(9) Strahlung 2: Terrestrische Strahlung „Treibhauseffekt“ Meteo 128 Meteorologie und Klimaphysik (9) Strahlung 2: Terrestrische Strahlung „Treibhauseffekt“

Wiensches Verschiebungsgesetz Meteo 129 Wiensches Verschiebungsgesetz Anhand des Plankschen Strahlungsgesetzes (Folie 68 + 69) haben wir schon gesehen, dass sich das Maximum der spektralen Verteilung bei niedrigeren Temperaturen zu größeren Wellenlängen verschiebt. Dieser Zusammenhang war schon zuvor als Wiensches Verschiebungsgesetz bekannt (Wilhelm Wien, 1893): λmax ist die Wellenlänge, bei der das Maximum der Energie abgestrahlt wird. (Übungsbeispiel für Mutige: Erste Ableitung = 0 setzen) Damit ergibt sich für: Sonne: λmax = 0.5 µm – Sichtbares Licht Erde: λmax = 10 µm – Thermisches Infrarot Die Erde strahlt daher fast ausschließlich im infraroten Spektralbereich.

Kirchhoffsches Gesetz Meteo 130 Kirchhoffsches Gesetz Ein Schwarzer Körper ist so definiert, dass er Strahlung jeder Wellenlänge vollkommen absorbiert. Reale Körper sind nicht vollständig „schwarz“ – sie können nicht alle Wellenlängen vollständig absorbieren, sondern weisen ein wellenlängen-abhängiges Absorptionsvermögen ε(λ) auf (das < 1 ist). Nach dem Kirchhoffschen Gesetz (Gustav Kirchhoff, 1859) gilt für die Emission eines Körpers, Eλ (im thermischen Gleichgewicht): Für eine gegebene Wellenlänge und Temperatur ist das Verhältnis aus Emission und Absorptionsvermögen gleich der Schwarzkörperemission. Das bedeutet auch, dass Körper in jedem Wellenlängenbereich, in dem sie absorbieren, auch emittieren.

Kirchhoffsches Gesetz Meteo 131 Kirchhoffsches Gesetz Wir formen das Kirchhoffsche Gesetz um, und sehen: Reale Körper strahlen bei gegebener Temperatur weniger ab als Schwarze Körper (ε < 1). Damit darf man ε(λ) auch als ein Emissionsvermögen auffassen. Oft findet man das Kirchhoffsche Gesetz daher auch in der Form: Emissionsvermögen = Absorptionsvermögen Wichtig ist: es gilt wellenlängen-abhängig. Im Infraroten sind natürlich vorkommende Oberflächen in sehr guter Näherung „schwarz“ - sogar Schnee! (der im sichtbaren Wellenlängen-bereich aber (meist) alles andere als schwarz ist). Für die gesamte Erde (im IR): ε = 0.95 („grauer Körper“)

Terrestrische Ausstrahlung Meteo 132 Strahlungsbilanz Terrestrische Ausstrahlung Solare Einstrahlung Bilder: NASA An seiner „Oberfläche“ kann ein Planet (im Normalfall) Energie nur durch Strahlung aufnehmen bzw. abgeben. Im Gleichgewicht gilt: Einstrahlung = Ausstrahlung

Meteo 133 Strahlungsbilanz Damit können wir ein Null-dimensionales Strahlungsbilanz-Modell basteln (Erde als Punkt). Die Erde nimmt kurzwellige Sonnenstrahlung mit ihrer Querschnittsfläche (= Kreisfläche) auf, aber sie strahlt (langwellige) terrestrische Strahlung von ihrer gesamten Oberfläche (= Kugelober-fläche) ab: Damit erhalten wir eine effektive Temperatur der Erde – von –16 °C (!). Das ist doch relativ weit entfernt von der globalen Mitteltemperatur von (mittlerweile) +15 °C. Was ist falsch?

Meteo 134 Infrarotaktive Gase Wenn man die „Oberfläche“ von Folie 132mit der Erdoberfläche gleich setzt, muss man die Erdatmosphäre berücksichtigen – sie ist zwar für Sonnenstrahlung (weitgehend) durchsichtig, für die terrestrische Strahlung aber nicht, da sie infrarotaktive Gase enthält (Quelle: C.D. Ahrens).

Meteo 135 „Treibhauseffekt“ Infrarotaktiv sind (hauptsächlich) drei- und mehratomige Gase, die Rotations-Schwingungsbanden im Infrarot aufweisen*: H2O, CO2, O3, N2O, CH4. Sie werden meist als Treibhausgase bezeichnet – obwohl dieser Begriff unglücklich ist (da es in einem Treibhaus nur zu einem geringen Teil durch den „Treibhauseffekt“ wärmer ist). „Treibhausgase“ geben auch wieder Infrarotstrahlung ab, einen Teil nach oben, einen Teil nach unten. Der Teil, der nach unten abgestrahlt wird, erwärmt die Erdoberfläche. Mit zunehmender Temperatur der Erdoberfläche wird immer mehr IR-Strahlung abgegeben. Auf der Erdoberfläche stellt sich schließlich eine Temperatur ein, bei der der Teil der IR-Strahlung, der die Atmosphäre verlassen kann, die Sonnenstrahlung genau ausgleicht. *Entscheidend ist ein elektrisches Dipolmoment – das kann schon im statischen Fall vorhanden sein (wie bei H2O), es kann aber auch erst durch die Schwingungsanregung ein dynamisches Dipolmoment erzeugt werden (wie bei CO2). Einatomige und homonukleare zweiatomige Moleküle (und damit die Hauptbestandteile der Atmosphäre: N2, O2, Ar) sind i.a.R. nicht infrarotaktiv (Ausnahme – „verbotene Übergänge“, z.B. O2 A-Band im nahen IR). CO ist zwar „nur“ zweiatomig, hat aber ein Dipolmoment und ist daher IR-aktiv.

Meteo 136 „Treibhauseffekt“ In unserem Null-dimensionalen Modell können wir den Einfluss der infrarotaktiven Gase durch die Transmissivität im Infraroten (τIR) darstellen: Mit einem Wert von 0.634 ergibt sich eine mittlere Temperatur von +15 °C. Ohne die selektive Absorption im IR wäre die Temperatur also um mehr als 30 °C niedriger. Durch anthropogene CO2-Emissionen wird der natürliche Treibhauseffekt, bei dem Wasserdampf – H2O dominiert, (gefährlich) verstärkt. Mit einer Atmosphäre „ohne Treibhausgase“ gäbe es auch weder Wolken noch Schnee, dadurch wäre die Albedo geringer (A = 0.15) – die mittlere Temperatur läge bei (immer noch frostigen) –2°C.

Meteo 137 „Treibhauseffekt“ Sobald man etwas genauer hinsieht, wird es gleich noch einmal komplizierter (IPCC, 2007 nach Kiel and Trenberth, 1997).

Langwellen–Strahlung Meteo 138 Langwellen–Strahlung Animationen: „Global climate animations“ des department of Geography der University of Oregon. http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/ Daten: NCEP (National Centers for Environmental Prediction) Reanalysen für die Periode 1959-1997. Bei der Reanalyse werden Beobachtungsdaten aus der Vergangenheit mit modernen Analyseprogrammen aufbereitet und auf ein Gitter interpoliert. Netto-Langwellenstrahlung = LWabwärts – LWaufwärts auf der Erdoberfläche. Absolutwerte und Schwankung sind überraschend gering, insbesondere auf dem Ozean: Mit der Temperatur steigt zwar die von der Wasseroberfläche abgestrahlte Energie stark an, ebenso steigt aber der Wasserdampf-Partialdruck über dem Ozean und damit die „Gegenstrahlung“.

Strahlungsbilanz – Jahresgang Meteo 139 Strahlungsbilanz – Jahresgang Netto-Kurzwellenstrahlung Netto-Strahlung Netto-Langwellenstrahlung Animationen: „Global climate animations“ des department of Geography der University of Oregon. http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/ Daten: NCEP (National Centers for Environmental Prediction) Reanalysen für die Periode 1959-1997. Bei der Reanalyse werden Beobachtungsdaten aus der Vergangenheit mit modernen Analyseprogrammen aufbereitet und auf ein Gitter interpoliert. Netto-Kurzwellenstrahlung = KWabwärts – KWaufwärts Netto-Langwellenstrahlung = LWabwärts – LWaufwärts Netto-Strahlung = Netto-KW – Netto-LW

Strahlung und Temperatur Meteo 140 Strahlung und Temperatur Netto-Strahlung Die Oberflächentemperatur (unten) folgt (grob) der Netto-Strahlung (links). Auffällig ist die viel geringere meridionale Wanderung des Temperaturmaximums aufgrund der thermischen Trägheit der Ozeane. Oberflächentemperatur Die Vergrößerung des Abstandes der Isothermen in den östlichen Bereichen der Ozeanbecken, besonders deutlich im Nordatlantik, wird durch Meeres-ströme verursacht (Nordatlantikstrom + Kanarenstrom).