Gliederung der Vorlesung

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1 Gliederung der Vorlesung Aerosole - Definition, Quellen und Senken, Größenverteilung Auswirkungen Aerosol, Wolkenbildung - Sättigung Aerosolphysik Entstehung von warmen Niederschlag Entstehung von kaltem Niederschlag Radarmeteorologie Niederschlag Wolkenphysik Wolkenbildung, Wolkentypen, Wolkendynamik Luftmassengewitter Gewittertypen Strahlung und Strahlungsgesetze Strahlung Streuung in der Atmosphäre, optische Erscheinungen Globale Strahlungsbilanz Grenzschicht Klimatologie/Klimaänderungen Klimaänderungen/Grenzschicht Klimatologie Chemie Klimaänderungen/Stratosphärischer Ozonabbau Allgemeine Zirkulation Hydrologischer Kreislauf Ozeanographie 1

2 Lerninhalte 14. Vorlesung Was verbirgt sich hinter den zwei Thesen zu den intern und extern forcierten Klimaänderung? Was ist das "Radiative Forcing"? Was trägt dazu bei? Und wie gut ist das Verständnis der einzelnen Beiträge? Wie hoch ist die bis 2100 prognostizierte Temperaturerhöhung? Welche Rolle spielen Wolken im Klimasystem (abkühlend oder erwärmend)? Welche Phänomene sind in der Zukunft wahrscheinlich? Mit welcher Einheit wird die Menge des Ozons spezifiziert? Was ist der Chapman-Zyklus? Wovon hängt die Ozonmenge ab? Was sind die katalytischen Abbaumechanismen des Ozons? 2

3 "Radiative Forcing" International Panel on Climate Change (IPCC) 3

4 Ungrade Sauerstoff-Familie R1 R2 R3 R4 O O + hν O + O 2 + O O O M + hν + O j 1 k 2 j 2 k 3 O O O 2 + M + O R1 O 2 langsam R2 O schnell O 3 R3 R4 langsam "Odd oxygen" Familie O x = O + O 3 d[ O dt x ] = 2k3 [ O][ O3 ] + 2 j2[ O2 ] = 0 steady state [ O x ] = j 1 [ O2 ] k 3 Vernachlässigung der angeregten Komponenten (Quenching schnell) Vernachlässigung der langsamen Reaktionen 4

5 Vertikale Variation des katalytischer Ozonabbau 5

6 Das Ozonloch

7 Ozonloch 7

8 Polare Stratosphärische Wolken 8

9 Woher kommt das freie Chlor? Heterogene Chemie Reaktion zwischen Stoffen verschiedener Phase Reaktionen an der Oberfläche polarer stratosphärischer Wolken 9

10 Ozonabbau nach Molina&Molina[87] 10

11 Ozonloch-Schema 11

12 Ozon in der Arktis 12

13 Katalytischer Ozonabbau nach Brasseur Quellgase Radikale Reservoirgase 13

14 Allgemeine Zirkulation Die atmosphärische Zirkulation wird auch durch diabatische Wärmequellen und -senken angetrieben. In der Atmosphäre muß man die Kompressibilität der Luftberücksichtigen Man betrachtet statt Temperaturänderungen die Änderungen der potentiellen Temperatur während der Zirkulationsbewegung. Den Isothermen entsprechen in der Atmosphäre Isentropen, wobei die Zunahme der potentiellen Temperatur mit der Höhe das Kriterium für stabile Schichtung ist. In den großräumigen thermischen Zirkulationen spielt der Wasserdampf eine wichtige Rolle. Wenn Wasserdampf im aufsteigenden Ast der Zirkulation kondensiert, wird latente Wärme in fühlbare Wärme umgewandelt. Dadurch erhöht sich der horizontale Temperaturgradient, was einen zusätzlichen Antrieb für die thermische Zirkulation bedeutet. 14

15 Energiekreislauf Nicht alle potentielle Energie ist verfügbar! 15

16 Energiekreislauf Im stationären Zustand ist der Zuwachs an verfügbarer potentieller Energie durch die Wärmequellen und -senken gleich dem Verlust an kinetischer Energie durch die Reibung. 16

17 Allgemeine Zirkulation Für die Aufrechterhaltung der großräumigen thermischen Zirkulation sind sowohl horizontale als auch vertikale Gradienten der diabatischen Erwärmung nötig. Gäbe es keinen horiziontalen Gradienten, würden die Wärmequellen und -senken am Boden bzw. in der Höhe die stabile Schichtung zerstören. Die Folge wären kleinräumige Bewegungen (aufsteigende Warmluftblasen). Gäbe es keine vertikalen Erwärmungsgradienten, würde die Stabilität der Schichtung zunehmen und die Zirkulation immer schwächer werden. 17

18 Rolle der Rotation Gültig für relativ schwache Rotation für stärkere Rotation ist die Strömung labil 18

19 Thermisch direkte und indirekte Zirkulation warm kalt warm kalt Eine Zirkulation, in der warme Luft gehoben wird und kalte Luft absinkt, wobei verfügbare potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird, bezeichnet man als thermisch direkte Zirkulation. Im umgekehrten Fall spricht man von einer thermisch indirekte Zirkulation. Die Hadley Zirkulation ist thermisch direkt, die Zirkulation in den mittleren Breiten ist thermisch indirekt. 19

20 Rolle der Tropen In den Tropen gibt es viel Bewölkung und kräftigen Regen im Bereich der innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) und über den Landflächen der Sommerhalbkugel. Die wichtigsten Trockenzonen sind die subtropischen Ozeane (äquatoriale Trockenzonen im Atlantik und Pazifik), die Landflächen auf der Winterhalbkugel und die Wüsten auf der Sommerhalbkugel. Größtenteils sind die feuchten Gebiete relativ warm im Vergleich zur Temperatur der Erdoberfläche in der Umgebung; Die trockenen Gebiete sind dagegen relativ kalt (abgesehen von den Wüsten). Im Bereich der ITCZ liegt ein Gürtel mit warmem Ozeanwasser und im Bereich der äquatorialen Trockenzone ein schmaler Streifen, in dem kaltes Auftriebswasser aus tieferen Ozeanschichten an die Oberfläche gelangt. 20

21 Rolle der Tropen Die Landmassen sind auf der Sommerhalbkugel wärmer als der angrenzende Ozean und im Winter kälter. Die klimatologische Niederschlagsverteilung und die Vertikalbewegungen stehen in einem engen Zusammenhang. Im großräumigen Mittel über eine längere Zeit steigt die Luft in den feuchten Gebieten auf und sinkt in den trockenen Gebieten ab. Die Zirkulationen in den Tropen sind im klimatologischen Mittel durch aufsteigende Warmluft und absinkende Kaltluft gekennzeichnet, d.h. es handelt sich vorherrschend um thermisch direkte Zirkulationen. 21

22 Hadley Zirkulation Für den aufsteigenden Ast einer solchen Zirkulation, in dem sich Wolken und Niederschlag bilden, gilt: Die Temperaturen sind fast in der gesamten Troposphäre höher als in der Umgebung. Der Massenfluß ist nach oben gerichtet, mit einem Maximum in der mittleren Troposphäre. In der unteren Troposphäre konvergieren die horizontalen Luftbewegungen, in der oberen Troposphäre divergieren sie In der unteren Troposphäre befindet sich ein schwaches Tief (zyklonale Strömung), in der oberen Troposphäre ein schwaches Hoch (antizyklonale Strömung). 22

23 Allgemeine Zirkulation 23

24 Allgemeine Zirkulation 24

25 Die Wüsten Die extreme Hitze und Trockenheit in einigen Gebieten ist die Folge von großräumigem Absinken, wobei die Luft durch adiabatische Kompression erwärmt wird. Außerdem nimmt dabei die relative Feuchte so stark ab, daß die Cumulus- Konvektion fast vollständig unterdrückt wird. Absinkende Luftbewegungen über einem relativ warmen Gebiet können nur Teil einer thermisch indirekten Zirkulation sein. Die Zirkulation über den Wüsten wird also nicht durch lokale Temperaturunterschiede angetrieben, sondern durch ständige Zufuhr von kinetischer Energie aus anderen Teilen der Tropen. 25

26 Monsunzirkulationen Feuchte Monsune" sind mit aufsteigenden Luftbewegungen über den warmen Landmassen verbunden. Die durch die unterschiedliche Erwärmung von Land und Meer erzeugte verfügbare potentielle Energie wird freigesetzt durch das Aufsteigen von warmer (leichter) Luft und das Absinken von kalter (schwerer) Luft. Diese Vertikalbewegungen werden von Horizontalbewegungen begleitet, die in allen Höhen quer zu den Isobaren vom hohen zum tiefen Druck gerichtet sind, d.h. in der unteren Troposphäre Richtung Land und in der oberen Troposphäre Richtung Meer. 26

27 Große Windsysteme Monsoon saisonale Variation der Windrichtung Asiatischer Mission ist am besten verstanden tritt auch in Afrika und im SW der USA auf Wintermonsoon ist trocken Summermonsoon ist feucht 27

28 Globaler Überblick Seasonal Pressure and Precipitation Patterns 28

29 Wärmemaschine Klimasystem Strahlungsbilanz > 0 Energietransporte < 0 Wellentransporte Atmosphäre Niederschlag innere Energie latente Energie potentielle Energie kinetische Energie Hadley Zelle Kondensation Konvektion Verdunstung Pol Eis Wärme H Passate Erwärmung Äquator Salz Ozean Salz Salz Quelle: Hartmann, D. Salz L., Global und Energie Physical Climatology,

30 Zusammenfassung Meteorologie I-III Phänomene der Meteorologie auf verschiedenen Skalen Begriffe: Totales Differential, Advektion, Rotation, Divergenz, Zustandsgrößen, Geopotential, Carnot-Kreislauf, Phasendiagramm Wasser, Rayleigh/Mie- Streuung, Konvektion, barotrop/baroklin Grundgleichungen der Meteorologie Gleichungen & Gestze: Ideale Gasgleichung, Dalton, Hydrostat. Gleichung, Barometrische Höhenformel, HS der Thermodynamik, Poissongleichung, Planck, Stefan-Boltzmann, Wiensches Verschiebungsgesetz, Kirchhoff, Beer- Bouguer Adiabatisches Aufsteigen, Schichtungsstabilität, Änderungen der Feuchte, pot. und äquipot. Temp., HKN, LCL, Auftrieb Einheiten von meteorologischen Größen, Feuchtegrößen, typische Werte Messverfahren: Druck, Temperatur, Feuchte, Wind, Strahlung Turbulenz, turbulente Flüsse, Oberflächenbilanzgleichung, Grenzschicht Quelle: Hartmann, D. L., Global Physical Climatology,

31 Zusammenfassung Meteorologie I-III... Strahlungshaushalt, solar/terrestrisch, Solarkonstante, Treibhauseffekt, optische Erscheinungen Tagesgänge meteorologischer Variablen Wolken: Aerosol, Wolkentropfenbildung, Köhlerkurve, Größenverteilung, Fallgeschwindigkeit, Niederschlagsbildung, Nebelbildung, Eisbildung, Gewittertypen Bewegungen: Coriolis-Kraft, Zentrifugal-Kraft, Geostrophischer Wind, Gradientwind, thermischer Wind Fronten: Frontentypen, Querschnitte, Zirkulationen, synoptische Situation, Strömung in 500 hpa, Schichtdicke, Margules-Modell Klima: Allgemeine Zirkulation, Hadley-Zirkulation, Walker-Zirkulation, Hydrologischer Zyklus, anthropogene Klimaänderung, Ozonabbau Quelle: Hartmann, D. L., Global Physical Climatology,