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Kapitel I : Eigenschaften der AtmosphäreKapitel I : Eigenschaften der Atmosphäre

I-1: Zusammensetzung der LuftI-1: Zusammensetzung der Luft

I-2: Temperatur und WärmeübertragungI-2: Temperatur und Wärmeübertragung

I-3: Der LuftdruckI-3: Der Luftdruck

Anhang 1 : Ergänzungen zu den Strahlungsgesetzen Anhang 1 : Ergänzungen zu den Strahlungsgesetzen und zur Sonnenstrahlungund zur Sonnenstrahlung

Anhang 2 : Strahlungsbilanz und TreibhauseffektAnhang 2 : Strahlungsbilanz und Treibhauseffekt

7878

8989

22

55

6464

ist die Luftist die Luft

STICKSTOFF 78%STICKSTOFF 78%

SAUERSTOFF 21%SAUERSTOFF 21%RESTGASE RESTGASE

Argon: 0.9% Argon: 0.9%

sowie «Spuren» vonsowie «Spuren» von

Xenon, Neon, HeliumXenon, Neon, Helium

Sauerstoff

Stickstoff

RestgaseKohlen-dioxid

ein ein GemischGemisch verschiedener Gase verschiedener Gase mit mit praktisch unveränderlichen Anteilen praktisch unveränderlichen Anteilen ::

Kohlendioxid 0,035%Kohlendioxid 0,035%

Bis auf eine Höhe von rund 80 kmBis auf eine Höhe von rund 80 km

Dieser Teil der Erdatmosphäre heisstDieser Teil der Erdatmosphäre heisst«Homosphäre» «Homosphäre»

und entspricht grob der «meteorologischen» Atmosphäre.und entspricht grob der «meteorologischen» Atmosphäre.Oberhalb von 80 km spalten sich die Gase und schichten sich nach Oberhalb von 80 km spalten sich die Gase und schichten sich nach

dem Molekulargewicht (Heterosphäre).dem Molekulargewicht (Heterosphäre).

Olivier Liechti:

Olivier Liechti:

Die LuftDie Luft

• Wasser,Wasser,

in seinen drei « Phasen » :in seinen drei « Phasen » :

WasserWasser-dampf-dampf

EisEis

WasserWasser--

tropfentropfen

• Spurengase :Spurengase :

OO33, H, H22, CH, CH4 4 etc.etc.

• feste Teilchenfeste Teilchen(Pollen, Russ, Staub, (Pollen, Russ, Staub, Salzkristalle, etc.),Salzkristalle, etc.),

enthält weitere Bestandteile enthält weitere Bestandteile in in geringengeringen, aber , aber sehr variablensehr variablen Mengen : Mengen :

Gerade dieseGerade diese

« Minderheits- » « Minderheits- » Bestandteile Bestandteile

spielen bei gewissen spielen bei gewissen meteorologischen meteorologischen

PhänomenenPhänomeneneine wichtige Rolle :eine wichtige Rolle :

Wolken und Niederschlag,Wolken und Niederschlag,Treibhauseffekt, etc..Treibhauseffekt, etc..

5

Kapitel I : Eigenschaften der AtmosphäreKapitel I : Eigenschaften der Atmosphäre

I-1: Zusammensetzung der LuftI-1: Zusammensetzung der Luft

I-2: Temperatur und WärmeübertragungI-2: Temperatur und Wärmeübertragung

I-3: Der LuftdruckI-3: Der Luftdruck

6

I-2 : Temperatur und WärmeübertragungI-2 : Temperatur und Wärmeübertragung I-2-1 : DefinitionenI-2-1 : Definitionen

I-2-2: Beteiligte physikalische ProzesseI-2-2: Beteiligte physikalische Prozesse

A- WärmeleitungA- Wärmeleitung

B- KonvektionB- Konvektion

C- WärmestrahlungC- Wärmestrahlung

I-2-3: Mittlere Strahlungs- und KonvektionsbilanzI-2-3: Mittlere Strahlungs- und Konvektionsbilanzder Erde und ihrer Lufthülleder Erde und ihrer Lufthülle

I-2-4: Vertikaler TemperaturverlaufI-2-4: Vertikaler Temperaturverlaufund « Standardatmosphäre »und « Standardatmosphäre »

66

1111

1616

5959

1313

5454

2020

Die Temperatur ist ein Mass für …Die Temperatur ist ein Mass für …

heissheiss

und kalt.und kalt.

8

Sie beschreibt die Sie beschreibt die Bewegungsintensität der Atome und Bewegungsintensität der Atome und

Moleküle. Moleküle.

Je stärker die Je stärker die Bewegung, desto Bewegung, desto

höher ist die höher ist die Temperatur.Temperatur.

9

Hört die Bewegung auf,Hört die Bewegung auf, ist die Temperatur minimal:ist die Temperatur minimal:

«Absoluter«Absoluter» »

Nullpunkt.Nullpunkt.

0° K 0° K ((Kelvin)Kelvin)

-273° C -273° C ((Celsius)Celsius)

10

Der Temperaturanstieg eines Der Temperaturanstieg eines KörpersKörperserfordert die Zufuhr einer erfordert die Zufuhr einer bestimmtenbestimmtenWärmemengeWärmemenge WärmemengenWärmemengen

werden in werden in Joules Joules angegeben. angegeben.

bzw. bzw. Energie.Energie.

Pro Zeiteinheit ausgetauschtePro Zeiteinheit ausgetauschte WärmemengenWärmemengen werden werden

inin WattWatt angegeben. angegeben. Man spricht von «Man spricht von «  LeistungLeistung  ».».

11

I-2 : Temperatur und WärmeübertragungI-2 : Temperatur und Wärmeübertragung

I-2-1: DefinitionenI-2-1: Definitionen I-2-2: Beteiligte physikalische ProzesseI-2-2: Beteiligte physikalische Prozesse

A- WärmeleitungA- WärmeleitungB- Konvektion B- Konvektion C- WärmestrahlungC- Wärmestrahlung

I-2-3: Konvektions- und Strahlungsbilanz I-2-3: Konvektions- und Strahlungsbilanz der Erde und ihrer Lufthülleder Erde und ihrer Lufthülle

I-2-4: Vertikaler TemperaturverlaufI-2-4: Vertikaler Temperaturverlaufund « Standardatmosphäre »und « Standardatmosphäre »

Wärme breitet sich auf Wärme breitet sich auf drei Arten aus:drei Arten aus:

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Wärmeleitung Wärmeleitung ::

14

Luft ist ein schlechter Luft ist ein schlechter Wärme-leiter …Wärme-leiter …

oder eben oder eben ein guter ein guter Isolator.Isolator.

siehe Styropor, Glaswolle, siehe Styropor, Glaswolle, Schnee etc.Schnee etc.

15

Die Wärmeleitung erfolgt in Die Wärmeleitung erfolgt in dünnen Luftschichtendünnen Luftschichten

im Kontakt mit im Kontakt mit warmen Mauern und warmen Mauern und

Böden.Böden.

16

Konvektion :Konvektion :

17

Wärme wird durch Wärme wird durch Verschiebung des Verschiebung des Fluids (Flüssigkeit Fluids (Flüssigkeit

oder Gas) oder Gas) transportiert.transportiert.

18

Konvektion ist natürlichKonvektion ist natürlich(Heizkörper, Quellwolken etc.)(Heizkörper, Quellwolken etc.)

……… … oder oder erzwungen:erzwungen:

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Wind…Wind…

Turbulenz…Turbulenz…

und mechanische und mechanische Durchmischung.Durchmischung.

20

C: Die C: Die WärmestrahlungWärmestrahlung

C-3:C-3: Wechselwirkung der SonnenstrahlungWechselwirkung der Sonnenstrahlungmit der Erdatmosphäre und den Bödenmit der Erdatmosphäre und den Böden

C-2: C-2: Terrestrische und solare StrahlungTerrestrische und solare Strahlungvor dem Eintritt in die Erdatmosphärevor dem Eintritt in die Erdatmosphäre

C-1: Definitionen und EigenschaftenC-1: Definitionen und Eigenschaften

C-5C-5: Anwendung auf alltägliche Beobachtungen: Anwendung auf alltägliche Beobachtungen

C-4: C-4: Wechselwirkung der Erdstrahlung mit der Wechselwirkung der Erdstrahlung mit der AtmosphäreAtmosphäre

Die Die Wärmestrahlung :Wärmestrahlung :

……durch elektromagnetische Wellendurch elektromagnetische Wellen

wie Licht oder Radiowellen. wie Licht oder Radiowellen.

ististWärme-Wärme-

übertragunübertragung…g…

……ohneohneMaterial-Material-

transport…transport…

Im VakuumIm Vakuum breitet sich breitet sich WärmestrahlungWärmestrahlung - verlustfrei,- verlustfrei,- geradlinig,- geradlinig,- und fast augenblicklich aus.- und fast augenblicklich aus.

In Luft und gewissen transparenten Materialien In Luft und gewissen transparenten Materialien ändertändertsich die Ausbreitung bezüglich :sich die Ausbreitung bezüglich :

Geschwindigkeit und Richtung.Geschwindigkeit und Richtung.

Absorption und Streuung reduzieren die

Strahlungsenergie.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt 300 OOO km/s.Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt 300 OOO km/s.

23

erwärmterwärmter sich.er sich.

Empfängt ein Körper Strahlung,Empfängt ein Körper Strahlung,

Jeder Körper mit einer Temperatur über dem Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt strahlt Wärme ab.absoluten Nullpunkt strahlt Wärme ab.

Je nach Je nach TemperaturTemperatur des strahlenden Objektes des strahlenden Objektes erscheint uns diese Strahlung :erscheint uns diese Strahlung :

In beiden Fällen spricht man In beiden Fällen spricht man vonvon

« Schwarzkörperstrahlung ».« Schwarzkörperstrahlung ».

als als hell leuchtendhell leuchtend……

6000 K

Temperatur der Sonne :

oder aber oder aber

völlig unsichtbarvöllig unsichtbar..

Mittlere Temperatur der Erdoberfläche :

288 K288 K

Ein isothermer « Schwarzer Körper »Ein isothermer « Schwarzer Körper »ist ein gedachter Körper,ist ein gedachter Körper,

der sämtliche auftreffende Strahlungder sämtliche auftreffende Strahlungabsorbieren kann.absorbieren kann.

Der Schwarze Körper hat die TemperaturDer Schwarze Körper hat die Temperaturseines Strahlungsgleichgewichtes erreicht.seines Strahlungsgleichgewichtes erreicht.

Wenn die abgestrahlte EnergieWenn die abgestrahlte Energiedie absorbierte Strahlung kompensiert,die absorbierte Strahlung kompensiert,

stabilisiert sich die Temperatur.stabilisiert sich die Temperatur.

Er strahlt seinerseits Wärme ab mit einer Er strahlt seinerseits Wärme ab mit einer Intensität, die mit seiner Temperatur zunimmt.Intensität, die mit seiner Temperatur zunimmt.

Seine Temperatur erhöht Seine Temperatur erhöht sich somit fortlaufend.sich somit fortlaufend.

6000 K

Temperatur der Sonne :

Mittlere Temperatur der Erdoberfläche :

:

288 K288 K

Die Theorie des « Schwarzen Körpers » beschreibtDie Theorie des « Schwarzen Körpers » beschreibtdie Eigenschaften der Schwarzkörperstrahlung.die Eigenschaften der Schwarzkörperstrahlung.

Dies trifft speziell für die Abstrahlung vonDies trifft speziell für die Abstrahlung vonErde und Sonne zu.Erde und Sonne zu.

Diese Theorie ist deshalb interessant, weil sie dieDiese Theorie ist deshalb interessant, weil sie dieAbstrahlung realer Körper sehr gut widergibt.Abstrahlung realer Körper sehr gut widergibt.

27

Die abgestrahlte EnergieDie abgestrahlte Energie

- pro - pro ZeiteinheitZeiteinheit (Leistung) und (Leistung) und

- pro - pro FlächeneinheitFlächeneinheit

Es wird Energie abgegeben, man spricht von Es wird Energie abgegeben, man spricht von « « StrahlungsflussStrahlungsfluss » (bzw. « Intensität »). » (bzw. « Intensität »).

Er wird in Watt pro mEr wird in Watt pro m22 ((W.mW.m-2-2) ) angegebenangegeben..

ist ist eine reine Funktion der Temperatur.eine reine Funktion der Temperatur.

6000 K

HaupteigenschaftenHaupteigenschaften

28

ll

Die Wärmestrahlung besteht aus StrahlungDie Wärmestrahlung besteht aus Strahlungverschiedener Wellenlängen verschiedener Wellenlängen 11,, 2 2 ,, 3 3 ,, 44 … etc.etc.

((hier durch farbige Säulen dargestellthier durch farbige Säulen dargestellt).).Die enthaltenen Wellenlängen sind kontinuierlich Die enthaltenen Wellenlängen sind kontinuierlich

zwischen den Extremwerten zwischen den Extremwerten DD und und FF verteilt, verteilt, die von der Temperatur abhängen. die von der Temperatur abhängen.

Die Intensität der Teilstrahlungen (Die Intensität der Teilstrahlungen (SäulenhöheSäulenhöhe) ) ist eine Funktion:ist eine Funktion: - der Temperatur und - der Temperatur und

- der Wellenlänge. - der Wellenlänge.

FlussFluss

D FWellenlängeWellenlänge21 33 44

Jede Teilstrahlung tranportiert einenJede Teilstrahlung tranportiert einenTeil der abgestrahlten LeistungTeil der abgestrahlten Leistung

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D F

IntensitätIntensität

WellenlängeWellenlänge

Die Hüllkurve aller Teilstrahlungen

nennt man das« Emissionsspektrum » des Körpers.

Die gesamte pro mDie gesamte pro m22 abgestrahlte Leistung E wird abgestrahlte Leistung E wird

durch die Fläche unter der Hüllkurvedurch die Fläche unter der Hüllkurve

dargestellt.dargestellt.

Diese abgestrahlte Gesamtleistung EDiese abgestrahlte Gesamtleistung Eist proportional zu Tist proportional zu T44 , der vierten Potenz der Temperatur, , der vierten Potenz der Temperatur,

(d.h. zu T (d.h. zu T x x T T x x T T x x T, T, mit T in Kelvin mit T in Kelvin ).).

30

C: C: Die WärmestrahlungDie Wärmestrahlung

C-3: C-3: Wechselwirkung der SonnenstrahlungWechselwirkung der Sonnenstrahlungmit der Erdatmosphäre und den Bödenmit der Erdatmosphäre und den Böden

C-2: Terrestrische und solare StrahlungC-2: Terrestrische und solare Strahlungvor dem Eintritt in die Erdatmosphärevor dem Eintritt in die Erdatmosphäre

C-1: Definitionen und EigenschaftenC-1: Definitionen und Eigenschaften

C-5C-5: Anwendung auf alltägliche Beobachtungen: Anwendung auf alltägliche Beobachtungen

C-4: C-4: Wechselwirkung der Erdstrahlung mit der Wechselwirkung der Erdstrahlung mit der AtmosphäreAtmosphäre

31

50Fluss

P. Queney

Hier sind die theoretischen Spektren der Erdstrahlung für Hier sind die theoretischen Spektren der Erdstrahlung für verschiedene Bodentemperaturen dargestellt.verschiedene Bodentemperaturen dargestellt.

Die Strahlung umfasst Die Strahlung umfasst grosse Wellenlängengrosse Wellenlängen , ist ist ausschliesslich ausschliesslich infrarotinfrarot und somit und somit für uns unsichtbar.für uns unsichtbar.

Die gesamte Strahlungintensität beiT=213 K (-60 °C)

wird durch die schraffierte Fläche dargestellt.

Diese Strahlung wird zur Aufnahme von Satellitenbildern Diese Strahlung wird zur Aufnahme von Satellitenbildern genutzt (Infrarotbilder).genutzt (Infrarotbilder).

Die Wellenlängen der Erdstrahlung liegen zwischen 2 und 40 Die Wellenlängen der Erdstrahlung liegen zwischen 2 und 40 Mikrometern (Infrarot). Das Emissionsmaximum liegt bei 10-12 Mikrometern (Infrarot). Das Emissionsmaximum liegt bei 10-12 Mikrometern.Mikrometern.

32

Die Sonne hingegenDie Sonne hingegenmit ihrer Oberflächentemperatur von 6000 K mit ihrer Oberflächentemperatur von 6000 K

strahlt in einem sehr grossen Bereich von Wellenlängen.strahlt in einem sehr grossen Bereich von Wellenlängen.

Das Sonnenspektrum reicht vomDas Sonnenspektrum reicht vomfernen Ultraviolett (0,13 Mikrometer)fernen Ultraviolett (0,13 Mikrometer)

zum fernen Infrarot (mehr als 40 Mikrometer)zum fernen Infrarot (mehr als 40 Mikrometer)und umfasst das sichtbare Licht.und umfasst das sichtbare Licht.

Die Sonnenstrahlung ist jedochDie Sonnenstrahlung ist jedochim nahen UV, im sichtbaren Bereich und im im nahen UV, im sichtbaren Bereich und im

nahen IRnahen IRam intensivsten.am intensivsten.

33

Die AbstrahlungDie Abstrahlungvvon jedem on jedem mm2 2 der Sonnenoberfläche beträgtder Sonnenoberfläche beträgt

7348.107348.1044 W.m W.m-2-2

DieDie StrahlungsleistungStrahlungsleistungder gesamten Sonnenoberfläche Sder gesamten Sonnenoberfläche S

in alle Raumrichtungen beträgtin alle Raumrichtungen beträgt

4,5.104,5.102626 Watt Watt

Die Intensität der an der ErdatmosphäreDie Intensität der an der Erdatmosphäreeintreffenden Sonnenstrahlung isteintreffenden Sonnenstrahlung ist

viel geringerviel geringer..

34

Die gesamte Strahlung dehnt sich im interplanetaren WeltraumDie gesamte Strahlung dehnt sich im interplanetaren Weltraumtatsächlich verlustfrei aus.tatsächlich verlustfrei aus.

Aber sie verteilt sich aufAber sie verteilt sich aufzunehmend grössere zunehmend grössere

Kugelflächen,Kugelflächen,

so dass die Intensität im Verhältnisso dass die Intensität im Verhältnisder Kugelflächen abnimmt.der Kugelflächen abnimmt.

1 m2

35

Der auf der Verbindungslinie Sonne/Erde an der Der auf der Verbindungslinie Sonne/Erde an der ErdatmosphäreErdatmosphäre

eintreffende solare Strahlungsfluss heisst eintreffende solare Strahlungsfluss heisst SolarkonstanteSolarkonstante..

Ihr Jahresmittelwert beträgt 1370 W/mIhr Jahresmittelwert beträgt 1370 W/m22..

Nach Ankunft bei der Erdbahn,Nach Ankunft bei der Erdbahn,im Abstand von R = 150.000.000 km zur Sonne,im Abstand von R = 150.000.000 km zur Sonne,

beträgt die Intensität der Sonnenstrahlung nur nochbeträgt die Intensität der Sonnenstrahlung nur nochP/4P/4RR22 ((W/mW/m22).).

1 m1 m22

Ich will noch mehr wissen…

36

A: Reales Sonnenspektrum (in 600 km Höhe)

103

102

10

10-1

10-2

10-3

10-4

Watt/m2/Mikrometer

Sichtbar

Infrarot

Wellenlänge in Mikrometer

Ultraviolett

P. Queney

Reale und theoretische SonnenspektrenReale und theoretische Sonnenspektrenbeim Eintreffen an der Erdatmosphärebeim Eintreffen an der Erdatmosphäre

Ein Teil der Sonnenstrahlung wirdEin Teil der Sonnenstrahlung wirdvon der Sonnenatmosphärevon der Sonnenatmosphäre

absorbiert,absorbiert,

Dies erklärt den Unterschied Dies erklärt den Unterschied zwischenzwischen

dem dem realen Spektrum Arealen Spektrum Aund dem und dem theoretischen Spektrum theoretischen Spektrum

B.B.

hauptsächlich kurzwelligehauptsächlich kurzwelligeUV-Strahlung,UV-Strahlung,

die für uns schädlich wäre.die für uns schädlich wäre.

B: Theoretisches Spektrum (Schwarzer Körper von 6000 K in 150 Mio km Entfernung)B: Theoretisches Spektrum (Schwarzer Körper von 6000 K in 150 Mio km Entfernung)

BB

37

Verteilung des EnergiestransportesVerteilung des Energiestransportesauf die drei Wellenlängenbereicheauf die drei Wellenlängenbereiche

103

102

10

10-1

10-2

10-3

10-4

42,4 %

Sichtbar

InfrarotUltraviolett

B: Theoretisches Spektrum (Schwarzer Körper von 6000 K in 150 Mio km Entfernung)B: Theoretisches Spektrum (Schwarzer Körper von 6000 K in 150 Mio km Entfernung)

BB

9,2 %

9,2 % im UV-Bereich9,2 % im UV-Bereich

42,4 % im sichtbaren Bereich42,4 % im sichtbaren Bereich

48 %

48 % im Infrarotbereich48 % im Infrarotbereich

38

99% der eintreffenden Sonnenenergie 99% der eintreffenden Sonnenenergie wird im Wellenlängenbereich zwischen wird im Wellenlängenbereich zwischen

0,25 et 5 Mikrometer übertragen0,25 et 5 Mikrometer übertragen.

99% der 99% der eintreffenden eintreffenden

Sonnenenergie Sonnenenergie wird im wird im

Wellenlängenbereich Wellenlängenbereich zwischen zwischen

0,25 et 5 Mikrometer 0,25 et 5 Mikrometer übertragen. übertragen.

103

102

10

10-1

10-2

10-3

10-4

Zur Unterscheidung von der Erdstrahlung Zur Unterscheidung von der Erdstrahlung bezeichnet manbezeichnet man

die auf die Atmosphäre treffende die auf die Atmosphäre treffende SonnenstrahlungSonnenstrahlung

als als kurzwelligekurzwellige Strahlung. Strahlung.(und unterschlägt damit den langwelligen Teil, der im (und unterschlägt damit den langwelligen Teil, der im

Wellenlängenbereich der Erdstrahlung liegt).Wellenlängenbereich der Erdstrahlung liegt).

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C: Die C: Die WärmestrahlungWärmestrahlung

C-3: Wechselwirkung der SonnenstrahlungC-3: Wechselwirkung der Sonnenstrahlungmit der Erdatmosphäre und den Bödenmit der Erdatmosphäre und den Böden

C-2: C-2: Terrestrische und solare StrahlungTerrestrische und solare Strahlungvor dem Eintritt in die Erdatmosphärevor dem Eintritt in die Erdatmosphäre

C-1: Definitionen und EigenschaftenC-1: Definitionen und Eigenschaften

C-5C-5: Anwendung auf alltägliche Beobachtungen: Anwendung auf alltägliche Beobachtungen

C-4: C-4: Wechselwirkung der Erdstrahlung mit der Wechselwirkung der Erdstrahlung mit der AtmosphäreAtmosphäre

40

Die Wirkung der Die Wirkung der StrahlungStrahlung

auf den bestrahlten auf den bestrahlten Körper hängt von der Körper hängt von der

Wellenlänge ab.Wellenlänge ab.

41

Die Sonnenstrahlung Die Sonnenstrahlung durchquertdurchquert

transparente Materialientransparente Materialienohne wesentliche Erwärmungohne wesentliche Erwärmung

42

So ist Luft recht transparent für dieSo ist Luft recht transparent für diedirekte Sonnenstrahlung,direkte Sonnenstrahlung,

die die Atmosphäre ohnedie die Atmosphäre ohne

wesentliche Erwärmung durchquertwesentliche Erwärmung durchquert..

43

… … stark absorbiert, das sich stark absorbiert, das sich entsprechend erwärmt.entsprechend erwärmt.

Die Sonnenstrahlung Die Sonnenstrahlung wird durch dunkles wird durch dunkles

Material…Material…

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