (151-127 v.Chr.) in Alexandria, W. Merle (1337-1344) in England oder J. Kepler (1617-1626) in Linz Annalen bzw. Chroniken der öffentlichen Verwaltung Inschriften und Markierungen Mythen und Legenden Höhlenmalereien in den heutigen Wüstengebieten Nordafrikas (ca. 5 Jahrtausende zurück reichend) Erntechroniken

Die meteorologischen Elemente Physikalische Größen, mit deren Hilfe der Zustand der Atmosphäre in einem definierten Raum zu einem Zeitpunkt oder in einem Zeitabschnitt charakterisiert werden kann: Lufttemperatur: kinetische Energie der Moleküle, fühlbare Wärme Luftfeuchtigkeit: Wassergehalt der Luft, als Masse oder relative Sättigung Niederschlag: Menge des den Boden erreichenden Wassers in einer Zeiteinheit Bewölkung: atmosphärische Wasseransammlungen in Tropfen- oder Eisform Wind: Geschwindigkeit und Richtung der Luftbewegung Strahlung: Energiefluss durch elektromagnetische Wellen Luftdruck: statischer Druck der Atmosphäre auf eine Bezugsfläche

Zeitliche Dimensionen in Klimatologie und Meteorologie aus: Schönwiese 1995 Wetter das dynamische Geschehen in der Atmosphäre bezogen auf Tage bzw. 1-2 Wochen Witterung Phase aus der Aufeinanderfolge bestimmter Wettererscheinungen (mittlerer Charakter des Wetterablaufs), z. B. Goldener Oktober Klima gesamter jährlich mehr oder weniger gleichbleibender Verlauf der Witterung an einem Ort, in einem Land etc.; zu Vergleichszwecken durch Mittelwerte und charakteristische Extreme beschrieben

Klimatische Extremwerte aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002

Ausgewählte Literatur BLÜTHGEN, J. & W. WEISCHET (1980): Allgemeine Klimageographie. – Lehrbücher der Allgemeinen Geographie. Bd. 2, Berlin, New York FLOHN, H. (1960): Zur Didaktik der allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre. – In: Geographische Rundschau 12, S. 129-142 u. 189-195. HÄCKEL, H. (2008): Meteorologie. – Stuttgart. LAUER, W. & BENDIX, J. (2006): Klimatologie. – Das Geographische Seminar, Braunschweig OKE, T. (1999): Boundary layer climates. – London SCHÖNWIESE, C.-D. (2008): Klimatologie. – UTB für Wissenschaft, Stuttgart WEISCHET, W. & Endlicher, W. (2008): Einführung in die Allgemeine Klimatologie. – Physikalische und meteorologische Grundlagen. Stuttgart IPCC (2007): Climate Change 2007: The Physical Science Basis IPCC (2007): Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability

Klimatologie Zusammenfassung Klimatologie: Grenzwissenschaft zwischen Geographie und Meteorologie Definition Klima Charakteristierung atmosphärischer Zustände Bezug auf einen Ort oder eine Region Generalisierung der Wetterzustände Kennzeichnung durch mittlere und extreme Werte Klimafaktoren geogr. Breite Meereshöhe Relief Vegetation Kryosphäre Ozeane Land/Wasser-Verhältnis Böden/Gestein Mensch Klimaelemente (messen/beobachten) Temperatur Niederschlag Luftdruck Feuchte Strahlung Verdunstung Wind Wolken ...

4. Juli Sonnenferne (Aphel) 3. Januar Sonnennähe (Perihel) Astronomische Grundlagen Erdbahn und Erdumdrehung 1b Sommer 21. Juni Frühling März Herbst 23. September Winter Dezember 4. Juli Sonnenferne (Aphel) 152 Mio. km 3. Januar Sonnennähe (Perihel) 147 Mio. km 23,5° Solstiallinie Äquinoktien Ekliptikebene

Elektromagnetische Wellen

I = ε • σ • T4 λmax =  • T-1 Strahlungsgesetze PLANCKsches Gesetz Energieanteile in Abhängigkeit von der Spektralverteilung STEFAN-BOLTZMANN-Gesetz Strahlungsstrom in Abhängigkeit von der Temperatur I = ε • σ • T4 I: Energieflussdichte ε: Emissionsverm. (schw. Körper = 1) σ: Konst. mit 5.6697 10-8 W m-2 K-4 T: abs. Temperatur WIENsches Verschiebungsgesetz Wellenlänge der intensivsten Abstrahlung λmax =  • T-1 : Naturkonstante mit 2898 m K T: absolute Temperatur des Körpers

Strahlung Strahlungsgenuss in den Breitenzonen unter Vernachlässigung der Atmosphäre

(zwischen Wendekreisen, < 23.5°) Solare Mittelbreiten Strahlung Beleuchtungsklimazonen (Solares Klima) unter Vernachlässigung der Atmosphäre Polarzone (> 66.5°) Tropenzone (zwischen Wendekreisen, < 23.5°) Solare Mittelbreiten Hohe Mittelbreiten (45 – 66.5°) Subtropen (23.5 - 45°) Subtropen (23.5 - 45°) Hohe Mittelbreiten (45 – 66.5°)

Strahlung Einfluss der Atmosphäre

Atmosphäre Vertikalgliederung aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002

Atmosphäre Vertikaler Aufbau der Troposphäre 10 km aus: Schönwiese 1994

Strahlung Einfluss der Atmosphäre Obergrenze Atmosphäre Edoberfläche Absorption Reflexion Streuung "Solarkonstante" Was passiert in der Atmosphäre? Transmission Absorption (Extinktion) Streuung

Atmosphäre Zusammensetzung der reinen Luft (Prozentwerte = Volumenprozent) 100% Stickstoff (N2 ) 78.084% Sauerstoff (O2 ) 20.946% Rest 0.970% 0.003% 0.970% Argon (Ar) 0.934% Kohlendioxid (CO2) 0.033% Rest 0.003% Neon (Ne) 0.00182 % Helium (He) 0.00053 % Krypton (Kr) 0.00012% Xenon (Xe) 0.00009% Wasserstoff (H2) 0.00005% Distickstoffoxid (N2O) _____________ 0.00268% Methan (CH4) 0.0002%

Strahlung Strahlungshaushalt aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002 Strahlung Strahlungshaushalt

Strahlung Absorption durch atmosphärische Bestandteile aus: Häckel 1999

Einfluss der Atmosphäre Globalstrahlung Strahlungsangebot an der Erdoberfläche (nur kurzwellige Strahlung) G = (IS + IH) - R IH = diffuse Strahlung (diffuses Himmelslicht) IS = direkte Strahlung IS + IH = Globalstrahlung R = Reflektierte Strahlung (Albedo) Albedo: Verhältnis von reflektierter zu einfallender (Global-)Strahlung (Angabe meist in %)

Strahlung Strahlungshaushalt aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002 Strahlung Strahlungshaushalt

Strahlung Albedo Oberfläche Albedo (%) Grasfläche 16 - 20 Prärie 14 - 16 Ackerboden (dunkel) 7 - 10 Wald (trop. Regenwald) 10 - 20 Nadelwald 5 - 12 Sand und Wüste 18 - 28 Gestein (Felsen) 10 - 40 Sümpfe 8 - 12 Siedlung 14 - 18 Schnee (frisch) 70 - 95 Schnee (alt) 45 - 70 Wasser (Sonne hoch) 5 - 10 Wasser (Sonne tief) 50 - 80 Oberfläche Albedo (%) Bewölkung Cumulonimbus ca. 90 Nimbostratus 64 - 70 Cirrostratus 44 - 59 Stratocumulus 35 - 80 Stratus (300-600 m dick) 50 - 73 Cirrus 15 - 20 Erdoberfläche (Mittel) 15 System Erde-Atmosphäre 31 (aus: Lexikon der Geowissenschaften 2001, Schönwiese 1994)

Strahlung Globale Oberflächentemperatur

Strahlungsbilanz und geographische Breite mittlere jährliche Strahlungsbilanz des Systems Erde/Atmosphäre in Abhängigkeit von der geographischen Breite.

Energiehaushalt Globale Energietransporte Energiespeicherung und Energietransporte erfolgen durch: Strahlung (Strahlungsenergie) Wärmeleitung (fühlbare Wärme) Energieträger (latente Energie, Wasser, Luft)

Energiehaushalt Typen der Energietransporte Strahlung fühlbare Wärme latente Wärme H2O, CO², Aerosole, etc. H2O, CO², Aerosole, etc. H2O. T r o p o s p h ä r e Erdoberfläche

Latente Energie Phasenübergänge aus: Baumgartner und Liebscher 1996

Latente Energie Absolute Wasserdampfmenge der Luft aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002

Latente Energie Globale Wassertransfers aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002

Fühlbare Wärme Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit spezifische Wärmekapazität spez. Wärmekapa-zität bezogen auf Volumen Wärmeleitfähigkeit kJ / (kg · K) J / (cm3 · K) J / (s · m · K) Fels (Granit) 0.84 16.41 4.61 Wasser 4.19 14.24 0.42 Luft 1.00 10.05 0.02 Holz 1.34 0.17 Sand (trocken) 9.21 Sand (nass) 1.26 7.95 1.67 Moorboden (trocken) 1.84 6.28 0.06 Moorboden (nass) 3.35 5.86 Neuschnee 2.14 2.93 0.08 Altschnee 2.81 0.29 Eis 1.88 2.09 (aus: Weischet 1977)

Latente und fühlbare Energie Adiabatische Gradienten trockenadiabatisch feuchtadiabatisch 0,6 °C•100 m-1 1,0 °C•100 m-1 A t m o s p h ä r e Erdoberfläche

Energiehaushalt Global

Strahlungsbilanz Gleichung für die Erdoberfläche Latenter Wärmestrom + L Fühlbarer Wärmestrom + F Boden- wärmestrom + B effektive Ausstrahlung (LW) LW Gegenstrahlung LW Ausstrahlung Gesamtstrahlung Globalstrahlung (KW) WB = [((IS + IH) - R) - (A - G)] Albedo

Temperatur Messgeräte Flüssigkeitsthermometer (Quecksilber (-39°C), Alkohol...) Min/Max-Thermometer Bimetallthermometer Widerstands-thermometer Englische Wetterhütte (2 m über Grund) Thermograph

Temperatur Globales Beobachtungssystem

Temperatur Skalen und Maßeinheiten Absolute Temperatur [K = Kelvin] abs. Nullpunkt: Molekülbewegung = 0 Celsius [°C] 0 °C = Gefrierpunkt des Wassers 100 °C = Siedepunkt des Wassers Fahrenheit [°F] 0 °F = tiefste Temp. in Königsberg 100 °F = Körpertemperatur Réaumur [°R] 0 °R = Gefrierpunkt des Wassers 80 °R = Siedepunkt des Wassers

Temperatur Jahresschwankung -25 -20 -15 -10 -5 5 10 15 20 25 Jan Mai Jul Sep Nov °C -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 5 10 Jan Mai Jul Sep Nov Nord °C Dublin Bonn Warschau Nowosibirsk 5 10 15 20 25 30 Jan Mai Jul Sep Nov Tunis 5 10 15 20 25 30 35 Jan Mai Jul Sep Nov Libreville Rangun °C °C

Globales Klima Klimaerwärmung (IPCC 2007) Mittlere jährliche Temperaturen (schwarze Punkte) mit Trends für verschiedene Perioden