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Vorlesung Klimawandel 2 07 - staff.uni-mainz.de SS 07/lecture... · 1 Klimawandel Sommersemester...

Date post: 06-Mar-2018
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Klimawandel Sommersemester '07 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz CO 2 (ppm) 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
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Klimawandel

Sommersemester '07

Joachim CurtiusInstitut für Physik der Atmosphäre

Universität Mainz

CO

2 (p

pm)

Inhalt1. Überblick

2. Grundlagen

3. Klimawandel heute: Beobachtungen

4. CO2

5. Andere Treibhausgase

6. Aerosole und Wolken

7. Solare Variabilität

8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel

9. Klimageschichte

10. Klimaschutz

2

2. Grundlagen

Ø Klima

Ø Abstrahlung von Energie durch Sonne und Erde:Plancksches Strahlungsgesetz

Ø Absorption durch atmosphärische Gase

Ø Strahlungshaushalt

Ø Treibhauseffekt: natürlich und anthropogen; CO2

Ø Strahlungsantrieb

2. GrundlagenKlima:Ø Mittelwerte, Jahresgänge und Schwankungs-

breite von Temperatur, Niederschlag, und weiteren meteorologischen Größen

Ø Häufigkeit von Extremwerten

Ø 30-jährige Mittelung

Ø Klima vs. Wetter...

Ø Klimawandel: Zeitskalen...

Ø 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

[Schönwiese]

c = λν

Plancksches Strahlungsgesetz (1900):

( )22 1

,exp 1

hcB T

hck

λ λλ

λ

5= − Τ

Planck-Gesetzbeschreibt die spektrale Energiedichte Bλ der Abstrahlung eines schwarzen Strahlers mitder Temperatur T.

PlanckschesWirkungsquantum:h = 6,626 ×10-34 Js

[Kraus]

5

Plancksches Strahlungsgesetz (1900):

( )22 1

,exp 1

hcB T

hck

λ λλ

λ

5= − Τ

Stefan-Boltzmann-Konstante:

Stefan-Boltzmann-Gesetz:

4B Tπ σ=

8 2 45,67 10 Wm Kσ − − −= ×

Gesamte abgestrahlte Energie des schwarzen Strahlers hängt nur von der Temperatur des Strahlers ab und zwar zur 4. Potenz[Kraus]

Plancksches Strahlungsgesetz (1900):

( )22 1

,exp 1

hcB T

hck

λ λλ

λ

5= − Τ

Sonne: λmax ≈ 0.5 µmTSonne≈ 5776 K

Erde: λmax≈10 µmTErde≈ 288 K

Wiensches Ver-schiebungsgesetz:

max 2898T m Kλ µ=

[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

terrestrisches Strahlungs-fenster8-12 µm

Spektrale Verteilung der Abstrahlung von Sonne und Erde im Vergleich mit Planck-Strahler

Sonne:Oberfläche ~5776°C

→ Strahlung maximalim sichtbaren Bereich (0.4 – 0.8 µm)

7

Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für em-Strahlung

IR-Aufnahme der Erdoberfläche

JJA

DJF

8

Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre:

Rotations-Vibrationsspektren von CO2

Moleküle wie CO2 und H2O 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 Photonenin alle Richtungen abgestrahlt.

Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre:

Rotations-Vibrationsspektren von CO2

in der Atmosphäre noch Druck- und Doppler-verbreiterung der Linien: deshalb Absorptionsbanden

Rotations-Vibrations-Spektrendes CO2

9

Absorptions-spektrenverschiedeneratmosphärischer Gase

[Kraus]

2 2 21366 2 :1321 :1413kI Wm Aphel Wm Perihel Wm= ±

Solarkonstante IK: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 (1496×108m = 1 AE) empfangen wird.Aus Satellitenmessungen:

24

2

44

SonneK Sonne

S E

RI Tr

π σπ −

=

aus IK kann sofort die Oberflächentemperatur der Sonne bestimmt werden:

2, 342

4K

Kgm

II Wm= =

10

0-10

4

1-2

10

0,5

langwellige Albedo(4-100 µm)

in Prozent

23-90Wolken

50-80Wasser bei niedrigstehender Sonne

5-10Wasser bei hochstehender Sonne

15-30Gras

20-40Sand

40-70Altschnee

75-95Neuschnee

30System Erde/Atmosphäre

kurzwellige Albedo(0.3-4 µm)

in Prozent

Oberfläche

Albedo:Reflexionsvermögen verschiedener Oberflächen im kurzwelligen (und langwelligen) Bereich

Strahlungshaushalt

kurzwellig

langwellig

11

4 4

4 4

4

2 0

0,7 04

0,7 04

A B

KA B

KA

T T

IT T

IT

σ σ

σ σ

σ

− + =

− + =

− + =

Einfaches Glashausmodell:

Fläche A:

Fläche B:

Bilanz:

Ergebnis:TA= -18°C, TB= 30°C

TA entspricht Teff,Erde

Modell:Ø Atmosphäre = eine FlächeØ Erdoberfläche habe Albedo von 30% Ø keine anderen Energietransporte→ natürlicher Treibhauseffekt qualitativ

4 42 0A A A BT Tε σ ε σ− + =

Erweiterung des einfachen Glashausmodells:

Fläche A:

Fläche B:

Ergebnis:für TB= 288 K, folgt TA= 242 K

und εA=0,78

für TB= 289 K, folgt TA= 243 Kund εA=0,79

Modell:Ø Atmosphäre = eine FlächeØ Erdoberfläche habe Albedo agØ keine anderen EnergietransporteØ langwelliges "Fenster" mit Hilfe von εA→ Wirkung von zusätzlichen Treibhausgasen

( )4 4 1 04K

A A B gI

T T aε σ σ− + − =

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Strahlungsantrieb ∆F:

"Änderung der Strahlungsbilanz an der Tropopause durch Störung der Energieflüsse im Subsystem Erdoberfläche-Atmosphäre" (nach Schönwiese, IPCC-Def. komplizierter).

negativer Strahlungsantrieb: Abkühlungpositiver Strahlungsantrieb: Erwärmung

semi-empirische Verknüpfung mit Temperatur der Erdoberfläche:

F Tλ∆ = ∆

dc F T

dtλ

∆Τ= ∆ − ∆

Im langfristigen Gleichgewicht:

ZeitverzögerungKlimaantwort Strahlungs -

antrieb Parameter:Sensitivität (Rückkopplungen etc.)

Änderung derOberflächentemperatur

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Natürlicher Treibhauseffekt:

~33 K, davon:

62 % H2O (20,6 K) 22 % CO2 ( 7,2 K)7 % O3 (2,4 K)4 % N2O (1,4 K)2,5 % CH4 (0,8 K)

anthropogener Klimawandel:

zwei Teile:

A) Detektion

B) Ursachen zuordnen

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