1 was bedeutet klima? charakterisierung atmosphärischer zustände bezug auf einen ort oder eine...
TRANSCRIPT
1
Was bedeutet Klima?• Charakterisierung atmosphärischer Zustände • Bezug auf einen Ort oder eine Region• Generalisierung der Wetterzustände• Kennzeichnung durch mittlere und extreme Werte
Klimaanlage
Arbeitsklima
Akklimatisation
Bioklima
Modul GEO 131, Physische Geographie A, WS 10/11
Atmosphäre Priv.-Doz. Dr. Martin Gude
2
Vor- und Nachbereitung
(Strahler & Strahler 2005)
Kapitel 3 20 S.
Kapitel 5 24 S.
Kapitel 8 20 S.
Struktur des Modulteils Klimageographie
Übungsaufgaben
Gliederung der Vorlesung• Atmosphäre und Energiehaushalt• Globale Zirkulation der Atmosphäre • Atmosphärische Feuchtigkeit und Niederschlag• Klimazonen und regionale Klimasysteme• Klimaänderungen und Klimamodelle
3
Klima im täglichen Leben
4
Klima im täglichen Leben Wetterextreme
aus: BBC 2004
5
Klima und Wettervorhersage Satellitenaufnahme
Aktuelles Satellitenbild
6
Klima und Wettervorhersage Wetterkarte
Aktuelles Satellitenbild
7
Das terrestrische Klima ist die für einen Standort, eine definierbare Region oder ggf. auch globale statistische Beschreibung der relevanten Klimaelemente, die für eine nicht zu kleine zeitliche Größenordnung die Gegebenheiten und Variationen der Erdatmosphäre hinreichend ausführlich charakterisiert. Ursächlich ist es eine Folge der physiko-chemischen Prozesse und Wechsel-wirkungen im Klimasystem sowie der externen Einflüsse auf dieses System.
Schönwiese (1994)
Definition Klima
aus: Lexikon der
Geowissenschaften 2002
8
Neoklimatologie (Zeitreihen ab 1659 n. Chr., globale Daten seit ca. 1850/60)• direkte Punktmessungen der Klimaelemente• großräumige Messung von Klimaelementen mit Fernerkundung• Klimamodelle und Prognosen
Paläoklimatologie (maximale Reichweite 3,8 Milliarden Jahre)• Geoarchive (Gletscher, Sedimente, Moore, Fossilien, etc.)• Witterungstagebücher verschiedener Gelehrter: z. B. C. Ptolemäus (151-127 v.Chr.) in Alexandria, W. Merle (1337-1344) in England oder J. Kepler (1617-1626) in Linz• Annalen bzw. Chroniken der öffentlichen Verwaltung • Inschriften und Markierungen• Mythen und Legenden• Höhlenmalereien in den heutigen Wüstengebieten Nordafrikas (ca. 5 Jahrtausende zurück reichend)• Erntechroniken
Meteorologisch-klimatologische Informationsquellen
9
Die meteorologischen Elemente
Physikalische Größen, mit deren Hilfe der Zustand der Atmosphäre in einem
definierten Raum zu einem Zeitpunkt oder in einem Zeitabschnitt charakterisiert
werden kann:
Lufttemperatur: kinetische Energie der Moleküle, fühlbare Wärme
Luftfeuchtigkeit: Wassergehalt der Luft, als Masse oder relative Sättigung
Niederschlag: Menge des den Boden erreichenden Wassers in einer Zeiteinheit
Bewölkung: atmosphärische Wasseransammlungen in Tropfen- oder Eisform
Wind: Geschwindigkeit und Richtung der Luftbewegung
Strahlung: Energiefluss durch elektromagnetische Wellen
Luftdruck: statischer Druck der Atmosphäre auf eine Bezugsfläche
10
Zeitliche Dimensionen in Klimatologie und Meteorologie
aus: Schönwiese 1995
• Wetterdas dynamische Geschehen in der Atmosphäre bezogen auf Tage bzw. 1-2 Wochen
• WitterungPhase aus der Aufeinanderfolge bestimmter Wettererscheinungen (mittlerer Charakter des Wetterablaufs), z. B. Goldener Oktober
• Klimagesamter jährlich mehr oder weniger gleichbleibender Verlauf der Witterung an einem Ort, in einem Land etc.; zu Vergleichszwecken durch Mittelwerte und charakteristische Extreme beschrieben
11
Klimatische Extremwerte
aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002
12
Ausgewählte Literatur
BLÜTHGEN, J. & W. WEISCHET (1980): Allgemeine Klimageographie. – Lehrbücher der Allgemeinen Geographie. Bd. 2, Berlin, New York
FLOHN, H. (1960): Zur Didaktik der allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre. – In: Geographische Rundschau 12, S. 129-142 u. 189-195.
HÄCKEL, H. (2008): Meteorologie. – Stuttgart.
LAUER, W. & BENDIX, J. (2006): Klimatologie. – Das Geographische Seminar, Braunschweig
OKE, T. (1999): Boundary layer climates. – London
SCHÖNWIESE, C.-D. (2008): Klimatologie. – UTB für Wissenschaft, Stuttgart
WEISCHET, W. & Endlicher, W. (2008): Einführung in die Allgemeine Klimatologie. – Physikalische und meteorologische Grundlagen. Stuttgart
IPCC (2007): Climate Change 2007: The Physical Science Basis
IPCC (2007): Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability
13
Klimaelemente(messen/beobachten)• Temperatur• Niederschlag• Luftdruck• Feuchte• Strahlung • Verdunstung• Wind• Wolken• ...
Klimafaktoren
• geogr. Breite• Meereshöhe• Relief• Vegetation• Kryosphäre• Ozeane• Land/Wasser-
Verhältnis • Böden/Gestein• Mensch
Definition Klima• Charakteristierung atmosphärischer Zustände • Bezug auf einen Ort oder eine Region• Generalisierung der Wetterzustände• Kennzeichnung durch mittlere und extreme Werte
Klimatologie Zusammenfassung
Klimatologie: Grenzwissenschaft zwischen Geographie und Meteorologie
14
1b
Sommer21. Juni
Frühling21. März
Herbst23. September
Winter
21.Dezember
4. Juli Sonnenferne (Aphel)
152 Mio. km
3. Januar Sonnennähe (Perihel)
147 Mio. km
23,5°
Solstiallinie
Äquinoktien
Ekliptikebene
Astronomische Grundlagen Erdbahn und Erdumdrehung
15
Elektromagnetische Wellen
16
Strahlungsgesetze
WIENsches Verschiebungsgesetz
Wellenlänge der intensivsten Abstrahlung
λmax = • T-1
: Naturkonstante mit 2898 m KT: absolute Temperatur des Körpers
STEFAN-BOLTZMANN-Gesetz
I = ε • σ • T4
I: Energieflussdichteε: Emissionsverm. (schw. Körper = 1)σ: Konst. mit 5.6697 10-8 W m-2 K-4
T: abs. Temperatur
PLANCKsches Gesetz
Energieanteile in Abhängigkeit von der Spektralverteilung
Strahlungsstrom in Abhängigkeit von der Temperatur
17
Strahlung Strahlungsgenuss in den Breitenzonenunter Vernachlässigung der Atmosphäre
18
Strahlung Beleuchtungsklimazonen (Solares Klima)unter Vernachlässigung der Atmosphäre
Polarzone (> 66.5°)
Tropenzone (zwischen Wendekreisen, < 23.5°)
Solare Mittelbreiten Hohe Mittelbreiten (45 – 66.5°) Subtropen (23.5 - 45°)
Solare Mittelbreiten Subtropen (23.5 - 45°)Hohe Mittelbreiten (45 – 66.5°)
Polarzone (> 66.5°)
19
Strahlung Einfluss der Atmosphäre
20aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002
Atmosphäre Vertikalgliederung
21
aus: Schönwiese 1994
10 km
Atmosphäre Vertikaler Aufbau der Troposphäre
22
Strahlung Einfluss der Atmosphäre
Obergrenze Atmosphäre
Edoberfläche
Absorption
Reflexion
Streuung
"Solarkonstante"
Was passiert in der Atmosphäre?
• Transmission• Absorption (Extinktion)• Streuung
23
100%
Stickstoff (N2 ) 78.084%
Sauerstoff (O2 )20.946%
Rest0.970%
(Prozentwerte = Volumenprozent)
Atmosphäre Zusammensetzung der reinen Luft
0.003%
0.970%Argon (Ar)0.934%
Kohlendioxid(CO2)
0.033%
Rest
0.003%
Neon (Ne) 0.00182 %Helium (He) 0.00053 %
Krypton (Kr) 0.00012%Xenon (Xe) 0.00009%
Wasserstoff (H2) 0.00005%
Distickstoffoxid (N2O) 0.00005%_____________ 0.00268%
Methan (CH4) 0.0002%
24
Strahlung Strahlungshaushalt
aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002
25
Strahlung Absorption durch atmosphärische Bestandteile
aus: Häckel 1999
26
Einfluss der Atmosphäre Globalstrahlung
Strahlungsangebot an der Erdoberfläche (nur kurzwellige Strahlung)
G = (IS + IH) - R
IH = diffuse Strahlung (diffuses Himmelslicht) IS = direkte StrahlungIS + IH = GlobalstrahlungR = Reflektierte Strahlung (Albedo)
Albedo: Verhältnis von reflektierter zu einfallender (Global-)Strahlung (Angabe meist in %)
27
Strahlung Strahlungshaushalt
aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002
28
Strahlung Albedo
Oberfläche Albedo (%)
Grasfläche 16 - 20
Prärie 14 - 16
Ackerboden (dunkel) 7 - 10
Wald (trop. Regenwald) 10 - 20
Nadelwald 5 - 12
Sand und Wüste 18 - 28
Gestein (Felsen) 10 - 40
Sümpfe 8 - 12
Siedlung 14 - 18
Schnee (frisch) 70 - 95
Schnee (alt) 45 - 70
Wasser (Sonne hoch) 5 - 10
Wasser (Sonne tief) 50 - 80
(aus: Lexikon der Geowissenschaften 2001, Schönwiese 1994)
Oberfläche Albedo (%)
Bewölkung
Cumulonimbus ca. 90
Nimbostratus 64 - 70
Cirrostratus 44 - 59
Stratocumulus 35 - 80
Stratus (300-600 m dick) 50 - 73
Cirrus 15 - 20
Erdoberfläche (Mittel) 15
System Erde-Atmosphäre 31
29
Strahlung Globale Oberflächentemperatur
30
mittlere jährliche Strahlungsbilanz des Systems Erde/Atmosphäre in Abhängigkeit von der geographischen Breite.
Strahlungsbilanz und geographische Breite
31
Energiespeicherung und Energietransporte erfolgen durch:
1. Strahlung (Strahlungsenergie)
2. Wärmeleitung (fühlbare Wärme)
3. Energieträger (latente Energie, Wasser, Luft)
Energiehaushalt Globale Energietransporte
32
Energiehaushalt Typen der Energietransporte
Strahlung latente Wärmefühlbare Wärme
Erdoberfläche
T r
o p
o s
p h
ä r
e
H2O, CO²,Aerosole, etc.
H2O, CO²,Aerosole, etc.
H2O.
33
Latente Energie Phasenübergänge
aus: Baumgartner und Liebscher 1996
34
Latente Energie Absolute Wasserdampfmenge der Luft
aus: Lexikon der
Geowissenschaften 2002
35
Latente Energie Globale Wassertransfers aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002
36
Fühlbare Wärme Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit
spezifische Wärmekapazität
spez. Wärmekapa-zität bezogen auf
Volumen
Wärmeleitfähigkeit
kJ / (kg · K) J / (cm3 · K) J / (s · m · K)
Fels (Granit) 0.84 16.41 4.61
Wasser 4.19 14.24 0.42
Luft 1.00 10.05 0.02
Holz 1.34 10.05 0.17
Sand (trocken) 0.84 9.21 0.17
Sand (nass) 1.26 7.95 1.67
Moorboden (trocken)
1.84 6.28 0.06
Moorboden (nass) 3.35 5.86 0.84
Neuschnee 2.14 2.93 0.08
Altschnee 2.14 2.81 0.29
Eis 2.14 1.88 2.09
(aus: Weischet 1977)
37
trockenadiabatisch
Latente und fühlbare Energie Adiabatische Gradienten
Erdoberfläche
A t
m o
s p
h ä
r e
feuchtadiabatisch
0,6 °C•100 m-11,0 °C•100 m-1
38
Energiehaushalt Global
39
Strahlungsbilanz Gleichung für die Erdoberfläche
GesamtstrahlungAlbedo
Globalstrahlung (KW)
effektive Ausstrahlung (LW)
LW GegenstrahlungLW Ausstrahlung
WB = [((IS + IH) - R) - (A - G)]
Latenter Wärmestrom
+ L
Fühlbarer Wärmestrom
+ F
Boden-wärmestrom
+ B
40
Temperatur Messgeräte
Flüssigkeitsthermometer(Quecksilber (-39°C), Alkohol...)
Min/Max-ThermometerBimetallthermometer
Englische Wetterhütte (2 m über Grund)
Thermograph
Widerstands-thermometer
41
Temperatur Globales Beobachtungssystem
42
Temperatur Skalen und Maßeinheiten
Fahrenheit [°F] 0 °F = tiefste Temp. in Königsberg100 °F = Körpertemperatur
Réaumur [°R]0 °R = Gefrierpunkt des Wassers80 °R = Siedepunkt des Wassers
Absolute Temperatur [K = Kelvin]abs. Nullpunkt: Molekülbewegung = 0
Celsius [°C]0 °C = Gefrierpunkt des Wassers100 °C = Siedepunkt des Wassers
43
Temperatur Jahresschwankung
DublinBonnWarschauNowosibirsk
-25-20-15-10
-505
10152025
Jan
Mai Ju
lSep Nov
0
5
10
15
20
25
30
35
Jan
Mai Ju
lSep Nov
LibrevilleRangun
0
5
10
15
20
25
30
Jan
Mai Ju
lSep Nov
Tunis
-35-30-25-20-15-10
-505
10
Jan
Mai Ju
lSep Nov
Nord
°C
°C°C
°C
44
Mittlere jährliche Temperaturen (schwarze Punkte) mit Trends für verschiedene Perioden
Globales Klima Klimaerwärmung
(IPCC 2007)