Simulation von Wolkenwachstum und Strahlungstransfer in der Atmosphäre. 18. November 2009 David Neubauer

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1 Simulation von Wolkenwachstum und Strahlungstransfer in der Atmosphäre 18. November 2009 David Neubauer 1

2 Motivation Streuung und Absorption von Strahlung durch atmosphärische Gase, Aerosolpartikel und Wolkentröpfchen Wolken dominieren wenn sie präsent sind Ca. 66 % der Erdoberfläche sind im jährlichen Mittel mit Wolken bedeckt Wichtig für anthropogenen Klimawandel 2

3 Wolkenwachstum Kinematik der Atmosphäre + mikrophysikalische Prozesse Simulation einzelner, repräsentativer Wolkentröpfchen Homogene/heterogene Nukleation 3

4 Übersättigung der Atmosphäre mit Wasserdampf Übersättigung durch sinkende Temperatur bzw. Mischung gesättigter Luftmassen unterschiedlicher Temperatur Hebung: Konvektion, Konvergenz, Orographie Strahlungsabkühlung Abkühlung durch Advektion Mischung von kalter und warmer Luft z.b. an der Küste 4

5 Aerosol Mischung von Gas mit flüssigen oder festen Partikeln z.b. Luft Aerosolpartikel haben einen Einfluss auf die Gesundheit, die Sichtweite in der Atmosphäre, den Strahlungstransfer durch die Atmosphäre Hintergrundkonzentration über den Ozeanen: mehrere 100/cm³ Hintergrundkonzentration über den Kontinenten: mehrere 1000/cm³ 5

6 Aerosolpartikel Natürliche Quellen: Meersalz, Vulkanismus, Wüstensand, Waldbrände, Vegetation Anthropogene Quellen: Verbrennungsprozesse aller Art, Industrie Eine Klasse der Aerosolpartikel bildet die Kondensationskerne für Wolkentröpfchen 6

7 Kondensationswachstum Kelvin Gleichung: Sättigungsdampfdruck über einer gekrümmten Fläche ist größer als über einer ebenen Fläche Raoult sches Gesetz: Sättigungsdampfdruck über einer Lösung ist niedriger als über reinem Wasser 7

8 Kondensationswachstum 0,015% 0,010% Köhler-Kurve Kelvin-Kurve Raoult-Kurve Übersättigung 0,005% 0,000% 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0-0,005% -0,010% Radius (μm) Köhlertheorie: vereint Kelvingleichung und Raoult sches Gesetz 8

9 Koagulation Durch Brown sche Diffusion, Sedimentation, Turbulenzen usw. können die Tröpfchen aufeinandertreffen und sich miteinander verbinden Wahrscheinlichkeit der Koagulation von kleinen mit großen Tröpfchen ist hoch Dadurch entstehen große Tröpfchen 9

10 Weitere mikrophysikalische Prozesse Sedimentation Zerplatzen der Tröpfchen Strahlungseinflüsse auf das Kondensationswachstum Eisphase 10

11 Physikalisches Konzept von Streuung und Absorption von Licht Elektrische Ladungen in einem Partikel bzw. einem Medium werden in Schwingung versetzt (Anregung) Die angeregten elektrischen Ladungen strahlen die Energie in alle Richtungen ab Streuung Ein Teil der einfallenden Strahlung kann z.b. in thermische Energie umgewandelt werden Absorption 11

12 Atmosphärische Gase Rayleigh Streuung - gleichviel Vorwärtsund Rückwärtsstreuung - I( Θ) D λ Mehrfachstreuung 6 4 Richtung des einfallenden Lichtstrahls Bild:Sharayanan; Das Bild auf dieser Seite ist laut RechteinhaberIn unter der Creative Commons Lizenz by 3.0 at lizensiert. 12

13 Aerosolpartikel Mie-Theorie - komplexes Streufeld - Vorwärtsstreuung dominiert - starke Abhängigkeit vom Streuwinkel θ Richtung des einfallenden Lichtstrahls Einfach-/Mehrfachstreuung Bild:Sharayanan; Das Bild auf dieser Seite ist laut RechteinhaberIn unter der Creative Commons Lizenz by 3.0 at lizensiert. 13

14 Wolken(tröpfchen) Mie-Theorie Vorwärtsstreuung dominiert Wolken sind optisch dick Richtung des einfallenden Lichtstrahls Mehrfachstreuung Strahlungstransfergleichung Bild:Sharayanan; Das Bild auf dieser Seite ist laut RechteinhaberIn unter der Creative Commons Lizenz by 3.0 at lizensiert. 14

15 Strahlungstransfergleichung Homogenes Medium Änderung der Energie E in einer infinitesimal dünnen Schicht dz = Emisson - Extinktion de dadωdz = di dz υ = Randbedingungen: j υ I I υ υ k ext I υ ( z, μ, φ) = δ ( μ μ0) δ ( φ φ0) Iυ 0 (0, μ, φ) = 0 15

16 16 Strahlungstransfergleichung Kosinus des Zenitwinkels optische Dicke Azimutwinkel Phasenmatrix Intensität Einzelstreualbedo betrachteter Winkel Einfallswinkel der Strahlung + + = ),, ( ), ;, ; ( 4 ) ( ),, ( ),, ( ϕ τ ϕ ϕ τ ϕ π τ ϖ ϕ τ τ ϕ τ π u I u u du Z d u I d u di u ) cos( Z u θ = ϕ I ), ( ext n σ τ Z ϖ,ϕ u ϕ u,

17 Strahlungstransfer Streuung und Absorption in der Atmosphäre (Gase, Aerosolpartikel, Wolken) Albedo der Erdoberfläche Kurzwellige Sonnenstrahlung Langwellige, thermische Ausstrahlung der Erdoberfläche bzw. der Atmosphäre 17

18 Aerosoleffekte Direkter Effekt: mehr Streuung in der Atmosphäre durch zusätzliche, anthropogene Partikel Indirekter Effekt: mehr Kondensationskerne durch zusätzliche, anthropogene Partikel mehr Streuung Semidirekter Effekt: mehr Absorption durch zusätzliche, absorbierende, anthropogene Partikel 18

19 Vergleich zweier Wolken ohne/mit anthropogenen Einfluss 19

20 Indirekter Aerosoleffekt 0,10 0,00 Wolke # 15 - Wassertröpfchen Albedo: 0,35; mittlerer FWG: 0,50 g/m³ Antrieb (W/m²) -0,10-0,20-0,30-0,40-0,50 Dicke: 100 m Dicke: 400 m Dicke: 1000 m Sonnenaufgang -0, Uhrzeit (Std.) 20

21 Zusammenfassung Mie-Theorie für Streuung und Absorption durch Aerosolpartikel und Wolkentröpfchen Strahlungstransfergleichung für optisch dicke Schichten z.b. Wolken Kinematik der Atmosphäre + mikrophysikalische Prozesse Köhlertheorie für das Kondensationswachstum von Wolkentröpfchen 21

22 Danke für die Aufmerksamkeit! 22