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Das Klima der Erde I. Mensch, Klima und Klimasystem
Max Camenzind
Bildungszentrum HD
WS 2015/16 www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi
• 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
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
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 – 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
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“.
Ozeane sind ein wesentlicher Bestandteil des Klimasystems und stehen vor allem im Austausch mit der Atmosphäre.
Wärme- und Gasaustausch
zwischen Atmosphäre & Ozean
Die wichtigsten Gase beim natürlichen Treibhauseffekt sind
Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4).
Ohne Treibhauseffekt <T> = -18 ° C !!! Schneeball-Erde !
Die Atmosphäre als “Treibhaus”
Klima: Temperatur || CO2 ? Generell wärmer – außer Karbon-Perm-Eis
CO2 Faktor 20 höher
Dieter Kasang
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
• 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
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