Das Energiebilanzmodell MSCM

Ein Energiebilanzmodell, wie das MSCMeines ist, betrachtet die Energieflüsse imErdsystem. Daraus berechnet es die Dif-ferenz der von der Sonne eingestrahltenEnergie und der von der Erde abgestrahl-ten Energiemengen. Ist diese Bilanz aus-geglichen, befindet sich die Erde in einenstabilen energetischen Zustand, d.h. siebesitzt ein stabiles Klima.

Die Energieflüsse werden im Wesentli-chen durch Prozesse in der Atmosphäre,dem Ozean, der Kryosphäre (umfasst Meereis, Schelfeis, Inlandeis und Gebirgsgletscher) und derBiosphäre und deren Wechselwirkung bestimmt. Ändern sich einzelne dieser Prozesse, so kann sichdies auf andere Prozesse und damit auf das gesamte Klimasystem auswirken. Ziel des Klimasys-tems ist es, eine ausgeglichen Bilanz zwischen eingestrahlter (solarer) Energie und von der Erde ab-gestrahlter Energie herzustellen.

Strahlungsbilanz der Erde

Die Strahlungsbilanz umfasst die durch diekurzwellige Strahlung der Sonne (solare Ein-strahlung) und die langwellige Strahlung derErde transportierten Energiemengen. Die solareEnergie wird teilweise an der Erdoberflächeoder den Wolken reflektiert (abhängig von derAlbedo, sprich dem Rückstrahlvermögen, derentsprechenden Körper) oder absorbiert und inWärme umgewandelt.

Jede Masse, die eine Temperatur größer demAbsolutem Nullpunkt ( 0 Grad Kevin = -273.15Grad Celsius) besitzt strahlt auch Energie in ei-nem (temperaturabhängigen) Wellenlängenbe-reich ab. Im Fall der Erde liegt dies im langwel-

ligen (infraroten) Bereich.

Die Erdoberfläche, die Wolken und die Atmosphäre strahlen daher gleichzeitig aufgrund ihrer Tem-peratur langwellige Strahlung in alle Richtungen aus (Stefan-Boltzmann Gesetz). Auch deren Ener-gie wird teilweise in der Atmosphäre absorbiert und in Wärme umgewandelt und dann sowohl zur

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Abbildung 1: Der Energieaustausch zwischen Erde und Weltraum (schematisch)

Abbildung 2: Globales Jahresmittel der Energiebilanzder Erde nach Kiehl and Trenberth (2009) – DOI: 10.1175/2008BAMS2634.1

Erdoberfläche als auch in den Weltraum als langwellige Strahlung abgestrahlt. Dabei spielt die Zu-sammensetzungen atmosphärischen Gase eine wichtige Rolle für die Menge der von ihr absorbiertelangwelligen Strahlungsenergie. Neben den Wolken sind bei diesen Prozessen auch die Gase in derAtmosphäre von Bedeutung.

Energieflüsse

Die wesentlichen Energieflüsse im Klimasystemsind in Abb. 3 dargestellt. Es handelt sich dabeinicht nur um Strahlungsflüsse (solar,langwellig/infrarot), sondern auch um sensibleund latente Wärmeflüsse, die eine vertikale Ver-teilung von Energie bewirken. Latente Wärmeist dabei die im Wasserdampf enthaltene Ener-gie, die bei der Verdunstung aufgewendet wer-den muss und durch Kondensation wieder freigesetzt werden kann.

Prozesse im MSCM

Das MSCM berücksichtige nur die wesentlichen Prozesse, die die Energiebilanz des Erd- (und da-mit auch des Klima-)Systems bestimmen.

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Abbildung 3: Prozesse zur Energiebilanz der Erde (von Solomon et al., 2007, IPCC AR4, WG1, Kap. 1, Abb. FAQ. 1.1

Abbildung 4: Die im MSCM berücksichtigten Prozesse.

Dies umfasst:

Eis + Schnee

Wolken

CO2

Ozean

Atmosphäre

Wasserkreislauf

Transportprozesse (horizontal: Advektion, und vertikal: Diffusion)

Dabei stehen in der Basisversion des MSCM die Advektion/Diffusionsprozesse im Auswahlmenünicht zur Verfügung, werden aber im Hintergrund trotzdem berücksichtigt

Schnee und Eis

Die Wirkung von Schnee und Eis in Bezug auf dieEnergieflüsse umfasst im Wesentlichen zweiFaktoren:

1. den Albedo-Effekt: Schnee und Eis haben eine deutlich höhereAlbedo als Wasser bzw. viele Landoberflä-chen und reflektieren mehr eingestrahltekurzwellige Strahlung zurück in den Welt-raum

2. den thermischen Effekt: Schnee und Eis haben eine isolierendeWirkung, d.h. sie reduzieren den Wärmeaustausch der darunterliegenden Erd-/Wasserober-fläche mit der Atmosphäre.

Wolken

Auch die Wolken wirken aufgrund ihrer meistgroßen Albedo auf die kurzwellige Strahlung ähn-lich wie Eis und Schnee. Da sie sich in der Atmo-sphäre befinden, beeinflussen sie aber auch dielangwellige Ausstrahlung. Sie absorbieren dielangwellige Rückstrahlung der Erde in RichtungWeltraum, erwärmen sich und strahlen selbst auf-grund ihrer Temperatur langwellige Strahlung inalle Richtungen aus – also sowohl zurück zur Erd-oberfläche als auch Richtung Weltall. D.h. einTeil der langwelligen Ausstrahlung der Erdober-

fläche wird abgefangen und im Klimasystem behalten. Das ist die Treibhauswirkung der Wolken.

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Abbildung 6: Energieflüsse, die durch die Wolken beeinflusst werden

Abbildung 5: Energieflüsse, die durch Schnee und Eis beeinflusst werden

Den Treibhauseffekt von Wolken kann man selbst beobachten: In Winternächten mit Wolken ist esin der Regel. deutlich wärmer als in klaren Winternächten.

Atmosphäre

Die Erdatmosphäre ist Voraussetzung für das Le-ben, das wir auf dem Planeten kennen. Ohne dieAtmosphäre und die in ihr enthaltenen Treibh-ausgase hätte die Erde eine globale Mitteltempe-ratur von ca. -18 Grad Celsius, deutlich zu wenigfür die meisten biologischen Prozesse. Die Erdewäre überwiegend mit Eis bedeckt und flüssigesWasser eher selten. Auch die Ozeane wären zu-gefroren und könnten ihre Rolle als Regulatordes Klimas (s.u.) nicht mehr wahrnehmen. DieRückstrahlung aus der Atmosphäre zur Erdeführt zu einer Erwärmung der Erdoberfläche um mindestens 33 °C

CO2 (Treibhausgase)

CO2 ist eine, von der Masse her gesehen, unbedeutende Komponente der atmosphärischen Gase. Eshat aber, wie noch zahlreiche andere Treibh-ausgase (Wasserdampf, Methan, …), einenausgeprägten Einfluss auf die Eigenschaftender Atmosphäre hinsichtlich der Strahlungs-transporte. Die Hauptbestandteile der Atmo-sphäre – Stickstoff (N) und Sauerstoff (O2) -beeinflussen den Energiefluss durch kurzwel-lige und langwellige Strahlung kaum. DieTreibhausgase dagegen absorbieren, ähnlichwie zum Teil auch die Wolken, die langwelligAusstrahlung der Erde und strahlen sie in alleRichtungen wieder ab, und zwar einen Teil

davon wieder zurück zur Erdoberfläche.

Hydrologischer Zyklus (Wasserkreislauf)

Als hydrologischen Zyklus bezeichnet man den Wasserkreislauf, der Verdunstung, Wolkenbildungund Niederschlag umfasst.

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Abbildung 8 Energieflüsse, die durch Treibhausgase beeinflusst werden

Abbildung 7: Energieflüsse, die durch die Atmosphäre (ohne Wolken und Treibhausgase) beeinflusst werden

Im Hinblick auf die Energieflüsse ist Wasser-dampf zum einen ein Transportmedium für la-tente Wärme und zum anderen ein sehr effek-tives Treibhausgas.

Zur Verdunstung von Wasser (Erzeugung vonWasserdampf) wird Energie benötigt, die beiseiner Kondensation (beispielsweise bei derWolkenentstehung) zumeist an einem andereOrt wieder frei wird. Das nennt man den la-tenten Wärmetransport.

Wasserdampf ist zudem, wie CO2, ein Treibh-ausgas, das aber aufgrund seiner höheren Konzentration in der Atmosphäre eine stärkere Wirkungbesitzt als CO2. Sein Anteil am Treibhauseffekt beträgt etwa 60%. Da der Wasserdampf regionalsehr unterschiedlich verteilt ist, ist die resultierende Erwärmung lokal sehr unterschiedlich, wirdaber durch Wind-Advektion (s.u.) räumlich angeglichen .

Advektion und Diffusion (Transporte)

Advektion und Diffusion bezeichnen die horizontale und vertikale Verteilung von Stoffen (z.B.Luftmassen und Wasserdampf) durch großräumige Luftströmungen und Turbulenzen (Wind). Ei-genschaften wie die Temperatur können auf diese Weise je nach Windrichtung ‘transportiert‘ wer-den: kalte Luftmassen in warme Gebiete oderumgekehrt.

Die (turbulente) Diffusion bewirkt in der At-mosphäre sowohl eine vertikale Verteilungvon Eigenschaften als auch einen kleinskali-gen horizontalen Transport in alle Richtungen(also nicht nur die Hauptwindrichtung). In derhorizontalen Ebene dominiert dennoch die Ad-vektion. Sie wird hauptsächlich durch vertika-le Unterschiede in der Strömung verursacht

In der Basisversion des MSCM sind Advekti-on und Diffusion nicht anwählbar. Sie sinddennoch in den Rechnungen enthalten.

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Abbildung 10: Energieflüsse, die durch durch Transporte (Advektion und Diffusion) beeinflusst werde

Abbildung 9: Energieflüsse, die durch den Wasserkreislauf (hydrologischer Zyklus) beeinflusst werden

Fazit

Das MSCM ist ein, vomRechenaufwand aus-gehend, sehr einfaches(Energiebilanz-) Modell,das aber alle für das Kli-masystem der Erde rele-vanten Energieflüsse be-rücksichtigt und die we-sentlichen Charakteristikendes Klimasystems der Erdereproduzieren und progno-stizieren kann.

Damit stellt es ein Werk-zeug dar, um relativ über-sichtlich die Wirkung und

Bedeutung einzelner (weniger) Prozesse zu untersuchen und abzuschätzen.

Ein komplexeres Klima- oder Erdsystemmodel kann natürlich sehr viel mehr Prozesse, Komponen-ten und Wechselwirkungen berücksichtigen, erfordert dazu aber enorme Ressourcen an Rechner-Infrastruktur und kann deshalb nicht jede Kombination von vorhandenen Prozessen (mehr als 1000)einzeln durchrechnen um ihren Einfluss auf das Klimasystem abzuschätzen.

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Abbildung 11: Alle im MSCM berücksichtigten