Vorlesung Klimawandel 2 07 - staff.uni-mainz.de SS 07/lecture... · 1 Klimawandel Sommersemester...
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Klimawandel
Sommersemester '07
Joachim CurtiusInstitut für Physik der Atmosphäre
Universität Mainz
CO
2 (p
pm)
Inhalt1. Überblick
2. Grundlagen
3. Klimawandel heute: Beobachtungen
4. CO2
5. Andere Treibhausgase
6. Aerosole und Wolken
7. Solare Variabilität
8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel
9. Klimageschichte
10. Klimaschutz
2
2. Grundlagen
Ø Klima
Ø Abstrahlung von Energie durch Sonne und Erde:Plancksches Strahlungsgesetz
Ø Absorption durch atmosphärische Gase
Ø Strahlungshaushalt
Ø Treibhauseffekt: natürlich und anthropogen; CO2
Ø Strahlungsantrieb
2. GrundlagenKlima:Ø Mittelwerte, Jahresgänge und Schwankungs-
breite von Temperatur, Niederschlag, und weiteren meteorologischen Größen
Ø Häufigkeit von Extremwerten
Ø 30-jährige Mittelung
Ø Klima vs. Wetter...
Ø Klimawandel: Zeitskalen...
Ø Klima von κλινω=klino="ich neige" (Permeides ~500 v. Chr.), Klimazonen in Abhängigkeit vom Neigungswinkel der Sonne
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Klimazonen
Strahlungshaushalt
Wie kommt es zum Treibhauseffekt?
Wie erklären sich die hier angedeuteten Strahlungsflüsse?
4
Spektrum elektromagnetischer Strahlung
[Schönwiese]
c = λν
Plancksches Strahlungsgesetz (1900):
( )22 1
,exp 1
hcB T
hck
λ λλ
λ
5= − Τ
Planck-Gesetzbeschreibt die spektrale Energiedichte Bλ der Abstrahlung eines schwarzen Strahlers mitder Temperatur T.
PlanckschesWirkungsquantum:h = 6,626 ×10-34 Js
[Kraus]
5
Plancksches Strahlungsgesetz (1900):
( )22 1
,exp 1
hcB T
hck
λ λλ
λ
5= − Τ
Stefan-Boltzmann-Konstante:
Stefan-Boltzmann-Gesetz:
4B Tπ σ=
8 2 45,67 10 Wm Kσ − − −= ×
Gesamte abgestrahlte Energie des schwarzen Strahlers hängt nur von der Temperatur des Strahlers ab und zwar zur 4. Potenz[Kraus]
Plancksches Strahlungsgesetz (1900):
( )22 1
,exp 1
hcB T
hck
λ λλ
λ
5= − Τ
Sonne: λmax ≈ 0.5 µmTSonne≈ 5776 K
Erde: λmax≈10 µmTErde≈ 288 K
Wiensches Ver-schiebungsgesetz:
max 2898T m Kλ µ=
[Kraus]
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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
terrestrisches Strahlungs-fenster8-12 µm
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)
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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 Photonenin alle Richtungen abgestrahlt.
Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre:
Rotations-Vibrationsspektren von CO2
in der Atmosphäre noch Druck- und Doppler-verbreiterung der Linien: deshalb Absorptionsbanden
Rotations-Vibrations-Spektrendes CO2
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Absorptions-spektrenverschiedeneratmosphärischer Gase
[Kraus]
2 2 21366 2 :1321 :1413kI Wm Aphel Wm Perihel Wm= ±
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:
24
2
44
SonneK Sonne
S E
RI Tr
π σπ −
=
aus IK kann sofort die Oberflächentemperatur der Sonne bestimmt werden:
2, 342
4K
Kgm
II Wm= =
10
0-10
4
1-2
10
0,5
langwellige Albedo(4-100 µm)
in Prozent
23-90Wolken
50-80Wasser bei niedrigstehender Sonne
5-10Wasser bei hochstehender Sonne
15-30Gras
20-40Sand
40-70Altschnee
75-95Neuschnee
30System Erde/Atmosphäre
kurzwellige Albedo(0.3-4 µm)
in Prozent
Oberfläche
Albedo:Reflexionsvermögen verschiedener Oberflächen im kurzwelligen (und langwelligen) Bereich
Strahlungshaushalt
kurzwellig
langwellig
11
4 4
4 4
4
2 0
0,7 04
0,7 04
A B
KA B
KA
T T
IT T
IT
σ σ
σ σ
σ
− + =
− + =
− + =
Einfaches Glashausmodell:
Fläche A:
Fläche B:
Bilanz:
Ergebnis:TA= -18°C, TB= 30°C
TA entspricht Teff,Erde
Modell:Ø Atmosphäre = eine FlächeØ Erdoberfläche habe Albedo von 30% Ø keine anderen Energietransporte→ natürlicher Treibhauseffekt qualitativ
4 42 0A A A BT Tε σ ε σ− + =
Erweiterung des einfachen Glashausmodells:
Fläche A:
Fläche B:
Ergebnis:für TB= 288 K, folgt TA= 242 K
und εA=0,78
für TB= 289 K, folgt TA= 243 Kund εA=0,79
Modell:Ø Atmosphäre = eine FlächeØ Erdoberfläche habe Albedo agØ keine anderen EnergietransporteØ langwelliges "Fenster" mit Hilfe von εA→ Wirkung von zusätzlichen Treibhausgasen
( )4 4 1 04K
A A B gI
T T aε σ σ− + − =
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Strahlungsantrieb ∆F:
"Änderung der Strahlungsbilanz an der Tropopause durch Störung der Energieflüsse im Subsystem Erdoberfläche-Atmosphäre" (nach Schönwiese, IPCC-Def. komplizierter).
negativer Strahlungsantrieb: Abkühlungpositiver Strahlungsantrieb: Erwärmung
semi-empirische Verknüpfung mit Temperatur der Erdoberfläche:
F Tλ∆ = ∆
dc F T
dtλ
∆Τ= ∆ − ∆
Im langfristigen Gleichgewicht:
ZeitverzögerungKlimaantwort Strahlungs -
antrieb Parameter:Sensitivität (Rückkopplungen etc.)
Änderung derOberflächentemperatur
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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)
anthropogener Klimawandel:
zwei Teile:
A) Detektion
B) Ursachen zuordnen