Vorlesung Erd- und Produktionssystseme, Herbstsemester 2007 TEIL 2: KLIMASYSTEM

Vorlesung Erd- und Produktionssystseme, Herbstsemester 2007 1 Klimasystem und Wasserkreislauf Christoph Schär Institut für Atmosphäre und Klima ETH ...
Author: Leon Schuster
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Vorlesung Erd- und Produktionssystseme, Herbstsemester 2007

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Klimasystem und Wasserkreislauf Christoph Schär Institut für Atmosphäre und Klima ETH Zürich http://www.iac.ethz.ch/people/schaer

TEIL 2

Das Klimasystem

Schär, ETH Zürich

2

TEIL 2: KLIMASYSTEM Kapitel 5. Die Energiebilanz der Erde Kapitel 6. Rolle des Wassers im Klimasystem Kapitel 7. Allgemeine Zirkulation der Ozeane Kapitel 8. Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Kapitel 9. Klimazonen

Schär, ETH Zürich

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Kapitel 5: Die Globale Energiebilanz

reflektierte sichtbare Strahlung sichtbare Strahlung

Sonne emittierte InfrarotStrahlung

Aerosole

CO2

Energie-Input = Energie-Output Schär, ETH Zürich

4

Einfallende Sonnenstrahlung

extraterrestrische Sonnenstrahlung So = 1367 W / m2

Erdoberfläche 4 π r2

Mittlere einfallende Sonnenstrahlung Schär, ETH Zürich

Erdschatten π r2

S=

1 S 4 o

2

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Wärmestrahlung: Stefan Boltzmann Gesetz Ultraviolett sichtbar

Jeder Körper strahlt entsprechend seiner Temperatur und Emissivität elektromagnetische Strahlung ab.

Infrarot

Strahlungsdichte

Die Wellenlänge maximaler Intensität nimmt mit der Temperatur ab (Wien’sches Verschiebungsgesetz, 1893) Die abgestrahlte Energie nimmt mit der Temperatur zu (Stefan-Boltzmann Gesetz, 1879, 1884):

Leistung = σT 4 Fläche

Wellenlänge [nm]

Schär, ETH Zürich



1 nm = 10–9 m = 10–3 µm

[W/m2]

Der gesamte Sachverhalt wird durch das Planck’sche Strahlungsgesetz beschrieben (1900)

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Energiebilanz ohne Atmosphäre Short Wave –100%

Long Wave +33%

Energiebilanz der Erdoberfläche

+67%

EInput = EOutput So S 4 = α o + σT E 4 4

So/4

Albedo α≈0.3

+67%

–67%

Ohne Atmosphäre existiert ein Strahlungsgleichgewicht an der Erdoberfläche.

Stefan Boltzmann σ ≈ 5.67x10–8 W/(m2 K4)

TE

S (1− α ) TE = 4 o ≈ 255 K 4σ Beobachtete Oberflächentemperatur: 288 K

Schär, ETH Zürich

3

7

Energiebilanz mit einer idealisierten Atmosphäre Short Wave –100%

Long Wave +33%

Energiebilanz des Weltraums

+67%

So S = α o + σT 4A 4 4

So/4

TA

+67%

–133%

+67%

TE

S (1− α ) TA = 4 o ≈ 255 K 4σ

Energiebilanz der “Atmosphäre”

σ TE4 = 2 σ T 4A

Annahmen: • anstelle einer Atmosphäre: dünne Scheibe mit T=TA • transparent für Licht • schwarz für infrarotes Licht

TE = 4 2 T A = 1.19 T A = 303 K

Schär, ETH Zürich

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Idealisierte Atmosphäre

Reale Atmosphäre Short Wave

Long Wave

+67% In –100% der wirklichen+33% Atmosphäre wirken Treibhausgase und Wolken ähnlich wie die Scheibe in einem Treibhaus: Short Wave –100%

Short Wave

Long Wave +33%

–100%

+67%

Long Wave +33%

+67%

TA

+67%

–67%

TE = 255 K

TE

+67%

–133%

+67%

H2O CO2 CH4

TE

+67% +67% Beobachtet: T–133% E = 288 K

TE =303 K TA = 255 K

Treibhaus-Effekt

Allerdings: Wolken sind intransparent für sichtbare Strahlung. Im Mittel kühlen sie am Tag und wärmen in der Nacht.

Schär, ETH Zürich

4

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λE [normalized]

Atmosphärische Strahlung (Clear-Sky)

shortwave

longwave

Absorption [%]

visible

Wavelength [µ]

(Peixoto and Oort, 1992)

Schär, ETH Zürich

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Globale Energiebilanz Short Wave –100%

Long Wave

+22% +8%

CO2 H20

–58%

al glob on ti radia

+28%

Space

+10% +60%

+42%

–113%

+101%

+5% +25% Sensible Latent Heat Heat

–5%

Atmosphere

–25%

Land / Ocean Transport von Wärme und Wasserdampf Schär, ETH Zürich

(based on data of Ohmura and Wild)

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Einfallende Sonnenstrahlung W/m2

Einstrahlung an der Obergrenze der Atmosphäre als Funktion der Breite und Jahreszeit.

Latitude

Einflüsse: • Geographische Breite => Maximum in Tropen • Neigung der Erdachse von 23.45o => Jahresgang • Exzentrizität der Erdumlaufbahn (Distanz zur Sonne zwischen 1.017 und 0.983 AU, 1 AU=1.496x1011m)

Month

(Hartmann, 1994)

Schär, ETH Zürich

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Radiation balance [W/m2]

Zonale Energiebilanz Surplus

Deficit

Emitted Longwave

Absorbed Solar

Der Wärmetransport wird durch die Strömungen der Atmosphäre und der Ozeane bewerkstelligt.

Total

Northward energy transport [1015 W]

Ergibt eine Netto-Erwärmung in den Tropen, und eine Netto-Abkühlung in den polaren Regionen Diese Asymmetrie wird durch Wärmetransport ausgeglichen.

Latitude

Ocean

Atmosphere

–60 Schär, ETH Zürich

Faktoren: • Absorbierte Sonnenstrahlung • Emittierte Wärmestrahlung

–30

0 30 Latitude

60 (Hartmann, 1994; Peixoto and Oort, 1992)

6

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KAPITEL 6: Rolle des Wassers im Klimasystem Treibhauseffekt von Wasserdampf Wolken-Albedo Feedback Eis/Schnee-Albedo Feedback Latente Wärme im Klimasystem Thermische Trägheit von Wasser und Eis

Schär, ETH Zürich

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Wasser beeinflusst Strahlungshaushalt

Sichtbar: Dunkle Regionen: Erde absorbiert sichtbare Sonnenstrahlung

Schär, ETH Zürich

Infrarot: Dunkle Regionen: Erde emittiert Infrarotstrahlung in den Weltraum

7

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Absorption durch Spurengase – Treibhauseffekt

shortwave

H2O-Dampf ist das wichtigste Treibhausgas, nicht CO2 !

longwave

Absorption [%]

CH4 N2O

CO2 ist das wichtigste vom Menschen beeinflusste Treibhausgas

O2,O3 CO2 H2O Wellenlänge [µ] (Peixoto and Oort, 1992)

Schär, ETH Zürich

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Albedo-Feedback Oberfläche Wolken

Albedo = Anteil der reflektierten Sonnenstrahlung Short Wave

S

–100%

Long Wave

+33%

+67%

Schär, ETH Zürich

S·α

See, Ozean

+67%

–67%

Eis Schnee Gras Wald Globales Mittel

Bedingungen 100 m dick 500 m dick Zenitwinkel 30° 60° 85° alt-frisch

Albedo α 0.4 0.7 0.05 0.10 0.6 0.25-0.35 0.45-0.85 0.2-0.3 0.1-0.2 0.3

Oberfläche und Bewölkung sind wichtig für globale Energiebilanz: • Wolken-Albedo Feedback • Schnee/Eis-Albedo Feedback • Vegetation-Albedo Feedback

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Latente Wärme im Klimasystem Beim Verdunsten von Wasser muss Wärme aufgewendet werden, beim Kondensieren wird dieser Wärme wieder frei.

Kondensation Erwärmung

Verdunstung Abkühlung

Verdunstung / Kondensation ist mit einem impliziten Wärmetransport verknüpft. Anstelle von Wärme wird aber Wasserdampf transportiert. Man spricht deshalb von der “latenten Wärme”. Schär, ETH Zürich

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Phasenübergänge des Wassers

← Freeze ~340 J/g Melt →

Ice

← Condensate ~2450 J/g Evaporate →

Water

Vapor

← Resublimate ~2790 J/g Sublimate →

Schär, ETH Zürich

9

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Energieumsätze bei Erwärmung/Phasenwechsel 340 J/g

420 J/g

2450 J/g

Temperatur [ºC]

100

Wasserdampf

Waser und Wasserdampf ∆E=Lw-d

80 60

∆E=cp,Dampf·∆T

Wasser ∆E=cp,Wasser·∆T

40 20

Eis und Wasser ∆E=Le-w

0 -20 -40

Eis ∆E=cp,Eis·∆T 0

Schär, ETH Zürich

1000 2000 Energieinput [J/g]

3000

Bei der Erwärmung von Eis (0ºC) zu Wasserdampf (100ºC) wird 86% der Energie in die Phasenübergäge gesteckt und nur 14% in die eigentliche Erwärmung!

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Inhalt Kapitel 5. Die Energiebilanz der Erde Kapitel 6. Rolle des Wassers im Klimasystem Kapitel 7. Allgemeine Zirkulation der Ozeane Kapitel 8. Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Kapitel 9. Klimazonen

Schär, ETH Zürich

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Vertikale Struktur des Ozeans Jahresmittel

Jahresgang (50°N)

Salinität [‰]

Dichte [ρ–1000 kg/m3] Oberflächenwasser Thermokline

Tiefe [m]

Dichte

Salinität

Tiefenwasser

Temperatur

Temperatur [°C] (Hartmann 1996)

Schär, ETH Zürich

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Temperatur und Salinität im Ozean

Schär, ETH Zürich

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Meeresströmungen

Westwindgürtel

Passatwindgürtel

Westwindgürtel

Western Boundary Current

Eastern Boundary Current

(Peixoto and Oort 1992)

Schär, ETH Zürich

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Meeresströmungen Oberflächliche Meeresströmungen werden durch Wind angetrieben Sie bestimmen Temperaturverteilung (z.B. Abweichung vom zonalen Mittel) Leisten einen Beitrag zum meridionalen Temperaturtransport Deviation of July sea-surface temperature (SST) from zonal average. Values less than –1ºC are shaded.

Schär, ETH Zürich

(Hartmann 1996)

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Tiefe Ozeanische Zirkulation (Termohaline Zirkulation)

• Tiefe Ozeanzirkulation wird durch DichteUnterschiede angetrieben (Temperatur und Salinität => „thermohalin“)

Energy Transport [10 15 W]

Ocean Conveyor Belt (Schematic)

N

S

• Beeinflusst den meridionalen Wärmetransport Schär, ETH Zürich

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Kohlenstoff-Kreislauf und Ozeanzirkulation

Anthropogene C-Konzentration in den Ozeanen. Das im Vergleich tiefere Eindringen im Nordatlantik ist durch die thermohaline Zirkulation verursacht. Schär, ETH Zürich

(Sarmiento and Gruber 1992)

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Meereis Feb 9, 2000

June 11, 2001

In den Polarregionen sind Atmosphäre (kalt) und Ozean (warm) durch eine dünne Schicht Meereis voneinander isoliert. Hat grosse Bedeutung für Energieaustausch. Schär, ETH Zürich

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Polareis und Meereis

Schär, ETH Zürich

(Peixoto and Oort 1992)

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Seasonal Variations of Snow and Sea Ice Sea Ice Cover

Area [ 106 km2]

Snow Cover

land surface area: 149·106 km2 sea surface area: 361·106 km2 (Peixoto and Oort 1992)

Schär, ETH Zürich

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Inhalt Kapitel 5. Die Energiebilanz der Erde Kapitel 6. Rolle des Wassers im Klimasystem Kapitel 7. Allgemeine Zirkulation der Ozeane Kapitel 8. Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Kapitel 9. Klimazonen

Schär, ETH Zürich

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Struktur der Atmosphäre Density Pressure [hPa] [g/cm3]

Height [km]

10–4 10–6

100 10–3

10–5

10–2

10–4

10–1

Thermosphere

90 80 70

Mesosphere Mesosphere

60 10–3

1

10–2

10

50 40

10–1

102

1

103

30

Stratosphere

20 10 Troposphere –100

–80

–60

–40

–20

0

20

oC

Temperature

Schär, ETH Zürich

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Die Hadley Zirkulation

Altitude

Hadley Circulation

Passat

Passat

Innertropische Konvergenzzone Schär, ETH Zürich

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Mittlere Meridionale Zirkulation (N und S-Komponente) [kg/s]

Altitude [km]

Zonal gemittelter Massenfluss • Hadley Zirkulation ist viel stärker auf der Winterhemisphäre [kg/s]

• Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) verschiebt sich gegen Sommerhemisphäre • Zonal gemittelte Zirkulation in den Aussertropen ist sehr schwach (Hartmann, 1994)

Schär, ETH Zürich

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Rolle der Hadley-Zirkulation für Vegetation Höhe [km] 0

10

20

Meridionale Zirkulation (Jahresmittel) Schär, ETH Zürich

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Mittlere Zonale Zirkulation (O und W-Komponente) [m/s]

Altitude [km]

Aussertropischer Westwindgürtel (Jetstream): • Ist verknüpft mit dem warm/kalt Kontrast vom Äquator zu den Polen

[m/s]

• Stärker in Winterhemisphäre • Ist verantwortlich für die Bildung von Hochund Tiefdruckgebieten (Hartmann, 1994)

Schär, ETH Zürich

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Beispiel eine Tiefdruckgebiets: 850 hPa=1.5 km über Grund

L Temperatur: in Farbe Geopotential (Druck): Kontouren

Transportiert warme Luft nach Nord und kalte Luft nach Süd

Schär, ETH Zürich

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45

Niederschlag

L

Schär, ETH Zürich

46

IR Satellite Picture

L

Schär, ETH Zürich

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Relative Feuchte

L Rel. Feuchte 850 hPa: in Farbe Bodendruck: Kontouren

Transportiert feuchte Luft nach Nord und trockene Luft nach Süd

Schär, ETH Zürich

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Zugbahnen der Tiefdruckgebiete • Tiefdruckgebiete bilden sich vorzugsweise im Osten der Kontinente • Auf der Nordhemisphäre ergibt sich die Atlantische und Pazifische Zugbahn

Schär, ETH Zürich

(James, 1994)

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Mittlerer Bodendruck

L H

L

H

Juli

L

H

H

Januar Wichtige Druckzentren Eurasiens: • Azorenhoch • Islandtief • Sibirische Antizyklone (ERA-15, 1979-93 mean)

Schär, ETH Zürich

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Inhalt Kapitel 5. Die Energiebilanz der Erde Kapitel 6. Rolle des Wassers im Klimasystem Kapitel 7. Allgemeine Zirkulation der Ozeane Kapitel 8. Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Kapitel 9. Klimazonen

Schär, ETH Zürich

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Klimazonen

Köppen Climates Tropical Dry Monsoon type Steppe Desert No dry season Cold Distinct dry season General cold Temperate Weak P seasonality General temperate Monsoon Type Weak P seasonality Winter dry season Polar All polar subtypes Summer dry season International River Basin

Schär, ETH Zürich

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