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Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz

Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz. CO 2 (ppm). Inhalt Überblick Grundlagen Klimawandel heute: Beobachtungen CO 2 Andere Treibhausgase Aerosole und Wolken Solare Variabilität Erwarteter zukünftiger Klimawandel

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Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz

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Presentation Transcript

  1. Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz CO2 (ppm)

  2. Inhalt Überblick Grundlagen Klimawandel heute: Beobachtungen CO2 Andere Treibhausgase Aerosole und Wolken Solare Variabilität Erwarteter zukünftiger Klimawandel Klimageschichte Klimaschutz

  3. 2. Grundlagen • Klima • Abstrahlung von Energie durch Sonne und Erde:Plancksches Strahlungsgesetz • Absorption durch atmosphärische Gase • Strahlungshaushalt • Treibhauseffekt: natürlich und anthropogen; CO2 • Strahlungsantrieb

  4. 2. Grundlagen Klima: • Mittelwerte, Jahresgänge und Schwankungs-breite von Temperatur, Niederschlag, und weiteren meteorologischen Größen • Häufigkeit von Extremwerten • 30-jährige Mittelung • Klima vs. Wetter... • Klimawandel: Zeitskalen... • Klima von =klino="ich neige" (Permeides ~500 v. Chr.), Klimazonen in Abhängigkeit vom Neigungswinkel der Sonne

  5. Klimazonen

  6. Strahlungshaushalt Wie kommt es zum Treibhauseffekt? Wie erklären sich die hier angedeuteten Strahlungsflüsse?

  7. Spektrum elektromagnetischer Strahlung [Schönwiese] c = 

  8. Plancksches Strahlungsgesetz (1900): Plancksches Wirkungsquantum: h = 6,626 10-34 Js Planck-Gesetz beschreibt die spektrale Energiedichte B der Abstrahlung eines schwarzen Strahlers mitder Temperatur T. [Kraus]

  9. Plancksches Strahlungsgesetz (1900): Stefan- Boltzmann- Gesetz: Stefan- Boltzmann- Konstante: Gesamte abgestrahlte Energie des schwarzen Strahlers hängt nur von der Temperatur des Strahlers ab und zwar zur 4. Potenz [Kraus]

  10. Plancksches Strahlungsgesetz (1900): Wiensches Ver- schiebungsgesetz: Sonne: max 0.5 µm TSonne5776 K Erde: max10 µm TErde288 K [Kraus]

  11. 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

  12. 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) terrestrisches Strahlungs- fenster 8-12 µm

  13. Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für em-Strahlung

  14. IR-Aufnahme der Erdoberfläche DJF JJA

  15. 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 Photonen in alle Richtungen abgestrahlt.

  16. Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre: Rotations-Vibrationsspektren von CO2 Rotations- Vibrations- Spektren des CO2 in der Atmosphäre noch Druck- und Doppler-verbreiterung der Linien: deshalb Absorptionsbanden

  17. Absorptions- spektren verschiedener atmosphärischer Gase [Kraus]

  18. 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: aus IK kann sofort die Oberflächentemperatur der Sonne bestimmt werden:

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

  20. Strahlungshaushalt kurzwellig langwellig

  21. Einfaches Glashausmodell: Fläche A: Fläche B: Bilanz: Modell: • Atmosphäre = eine Fläche • Erdoberfläche habe Albedo von 30% • keine anderen Energietransporte  natürlicher Treibhauseffekt qualitativ Ergebnis: TA= -18°C, TB= 30°C TA entspricht Teff,Erde

  22. Erweiterung des einfachen Glashausmodells: Fläche A: Fläche B: Ergebnis: für TB= 288 K, folgt TA= 242 K und A=0,78 für TB= 289 K, folgt TA= 243 K und A=0,79 Modell: • Atmosphäre = eine Fläche • Erdoberfläche habe Albedo ag • keine anderen Energietransporte • langwelliges "Fenster" mit Hilfe von A  Wirkung von zusätzlichen Treibhausgasen

  23. 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: Zeitverzögerung Klimaantwort Änderung der Oberflächentemperatur Strahlungs- antrieb Parameter: Sensitivität (Rückkopplungen etc.) Im langfristigen Gleichgewicht:

  24. anthropogener Klimawandel: • zwei Teile: • Detektion • Ursachen zuordnen

  25. 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)

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