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
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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
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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
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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]
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€
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
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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
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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.
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λE [normalized]
Atmosphärische Strahlung (Clear-Sky)
shortwave
longwave
Absorption [%]
visible
Wavelength [µ]
(Peixoto and Oort, 1992)
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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)
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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)
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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
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Wasser beeinflusst Strahlungshaushalt
Sichtbar: Dunkle Regionen: Erde absorbiert sichtbare Sonnenstrahlung
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Infrarot: Dunkle Regionen: Erde emittiert Infrarotstrahlung in den Weltraum
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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)
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Albedo-Feedback Oberfläche Wolken
Albedo = Anteil der reflektierten Sonnenstrahlung Short Wave
S
–100%
Long Wave
+33%
+67%
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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 →
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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
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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
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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)
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Temperatur und Salinität im Ozean
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Meeresströmungen
Westwindgürtel
Passatwindgürtel
Westwindgürtel
Western Boundary Current
Eastern Boundary Current
(Peixoto and Oort 1992)
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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.
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(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
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(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)
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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
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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
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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)
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Rolle der Hadley-Zirkulation für Vegetation Höhe [km] 0
10
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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)
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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
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Niederschlag
L
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IR Satellite Picture
L
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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
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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
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(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)
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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
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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
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