Physische Geographie - Klimatologie

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1 Physische Geographie - Klimatologie Christoph Gerbig, Sönke Zaehle Max-Planck-Institut für Biogeochemie Hans-Knöll Str. 10, PF 10016, Jena Tel.: (0361) (Gerbig) (Zaehle) Vorlesungswebsite: christoph.gerbig@bgc-jena.mpg.de soenke.zaehle@bgc-jena.mpg.de Fragen Welche Erdtemperatur stellt sich ein, wenn die Atmosphäre aus 2 im IR vollständig absorbierenden Schichten besteht? Welche Erdtemperatur stellt sich ein, wenn die Atmosphäre aus 2 im IR vollständig absorbierenden Schichten besteht? Welche Erdtemperatur ergibt sich bei n Schichten? Was kann man aus diesen Ergebnissen über den runaway greenhouse effect sagen? 2 = (1 - a) S 0 T 2 = T a =255 K 2 2 Schicht 2 (=Atmosphäre) 2 2 = 1 Welches sind die Strahlungs- Gleichgewichtstemperaturen von Venus, Erde und Mars? E-S: 1 AE, V-S: 0.71 AE, M-S: 1.67 AE; 1 AE = km Albedo: a M=0.15, a E=0.3, a V=0.76 Welches sind die geschätzen Oberflächentemperaturen? 1 1 e Schicht 1 Erdoberfläche 2 1 = e + 2 e = (1 - a) S Schichten: T e = 335 K n Schichten: T e (10)= 6 K e = 3 2 e = (n+1) n

2 Welche Erdtemperatur stellt sich ein, wenn die Atmosphäre aus 2 im IR vollständig absorbierenden Schichten besteht? 2 = (1 - a) S 0 T 2 = T a =255 K e Schicht 2 (=Atmosphäre) Schicht 1 Erdoberfläche 2 2 = = e + 2 e = (1 - a) S Schichten: T e = 335 K n Schichten: T e (10)= 6 K e = 3 2 e = (n+1) n Was kann man aus diesen Ergebnissen über den runaway greenhouse effect sagen? bei starker positiver Rückkopplung: 1 C Erhöhung -> Rückkopplung > 1 C (Erde: C) z.b. Verdampfen von H 2 O aus Ozeanen Welches sind die Strahlungsgleichgewichte von Venus, Erde und Mars? (E-S: 1AE, V-S: 0.71 AE, M-S: 1.67 AE, 1 AE: km) (1 a) S 0 = σt (Strahlungsggw.) T={(1-a) S 0 /σ} 1/ S 0 =32W/m 2 x (R E-S /R V-S ) 2 Erde: Albedo 0.3: 255K Mars: Albedo 0.15: 207K Venus: Albedo 0.76: 231K Welches sind die geschätzten Oberflächentemperaturen? Energiebilanzmodell II (Oberflächentemp. T): (1 a) S 0 = (1+τ)/2 σt T={(1-a) S 0 /((1+τ)/2 σ)} 1/ E Erde: Transmissivität= > Te=288 Mars: dünne Atmosphäre, Transmissivität~1 -> T~Gleichgewichtstemp. Venus: dichte Atmosphäre

3 Atmosphären der Erde und Nachbarplaneten Venus Erde Mars Atmosphärendruck 90 bar 1 bar bar Zusammensetzung der Atmosphäre Temperatur im Strahlungsgleichgewicht CO 2 (96%) N 2 (3.5%) N 2 (77%) O 2 (21%) Ar (1%) CO 2 (0.0%) H 2O (variabel) CO 2 (95%) N 2 (2.7%) -3 C -17 C -55 C Oberflächentemperatur 70 C 15 C -50 C Natürlicher Treibhauseffekt +513 C +32 C +5 C Albedo 76% 39% 15% Komponenten des Klimasystems und deren Dynamik -Atmosphäre -Ozean -Kryosphäre -Landoberflächen und hydrologischer Kreislauf Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre Vertikalschichtung der Atmosphäre ppmv: parts per million by volume, dry atmosphere Gas Volume Nitrogen (N 2 ) 780,80 ppmv (78.08%) Oxygen (O 2 ) 209,60 ppmv (20.96%) Argon (Ar) 9,30 ppmv (0.930%) Carbon dioxide (CO 2 ) 383 ppmv (0.0383%) Neon (Ne) ppmv ( %) Helium (He) 5.2 ppmv ( %) Methane (CH ) 1.75 ppmv ( %) Krypton (Kr) 1.1 ppmv ( %) Hydrogen (H 2 ) 0.55 ppmv ( %) + Wasser (H 2 O) (0-%) Quelle: Peixoto, J.P. und Oort, A.H.: Physics of Climate. AIP (American Institute of Physics), New York. 3. Auflage, Quelle: ISS

4 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Corioliskraft??? Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Wolken + Oberflächentemperatur 23 Okt 17-2 Nov 17 Quelle: wiki.bildungsserver.de

5 Satellite composite image 12 Okt 17-2 Nov 17 Water vapor composite image 23 Okt 17-2 Nov 17 IR composite image 23 Okt 17-2 Nov 17 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre

6 Entwicklung einer Zyklone an der Polarfront der Nordhalbkugel Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Wettergeschehen Jan Okt 2005 im Infrarotbild von METEOSAT Komponenten des Klimasystems und deren Dynamik -Atmosphäre -Ozean -Kryosphäre -Landoberflächen und hydrologischer Kreislauf

7 Fakten zum Ozean Zusammensetzung Meerwasser -Oberfläche: 360 Mio km 2 (71% der Erde) -Volumen: 1. *10 21 kg -Mittlere Tiefe: 3.8 km Rolle im Klimasystem: -Wärmespeicher, Wärmetransport -Quelle für atmosphärischen Wasserdampf -Biogeochemische Prozesse Wikipedia Dichte von Meerwasser (p= mbar) Vertikalschichtung Ozean Deckschicht Thermokline Temperatur [ C] potentielle Dichte σ t [g/l] g/l Tiefenwasser Salinität [PSU] practical salinity unit Quelle:

8 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Golfstromzirkulation (Infrarotbild) Meeresströmungen an der Ozeanoberfläche (primär windgetrieben) Simulation der Golfstromzirkulation (2 Jahre, Einzelbild: 7 Tagesdurchschnitt)

9 NASA: The Thermohaline Circulation (The Great Ocean Conveyor Belt) Schema der thermohalinen Zirkulation (vereinfacht) NADW Gulf str. N.A. Drift Antarctic circumpolar current Rote Linien: Oberflächenströmungen, Blau: Salzgehalt < 3 Blaue/Lila Linien: Tiefenströmungen, Grün: Salzgehalt > 36 Gelb: Absinkgebiete Thermohaline Zirkulation: Salzgehalt Hydrologische Bilanz Atlantik Schwarz: Abfluß in Atlantik Schraffiert: Abfluß in Pazifik und Indischen Ozean Weiss: Wüsten Quelle: W. Broeker, 1997 (Science)

10 Kopplung Ozean-Atmosphäre Austausch von Vergleich Dynamik von Atmosphäre und Ozean Atmosphäre Ozean -Impuls: Antrieb der Oberflächenströmung durch Atmosphärenzirkulation -Wärme: z.b. Wärmeabgabe in nördl. Breiten (Golfstrom+Nordatlantikstrom) -Wasserdampf: Evaporation, Niederschlag Antrieb horizontale Zirkulationsmuster vertikale Zirkulationsmuster Wirbel (in mittleren Breiten) Strahlung, Kondensation von Wasserdampf Zonale Bänder Hadley-Zellenstruktur Oberflächenwind, Wärmeaustausch, Frischwasser Antarktischer Zirkumpolarstrom, Zirkulationszellen in Ozeanbecken Tiefenwasserzirkulation globales Förderband km km Raum- & Zeitskalen Atmosphäre Fragen: Ozean Wie würde sich die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre verändern, wenn die Erdrotation schneller würde? Wodurch wird der Wärmetransport von Äquator zu Polen gewährleistet? Wie wird Tiefenwasser im Ozean gebildet? aus W. Raith, Erde und Planeten