Das Klima der Erde I. Mensch, Klima und Klimasystem

Max Camenzind

Bildungszentrum HD

WS 2015/16 www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi

Klima betrifft uns alle!

Klima ist heute messbar

Der Umweltwächter Sentinel-1A/ESA

• I. Die Erde, ihr Werdegang & Sonnenstrahlung

• Was ist Klima? Erde in der Habitablen Zone!

• II. Paläoklima & die letzten 800.000 Jahre

• Aufbau der Erde, Uratmosphäre, Klimazyklen und Klimaarchive (Eisbohrkerne, Arktis, Antar);

• III. Klima ist deterministisches Chaos

• Das Klimasystem der Erde, deterministisches Chaos, magnetisches Pendel & Lorenz-Modell;

• IV. Einfluss der Sonne & Globale Klima-Modelle

• Treibhauseffekt, Strahlungsantrieb, Aerosole, Sonnenflecken oder CO2? IPCC 5 Sachstandsber.

4 Themenkreise zum Klima

• Macht Klima Geschichte? • tiefe Wurzeln in der Menschheitsgeschichte • ZdF Mediathek: „Klima macht Geschichte“, 2015. • Was ist Klima? Was ist Wetter? • Definition, Klima-Variablen, Klima-Geschichte • Das Klimasystem der Erde wird durch 6 Klima-

Elemente bestimmt: Sonne, Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre, Lithosphäre & Biosphäre.

• Strahlung bestimmt das Klima! • Solarkonstante, wie entsteht die

Planetentemperatur, was ist ein Treibhaus? • Sonnensystem und Planeten – Was ist die Habitable

Zone?

Die Themen Teil I

Teil I: Der Mensch und

das Klima der Erde

Video: Menschheitsgeschichte und Klima ZdF 2015

Klima & Mensch seit der Eiszeit

Wir leben heute in einer Warmphase

Was ist Klima ? ein physikalisches

System Variablen!

Spektrometer analysieren vom Weltraum aus ständig die Zusammensetzung der Atmosphäre. Dabei ermitteln Satelliten unter anderem Temperatur und den Gehalt an Spurengasen und Schwebeteilchen in der Atmosphäre. Bild: ESA/Sentinel

Wetter ist nicht Klima !

Was ist Klima ?

Klima ist das globale Langzeitverhalten der Klima-Variablen (> 25 a) - Temperatur Atmosphäre - Zusammensetzung Atm - Wasserdampf Atm - Temperatur & Strömung der Ozeane, Salzgehalt …

Wetter ist nicht Klima !

Wetter – Witterung - Klima

Wetter Witterung Klima

Momentaner Zustand der Atmosphäre

(1Stunde,

1 Tag)

Charakter des

Wetters über

einige Tage

oder

Jahreszeit

Mittlerer

Zustand der

Atmosphäre

(z.B. 30-40

Jahre)

Unterteilung des Klimas

Klima

Makroklima

global

Mesoklima

Region: Stadt

Landschaft

Mikroklima

lokal: m - km

Klimasystem 6 Klimaelemente

Atmosphäre

Sonneneinstrahlung

Hydrosphäre

Kryosphäre

Biosphäre

Lithosphäre

Die Sonne ist Motor des Klimas

Liefert die Energie

Spektrum am Rand der Atmosphäre

Spektrum eines Schwarzen Körpers

Spektrum auf Meereshöhe

UV sichtbar Infrarot

Absorptionsbanden

Mittlere Solare

Einstrahlung

Flecken- Minimum

Flecken- Maximum

Beispiel

Atmosphäre

Temperatur-

verlauf

Globale Windgürtel Atmosphäre

Bsp. Hydrosphäre: Der Golfstrom

Video Hydrosphäre: Golfstrom

Hydrosphäre: El Nino-Phänomen

Hydrosphäre: El Nino-Phänomen

Die an den südamerikanischen Pazifik angrenzende Atacama gilt heutzutage als die trockenste Wüste der Welt, und sie ist fast ohne Vegetation. Die Ursache dafür liegt in den besonderen Wind- und Strömungsverhältnissen im Pazifik. Die kalten Gewässer an der Südamerikanischen Küste stammen von dem aus dem Süden kommende kalten Humboldtstrom, und dem Auftrieb von kalten nährstoffreichem Tiefenwasser. Die Nährstoffe bilden die Grundlage ganzer Nahrungsketten. Das kalte Meer kühlt die darüber liegenden Luftschichten stark ab und an den Hängen der Anden können sich deshalb keine Regenwolken bilden. Unter normalen Wetterbedingungen türmen die im tropischen Pazifikraum westwärts wehenden Passatwinde die warmen Wassermassen im West-Pazifik auf. Da die Stärke der Passatwinde durch die Temperaturdifferenz des Oberflächewassers zwischen West- und Ostpazifik bestimmt wird, haben veränderte Meeresströmungen großen Einfluss auf dieses System. Wenn warmes äquatoriales Oberflächenwasser aus dem Westen sich ostwärts ausbreitet, verringert sich diese Temperaturdifferenz zwischen West und Ost und die Passatwinde lassen nach. In Folge kommen weniger Nährstoffe nach oben, es gibt weniger Plankton und als Folge weniger Fische. Dieses Wetterphänomen tritt alle zwei bis sieben Jahre meist um den Dezember auf. Die Fischer von Peru nennen es seit Jahrhunderten El Niño oder „Das Christkind“.

Video Meeresströmungen / NASA

Ozeane sind ein wesentlicher Bestandteil des Klimasystems und stehen vor allem im Austausch mit der Atmosphäre.

Wärme- und Gasaustausch

zwischen Atmosphäre & Ozean

Bsp. Pedosphäre: Wasserkreislauf

Bsp. Biosphäre: Rückkopplung

Rückkopplungen im Erdsystem

Änderungen im Klimasystem

Wie funktioniert ein Treibhaus?

IR-Bild einer Menschengruppe

Die wichtigsten Gase beim natürlichen Treibhauseffekt sind

Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4).

Ohne Treibhauseffekt <T> = -18 ° C !!! Schneeball-Erde !

Die Atmosphäre als “Treibhaus”

Die Atmosphäre als “Treibhaus”

Klima-Variable: Temperatur

Aitoff-Darstellung Erdoberfläche

90°N

90°S

180°W 180°E

Temperaturänderung rel. 1960er

Klima-Variable: mittlere globale

Temperatur steigt an

El Nino

Klima-Variable: mittlere globale

Temperatur bis Dez. 2015

El Nino El Nino

T ist 15 Jahre lang konst

Erderwärmung seit Industrialisierung

Referenzwert

Klima-Variable: Wasserdampf

Klima-Variable:

Wärmeinhalt Ozean < 700 m

Klima-Variable:

Wärmeinhalt NAtlantik < 700 m

Klima-Variable:

CO2 Gehalt auf Mauna Loa

ppm = parts per million

Hamburger Bildungsserver

Korrelation CO2 Temperatur?

?

CO2-Ausstoß weltweit

Klima-Variable: Meereshöhe

Meereshöhe seit letzter Eiszeit

In Tausend Jahren

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Klima: Temperatur || CO2 ?

Faktor 20 höher

Klima: Temperatur || CO2 ? Generell wärmer – außer Karbon-Perm-Eis

CO2 Faktor 20 höher

Dieter Kasang

Warmzeiten beflügeln Menschen

Klima & Politik

IPCC = “Weltklimarat” seit 1988

US-Präsident Barack Obama will schärfere Klimaschutzregeln.

• Die Erde und ihr Klima sind dynamisch! Klima ist historisch gewachsen.

• Klima kann klar definiert werden (operativ).

• Wichtige Klima-Variablen sind Temperatur, Einstrahlung, Atmosphäre, Ozeane etc.

• Sonne emittiert praktisch ein Schwarzkörper-Spektrum mit 5776 K.

• heizt Erdatmosphäre auf „Treibhaus“.

• jedoch 30% werden wieder reflektiert (Albedo).

Zusammenfassung

Anhang: Klima & Strahlung

globale Sonneneinstrahlung

• Mensch als Strahler: T = 37 ° C L ~ 1000 W Vorsicht: der Mensch nimmt auch Strahlung auf! gibt also weniger ab! Kleider isolieren! IR-Bild • Sonne als Strahler: T = 5777 ° K LS = 4pRS²sTS

4 = 3,846 x 1026 W isotrop Solarkonstante FE = LS/4p(AE)² = 1366 W/m² FE(p) = 1413 W/m² ; FE(Aphel) = 1321 W/m² Einstrahlung = p RE² FE = 1,74 x 1017 W • Erde als Strahler : <T> = 15 ° C = 288 ° K LE = 4pRE² sT4 = 1,99 x 1017 W Strahlungsbilanz stimmt ungefähr.

Jeder Körper strahlt Energie ab

Strahlungseigenschaften

der Planeten

Auslaufende Strahlung / CERES

CERES Planetary Albedo

CERES Outgoing Flux

Ausgehende Wärmestrahlung

NOAA = National Oceanographic

and Atmospheric Administration

Erdatmosphäre als Treibhaus

F = sT4 = 390 W/m²

239.9 = 340.4 – 99.9 – 0.6

Energie-Bilanz Erde CERES

239.9 = 169.9 + 40.1 + 29.9

Spektrum der Erde über Sahara 0° C = 273° K

Absorption Erdatmosphäre Lässt nur 40 W/m² durch von 398 W/m²

Abstrahlung von Erdoberfläche (15° C)

Infrarot-Fenster

der Atmosphäre Gemini Teleskop Hawaii

15 µm

Breite CO2-Absorptionslinie

ModTran

Methan-Absorptionslinien

ModTran