Fernerkundung der Erdatmosphäre

Transkript

1 Fernerkundung der Erdatmosphäre Dr. Dietrich Feist Max-Planck-Institut für Biogeochemie Jena

2 Max Planck Institut für Biogeochemie Foto: Michael Hielscher

3 Max Planck Institut für Biogeochemie 1997 in Jena gegründet Foto: Michael Hielscher

4 Max Planck Institut für Biogeochemie 1997 in Jena gegründet ~160 Mitarbeiter (~90 Wissenschaftler, 3 Direktoren/Abteilungen) Foto: Michael Hielscher

5 Max Planck Institut für Biogeochemie 1997 in Jena gegründet ~160 Mitarbeiter (~90 Wissenschaftler, 3 Direktoren/Abteilungen) Forschungsgebiet: globale biogeochemische Stoffkreisläufe Foto: Michael Hielscher

6 Max Planck Institut für Biogeochemie 1997 in Jena gegründet ~160 Mitarbeiter (~90 Wissenschaftler, 3 Direktoren/Abteilungen) Forschungsgebiet: globale biogeochemische Stoffkreisläufe Zusammenarbeit mit: MPI für Chemie (Mainz), MPI für Meteorologie (Hamburg) im Rahmen der Earth System Research Partnership (ESRP) Foto: Michael Hielscher

7 Globaler Kohlenstoffzyklus IPCC AR5 WG1 Fig. 6-01, 2013.

8 Atmospheric Remote Sensing (ARS) Group

9 Atmosphärische Fernerkundung 1. Aufbau der Atmosphäre: Temperaturprofil, chemische und physikalische Bestandteile

10 Die Atmosphäre Andes_Mountains_as_seen_from_Gemini_7_-_GPN jpg Gashülle um Erde Übergangsschicht zwischen Erdoberfläche und Weltraum Sehr dünn im Vergleich zur festen Erde Dicke je nach Definition ca. 100 km Masse ca. 5,5*1018 kg (~10-6 der Erdmasse)

11 Geschichte der Erdatmosphäre Häckel, Abb. 1

12 Stockwerksaufbau

13 Die Atmosphäre als ideales Gas Gasteilchen werden als Massepunkte ohne Ausdehnung angenommen Wechselwirkung zwischen Molekülen vernachlässigt Gute Näherung für viele reale Gase bei geringen Dichten und Temperaturen in der Atmosphäre Ideale Gasgleichung: p V = n R T

14 Temperaturprofil Thermosphäre Mesopause Mesosphäre Stratopause Stratosphäre Tropopause Troposphäre

15 Troposphäre Unterste Schicht Dicke: ca km Temperatur nimmt mit Höhe ab Enthält praktisch gesamten Wasserdampf Wetter findet in Troposphäre statt

16 Stratosphäre Schicht oberhalb der Troposphäre Höhe bis ca km Temperatur nimmt mit Höhe zu Wasserdampf nur noch im ppm-bereich Enthält Großteil des atmosphärischen Ozons (Ozonschicht)

17 Flug in die Stratosphäre

18 Mesosphäre Oberste Schicht der Homosphäre Höhe bis ca. 90 km Temperatur nimmt mit der Höhe ab Nachtleuchtende Wolken (NLC) im Bereich der Mesopause Mesopause ist kältester Ort auf der Erde Luftdruck <1 mbar!

19 Ionosphäre commons/thumb/d/dc/ionospheric_reflection_german.png commons/6/60/ionosphereprofilenoaa.png

20 Homosphäre und Heterosphäre Heterosphäre (0,1%): Atmosphäre entmischt sich in Abhängigkeit von Molekülmasse Homosphäre (99,9%): Atmosphäre gleichmäßig durchmischt

21 Obergrenze der Atmosphäre Keine klar definierte Grenze: Definitionssache! Häufig genutzt: Grenze zwischen Homosphäre und Heterosphäre (ca. 100 km)

22 Luftzusammensetzung (trocken) Gas Chemische Formel Anteil (Volumen-%) Stickstoff N2 78,084% Sauerstoff O2 20,942% Argon Ar 0,934% Kohlenstoffdioxid CO2 380 ppm Neon Ne 18,180 ppm Helium He 5,240 ppm Methan CH4 1,760 ppm Krypton Kr 1,140 ppm Wasserstoff H2 500 ppb Distickstoffoxid N2O 317 ppb Kohlenstoffmonoxid CO ppb

23 Komponenten: Stickstoff

24 Komponenten: Sauerstoff

25 Sauerstoff in der Erdatmosphäre

26 Spurengase/Treibhausgase Kohlenstoffdioxid (CO2) Methan (CH4) Distickstoffoxid (N2O)

27 Komponenten: Kohlenstoffdioxid

28 CO2-Zunahme: Mauna-Loa-Kurve

29 Globale CO2-Verteilung

30 Komponenten: Methan

31 Globale CH4-Verteilung

32 Komponenten: Lachgas

33 Spurengase in der Vergangenheit IPCC WG 1 Report 2007

34 Komponenten: Ozon

35 Die Atmosphäre als Schutzschicht

36 Die Ozonschicht

37 Katalytischer Ozonabbau

38 Komponenten: Wasserdampf

39 Trocken- und feuchtadiabatischer Temperaturgradient Wegen der Abnahme des Drucks nimmt auch die Temperatur eines Luftpakets mit der Höhe ab (ideale Gasgleichung): Neutrale_Atmosph%C3%A4renschichtung.png Mittlerer T-Gradient: ca. 6 K/km Trockenadiabatischer T-Gradient: ca. 10 K/km

40 Beispiel: Föhn Roedel, Abb. 2.4

41 Stabile und labile Schichtung Labile_Atmosph%C3%A4renschichtung.png Labile Schichtung Stabile_Atmosph%C3%A4renschichtung.png Stabile Schichtung

42 Luftdruckabnahme mit der Höhe Roedel, Abb. 2.1 Näherungsformel:

43 Land-See-Windsystem Typisches Windsystem, das durch unterschiedliche Erwärmung von Meer und Land entsteht Tagsüber Wind vom Meer Nachts Wind vom Land

44 Corioliskraft

45 Einfluss der Corioliskraft Corioliskraft: durch Erdrotation verursachte Scheinkraft Nordhalbkugel: Ablenkung nach rechts Südhalbkugel: Ablenkung nach links commons/3/36/coriolis_effect09.png

46 Südhalbkugel: Yasi (2011)

47 Atmosphärische Zirkulation Roedel, Abb. 4.1

48 Strömungsgesetze nach Bernoulli und Venturi Venturi-Effekt title=datei:schema_eines_rohres_mit_engstelle-bernoulli.svg Wegen der Massenerhaltung (Kontinuitätsgleichung) strömt die Luft an einer Engstelle schneller (Venturi-Effekt) Bernoulli erkannte das allgemeine Gesetz zwischen Druck und Geschwindigkeit bei strömenden Medien

49 Atmosphärische Strömungen

50 Grenzschicht t: Schubspannung Roedel, Abb. 3.17