Einführung in Atmosphäre und Klima

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Hertha Fischer
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1 Einführung in Atmosphäre und Klima Wintersemester 2013/2014 Termine: Vorlesung: Dienstag in N-3130 Übungsgruppe: Dienstag in N-3130 Beginn: Ende: Dozenten: Übungsgruppenleiter: PD Dr. Annette Ladstätter-Weissenmayer Dr. Max Reuter Michael Hilker Kontakt: PD Dr. Annette Ladstätter-Weißenmayer Dr. Max Reuter Zimmer: 2440 (NW 1) Zimmer: S4370 (NW 1) Telephon: Telephon:

2 Übersicht VL Datum Thema Dozent(in) Einführung & Vert. Struktur der Atmosphäre Reuter Strahlung I Reuter Strahlung II Reuter Strahlung III Reuter Chemie der Stratosphäre Ladstätter-Weißenmayer Chemie der Troposphäre I Ladstätter-Weißenmayer Chemie der Troposphäre II Ladstätter-Weißenmayer Der H2O Kreislauf Ladstätter-Weißenmayer Dynamik I Reuter Dynamik II Reuter Dynamik III Reuter Klima I Ladstätter-Weißenmayer Klima II Ladstätter-Weißenmayer Zusammenfassung Reuter/Ladstätter-Weißenmayer

3 Einführung in Atmosphäre und Klima Vorlesung 13 Klima II

4 Natürliche Klimavariationen Variationen der Solarkonstante S 0 Eintrag stratosphärischer Aerosole durch Vulkanausbrüche Variationen der Erdorbitparameter (Milankovitch-Theorie)

Sonnenvariabilität I Die Solarkonstante (S 0 ) ist die jahreszeitlich gemittelte Energieflussdichte solarer Strahlung am Ort der Erde und bezogen auf eine Fläche senkrecht zur Verbindungslinie Sonne

5 Sonnenvariabilität I Die Solarkonstante (S 0 ) ist die jahreszeitlich gemittelte Energieflussdichte solarer Strahlung am Ort der Erde und bezogen auf eine Fläche senkrecht zur Verbindungslinie Sonne Erde: S W m -2 Der 11-Jahre-Sonnenzyklus verursacht eine Variation von S 0 von < 0.1 % Energy flux density (W m -2 ) Solar cycle change (W m -2 ) Terrestrial deposition altitude (km) Total irradiance Surface, troposphere UV nm UV 0-200nm

6 Sonnenvariabilität II Maximum in S 0 fällt zusammen mit Maximum in der Sonnenfleckenzahl. Grund: Facular brightening (Aufhellen durch Fackeln) ist stärker als sunspot dimming (Abdunkeln durch Sonnenflecken) Sunspot dimming Facular brightening Netto Effekt Abb Hartmann

7 Sonnenvariabilität III Grobe Abschätzung des Einflusses von S 0 Variationen auf das Klima: S 0 Variationen um 1 W m -2 entsprechen einem climate forcing von W m -2 Mit einem Sensitivitätsparameter von R = 0.5 K / (W m -2 ) ergibt sich ein Temperatureffekt von < 0.1 K Allgemein: Das Verhältnis der Temperaturänderung dt und eines climate forcings dq ist ein Maß für die Klima-Sensitivität: R : Sensitivitätsparameter Außerdem: Periode des Sonnenzyklus sind deutlich kleiner als die typischen Relaxationszeiten des Klimas, die durch die große Wärmekapazität der Ozeane (gut durchmischte Oberflächenschichten) bestimmt werden.

8 Einfluss von (stratosphärischen) Aerosolen auf das Klima I Vulkaneruptionen können in die Stratosphäre eintragen: Staub/Asche (feste Aerosole): Größere Teilchen fallen schnell aus; kleinere Teilchen können als Kondensationskeime wirken Quellgase für stratosphärische Aerosole (SO 2 ) Oxidation von SO 2 zu Schwefelsäure Bildung von H 2 O-H 2 SO 4 Aerosolen (häufigstes stratosphärisches Aerosol) Stratosphärisches Aerosol streut Sonnenlicht: Beispiele: Global gemittelte optische Dichten von 0.07 nach El Chichon (1982), und 0.15 nach Pinatubo (1991) Eruptionen Climate Forcing von ca. -4 W m -2 nach Pinatubo Eruption

9 Abb Hartmann Einfluss von (stratosphärischen) Aerosolen auf das Klima II Satellitenmessungen der optischen Dichte der stratosphärischen Aerosole über der Arktis und Antarktis Maxima in der SH entstehen durch polare stratosphärische Wolken Terje Dahl, CAS

10 Einfluss von (stratosphärischen) Aerosolen auf das Klima III Eruption des Vulkans Kasatochi am 8. August 2008 (Aleuten, Alaska) Bourassa et al., JGR, 2010

11 Einfluss von (stratosphärischen) Aerosolen auf das Klima IV Übersicht über relevante historische Vulkanausbrüche Tabelle 11.3 Hartmann

12 Einfluss von (stratosphärischen) Aerosolen auf das Klima IV Schematische Darstellung des Klimaeffektes von großen Vulkaneruptionen Nature 373, (1995)

Die Milankovitch-Theorie I Tag- und Nachtgleiche (Frühling) Sommersonnenwende Aphel a 0 Perihel e a 0 d a 0 (1- e 2 ) 1/2 Wintersonnenwende Tag- und Nachtgleiche (Herbst) Folgende Parameter

13 Die Milankovitch-Theorie I Tag- und Nachtgleiche (Frühling) Sommersonnenwende Aphel a 0 Perihel e a 0 d a 0 (1- e 2 ) 1/2 Wintersonnenwende Tag- und Nachtgleiche (Herbst) Folgende Parameter sind veränderlich: Exzentrizität: e Periode: ca und Jahre Perihel-Azimuth: Periode: ca Jahre (Präzession) Neigung der Erdachse: Periode: ca Jahre (Nutation)

Die Milankovitch-Theorie I Präzession = Richtungsänderung der Erdrotationsachse Exzentrizität = Variation des Radius der Erdumlaufbahn um die Sonne Folgende Parameter sind veränderlich:

14 Die Milankovitch-Theorie I Präzession = Richtungsänderung der Erdrotationsachse Exzentrizität = Variation des Radius der Erdumlaufbahn um die Sonne Folgende Parameter sind veränderlich: Exzentrizität: e Periode: ca und Jahre Perihel-Azimuth: Periode: ca Jahre (Präzession) Neigung der Erdachse: Periode: ca Jahre (Nutation) Erdschiefe = Veränderung des Neigungswinkels der Erdachse

15 Die Milankovitch-Zyklen 3 Variable Erdbahnparameter I) Exzentrizität II) Präzession III) Obliquität (Neigung der Erdachse, engl.: Tilt ) Quelle: Latif, Mojib: Klimawandel und Klimadynamik. Ulmer, Stuttgart 2009

16 3 Variable Erdbahnparameter I) Die Exzentrizität der Erdbahn ändert sich zyklisch mit einer Zyklusdauer von ca bzw Jahren

17 3 Variable Erdbahnparameter Jahres Zyklus der Exzentrizität:

18 3 Variable Erdbahnparameter II) Ein voller Präzessionsumlauf der Erdachse benötigt etwa bzw Jahre. Sonne

19 3 Variable Erdbahnparameter bzw Jahres Zyklus der Präzession: Quelle: Williams et al. 1998

20 3 Variable Erdbahnparameter III) Die Neigung der Erdachse gegenüber einer Senkrechten zur Erdbahnebene (=Obliquität) schwankt im Rhythmus von etwa Jahren zwischen 22,1 und 24,5 (Aktuell: 23,4 )

21 3 Variable Erdbahnparameter Jahres Zyklus der Obliquität: Quelle: Williams et al. 1998

22 Auswirkungen der Milankovitch-Zyklen I) Exzentrizität: Bei hoher Exzentrizität werden Jahreszeiten auf einer Halbkugel extremer, auf der anderen schwächer Fraglich: Wie groß ist die tatsächliche Auswirkung der Exzentrizitätszyklen auf den globalen Temperaturverlauf?

23 Auswirkungen der Milankovitch-Zyklen

24 Auswirkungen der Milankovitch-Zyklen II) Präzession: Im Zyklus der Präzession ändert sich die Position der Jahreszeiten auf der Erdumlaufbahn Damit ändert sich auch das Datum von Aphel und Perihel Zusammenspiel von Präzession und Exzentrizität ist für Klima entscheidend!

25 Auswirkungen der Milankovitch-Zyklen Heute In 6450 Jahren In Jahren Quelle:

26 Auswirkungen der Milankovitch-Zyklen III) Obliquität: Je stärker die Erdachse geneigt ist, desto extremer fallen die Jahreszeiten aus

27 Milankovitch-Zyklen und Eiszeit Idealbedingungen für eine Eiszeit (nach Milankovitch): - Hohe Exzentrizität der Erdbahn - Perihel (Sonnennähe) im Nordwinter - Großer Neigungswinkel der Erdachse Daraus resultieren milde Winter und kühle Sommer Wichtig: Albedo Rückkopplung!

28 Milankovitch-Zyklen und Eiszeit Quelle:

Die Milankovitch-Theorie Klimaparameter der letzten 420.

29 Die Milankovitch-Theorie Klimaparameter der letzten Jahre, abgeleitet aus Eisbohrkernen entnommen bei der Antarktisforschungsstation Wostok

30 Temperaturzunahme Gezeigt ist der gleitende Mittelwert über zwölf Monate (Globale Mitteltemperatur lt. NASA-Daten ) lineare Erwärmungstrend beträgt 0,16 C/Jahrzehnt hellblau unterlegte Korridor um die Trendlinie hat eine Breite von plus/minus zwei Standardabweichungen Pinatubo-Eruption 1991, El Niño 1998 und La-Niña-Ereignis 2008

31 Anthropogener Klimawandel Anthropogene Effekte Anthropogener Treibhauseffekt durch Treibhausgasemissionen (CO 2, CH 4, N 2 O, FCKWs) oder Emissionen die Treibhausgase produzieren oder vernichten. Beispiel: - Produktion O 3 in der Troposphäre durch NO x und VOC (volatile organic compounds) Emissionen - Vernichtung von O 3 in der Stratosphäre durch FCKW Emissionen Eintrag von Aerosolen (auch durch SO 2 Emissionen): a) Direkter (Strahlungs-)Effekt: Streuung/Absorption von Sonnenstrahlung, Absorption/Emission thermischer Strahlung b) Indirekter (Strahlungs-)Effekt: Aerosole können als Kondensationskeime für Wolken dienen. Wolken beeinflussen wiederum die Strahlungsbilanz Änderungen der Bodenalbedo durch Abholzung, Verstädterung

32 Anthropogene Treibhausgasemissionen I Abbildungen entnommen aus IPCC report Climate Change 2007 IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change

33 Anthropogene Treibhausgasemissionen II CO 2 CH 4 N 2 O

34 Radiative Forcing verschiedener Effekte

35 Variation der Temperatur, Meerespiegel und Schneebedeckung

36 Vergleich Messung Modelle

37 Zukünftige Treibhausgasemissionen

38 Klimaprognose für verschiedene Emissionsszenarien

39 Zusammenfassung

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