(9) Strahlung 2: Terrestrische Strahlung Treibhauseffekt

Transkript

1 Meteorologie und Klimaphysik Meteo 137 (9) Strahlung 2: Terrestrische Strahlung Treibhauseffekt

2 Wiensches Verschiebungsgesetz Meteo 138 Anhand des Plankschen Strahlungsgesetzes (Folie ) haben wir schon gesehen, dass sich das Maximum der spektralen Verteilung bei niedrigeren Temperaturen zu größeren Wellenlängen verschiebt. Dieser Zusammenhang war schon zuvor als Wiensches Verschiebungsgesetz bekannt (Wilhelm Wien, 1893): max 2898μmK T λ max ist die Wellenlänge, bei der das Maximum der Energie abgestrahlt wird. (Übungsbeispiel für Mutige: Erste Ableitung = 0 setzen) Damit ergibt sich für: Sonne: λ max = 0.5 µm Sichtbares Licht Erde: λ max = 10 µm Thermisches Infrarot Die Erde strahlt daher fast ausschließlich im infraroten Spektralbereich.

3 Kirchhoffsches Gesetz Meteo 139 Ein Schwarzer Körper ist so definiert, dass er Strahlung jeder Wellenlänge vollkommen absorbiert. Reale Körper sind nicht vollständig schwarz sie können nicht alle Wellenlängen vollständig absorbieren, sondern weisen ein wellenlängen-abhängiges Absorptionsvermögen ε(λ) auf (das < 1 ist). Nach dem Kirchhoffschen Gesetz (Gustav Kirchhoff, 1859) gilt für die Emission eines Körpers, E λ (im thermischen Gleichgewicht): E (, T ) ε( ) B (, T ) Für eine gegebene Wellenlänge und Temperatur ist das Verhältnis aus Emission und Absorptionsvermögen gleich der Schwarzkörperemission. Das bedeutet auch, dass Körper in jedem Wellenlängenbereich, in dem sie absorbieren, auch emittieren.

4 Kirchhoffsches Gesetz Meteo 140 Wir formen das Kirchhoffsche Gesetz um, und sehen: E (, T ) ε( ) B (, T Reale Körper strahlen bei gegebener Temperatur weniger ab als Schwarze Körper (ε < 1). Damit darf man ε(λ) auch als ein Emissionsvermögen auffassen. Oft findet man das Kirchhoffsche Gesetz daher auch in der Form: Emissionsvermögen = Absorptionsvermögen Wichtig ist: es gilt wellenlängen-abhängig. Im Infraroten sind natürlich vorkommende Oberflächen in sehr guter Näherung schwarz sogar Schnee! (der im sichtbaren Wellenlängenbereich aber (meist) alles andere als schwarz ist). ) Für die gesamte Erde (im IR): ε = 0.95 ( grauer Körper )

5 Strahlungsbilanz Meteo 141 Terrestrische Ausstrahlung Solare Einstrahlung Bilder: NASA An seiner Oberfläche kann ein Planet (im Normalfall) Energie nur durch Strahlung aufnehmen bzw. abgeben. Im Gleichgewicht gilt: Einstrahlung = Ausstrahlung

6 Strahlungsbilanz Meteo 142 Damit können wir ein Null-dimensionales Strahlungsbilanz-Modell basteln (Erde als Punkt). Die Erde nimmt kurzwellige Sonnenstrahlung mit ihrer Querschnittsfläche (= Kreisfläche) auf, aber sie strahlt (langwellige) terrestrische Strahlung von ihrer gesamten Oberfläche (= Kugeloberfläche) ab: S A R ε T R E Ef f 4 E S A ε T Ef f Damit erhalten wir eine effektive Temperatur der Erde von 16 C (!). Das ist doch relativ weit entfernt von der globalen Mitteltemperatur von (mittlerweile) +15 C. Was ist falsch?

7 Infrarotaktive Gase Meteo 143 Wenn man die Oberfläche von Folie 141 mit der Erdoberfläche gleich setzt, muss man die Erdatmosphäre berücksichtigen sie ist zwar für Sonnenstrahlung (weitgehend) durchsichtig, für die terrestrische Strahlung aber nicht, da sie infrarotaktive Gase enthält (Quelle: C.D. Ahrens).

8 Treibhauseffekt Meteo 144 Infrarotaktiv sind (hauptsächlich) drei- und mehratomige Gase, die Rotations-Schwingungsbanden im Infrarot aufweisen*: H 2 O, CO 2, O 3, N 2 O, CH 4. Sie werden meist als Treibhausgase bezeichnet obwohl dieser Begriff unglücklich ist (da es in einem Treibhaus nur zu einem geringen Teil durch den Treibhauseffekt wärmer ist). Treibhausgase geben auch wieder Infrarotstrahlung ab, einen Teil nach oben, einen Teil nach unten. Der Teil, der nach unten abgestrahlt wird, erwärmt die Erdoberfläche. Mit zunehmender Temperatur der Erdoberfläche wird immer mehr IR-Strahlung abgegeben. Auf der Erdoberfläche stellt sich schließlich eine Temperatur ein, bei der der Teil der IR-Strahlung, der die Atmosphäre verlassen kann, die Sonnenstrahlung genau ausgleicht.

9 Treibhauseffekt Meteo 145 In unserem Null-dimensionalen Modell können wir den Einfluss der infrarotaktiven Gase durch die Transmissivität im Infraroten (τ IR ) darstellen: S A T IRε Ef f Mit einem Wert von ergibt sich eine mittlere Temperatur von +15 C. Ohne die selektive Absorption im IR wäre die Temperatur also um mehr als 30 C niedriger. Durch anthropogene CO 2 -Emissionen wird der natürliche Treibhauseffekt, bei dem Wasserdampf H 2 O dominiert, (gefährlich) verstärkt. Mit einer Atmosphäre ohne Treibhausgase gäbe es auch weder Wolken noch Schnee, dadurch wäre die Albedo geringer (A = 0.15) die mittlere Temperatur läge bei (immer noch frostigen) 2 C.

10 Treibhauseffekt Meteo 146 Sobald man etwas genauer hinsieht, wird es gleich noch einmal komplizierter (IPCC, 2007 nach Kiel and Trenberth, 1997).

11 Langwellen Strahlung Meteo 147 Netto-Langwellenstrahlung = LW abwärts LW aufwärts auf der Erdoberfläche. Absolutwerte und Schwankung sind überraschend gering, insbesondere auf dem Ozean: Mit der Temperatur steigt zwar die von der Wasseroberfläche abgestrahlte Energie stark an, ebenso steigt aber der Wasserdampf-Partialdruck über dem Ozean und damit die Gegenstrahlung.

12 Strahlungsbilanz Jahresgang Meteo 148 Netto-Kurzwellenstrahlung Netto-Strahlung Netto-Langwellenstrahlung Netto-Kurzwellenstrahlung = KW abwärts KW aufwärts Netto-Langwellenstrahlung = LW abwärts LW aufwärts Netto-Strahlung = Netto-KW Netto-LW

13 Strahlung und Temperatur Meteo 149 Netto-Strahlung Die Oberflächentemperatur (unten) folgt (grob) der Netto-Strahlung (links). Auffällig ist die viel geringere meridionale Wanderung des Temperaturmaximums aufgrund der thermischen Trägheit der Ozeane. Oberflächentemperatur Die Vergrößerung des Abstandes der Isothermen in den östlichen Bereichen der Ozeanbecken, besonders deutlich im Nordatlantik, wird durch Meeresströme verursacht (Nordatlantikstrom + Kanarenstrom).