Energie-Bilanz der Erde

Transkript

1 Energie-Bilanz der Erde Physik des Klimas Licht Energie Manfred Sigrist, ETH Zurich

2 Energie-Bilanz der Erde Physik des Klimas global warming Schmelzen der Pole Licht Energie Manfred Sigrist, ETH Zurich

3 Thermische Abstrahlung eines KörpersK Stefan-Boltzmann Gesetz

4 Stefan-Boltzmann Gesetz Planck: u schwarzer Körper density of modes internal energy quantum harmonic oscillator dispersion Temperatur T wave vector polarization

5 Stefan-Boltzmann Gesetz Planck: u Rayleigh-Jeans classical schwarzer Körper density of modes internal energy quantum harmonic oscillator dispersion Temperatur T wave vector polarization

6 Stefan-Boltzmann Gesetz Planck: u Wien Rayleigh-Jeans classical schwarzer Körper density of modes internal energy quantum harmonic oscillator dispersion Temperatur T wave vector polarization

7 Stefan-Boltzmann Gesetz Planck: u schwarzer Körper Schwarzer Körper: absorbiert ( verschluckt ) auftreffende elektromagnetische Strahlung (Licht) vollständig im Gleichgewicht: gibt Strahlung gemäss Planck-Verteilung ab Temperatur T

8 Stefan-Boltzmann Gesetz Planck: u Stefan-Boltzmann schwarzer Körper internal energy density emission power Temperatur T

9 Solarkonstante Wärmestrom der Sonne

10 Solarkonstante Energiefluss der Strahlung: Sonnenoberfläche Sonne R R S T S = 5800 K Energiefluss pro Fläche bei Distanz R:

11 Solarkonstante R S = 6.95 x 10 5 km R S-E = 150 x 10 6 km Energiefluss der Strahlung: Sonnenoberfläche Sonne R S-E R S T S = 5800 K Energiefluss pro Fläche bei Distanz R:

12 Solarkonstante R S = 6.95 x 10 5 km R S-E = 150 x 10 6 km Energiefluss der Strahlung: Sonnenoberfläche Sonne R S-E R S T S = 5800 K Energiefluss pro Fläche bei Distanz R:

13 Solarkonstante Gesamtleistung: - Energieumsatz der Erdbevölkerung Projektion

14 Energiebilanz und Gleichgewicht

15 Kirchhoff sches Gesetz - Energiebilanz T 1 T 2 Wärmeaustausch Schwarzer Körper 1 Wärmekontakt Schwarzer Körper 2 Gleichgewicht wird über Wärmekontakt erreicht Energiefluss Fick sches Gesetz Gleichgewicht: T 1 = T 2 Temperatur ist Gleichgewichtsvariable

16 Kirchhoff sches Gesetz - Energiebilanz T 1 T 2 Wärmeaustausch Schwarzer Körper 1 Schwarzer Körper 2 Gleichgewicht wird über Strahlung erreicht Oberfläche strahlt Energie des Körpers ab Energieänderung strahlende Fläche

17 Kirchhoff sches Gesetz - Energiebilanz Fläche F T 1 T 2 Energiefluss (abgeschlossenes System) 1 2 Schwarzer Körper 1 S 12 S 21 Schwarzer Körper Netto Energiefluss: 1 2 Gleichgewicht: Isolation Temperatur als Gleichgewichtsvariable

18 Solare Energie Erde als schwarzer KörperK

19 System: Sonne - Erde S 0 S E Energie-Bilanz der Erde Modell: Erde als schwarzer Körper Gleichgewicht T E F 0 S 0 = F E S E Erde als offenes System projizierte Fläche Erdoberfläche Energiequelle: Energiesenke: Sonne All

20 System: Sonne - Erde (leicht subtiler) Nordpol S E winkelaufgelöste Betrachtung S 0 n x Sonne Erde: Äquator T E Südpol Erde All: Energiefluss im Gleichgewicht

21 System: Sonne - Erde (leicht subtiler) S 0 n x Nordpol S E winkelaufgelöste Betrachtung maximale Sonne Erde: Temperatur T = 296 K Äquator T E mittlere Temperatur Südpol Erde All: Energiefluss im Gleichgewicht Achtung! kein horizontaler Wärmeaustausch

22 System: Sonne - Erde (leicht subtiler) S 0 n x Nordpol S E winkelaufgelöste Betrachtung maximale Sonne Erde: Temperatur T = 296 K Äquator T E Südpol Winter (- 45 o C) Sommer (12 o C) mittlere Temperatur Erde All: Energiefluss im Gleichgewicht Achtung! kein horizontaler Wärmeaustausch

23 Albedo Erde als grauer KörperK

24 System: Sonne - Erde S 0 S E Energie-Bilanz der Erde Modell: Erde als schwarzer Körper Gleichgewicht T E F 0 S 0 = F E S E Erde als offenes System projizierte Fläche Erdoberfläche Energiequelle: Energiesenke: Sonne All

25 System: Sonne - Erde S 0 T E S E Albedo Erde ist kein schwarzer Körper Energie-Bilanz der Erde Modell: Erde als schwarzer Körper Gleichgewicht F 0 S 0 = F E S E Erde als offenes System projizierte Fläche Erdoberfläche Energiequelle: Energiesenke: Sonne All

26 Energiebilanz nur ein Teil der Strahlung wird absorbiert r : reflektierter Anteil 0 < r < 1 absorb. Strahlung a S grauer Körper einfallende Strahlung S reflektierte Strahlung r S a : absorbierter Anteil 0 < a < 1 r + a = 1 Schwarzer Körper: r = 0 und a = 1

27 Energiebilanz Fläche F T 1 T 2 Energiefluss 1 2 reflektierter Teil abgestrahlter Teil 1 2 Grauer Körper 1 S 12 S 21 Schwarzer Körper 2 y : unbekannt Gleichgewichtsbedingung Abstrahlung von grauem Körper Isolation

28 System: Sonne - Erde S 0 S E Energie-Bilanz der Erde Modell: Erde als grauer Körper im UV Gleichgewicht T E F 0 S 0 a = F E S E projizierte Fläche Erdoberfläche strahlt im IR als schwarzer Körper Erde reflektiert Teil der Sonneneinstrahlung: Albedo

29 System: Sonne - Erde S 0 S E Energie-Bilanz der Erde Modell: Erde als grauer Körper im UV Gleichgewicht T E F 0 S 0 a = F E S E Reflektivität r UV projizierte Fläche r IR Erdoberfläche strahlt im IR als schwarzer Körper Erde reflektiert Teil der Sonneneinstrahlung: Albedo Schnee Wasser Sand Gras Wald

30 Vergleich verschiedener Planeten errechnete Temperatur inklusive Albedo ohne Treibhaus - 57 o C - 18 o C - 46 o C

31 Treibhauseffekt Rettung vor Unterkühlung

32 Treibhaus-Effekt Atmosphäre Treibhaus-Effekt Atmosphäre: transparent für Sonnenstrahlung absorbierend für Erdstrahlung u T S = 5800 K T E = 288 K Wellenlänge maximaler Intensität: Sonnenstrahlung Erdstrahlung x 100 Wien sches Verschiebungsgesetz 0.1 ultra violett 1 infra rot 10 Mikro welle λ (µm)

33 Treibhaus-Effekt Atmosphäre Treibhaus-Effekt Atmosphäre: transparent für Sonnenstrahlung absorbierend für Erdstrahlung wegen Treibhausgasen CO 2, H 2 O, O 3, Wellenlänge maximaler Intensität: u Sonnenstrahlung Erdstrahlung u Wien sches Verschiebungsgesetz

34 Treibhaus-Effekt UV S 0 Strahlung: von Sonne von Boden UV IR S E IR Energie-Bilanz: Boden T E schwarzer Körper

35 Treibhaus-Effekt Strahlung: von Sonne von Boden UV IR Glas T G Boden T E schwarzer Körper ohne Glas

36 Treibhaus-Effekt UV (1- a G ) S E Strahlung: von Sonne UV von Boden/Glas IR S 0 Glas Boden S E IR T E T G Glas: transparent für UV teilweise absorbierend im IR absorbiert geht durch schwarzer Körper ohne Glas

37 Treibhaus-Effekt UV (1- a G ) S E Strahlung: von Sonne UV von Boden/Glas IR Glas S 0 Boden S E IR S G S G schwarzer Körper ohne Glas T E T G IR Glas: transparent für UV teilweise absorbierend im IR Emission von Glas: absorbiert geht durch

38 Treibhaus-Effekt UV (1- a G ) S E Energiebilanz: Boden Glas S 0 S G S G IR T G Glas S E IR Boden T E schwarzer Körper mit Glas ohne Glas Anstieg der Temperatur

39 Treibhaus-Effekt UV (1- a G ) S E Energiebilanz: Boden Glas S 0 S E IR S G S G IR T G T E (1) T E (0) Glas T E T G Boden T E 0 1 schwarzer Körper Anstieg der Temperatur

40 Treibhaus-Effekt - Atmosphäre ultraviolett infrarot UV (1- a G ) S E Glas S 0 S G S G IR T G S E IR Boden T E viele Komponenten spielen eine Rolle

41 Treibhausgase

42 Treibhausgas Wasserdampf reflektierend / absorbierend Ozon O 3 Stickstoff-Oxid N 2 O Methan CH 4 Freon (CFC) CCl 2 F 2 Kohlendioxid CO 2

43 Treibhausgas Wasserdampf Absorptionsspektrum reflektierend / absorbierend Ozon O 3 Stickstoff-Oxid N 2 O Methan CH 4 Freon (CFC) CCl 2 F 2 Kohlendioxid CO 2

44 Treibhausgas Beispiel: CO 2 O C O Wichtige Anregungen: Rotationen (sehr kleine Energie) Vibrationen Knickschwingung sym. Streckschwingung antisym. Streckschwingung O C O O C O O C O Energie: infrarot

45 Treibhausgas Beispiel: CO 2 O C O Wichtige Anregungen: Rotationen (sehr kleine Energie) Vibrationen Knickschwingung sym. Streckschwingung antisym. Streckschwingung O C O O C O O C O Energie: infrarot

46 Treibhausgas Beispiel: CO 2 O C O Wichtige Anregungen: Rotationen (sehr kleine Energie) Vibrationen O C O O C O O C O Energie:

47 Einfaches Modell

48 Zweischichten-Klima-Modell S 0 S A UV-Strahlung IR-Strahlung Atmosphäre Reflektivität Absorptivität Absorptivit S E S A S K Erde Reflektivität Absorptivit Solarkonstante Erdabstrahlung Atmosphärenabstrahlung konvektiver Energiefluss UV IR

49 Gleichgewicht Erdoberfläche Absorption: Erde Mehrfachreflexion IR UV Emission: IR mit

50 Gleichgewicht Atmosphäre Absorption: Erde UV Mehrfachreflexion IR Emission: IR mit

51 Gleichgewicht Gesamtsystem

52 Gleichgewicht Gesamtsystem Spezialfälle: Absorption der Atmosphäre IR UV UV

53 Grenzen des Modells System-Parameter

54 Grenzen des Modells System-Parameter

55 Grenzen des Modells System-Parameter Parameterwahl: T E = 288 K

56 Trends Zunahme Treibhausgase Aerosole (Vulkan, ) Wolken, Aerosole, Schnee, Sand, Eis, Konvektion,

57 Trends Zunahme Treibhausgase Aerosole (Vulkan, ) Vulkanausbrüche Wolken, Aerosole, Schnee, Sand, Eis, Konvektion,

58 Rückkopplungseffekte - nicht-lineares Verhalten Beispiel: Schnee und Eis T r E1 > r E2 Schnee/Eis geschmolzen r E2 T krit Treibhausgase g A r E1 Schnee/Eis vorhanden

59 Vergleich verschiedener Planeten errechnete Temperatur inklusive Albedo ohne Treibhaus - 57 o C - 18 o C - 46 o C

60 Vergleich verschiedener Planeten errechnete Temperatur inklusive Albedo ohne Treibhaus dichte Atmosphäre 96 % CO 2 Einfluss des Treibhauseffektes dünne Atmosphäre Oberflächentemperatur Venus 450 o C Erde 16 o C Mars -53 o C - 57 o C - 18 o C - 46 o C

61 Klimaforschung Global warming

62 Historisches Effekte von Spurengase auf Klima Jean-Baptist Fourier: Treibhauseffekt John Tyndall: Rolle von Wasserdampf f Treibhauseffekt

63 Historisches Effekte von Spurengase auf Klima Jean-Baptist Fourier: Treibhauseffekt John Tyndall: Rolle von Wasserdampf Svante Arrhenius: f Treibhauseffekt CO 2 als Treibhausgas vorgeschlagen Verdoppelung von CO 2 -Konzentration 4-6 K Erwärmung (modern K)

64 Entwicklung der Temperatur Jahre Ende Eiszeit Quelle:

65 Entwicklung der Temperatur Jahre Verzögerung des CO 2 -Anstieges Ende Eiszeit Quelle:

66 Entwicklung der Temperatur 2000 Jahre kleine Eiszeit Quelle:

67 Entwicklung der Temperatur 2000 Jahre kleine Eiszeit Quelle:

68 Entwicklung der Temperatur seit 1880

69 Klima-Modell-Simulationen Szenarienvergleich Educational Global Climate Model Columbia University und dem NASA Goddard Institute for Space Studies

70 Klima-Modell-Simulationen Szenarienvergleich Vergleich mit

71 Klima-Modell-Simulationen Szenarienvergleich

72 Wie war den der Winter 2010? Temperatur-Vergleich NASA Goddard Institute of Space Studies 0 Temperatur-Änderung [ o C]

73 Wie war den der Winter 2010? Temperatur-Vergleich o C Zonale Änderung NASA Goddard Institute of Space Studies 0 Temperatur-Änderung [ o C]

74 Sichtbare Auswirkungen der Erwärmung Rhonegletscher