Energie und das Klima der Welt 3. Stunde: Wundersame Atmosphäre
Christoph Buchal Forschungszentrum Jülich und Universität zu Köln Köln, Sommer 2016
Universität zu Köln
Sie können sich mit dieser Vorlesung maximal 5 CP erarbeiten Das SEMINAR ist nach der Vorlesung, HIER . Seminarthemen u.a.: Plattentektonik
Fracking
Geothermie
Ozeane
Photosynthese
Ozon
Brennstoffzellen
Methanhydrat
Wärmepumpe
Therm. Kraftwerke
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Heute: 1. Kurzbericht Energietagung der DPG
2. Die erstaunliche Physik der Atmosphäre („Dynamik“) (nächste Woche: Einstrahlung, Treibhaus, …) www.mint-shop24.de pdfs:
FZJ - Über uns - Institute - PGI-9 - Buchal - Vorlesung
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Luft und Wasser, Wärme, Rotation und Strahlung!
Der Wunder sind allzu viele … ( Fangen wir wieder von vorne an: 13,7 Mia Jahre, Sternenschrott, SuperNovae,.. )
Sonne: 150 Mio km; 5800 K; 4,6 Mia Jahre alt Venus: run-away-Treibhaus
Mars: zu klein, zun kalt Weltall: 2,7 K Mond: 255 K (= - 18°C) Wir:
288 K ( = 15°C) wg. 33 K Treibhauseffekt
eine wundervolle, passende Temperatur für die 3 Phasen des Wasser
Das Leben erschafft sich den Luft - Sauerstoff
Wasser-Mantel für die Erde Oxidation, „rostige Erze“ Leben, Photosynthese im Wasser … O2
Ozon Landgang, Kohle… Pflanzen … Tiere
Snowball Earth: Albedo - Labilität
Wassersäule Luftsäule
„Homogene Atmosphäre“ Wasser f-fl-g: T, fühlbare Wärme, latente Wärme, Dampfdruck Wolken Hochs und Tiefs Coriolis Luft-Strömungen und Klimazonen
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Wassersäule: 1 g/cm³ … 10 m -> 1000 g/cm³ , 1 bar, 1013 hPa (Pa = Newton/m²)
10 m Wassersäule kann eine Pumpe auf N.N. ansaugen (Hohe Bäume nutzen starke Kapillarkräfte!)
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Trieste, Auguste Piccard, 10960 mTiefe, 1960 Auftriebskörper „unten offen“: Benzin (Luft) Ballast: Eisenkette Eisenschrott Druckbereich: Stahlkugel mit Glasfenster max. Druck war 1170 bar •
Mil. U-Boot: max. 600 m (60 bar)
Wassersäule: 1 g/cm³ … 10 m -> 1000 g/cm³ , 1 bar, 1013 hPa (Pa = Newton/m²)
Luftsäule, startet auf Meeresniveau: 1,3 kg/m³ (N.N., 0 °C) „Homogene Atmosphäre“ = Luft von 1,25 kg/m³ (N.N.; 15°C) ergibt Höhe von 8 km.
Real: je höher, desto weniger Druck (ist trivial)
ABER: Gas, kompressibel, Dichte proportional Druck Universität zu Köln
Luftsäule, startet auf Meeresniveau, N.N. : „Homogene Atmosphäre“ = Luft von 1,25 kg/m³ (N.N.; 15°C)
ergibt
Höhe von 8 km.
Erdoberfläche x 8 km = 4,08 x 1018 m³ , Das ist die gesamte Luftmenge bei 1,25 kg/m³
400 ppm CO2 ergeben 1,63 x 1015 m³ CO2 global 1,63 x 1018 Liter ergeben 3200 Gt CO2 in der Luft global (1 Mol Gas = 22,4 Liter, 1 Mol CO2 wiegt 44 Gramm, 1 Gigatonne = 109 Tonnen = 1015 Gramm )
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Luftsäule, startet auf Meeresniveau: 1,3 kg/m³ (N.N., 0 °C) „Homogene Atmosphäre“ = Luft von 1,25 kg/m³ (N.N.; 15°C) ergibt Höhe von 8 km. Real:
je höher, desto weniger Druck (ist trivial)
ABER:
Gas, kompressibel, Dichte proportional Druck
Aus der Höhe kommend: Hoch oben nur ganz geringer Druck, ganz geringe Luftdichte, sehr leichtes Gas Tiefere Schichten: Der Druck der überlagerten Gasschichten bewirkt höhere Dichte, Immer tiefer: Was hinzu kommt, wird immer schwerer - um so schneller steigt der Druck
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Luftsäule auf Meeresniveau:
1,3 kg/m³ (N.N., 0 °C)
Wärmeinhalt „relativ gering“:
1 kJ / kg K (kJ/kg°C)
Wasser (flüssig, 20°C)
4,2
Wasser erwärmen 0..100°C:
240
Wasser verdunsten (0°C):
2500
Wasser sieden (100°):
2260
Merke: 3 m³ Luft haben dieselbe Wärmekapazität wie 1 Liter fl. Wasser (Ozean) 8000 m³ Luft entsprechen 2700 Liter Wasser … 1 m³ x 2,7 m ….
!!!
Wärmekap. der kompletten Luftsäule entspricht 2,7 m Wassertiefe im Ozean
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(N.N., 0 °C)
Luftsäule auf Meeresniveau:
1,3 kg/m³
Wärmeinhalt „relativ gering“:
1 kJ / kg K (kJ / kg°C)
Aber es gibt viele schnell bewegte Luftmassen, und das Wasser ist ~10 x langsamer
Wasser (flüssig, 20°C)
Wasser erwärmen 0 - 100°C:
4,2 kJ / kg K (kJ / kg°C)
240
Wasser verdunsten (0°C):
2500
Wasser sieden (100°):
2260
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Verdampfen benötigt 10 x mehr Energie als Erwärmen von 0°C
Verdunsten (0°C): 0,7 kWh / kg
Luftsäule, startet auf Meeresniveau: 1,3 kg/m³ (N.N., 0 °C) Real:
je höher, desto weniger Druck (ist trivial) Gas, kompressibel, Dichte proportional Druck
Gasgesetz:
p●V = nRT
( V: Mol-Volumen, n: Mol-Zahl )
Umwandeln ( … ) für den Fall der adiabatischen Expansion/Kompression:
dT / d (Höhe) = - 1 K / 100 m (trockene Luft) Meistens kommt der komplizierte Einfluss des Wasserdampfes hinzu … : dT / d (Höhe) = ca. – 0,5 K / 100 m (feuchte Luft)
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•
Föhnsturm im Puschlav – Tal, Höhendiff ~1500 m, 5°C … > 20°C
Dampfdruck und Partialdrücke (Klima S. 53)
•
In der Höhe wird die Luft immer trockener
Luftsäule, startet auf Meeresniveau: 1,3 kg/m³ (N.N., 0 °C) Real:
je höher, desto weniger Druck (ist trivial) , desto kälter dT / d (Höhe) = - 1 K / 100 m (trockene Luft)
Meistens kommt der komplizierte Einfluss des Wasserdampfes hinzu … : dT / d (Höhe) = ca. – 0,5 K / 100 m (feuchte Luft) „ Kondensationsnergie“
Wasserdampf ist unsichtbar, WOLKEN = Tröpfchen oder Kristalle
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Energiereich !
Steigt bis in die Stratosphäre Auf- und Abwinde (Ewa Wisnierska, Paraglider, bis in 9000 m gesaugt, fast erfroren ) Regen, Hagel
Durchmischung Am Äquator: sehr häufig
Hurricane, Zyklon, Taifun: Energiereiche Wärmekraftmaschine
Nie am Äquator, Wassertemp. >26,5°C
Corioliskraft !
Zelle, Luftmasse, Hoch, Tief, Jet (Film zeigen!)
Warum ist diese einfache Form auf der Erdkugel nicht realisiert?
Das ist OK!
J = Jetstream
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Tiefdruck: Einströmung durch Bodenreibung gekrümmt, sonst längs Isobaren
Luftsäule, startet auf Meeresniveau: 1,3 kg/m³ (N.N., 0 °C) Real:
je höher, desto weniger Druck (ist trivial) , desto kälter dT / d (Höhe) = - 1 K / 100 m (trockene Luft) dT / d (Höhe) = ca. – 0,5 K / 100 m (feuchte Luft) „ Hohe Kondensationsenergie“
Wasserdampf ist unsichtbar, WOLKEN = Tröpfchen oder Kristalle
Merke: Hoch = absinkende Luft,
… sonnig, Drehsinn
Tief = Hebung der Luft,
… Regen, Drehsinn
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Hadley – Zelle,
Höhen-T … Boden-H und analog
Passatwinde wehen immer westwärts (Ostwinde)
Sommer (Nordhalbkugel)
Winter (trocken)
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Was geschieht, wenn warme und kalte Luft zusammentreffen ?
Turbulenz, Chaos … Wetter- ja, Klima: nein?
Metereologen wissen: Vorhersehbar sind max. 7 Tage (in unserer Region) Klimatologen postulieren: Mittelwerte über 30 Jahre sollten das Chaos „wegmitteln“, das scheint ein Irrtum zu sein. (Film mit der Kaltluft – Höhen – H – T - Erläuterung)
Unser Wetter seit Samstag: Einbruch polarer Kaltluft
Dampfdruck und Partialdrücke (Klima S. 53)
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In der Höhe wird die Luft immer trockener
Wolken und Niederschläge sind sehr schwer zu Modellieren
trocken: 1 °C/100 m
0,6°C/100m Falls Ozeantemp. um 1 °C steigt → Verdunstung steigt um 7% (11°C → 100%, Verdoppelung) Wolken kühlen … oder wärmen… Regen ist gut für …. Nordafrika, M.East, Antarctica + Überschwemmungen sind unerwünscht…
GROWTH of global CO2-Emiss: 10 000 Mio t in 12 years = 800 Mio t per year (2%/y) German National Total: 900
