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~0 -> 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 Nov Nov 16 Quelle: wiki.bildungsserver.de

5 Satellite composite image 25 Sep Nov 16 Water vapor composite image Nov Nov 16 IR composite image Nov Nov 16 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre

6 Entwicklung einer Zyklone an der Polarfront der Nordhalbkugel Wettergeschehen Jan Okt 2005 im Infrarotbild von METEOSAT Komponenten des Klimasystems und deren Dynamik -Atmosphäre -Ozean -Kryosphäre -Landoberflächen und hydrologischer Kreislauf Fakten zum Ozean 360 Mio km2 (71% der Erde) -Oberfläche: -Volumen: 1. *1021 kg -Mittlere Tiefe: 3.8 km Rolle im Klimasystem: -Wärmespeicher, Wärmetransport -Quelle für atmosphärischen Wasserdampf -Biogeochemische Prozesse

7 Zusammensetzung Meerwasser Dichte von Meerwasser (p= mbar) Temperatur [ C] potentielle Dichte σ t [g/ml] - 1 g/ml Salinität [PSU] practical salinity unit Wikipedia Quelle: Deckschicht Thermokline Vertikalschichtung Ozean Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Tiefenwasser

8 Meeresströmungen an der Ozeanoberfläche (primär windgetrieben) Simulation der Golfstromzirkulation (2 Jahre, Einzelbild: 7 Tagesdurchschnitt) Golfstromzirkulation (Infrarotbild) NASA: The Thermohaline Circulation (The Great Ocean Conveyor Belt)

9 Schema der thermohalinen Zirkulation (vereinfacht) Thermohaline Zirkulation: Salzgehalt NADW Gulf str. N.A. Drift Antarctic circumpolar current Rote Linien: Oberflächenströmungen, Blau: Salzgehalt < 3 Blaue/Lila Lininen: Tiefenströmungen, Grün: Salzgehalt > 36 Gelb: Absinkgebiete Hydrologische Bilanz Atlantik Kopplung Ozean-Atmosphäre Austausch von Schwarz: Abfluß in Atlantik Schraffiert: Abfluß in Pazifik und Indischen Ozean Weiss: Wüsten -Impuls: Antrieb der Oberflächenströmung durch Atmosphärenzirkulation -Wärme: z.b. Wärmeabgabe in nördl. Breiten (Golfstrom+Nordatlantikstrom) -Wasserdampf: Evaporation, Niederschlag Quelle: W. Broeker, 1997 (Science)

10 Vergleich Dynamik von Atmosphäre und Ozean Atmosphäre Ozean Ozean Raum- & Zeitskalen Atmosphäre Antrieb horizontale Zirkulationsmuster vertikale Zirkulationsmuster Strahlung, Kondensation von Wasserdampf Zonale Bänder Hadley-Zellenstruktur Oberflächenwind, Wärmeaustausch, Frischwasser Antarktischer Zirkumpolarstrom, Zirkulationszellen in Ozeanbecken Tiefenwasserzirkulation globales Förderband Wirbel (in mittleren Breiten) km km aus W. Raith, Erde und Planeten Fragen: 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?

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