“Take-away“ 3 Die solare Einstrahlung ist die wichtigste Energiequelle auf Erden. Durch Absorption, Streuung und Emission von elektromagnetischen Wellen.

Präsentation zum Thema: "“Take-away“ 3 Die solare Einstrahlung ist die wichtigste Energiequelle auf Erden. Durch Absorption, Streuung und Emission von elektromagnetischen Wellen."—  Präsentation transkript:

1 “Take-away“ 3 Die solare Einstrahlung ist die wichtigste Energiequelle auf Erden. Durch Absorption, Streuung und Emission von elektromagnetischen Wellen spielen die atmosphärischen Bestandteile eine entscheidende Rolle im globalen Strahlungshaushalt. Insbesondere der natürliche Treibhauseffekt führt zu einer biologisch optimalen Erdmitteltemperatur von +15 °C in Bodennähe. Die solare Einstrahlung bewirkt eine differentielle Erwärmung auf der Erde und ist somit Motor der atmosphärischen und ozeanischen Zirkulation.

2 “Take-away“ 4 Spurengase kommen nur in kleinen Konzentrationen in der Atmosphäre vor, greifen aber in vielfacher Weise in die energetischen und dynami-schen Prozesse im Klimasystem ein. Durch Landnutzungsänderungen und Verbrennungsprozesse greift der Mensch in den hydrologischen Kreislauf ein. Durch die Emission von klimarelevanten Spurengasen und Festkörpern verändert der Mensch den Strahlungshaushalt der Erde nachhaltig und verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt um einige Wm-2. Dabei scheint der erwärmende Effekt der Spurengase dem abkühlenden Effekt der Aerosole im globalen Mittel und in Bodennähe zu überwiegen. In machen Regionen könnte der Effekt steigender Aerosolkonzentratio-nen aus der Biomasseverbrennung auch für Abkühlungseffekte sorgen. Eine weitere Verstärkung der Erwärmung könnte durch positive Rück-kopplungen mit den Wolken und dem Wasserdampf verursacht werden.

3 “Take-away“ 5 Der Druck nimmt schwerkraftbedingt mit zunehmender Höhe in der Atmosphäre exponentiell ab, was durch die baromterische Höhenformel beschrieben wird. Die Temperatur nimmt strahlungsbedingt in der Troposphäre linear ab, in der Stratosphäre aufgrund des hohen Ozongehaltes hingegen wieder zu, was durch die adiabatischen Temperaturgradienten beschrieben wird. Vertikale Luftbewegungen sind viel langsamer als horizontale, aber besonders wetterwirksam. Die Temperaturschichtung in der Troposphäre entscheidet darüber, ob Vertikalbewegungen initiiert werden und Wolken sowie Niederschlag entstehen. Die Wolken- und Niederschlagsbildung basiert auf komplexen Prozessen, die sich über viele Raum- und Zeitskalen erstrecken und deshalb schwer zu messen und modellieren sind.

4 “Take-away“ 6 Der Wind ist eine vektorielle Größe mit einer Richtung im Raum und einem Betrag. Das Windfeld transportiert Luftmassen inkl. ihrer Zustandsgrößen und trägt über die Advektion zum Witterungsablauf an einem Ort bei. Die Bewegungsgleichung beschreibt die zeitliche Änderung des Windfeldes unter dem Einfluss der einwirkenden Kräfte in der Kinematik. In der freien Atmosphäre jenseits des Äquators resultiert ein isobaren-paralleler Wind, der geostrophisch ausbalanciert ist. Der direkte Luftmassenaustausch wird erst in Bodennähe durch den Einfluss der Reibung bewerkstelligt. Divergenz und Rotation beschreiben die räumlichen Änderungen des Windfeldes und sind für die wetterwirksamen Vertikalbewegungen besonders wichtig.

5 “Take-away“ 7 Die atmosphärische Zirkulation in Ozean und Atmosphäre wird durch zwei physikalische Gegebenheiten auf der Erde bedingt: die differentielle Erwärmung und die Drehimpulserhaltung im System Erde-Atmosphäre. Weitere Einflussfaktoren sind die Erdrotation, Bodenreibung und Land-Meer-Verteilung. Der meridionale Austausch von Energie, Masse und Impuls wird bewerkstelligt durch ein ausgeklügeltes dreidimensionales und teilweise verzahntes Zirkulationsgefüge in Ozean und Atmosphäre. Transiente und stationäre Wellen tragen wegen der Erdrotation erheblich zu den Transportprozessen in Ozean und Atmosphäre bei. Darüber hinaus existiert mit der thermohalinen Zirkulation ein dreidimensionales Förderband im Ozean, das besonders lange Einstellzeiten besitzt und langfristige Klimaschwankungen auslösen kann.

6 “Take-away“ 8 Das Klimasystem ist ein hochdimensionales physikochemisches System, dessen Zustand nicht erfasst sondern nur mit statistischen Maßzahlen beschrieben werden kann. Die physikalischen Grundgleichungen des Klimasystems sind nicht-linear und somit extrem sensitiv gegenüber veränderten Anfangs-bedingungen und Parametern. In der Klimatologie ist die exakte zeitliche Entwicklung des Zustands-vektors nicht interpretierbar, wohl aber die statistischen Eigenschaften des Systems. Rückkopplungen im Klimasystem können existierende Anomalien dämpfen oder verstärken und tragen somit maßgeblich zur Komplexität der Klimavariabilität bei. Die Klimavariabilität wird simultan durch miteinander wechselwirkende externe und interne Faktoren geprägt, was die Erfassung von einzelnen Faktoren (z.B. menschliche Aktivitäten) deutlich erschwert.

7 “Take-away“ 9 Die Erfassung der Klimaelemente wird über ein aufwendiges Netzwerk bewerkstelligt, welches bodengebundene, aerologische und satelliten-basierte Messverfahren umfasst. Trotzdem ist nur ein Teil der Erdoberfläche durch Messdaten repräsentiert. Insbesondere dynamische Klimamodelle ermöglichen, die Datenlücken zu schließen, das Verständnis des Klimasystems zu verbessern und Wetter- bzw. Klimaprognosen zu erstellen. Wegen des schwierigen Rückschlusses aus Beobachtungsdaten auf die Parameter der zugrunde liegenden Prozesse, besitzen alle Klimamodelle spezifische Parametrisierungen und Auflösungen. Das Vertrauen in die Klimamodelle variiert mit dem betrachteten Prozess: die Modellierung der atmosphärischen Dynamik gilt als verläss-licher als die Simulation von kleinskaligen Landoberflächenprozessen.

8 “Take-away“ 10 Die charakteristischen Ausprägungen des Klimas lassen sich anhand der theoretischen Kenntnisse der physikochemischen Prozesse in vielerlei Hinsicht erklären. Das Zusammenspiel von externen Antrieben und internen Wechsel-wirkungen hat in allen Komponenten des Klimasystems zu einem vielseiti-gen Erscheinungsbild geführt. Bislang sind nicht alle Strukturen und Vorgänge im Klimasystem, insbesondere im ozeanischen Subsystem, verstanden. In diesem Kapitel wurde nur ein Aspekt der Klimadefinition, nämlich die mittleren Ausprägungen, behandelt. Für die instantane bis langfristige Wahrnehmung von Wetter, Witterung und Klima ist der Aspekt der Variabilität wohl relevanter.

9 “Take-away“ 11.1 Die Monsune gehören zu den markantesten Ausprägungen im irdischen Klimasystem, sowohl hinsichtlich der mittleren Zustände als auch der Variabilität. Die Monsune gehen aus einer komplexen Überlagerung von großskaligen und lokalen Prozessen hervor und haben ein raumzeitlich sehr variables Gepräge. Der indische Monsun ist wegen der beteiligten Landmassen am stärksten ausgeprägt und ein wesentlicher Faktor für die Lebensbedingungen in Südasien. Die Monsune sind eingebettet in die globalen Telekonnexionen und nehmen dabei eine aktive Rolle ein. Zahlreiche Einflussfaktoren gestalten die Monsunschwankungen sehr vielfältig und erschweren die Zuordnung zu einem isolierten (anthropogenen) Faktor. In der Zukunft könnte sich der indische Wintermonsun abschwächen und der Sommermonsun intensivieren.

10 “Take-away“ 11.2 Das El Niño-Southern Oscillation-Phänomen (ENSO) ist die markanteste interannuelle Klimaschwankung weltweit. Es handelt sich um ein gekoppeltes Ozean-Atmosphäre-System, das zwischen zwei instabilen Gleichgewichtszuständen alterniert. Im pazifischen Sektor ergeben sich teils verheerende Witterungsanomalien. Das ENSO-Phänomen bewirkt praktisch auch weltweit Witterungsanomalien, insbesondere in der südasiatischen Monsunregion und in Nordamerika. Ferner existieren zahlreiche biologische und sozio-ökonomische Implikationen, die bei starken Ereignissen enorme volkswirtschaftliche Schäden nach sich ziehen. Es ist noch völlig unklar, wie sich das ENSO-Phänomen unter dem Einfluss steigender Treibhausgaskonzentrationen entwickeln könnte.

11 “Take-away“ 11.3 Bis zu 75 % der Temperatur- und Niederschlagsvariabilität auf den Kontinenten der Nordhemisphäre werden durch die NAO & Co. bedingt. Beobachtungen und Klimamodelle deuten eine Verstärkung der meisten Zirkulationsphänomene seit den 1970er Jahren an. Dies führt zu einer Erwärmung der nordhemisphärischen Kontinente, die bis zu 33 % zur Gesamterwärmung ausmachen könnte. Der atlantische Sektor wird insbesondere von der Arktischen Oszillation, der pazifische Großraum vom Aleuten-Tief beeinflusst. Die atmosphärische Zirkulation setzt die globale Erwärmung in ein räumlich differenziertes Muster um. Die verbleibenden 67 % der Gesamterwärmung gehen hingegen auf andere lokale Prozesse zurück.

12 “Take-away“ 11.4 Die Madden-Julian-Oscillation ist eine wesentliche Komponente der intra-saisonalen Variabilität in den niederen Breiten. Die MJO kommt in der ostwärtigen Propagation von Regionen mit verstärkter und unterdrückter Konvektion zum Ausdruck. Die Entstehung der MJO basiert auf einer komplexen Überlagerung von atmosphärisch-ozeanischen Wechselwirkungen und Wellenstörungen. Die MJO ist eine interessante Perspektive für die Wettervorhersage in den niederen Breiten. Bei der Verbindung der MJO zu den Monsunen besteht noch Unklarheit bzgl. des Ursache-Wirkung-Zusammenhanges. Der Ursache-Wirkung-Zusammenhang zwischen MJO und ENSO ist reziprok.

13 “Take-away“ 11.5 Die messtechnische Erfassung der Stratosphäre ist besonders aufwen-dig, so dass Informationen und Verständnis bis heute lückenhaft sind. Im Gegensatz zur Troposphäre treten in der Stratosphäre interhemisphärische Gradienten und Zirkulationen auf. In der unteren Stratosphäre existiert ein westlicher im Winter verstärkter Polarwirbel, darüber setzen sich jahreszeitlich wechselnde Windrichtun-gen durch. In der tropischen Stratosphäre alternieren West- und Ostwinde auf einer Zeitskala von ca. 28 Monaten. In der winterlichen Stratosphäre können enorme Erwärmungen auf-treten, die das eigentliche Bild der Windsysteme völlig umkehren. Vulkanausbrüche haben einen starken Einfluss auf die Stratosphären-dynamik und wirken darüber auch auf die bodennahen Klimaprozesse ein.