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 10/11Atmosphäre

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 Meteorologieaus: 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 YorkFLOHN, 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, BraunschweigOKE, T. (1999): Boundary layer climates. – LondonSCHÖNWIESE, C.-D. (2008): Klimatologie. – UTB für Wissenschaft, StuttgartWEISCHET, W. & Endlicher, W. (2008): Einführung in die Allgemeine Klimatologie. – Physikalische und meteorologische Grundlagen. StuttgartIPCC (2007): Climate Change 2007: The Physical Science BasisIPCC (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

Winter21.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 VerschiebungsgesetzWellenlänge der intensivsten

Abstrahlung

λmax = • T-1 : Naturkonstante mit 2898 m K

T: 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

Strahlung Albedo

Oberfläche Albedo (%)

Grasfläche 16 - 20Prärie 14 - 16Ackerboden (dunkel) 7 - 10Wald (trop. Regenwald) 10 - 20Nadelwald 5 - 12Sand 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 (%)

BewölkungCumulonimbus ca. 90Nimbostratus 64 - 70Cirrostratus 44 - 59Stratocumulus 35 - 80Stratus (300-600 m dick) 50 - 73Cirrus 15 - 20

Erdoberfläche (Mittel) 15

System Erde-Atmosphäre 31

24

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%

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 Strahlungshaushaltaus: Lexikon der Geowissenschaften

2002

28

Strahlung Globale Oberflächentemperatur

29

mittlere jährliche Strahlungsbilanz des Systems Erde/Atmosphäre in Abhängigkeit von der geographischen Breite.

Strahlungsbilanz und geographische Breite

30

Energiespeicherung und Energietransporte erfolgen durch:

1. Strahlung (Strahlungsenergie)

2. Wärmeleitung (fühlbare Wärme)

3. Energieträger (latente Energie, Wasser, Luft)

Energiehaushalt Globale Energietransporte

31

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.

32

Latente Energie Phasenübergänge

aus: Baumgartner und Liebscher 1996

33

Latente Energie Absolute Wasserdampfmenge der Luft

aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002

34

Latente Energie Globale Wassertransfers aus: Lexikon der Geowissenschaften 2002

35

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)

36

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

37

Energiehaushalt Global

38

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

39

Temperatur Messgeräte

Flüssigkeitsthermometer(Quecksilber (-39°C), Alkohol...)

Min/Max-ThermometerBimetallthermometer

Englische Wetterhütte (2 m über Grund)

Thermograph

Widerstands-thermometer

40

Temperatur Globales Beobachtungssystem

41

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

42

Temperatur Jahresschwankung

DublinBonnWarschauNowosibirsk

-25-20-15-10

-505

10152025

Jan

Mai Jul

Sep Nov

05

101520253035

Jan

Mai Jul

Sep Nov

LibrevilleRangun

05

1015202530

Jan

Mai Jul

Sep Nov

Tunis

-35-30-25-20-15-10

-505

10

Jan

Mai Jul

Sep Nov

Nord

°C

°C°C

°C

43

Mittlere jährliche Temperaturen (schwarze Punkte) mit Trends für verschiedene Perioden

Globales Klima Klimaerwärmung

(IPCC 2007)

44

Strahlung Strahlungshaushaltaus: Lexikon der Geowissenschaften

2002