Extrait
Inhaltsverzeichnis
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1
1
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E
NTSTEHUNG UND
E
NTWICKLUNG DER
A
TMOSPHÄRE
...1
2
Z
USAMMENSETZUNG DER
A
TMOSPHÄRE
...1
2.1
Der Aufbau der Atmosphäre ... 2
2.1.1
Troposphäre ... 2
2.1.2
Stratosphäre ... 2
2.1.3
Ozonschicht ... 2
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3
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IE
E
RDROTATION
...3
2
E
RDREVOLUTION
(U
MLAUF DER
E
RDE UM DIE
S
ONNE
) ...4
2.1
Neigung der Erdachse ... 4
2.2
Solstitien und Äquinoktien ... 5
2.3
Deklination ... 5
3
S
OLARSTRAHLUNG UND
S
OLARKONSTANTE
...7
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I
I
I
I
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8
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NERGIEFORMEN IM
K
LIMASYSTEM
...8
2
E
NERGIETRANSPORT
...9
2.1
Strahlungstransport ... 9
2.2
Molekulare Wärmeleitung ... 9
2.3
Turbulente Wärmeleitung ... 10
2.3.1
Mechanische Turbulenz ... 10
2.3.2
Dynamische Turbulenz (Scherungsturbulenz) ... 10
2.3.3
Thermische Turbulenz (Konvektion) ... 10
3
S
TRAHLUNGSENERGIE
... 11
4
W
ECHSELWIRKUNGEN VON
S
TRAHLUNG UND
M
ATERIE
... 13
4.1
Wechselwirkung von Strahlung und Erdoberfläche ... 14
4.1.1
Streumechanismen der Erdoberfläche ... 14
4.1.2
Albedo ... 14
4.2
Wechselwirkung von Strahlung und Atmosphäre ... 15
4.2.1
Extrinktion ... 15
4.2.2
Absorptionsbanden und atmosphärische Fenster ... 15
4.2.3
Exkurs: Ozonschicht der Stratosphäre ... 16
4.2.4
Diffuse Streuung an atmosphärischen Gasen ... 16
5
D
ER GLOBALE
S
TRAHLUNGSHAUSHALT IM
S
YSTEM
E
RDE
-A
TMOSPHÄRE
... 17
5.1
Solarstrahlung ... 18
5.2
Terrestrische Strahlung ... 18
5.2.1
Gegenstrahlung ... 18
5.2.2
Der Treibhauseffekt ... 19
5.3
Strahlungsbilanz und Wärmeflüsse ... 20
6
R
EGIONALE
D
IFFERENZIERUNG VON
G
LOBALSTRAHLUNG
... 20
7
I
NSOLATION
... 21
8
N
ETTOSTRAHLUNG
,
B
REITENZONEN UND
E
NERGIEBILANZ
... 22
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V
V
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2
2
4
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W
ÄRMEBILANZ
... 24
2
W
ÄRMEBILANZ IM
T
AGESGANG
... 24
3
G
LOBALE
A
USPRÄGUNG DER
W
ÄRMEBILANZ
... 25
4
W
ÄRMEKAPAZITÄT VON
B
ODEN UND
W
ASSER
... 25
4.1
Boden ... 25
4.2
Wasser ... 26
5
E
NERGIE
-
UND
W
ÄRMEHAUSHALT DER
E
RDE IM
Ü
BERBLICK
... 27
V
V
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2
8
8
1
S
TRAHLUNG UND
L
UFTTEMPERATUR
... 28
2
Z
EITLICHE UND RÄUMLICHE
V
ARIATION DER
L
UFTTEMPERATUR
... 29
2.1
Tagesgang der Temperatur ... 29
2.2
Jährliche Temperaturschwankung und Typen des Jahresgangs der Temperatur ... 30
2.3
Temperaturgegensätze von Land und Wasser ... 32
3
H
ORIZONTALE
R
AUMMUSTER DER
T
EMPERATUR
... 33
4
V
ERÄNDERUNG DER
T
EMPERATUR UND DES
L
UFTDRUCKS MIT DER
H
ÖHE
.. 34
4.1
Adiabatik ... 35
4.2
Stabilität und Labilität ... 35
4.2.1
Labile Schichtung ... 35
4.2.2
Stabile Schichtung ... 36
4.2.3
Indifferente Schichtung ... 37
5
G
LOBALE
V
ERTEILUNG DES GEOMETRISCHEN
T
EMPERATURGRADIENTEN
... 37
V
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8
8
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A
GGREGATSZUSTÄNDE VON
W
ASSER
... 38
2
G
LOBALE
W
ASSERVERTEILUNG
... 38
3
G
LOBALER
W
ASSERKREISLAUF
... 39
4
T
RANSPORT VON
W
ASSER IN DIE
A
TMOSPHÄRE
... 40
4.1
Verdunstung ... 40
4.2
Feuchtigkeit ... 41
5
D
IE KLIMATISIERENDE
E
IGENSCHAFT VON
W
ASSER
... 42
V
V
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I
I
I
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A
DIABATIK UND
K
ONDENSATION
... 43
2
W
OLKEN
... 44
3
N
EBEL
... 45
4
N
IEDERSCHLAG
... 46
4.1
Klassifizierung von Niederschlag ... 46
4.1.1
Orographischer Niederschlag ... 46
4.1.2
Konvektiver Niederschlag ... 47
4.2
Mittlerer jährlicher Niederschlag und Typen des Jahresgangs ... 47
5
H
YPSOMETRISCHE
V
ERTEILUNG DES
N
IEDERSCHLAGS
... 49
V
V
I
I
I
I
I
I
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L
L
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0
0
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L
UFTDRUCK
... 50
2
H
ORIZONTALE
D
RUCKGRADIENTEN UND DIE
E
NTSTEHUNG DES
W
INDES
... 50
3
L
OKALE
W
INDSYSTEME
... 51
3.1
Land-/Seewind ... 51
3.2
Hangwind ... 51
3.3
Berg-Tal-Windsysteme ... 52
3.4
Orographische Fallwinde der Föhn ... 52
I
I
X
X
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G
RUNDELEMENTE DER PLANETARISCHEN
Z
IRKULATION
... 53
2
Z
IRKULATIONSELEMENTE DER REIBUNGSFREIEN
T
ROPOSPHÄRE
... 55
2.1
Corioliskraft und geostrophischer Wind ... 55
2.2
Gradientwind bei kreisförmigen Isobaren ... 56
2.3
Wellen in der Höhenströmung ... 57
2.4
Massenträgheit bei konvergierenden und divergierenden Isobaren ... 58
3
Z
IRKULATIONSELEMENTE UNTER
R
EIBUNGSEINFLUSS
... 59
3.1
Der geotriptische Wind bei geradlinigen, parallelen Isobaren ... 59
3.2
Der geotriptische Wind bei kreisförmigen Isobaren ... 60
4
D
YNAMIK DER ATMOSPHÄRISCHEN
Z
IRKULATION
... 61
4.1
Außertropische Westwindzirkulation ... 62
4.1.1
Der Polarfrontjet ... 62
4.1.2
Stehende Wellen ... 63
4.1.3
Wandernde Wellen ... 64
4.1.4
Polare Ostwinde ... 65
4.2
Tropische Passatzirkulation ... 66
4.3
Tropische Monsunzirkulation ... 67
4.4
Walker-Zirkulation ... 68
X
X
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M
M
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E
E
E
R
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9
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A
LLGEMEINES
... 69
1.1
Salzgehalt ... 69
1.2
Vertikale Schichtung ... 69
2
M
EERESSTRÖMUNGEN
... 70
2.1
Oberflächenströmung ... 70
2.2
Tiefenströmung und Thermohaline Zirkulation ... 71
2.3
Exkurs: El Niño und La Niña ... 73
3
P
RODUKTIVITÄT
... 75
4
R
EGULATION DES
K
OHLENSTOFFKREISLAUFS
... 76
5
G
LETSCHER
,
S
CHNEE UND
E
IS
... 77
X
X
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B
B
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T
EILGEBIETE DER
Ö
KOLOGIE
... 78
1.1
Autökologie ... 78
1.2
Populationsökologie ... 78
1.3
Synökologie ... 79
2
K
OHLENSTOFFKREISLAUF
... 80
2.1
Zunahme des Kohlendioxidgehalts der Atmosphäre ... 82
2.2
Folgen des zunehmenden CO2-Gehalts der Luft ... 82
X
X
I
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RDGESCHICHTLICHE
E
NTWICKLUNG
... 83
1.1
Erdzeittafel ... 83
1.2
Kontinent-Drift ... 84
2
F
LOREN
-
UND
F
AUNENREICHE
... 85
3
B
IODIVERSITÄT
... 86
1
I
I
.
.
Die Atmosphäre der Erde
1
Entstehung und Entwicklung der Atmosphäre
Erde entsteht durch Zusammen-
prall und Zusammenballen ver-
schieden großer Materiestücke
groß genug, um Gashülle an
sich zu binden
Gashülle ging mehrmals verloren
und bildete sich neu
Entwicklung von Pflanzen Pho-
tosynthese Anstieg des viel
O
2
-Gehalts der Atmosphäre
Ozonbildung
Pflanzen können Wasser verlassen, denn Ozon schützt sie vor zu viel UV-Strahlung
2
Zusammensetzung der Atmosphäre
Stickstoff (N
2
): 78%
Sauerstoff (O
2
): 21%
Argon (Ar): 0,93%
Kohlenstoffdioxid (CO
2
): 0,0033%
andere Gase:
Neon (Ne), Helium (He), stratosphärisches
Ozon (O
3
), Wasserstoff (H), Krypton (Kr), Xe-
non (X), Methan (CH
4
)
Wasserdampf (H
2
O) in sehr variablen Anteilen
Aerosole (z.B. Staub, Rauch, Aschen, Seesalze, Mikroorganismen)
Spurengase als nicht permanente Bestandteile (klimatische Bedeutung!):
Schwefeldioxid (SO
2
), Stickoxide, Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW), Dickstickstoffoxid (N
2
O), gas-
förmige Reaktionsprodukte (z.B. Bodennahes Ozon)
auf 1 Million Luftteilchen trifft 1 Teilchen Spurengas
·durch die Schwerkraft fixierte, an der Rotation teilnehmende Lufthülle der Erde
Atmosphäre
Die wichtigsten Gase für die atmosphärische Gegenstrahlung ( Kap. III, 5) sind
H
2
O, CO
2
, N
2
O und CH
4
.
Quelle: http://www.allmystery.de/dateien/gw58586,1260308702,erdalter01.gif
2
2.1
Der Aufbau der Atmosphäre
Temperatur der Atmosphäre
2.1.1
Troposphäre
Temperaturabnahme mit zunehmender Höhe um durchschnittlich 6,4°C
pro 1.000 km (=
g
g
e
e
o
o
m
m
e
e
t
t
r
r
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i
s
s
c
c
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g
g
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r
a
a
d
d
i
i
e
e
n
n
t
t
)
Tropopause als Grenze: 6-8 km Höhe bei Polen, 16-18 km am Äquator
enthält ¾ der Luftmassen und ges. atmosphärischen Wasserdampf
Wetterschicht Wetter- und Klimageschehen in der Troposphäre
Zusammensetzung: Stickstoff, Sauerstoff, Argon, CO
2
und Spurengase
(v.a. Methan und Lachgas)
2.1.2
Stratosphäre
Temperaturzunahme mit zunehmender Höhe bis ca. 50 km (0° C)
Grund: Ozonschicht Absorption von Strahlung Wärme wird frei
Luftdruckabnahme mit zunehmender Höhe
Stratopause als Grenze in ca. 50 km Höhe
im Vergleich zur Troposphäre trockene und wolkenlose Schicht
2.1.3
Ozonschicht
im oberen Drittel der Stratosphäre, zwischen 40 und 50 km Höhe
absorbiert den schädlichen Anteil der UV-Strahlung zwischen 0,29 und
0,32 m
Kap. III, 4
geometrischer
Temperaturgradient
Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e6/Atmosphere_layers-de-3.svg/110px-Atmosphere_layers-de-3.svg.png
3
I
I
I
I
.
.
Die Erde als Planet im Sonnensystem
Jahreszeiten und Tageszeiten
1
Die Erdrotation
Richtung der Rotation
Die Richtung der Erdrotation kann man sich
denken als
a) gegen den Uhrzeigersinn am Nordpol
b) von links nach rechts (ostwärts) am
Äquator
Effekte der Erdrotation auf die Umwelt:
diurnaler (täglicher) Rhythmus von Tageslicht, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftbewegung
Ablenkung von strömender Luft und fließendem Wasser Corioliskraft
(auf der Nordhemisphäre nach rechts, auf der Südhemisphäre nach links)
Gezeitenzyklus in Abhängigkeit der Massenanziehung des Mondes
Das solare Klima der Erde wird geprägt durch zwei Zyklen:
Tag- und Nachtzyklus Erdrotation
Zyklus der Jahreszeiten Erdrevolution
·Drehbewegung der Erde um ihre eigene Achse von West nach Ost
·Sonnentag: vollständige Rotation der Erde bezogen auf die Sonne (23 h, 56 min, 4 s)
·Pole: Punkte, an denen die Rotationsachse die Erdoberfläche schneiden
Rotation
4
2
Erdrevolution (Umlauf der Erde um die Sonne)
Elliptische Umlaufbahn:
P
P
e
e
r
r
i
i
h
h
e
e
l
l
(geringste Entfernung der Erde zur Sonne): 3. Januar
A
A
p
p
h
h
e
e
l
l
(weiteste Entfernung der Erde zur Sonne): 4. Juli
2.1
Neigung der Erdachse
Die Rotationsachse der Erde ist um 23,5° von der
Lotrechten auf die Ebene der Ekliptik geneigt
Neigung führt zu einer unterschiedlichen Be-
strahlung der Erdoberfläche im Jahresverlauf
verursacht die Jahreszeiten auf der Erde
·Umlauf der Erde um die Sonne
·Dauer: 365,242 Tage
Revolution
·Ebene, die durch den Mittelpunkt der Erde geht und auf der die Erde um die Sonne
wandert
Ekliptik
5
2.2
Solstitien und Äquinoktien
Solstitien (= Sonnenwenden):
W
W
i
i
n
n
t
t
e
e
r
r
s
s
o
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l
l
s
s
t
t
i
i
t
t
i
i
u
u
m
m
(= Dezembersolstitium): Nordpol am weitesten von der Sonne weg geneigt
Sonnenstrahlen treffen senkrecht (90°) auf den südlichen Wendekreis (23,5° s. Br.)
S
S
o
o
m
m
m
m
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r
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s
s
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l
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i
t
t
i
i
u
u
m
m
(= Junisolstitium): Nordpol am weitesten zur Sonne hin geneigt
Sonnenstrahlen treffen senkrecht (90°) auf den nördlichen Wendekries (23,5° n.Br.)
dazwischen:
Ä
Ä
q
q
u
u
i
i
n
n
o
o
k
k
t
t
i
i
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e
n
n
(= Tagundnachtgleichen): Erdachse weder zur Sonne hin oder weg geneigt
Sonnenstrahlen treffen senkrecht (90°) auf den Äquator
Frühjahrsäquinoktium
Herbstäquinoktium
2.3
Deklination
·Breitenlage des subpolaren Punktes
(= Sonne im Zenit)
·variiert im Jahrsverlauf zwischen 23,5° S
und 23,5° N
Deklination
6
Erdrotation, Erdrevolution und Ekliptikschiefe bewirken eine unterschiedliche Beleuchtung
des Erdkörpers, die sich in Strahlungsdauer und Strahlungsintensität im tageszeitlichen und
jahreszeitlichen Ablauf ausdrückt.
Tropenzone
·zwischen den Wendekreisen (23,5°)
·zweimaliger Sonnensenkrechtstand
·Variation der Tageslänge < 3 Std.
·Tageszeitenklima
Mittelbreiten
·jeweils zwischen Wendekreis und Polarkreis
·Unterteilung nach L
OUIS
(1958) in
·Subtropen (23,5 - 45°): thermische Sommer, thermische Winter
· Mittelbreiten (45 - 66,5°): echter Hochwinter, echter Hochsommer
Polarzone
·jeweils zwischen Polarkreis (66,5°) und Pol
·halbjähriger Wechsel von Polartag und Polarnacht
Die Erde erhält nahezu ihre gesamte Energie durch die Sonne in Form der Solarstrahlung .
7
3
Solarstrahlung und Solarkonstante
Zusammensetzung der Sonne: v.a. Wasserstoff (knapp 91%) und Helium (9%)
Energiequelle: Kernfusionsvorgänge der Sonne (Umwandlung von Wasserstoff in Helium unter ho-
hem Druck und hoher Temperatur) Wärme Ausstrahlung (UV, sichtbares Licht, Infrarot)
Ausbreitung: radiale Ausbreitung mit ca. 300.000km/s (Lichtgeschwindigkeit)
Planeten, die weiter von der Sonne entfernt sind, erhalten weniger Solarstrahlung
höchste Durchschnittswerte im Perihel, niedrigste im Aphel
Die Solarkonstante zur Erde ist weitgehend konstant, aber die eintreffende Sonnenstrahlungsenergie an
einem spezifischen Punkt auf der oberen Erdatmosphäre variiert von Ort zu Ort und von Zeit zu Zeit.
eintreffende Sonnenstrahlungsenergie ist abhängig von
Winkel der Sonnenstrahlung über dem Horizont:
Die Energie der senkrecht einfallenden Strahlen (A)
trifft auf die Fläche im Quadrat ac. Bei schräg einfal-
lenden Strahlen verteilt sich die gleich große Ener-
giemenge (B) auf eine deutlich größere Fläche.
Dauer der Bestrahlung
Bsp.: Pole höchste Insolationsrate wegen Polartag
(24-stündige Beleuchtung)
Breitenkreislage und Jahreszeit be-
stimmen die Sonnenstrahlungsenergie
an der Atmosphärenobergrenze
· elektromagnetische Strahlung der Sonne, die nach dem P
LANCKSCHEN
Strahlungs-
gesetz etwa der Strahlung eines 6.000 K heißen, schwarzen Körpers entspricht
· 5 10
10
kWh pro Sekunde, annährend konstant (Variation um ± 0,1%)
Solarstrahlung
· extraterrestrische Strahlung, gemessen an der Obergrenze der Erdatmosphäre
· durchschnittliche Rate des Energieinputs: ca. 1368 Watt/m² pro Sekunde
Solarkonstante
· Strahlungsintensität der Sonne in Abhängigkeit vom Einfallswinkel
höchste Strahlungsintensität bei Einfallswinkel von 90° (s.u.)
L
AMBERTSCHES
Cosinusgesetz
8
I
I
I
I
I
I
.
. Energieumsatz und Strahlungshaushalt
1
Energieformen im Klimasystem
Maßgebliche Energieformen im Klimasystem und ihre Umwandlung:
S
S
o
o
l
l
a
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r
r
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e
r
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S
S
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s
s
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e
n
n
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g
g
i
i
e
e
elektromagnetische kurzwellige Strahlung
der Sonne ( Kap. III, 3)
entsteht durch Kernfusionsvorgänge im In-
neren der Sonne
T
T
h
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i
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elektromagnetische kurzwellige Strahlung
der Erde ( Kap. III, 3)
wird von der Erde aufgrund ihrer Wärme
emittiert
W
W
ä
ä
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n
n
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r
g
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i
e
e
wird erzeugt durch Absorption von Son-
nenenergie ( Kap. III, 2)
Folge: Erhöhung der Brownschen Moleku-
larbewegung & Erwärmung
C
C
h
h
e
e
m
m
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s
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c
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E
E
n
n
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e
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r
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g
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i
e
e
Teil der absorbierten Energie wird direkt in
chem. Bindungen festgelegt
Bsp.: Biomasseaufbau durch Photosynthese
P
P
o
o
t
t
e
e
n
n
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t
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i
e
e
l
l
l
l
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e
E
E
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g
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e
e
Hebung entgegen der Schwerkraft
( Kap. III, 2)
Bsp.: Aufsteigen warmer Luftpakete durch
differentielle Erwärmung und Konvektion
K
K
i
i
n
n
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t
t
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i
s
s
c
c
h
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e
E
E
n
n
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e
r
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g
g
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e
Energie gespeichert in Bewegung
( Kap. III, 2)
Bsp.: lokale Luftbewegungen (Wind), globa-
le Zirkulation
· Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden.
1. Hauptsatz der Thermodynamik
· Innerhalb des Klimasystems ist eine energetisch verlustfreie Umwandlung der
Sonnenenergie in andere Energieformen möglich.
2. Hauptsatz der Thermodynamik
9
2
Energietransport
Wärmeenergie ist im Klimasystem ungleich verteilt:
vertikal, z.B. Abnahme der Wärme in der Troposphäre mit zunehmender Höhe
(solare Strahlungs- und Wärmeenergie erwärmen v.a. die Erdoberfläche)
horizontal, z.B. Wärmegradient zwischen Tropen, Mittelbreiten und Polargebieten
(aufgrund der unterschiedlichen Beleuchtungsjahres- und -tageszeiten, Kap. II)
Das Klimasystem ist bestrebt, diese Differenzen auszugleichen durch Energietransport vom hohen zum
niedrigen (Wärme)-Potential.
drei Mechanismen der Energieübertragung:
2.1
Strahlungstransport
Energieübertragung auf der Basis von elektromagnetischen Wellen ohne Materie
Solarstrahlung Erwärmung der Erdoberfläche und in geringerem Maße auch der Atmosphäre
durch den Prozess der Absorption Erhöhung der Wärmeenergie v.a. an Erdoberfläche
Emission von Wärmestrahlung an der Erdoberfläche Absorption durch atmosphärische Gase
(effektive Absorber sind v.a. Gase mit mehr als zwei Atomen, z.B. CO
2
, gasförmiges H
2
O)
Erhöhung der Wärmeenergie v.a. der atmosphärischen Gase
2.2
Molekulare Wärmeleitung
findet v.a. Übergangszone zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre statt (= laminare Unterschicht)
Voraussetzungen:
-
Vorhandensein von Materie (im Ggs. zum Strahlungstransport)
-
Temperaturgradient (z.B. zwischen Boden und Luft)
Wärme wird in Form von molekular-kinetischer Energie durch Stöße von einem Molekül auf einen
Stoßpartner übertragen:
schneller bewegte Moleküle treffen auf langsamere, die beim Stoß beschleunigt werden
Wärmeleitfähigkeit (abh. von der Dichte) von Bedeutung:
Luft sehr schlecht Wasser guter Wärmeleiter nasse Böden & Gestein sehr gute Wärmeleiter
10
2.3
Turbulente Wärmeleitung
Turbulenzen (bewegte Luft) als Motor der turbulenten Wärmeleitung
2.3.1
Mechanische Turbulenz
Auftreffen strömender Luft auf Hindernisse (z.B. Haus, Baum, Gebirge) Verwirbelungen
Austausch der durch molekulare Wärmeleitung erwärmten Luftpakete aus der laminaren Grund-
schicht mit kälterer Luft aus höheren Schichten
Abnahme der mechanischen Turbulenz mit zunehmender Höhe bis zur Pelopause wirksam
2.3.2
Dynamische Turbulenz (Scherungsturbulenz)
Windscherungen (Abweichung von Windrichtung und/oder Windgeschwindigkeit in übereinander
liegenden Höhenschichten)
Vermischung von Luft oberhalb der Pelopause
2.3.3
Thermische Turbulenz (Konvektion)
Aufstieg von räumlich differentiell erwärmten Luftpakten (Konvektionsblasen) aufgrund der gerin-
geren Dichte gegenüber der kälteren, dichteren Umgebungsluft
Wärmeaustausch mit höheren Luftschichten: Strom fühlbarer Wärme
auch Gase (z.B. Wasserdampf) können turbulent ausgetauscht werden
v.a. bedeutsam bei Änderung des Aggregatzustands (Verdunstung): Strom latenter Wärme
F
ÜHLBARE
W
ÄRME
Menge an Wärme eines Objektes, die mit dem Thermometer messbar ist
Beförderung durch Konvektion
L
ATENTE
E
NERGIE
Form der Energie, die gespeichert wird und nicht mit dem Thermometer messbar ist
bei Wechsel des Aggregatzustands (i.d.R. von flüssig zu gasförmig, also durch Verdunstung):
Energie muss aufgebracht werden (Abkühlung, z.B. Verdunstungskälte) und wird gespeichert
latente Wärme kann wieder in fühlbare Wärme zurückgeführt werden (i.d.R. durch Kondensation)
Tag: latenter Wärmestrom nach oben (Verdunstung & Abkühlung der Luft)
Nacht: latenter Wärmestrom nach unten (Kondensation, z.B. Taubildung & Erwärmung der Luft)
im Mittel verdunstet mehr als kondensiert Strom latenter Wärme in Richtung Atmosphäre
(beträgt fast 25% der Solarkonstante)
maximale Flüsse am Äquator und im Bereich des subtropischen Hochdruckgürtels
Strom fühlbarer Wärme ist gut geeignet, um überschüssige Energie abzuschöpfen.
aber: Energie kann während Bedarfsphasen (z.B. Nacht) nicht zurückgegeben werden!
Durch latente Wärme können große Mengen an Energie in Form von Wasserdampf global
transferiert werden!
11
3
Strahlungsenergie
an der Ausstrahlung sind sämtliche Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums beteiligt:
W
W
e
e
l
l
l
l
e
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n
n
l
l
ä
ä
n
n
g
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e
= Distanz zwischen zwei Wellenscheitelpunkten:
E
E
l
l
e
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k
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sichtbares Licht
= violett bis rot im Wellenlängenbereich von 0,4 -
0,7 m
(1 m = 10
-6
m; ein Millionstel Meter)
je höher der Anteil kurzer Wellenlängen, desto energiereicher die Strahlung
ausgestrahlte Gesamtenergie ist abhängig von der Temperatur des Objekts
Objekte mit 0° K (absoluter Temperaturnullpunkt) würden nicht abstrahlen, gibt es aber nicht
· Energieform, die von allen Objekten emittiert wird (z.B. als Licht, Wärme)
· physikalischer Vorgang, bei der Energie ohne materiellen Träger durch
elektromagnische Wellen transportiert wird
Elektromagnetische Strahlung
·elektromagnetische Strahlung mit
Wellenlängen zwischen 0,3 und 3 m
·wird v.a. von heißen Objekten emittiert
·Bsp.: Solarstrahlung ( Kap. II, 3)
kurzwellige Strahlung
·elektromagnetische Strahlung mit
Wellenlängen zwischen 3 und 30 m
·wird v.a. von kälteren Objekten abgestrahlt
·Bsp.: terrestrische Wärmestrahlung
langwellige Strahlung
Quelle: http://www.physiotherm-therme-erding.de/typo3temp/pics/PhyBuchSeite17-23_d42c9ec969.jpg
12
Wellenlängen der solaren Einstrahlung und der Ausstrahlung der Erde
Die Intensität der Solarstrahlung ist
im Bereich des sichtbaren Lichts am
größten. In diesem Bereich des
Spektrums erreicht der größte Teil
der Solarstrahlung die Erdatmosphä-
re und somit die Erdoberfläche.
E
E
l
l
e
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(
(
l
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k
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)
)
Oberflächentemperatur
6.000 K
Wellenlänge:
von UV bis Infrarot
Ausstrahlungsmaximum im
Bereich des sichtbaren
Lichts (0,7 2 m)
Sauerstoff und Ozon absor-
bieren fast die komplette
UV-Strahlung
E
E
l
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k
k
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(
(
r
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c
c
h
h
t
t
s
s
)
)
Oberflächentemperatur:
knapp 300 K
Wellenlänge: Infrarot
Ausstrahlungsmaximum bei
10 m
Die Ausstrahlung der Erde erfolgt nicht wie bei einem schwarzen Körper gleichmäßig über die infraroten
Wellenlängenbereichen, sondern in sog. atmosphärischen Fenstern ( Kap. III, 4)
kurzwellige Ausstrahlung der Sonne
langwellige Ausstrahlung der Erde
· Wellenlängenbereiche, durch die langwellige Strahlung die Erde und ihre
Atmosphäre in den Weltraum verlässt
· drei Bereiche: 4 - 6 m, 8 - 14 m, 17 - 21 m (vgl. obere Abbildung)
Atmosphärische Fenster
13
4
Wechselwirkungen von Strahlung und Materie
Solarstrahlung wird beim Auftreffen auf feste, flüssige und gasförmige Materie unterschiedlich beeinflusst:
Umverteilung der Richtung, aber Energiesumme und Wellenlänge der Strahlung bleiben erhalten!
Lichtstrahl trifft bei idealen Bedingungen (glatte Oberfläche, z.B.
Spiegel) unter einem bestimmten Winkel auf und wird unter
dem selben Winkel wieder zurückgeworfen
Richtungsänderung nur in den oberen Halbraum der Erde ()
möglich, d.h. ins All
Umverteilung der Richtung, aber Energiesumme und Wellenlänge der Strahlung bleiben erhalten!
Streuung an feinverteilten Stoffen, z.B. atmosphärische Gase, Aerosoleteilchen
Ablenkung der Strahlung ist beide Halbräume möglich (), d.h. auch zur Erde hin möglich
Erwärmung von Materie führt zur Erhöhung der Emission, d.h. der Wärmeabstrahlung von Materie
thermale Emission von der Erdoberfläche ist in den oberen Halbraum gerichtet ()
thermale Emission von der Atmosphäre ist in beide Halbräume gerichtet ()
· Vorgang, bei dem Strahlung ungehindert durchgelassen (= transmittiert) wird
Transmission
· Vorgang, bei dem feste und flüssige Oberflächen die Energie der Strahlung in
eine andere Richtung umverteilen
Reflexion
· Vorgang, bei dem gasförmige Materie die Energie der Strahlung in eine andere
Richtung umverteilt
Streuung
· Vorgang, bei dem die Strahlung zur Erhöhung der B
ROWNSCHEN
Molekular-
bewegung des absorbierenden Mediums und somit zur Erwärmung genutzt wird
Absorption
Solarstrahlung (100%) wird in Abhängigkeit von der Wellenlänge zu unterschiedlichen
Anteilen transmittiert, absorbiert und reflektiert (inkl. Streuung)
(= selektive Reflexion, Absorption und Transmission)
Bildquelle Reflexion: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2e/
Reflexion.svg/300px-Reflexion.svg.png
Fin de l'extrait de 92 pages
- Citation du texte
- Martin Eder (Auteur), 2012, Globale Umweltveränderungen. Die natürlichen Gegebenheiten auf der Erde, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/301716
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