Klimawandel. Inhalt. CO 2 (ppm)

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1 Klimawandel CO 2 (ppm) Sommersemester '07 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz Inhalt 1. Überblick 2. Grundlagen 3. Klimawandel heute: Beobachtungen 4. CO 2 5. Andere Treibhausgase 6. Aerosole und Wolken 7. Solare Variabilität 8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel 9. Klimageschichte 10. Klimaschutz

2 2. Grundlagen Klima Abstrahlung von Energie durch Sonne und Erde: Plancksches Strahlungsgesetz Absorption durch atmosphärische Gase Strahlungshaushalt Treibhauseffekt: natürlich und anthropogen; CO 2 Strahlungsantrieb 2. Grundlagen Klima: Mittelwerte, Jahresgänge und Schwankungsbreite von Temperatur, Niederschlag, und weiteren meteorologischen Größen Häufigkeit von Extremwerten 30-jährige Mittelung Klima vs. Wetter... Klimawandel: Zeitskalen... Klima von κλινω=klino="ich neige" (Permeides ~500 v. Chr.), Klimazonen in Abhängigkeit vom Neigungswinkel der Sonne

3 Klimazonen Strahlungshaushalt Wie kommt es zum Treibhauseffekt? Wie erklären sich die hier angedeuteten Strahlungsflüsse?

4 Spektrum elektromagnetischer Strahlung c = λν [Schönwiese] Plancksches Strahlungsgesetz (1900): B λ ( λ, T) = 2 2hc 1 5 λ hc exp 1 λkτ Plancksches Wirkungsquantum: h = 6, Js Planck-Gesetz beschreibt die spektrale Energiedichte B λ der Abstrahlung eines schwarzen Strahlers mit der Temperatur T. [Kraus]

5 Plancksches Strahlungsgesetz (1900): B λ ( λ, T) = 2 2hc 1 5 λ hc exp 1 λkτ Stefan- Boltzmann- Gesetz: πb = σt 4 Stefan- Boltzmann- Konstante: σ = 5,67 10 Wm K [Kraus] Gesamte abgestrahlte Energie des schwarzen Strahlers hängt nur von der Temperatur des Strahlers ab und zwar zur 4. Potenz Plancksches Strahlungsgesetz (1900): B λ ( λ, T) = 2 2hc 1 5 λ hc exp 1 λkτ Wiensches Verschiebungsgesetz: λ maxt = 2898 µ mk Sonne: λ max 0.5 µm T Sonne 5776 K Erde: λ max 10 µm T Erde 288 K [Kraus]

6 Planck-Kurven für Erde und Sonne (normiert): Erde: 99% der Strahlung zwischen 4 und 100 µm terrestrischer = langwelliger Strahlungsbereich Sonne: 99% der Strahlung zwischen 0.23 und 5 µm solarer = kurzwelliger Strahlungsbereich Spektrale Verteilung der Abstrahlung von Sonne und Erde im Vergleich mit Planck-Strahler Sonne: Oberfläche ~5776 C Strahlung maximal im sichtbaren Bereich ( µm) terrestrisches Strahlungsfenster 8-12 µm

7 Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für em-strahlung IR-Aufnahme der Erdoberfläche DJF JJA

8 Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre: Rotations-Vibrationsspektren von CO 2 Moleküle wie CO 2 und H 2 O absorbieren langwellige Photonen. Die zugeführte Energie wird zunächst in Rotations-Vibrations- Energie umgesetzt. Insgesamt führt die zugeführte Energie zur Erwärmung der atmosphärischen Luftschicht (Energieübertrag auch durch Stöße mit anderen Luft-Molekülen) und die Energie wird wieder durch langwellige Photonen in alle Richtungen abgestrahlt. Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre: Rotations-Vibrationsspektren von CO 2 Rotations- Vibrations- Spektren des CO 2 in der Atmosphäre noch Druck- und Dopplerverbreiterung der Linien: deshalb Absorptionsbanden

9 Absorptionsspektren verschiedener atmosphärischer Gase [Kraus] Solarkonstante I K : Strahlungsflussdichte der von der Sonne kommenden und über alle Wellenlängen integrierten Strahlung, die extraterrestrisch (also außerhalb der Erdatmosphäre), von einer senkrecht zur Strahlrichtung orientierten Fläche beim mittleren Abstand Erde -Sonne ( m = 1 AE) empfangen wird. Aus Satellitenmessungen: I = 1366± 2 Wm Aphel:1321 Wm Perihel:1413 Wm k aus I K kann sofort die Oberflächentemperatur der Sonne bestimmt werden: IK 2 I = = 342Wm Kgm, 4 I K 4π R = 4π r 2 Sonne 2 S E σt 4 Sonne

10 Albedo: Reflexionsvermögen verschiedener Oberflächen im kurzwelligen (und langwelligen) Bereich Oberfläche System Erde/Atmosphäre Neuschnee Altschnee Sand Gras Wasser bei hochstehender Sonne Wasser bei niedrigstehender Sonne Wolken kurzwellige Albedo (0.3-4 µm) in Prozent langwellige Albedo (4-100 µm) in Prozent 0, Strahlungshaushalt kurzwellig langwellig

11 Einfaches Glashausmodell: Fläche A: Fläche B: Bilanz: σt + = 4 4 2σTA σtb 0 IK σt + 0,7 = IK σta + 0,7 = A B Modell: Atmosphäre = eine Fläche Erdoberfläche habe Albedo von 30% keine anderen Energietransporte natürlicher Treibhauseffekt qualitativ Ergebnis: T A = -18 C, T B = 30 C T A entspricht T eff,erde Erweiterung des einfachen Glashausmodells: Fläche A: + = 4 4 2εσ A TA εσ A TB 0 Fläche B: 4 4 IK εσ A TA σtb + ( 1 ag) = 0 4 Modell: Atmosphäre = eine Fläche Erdoberfläche habe Albedo a g keine anderen Energietransporte langwelliges "Fenster" mit Hilfe von ε A Wirkung von zusätzlichen Treibhausgasen Ergebnis: für T B = 288 K, folgt T A = 242 K und ε A =0,78 für T B = 289 K, folgt T A = 243 K und ε A =0,79

12 Strahlungsantrieb F: "Änderung der Strahlungsbilanz an der Tropopause durch Störung der Energieflüsse im Subsystem Erdoberfläche- Atmosphäre" (nach Schönwiese, IPCC-Def. komplizierter). negativer Strahlungsantrieb: Abkühlung positiver Strahlungsantrieb: Erwärmung semi-empirische Verknüpfung mit Temperatur der Erdoberfläche: d Τ c = F λ T dt Zeitverzögerung Klimaantwort Strahlungs - antrieb Änderung der Parameter: Oberflächentemperatur Sensitivität (Rückkopplungen etc.) Im langfristigen Gleichgewicht: F = λ T

13 Natürlicher Treibhauseffekt: ~33 K, davon: 62 % H 2 O (20,6 K) 22 % CO 2 ( 7,2 K) 7 % O 3 (2,4 K) 4 % N 2 O (1,4 K) 2,5 % CH 4 (0,8 K) anthropogener Klimawandel: zwei Teile: A) Detektion B) Ursachen zuordnen

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