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Mitschrift (Lernskript)

Klimamod­elle und globale Erwärmung: Ein umfassen­der Leitfade­n

2.234 Wörter / ~11 Seiten sternsternsternsternstern_0.5 Autorin Dominique B. im Mrz. 2009
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Mitschrift
Geowissenschaften

Universität, Schule

Leopold-Franzens- Universität Innsbruck

Autor / Copyright
Dominique B. ©
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Format: pdf
Größe: 0.48 Mb
Ohne Kopierschutz
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sternsternsternsternstern_0.5
ID# 493







1. Einführung

 

Klima ist nicht 100% rekonstruierbar bsp. bei der Ermittlung von Moränenalter (Ablesbar an Hochständen etc.) -> Modelle helfen helfen auszuschließen

 

- System: ideal: wäre ein geschlossenes System -> in Realität nicht oft!!

                 real: offene, dynamische Prozesse (Veränderungen mit der Zeit)

 

-Systemoperator:

Aufgaben:

  • Natur des Systems: physiogeographische Faktoren z.T. parametrisieren
  • ð  Definition von Modellparameter

  • Modellstruktur: physikalische Prozesse werden beschrieben
  •  

    - Modellstruktur- Modellparameter- Modell

    Def. DUDEN: eine vereinfachte Darstellung eines Gegenstandes oder des Ablauf eines Sachverhaltes, die eine Untersuchung oder Erforschung erleichtern oder erst möglich machen.

     

    -          vereinfacht -> nicht alle Details!!!

    Globale vs. Regionale Modelle

    -          Kopplung von Modellen -> wann sinnvoll?

    -          Modelle sollten quantifizierbare Ergebnisse bringen

     

    - Modellarten:

    1. Physikalische Modelle

    Verkleinerte, vereinfachte Darstellung von Gegenständen

    Wasserbauer: bauen sich Flusslauf nach- dann was hineingebaut um zu sehen was sich wie verändert (kaum Verwendung in NAWIn)

     

    2. Physikalisch Analoge Modelle

    Vom gegenständlichen bzw. ideellen, fiktiven Original (Wirklichkeit) wird ein gegenständ-

    liches oder ideelles Modell in einer anderen physikalischen Grundqualität abgeleitet,

    das heißt, es findet ein Wechsel der physikalischen Ebene statt. Als Beispiel sei die Ana-

    logie zwischen einem akustischen, einem mechanischen und einem elektrischen Netzwerk

    genannt. (Quelle: Wiki) HIER: Analogie zw. Natürlichen Prozessen und laborartige Zusammenhänge -> werden hergenommen um natürliche Prozesse leichter zu verstehen

     

    -> NICHT nachgebaut, sondern etwas wird ausgerechnet (Anwendung in Ingenieurswissenschaften und teilweise in NAWIn)

     

    3. Mathematische Modelle

    3.1. Statistische Modelle

    3.1.1. Parametrisches Modell:

    A) Black Box: man weiß nicht was passiert-> innere Funktionen sind uninteressant. 2Parameter/ Variable; Erfahrungen- Messreihen

    B) Grey box: 3 Parameter als Input, Funktionsweise teilweise unbekannt

    C) White Box: kleinere Details, -> Analyse von inputs und outputs -> Funktionsweise des Systems teilweise bekannt

     

    ð  einfache Regression ohne Physik!

     

    3.1.2. Stochastische Modelle:

    Methode in der Statistik, die sich mit Zufalls- und Extremereignissen beschäftigen –Häufigkeitswerte

     

    4. Deterministische Modelle

    auf physikalische Gesetzmäßigkeiten basierend; beschreibende Prozesse im System drinnen

    selten: physikalischer Prozess nur für 1Einheit in System geltend -> nicht genügend Inputs

     

    ð  nur in physikalischen Labors vorkommend

    Ziele: Wie wird g sein in einem System, wenn ich p hineingebe?

    è Verständnis

    è Prognose

    è Von g auf p rückschließbar

     

    2. Grundstruktur eines globalen Klimas:

     

    -          global warming: mehr Energie im System als? Benötigt??

    -          Klima beschreibt ein Gleichgewicht-> ist der mittlere, energetische Zustand des Systems ( ändert man einen Zustand -> ändert sich das gesamte System)

     

  • Energetische Gleichgewicht
  • Annahme: Sonne= Kugel= Energiequelle (Anm.: Modell, da Sonne in Realität keine Kugelform besitzt)

     

     

     

    Sonne gibt Wärme an die Umgebung ab -> Oberflächentemperatur der Sonne (Ts)

     

  • Stefan Bolzmann Konstante
  • E= t * e*T4

     

    Es= t*e*Ts4

     

    E… Energieflussdicke [Js]

    t… Stefan- Bolzmannkonstante (t= 1,3799*10-23 JK-1)

    e… Emissionskoeffizient

    T…Temperatur des Emittenten (Anm.: Sonne hat keine konstante Temperatur -> je kleiner die Temperatur desto kleiner wird E)

    Fs= es*t*Ts4

    e.. Emissionsvermögen = 1; kann daher weggelassen werden bei der Sonne; 1 bei idealen schwarzen Körper (100% Abgangsfähigkeit)

     

  • Energiefluss der Sonne
  • Fs= Es* 4r2p

     

    Steady- State= Gleichgewichtszustand (heute nicht mehr im Gleichgewicht)

     

    Fs= Es*As= Fo

    As= Oberfläche der Kugel

    Fo= ???                                                 (0= gedachte Kugelschale)

     

    Fs = ts4*4rs2p = Fo

     

    Gleichgewicht 1:

    Fo= S0*4(rs+x)2p

     

    S0= Solarkonstante (NICHT konstant!!)

     

    Gleichgewicht 2:

    Fs               = ts4*4rs2p = Fo

                = Es* 4rs2p = S0*4(rs+x)2p

     

    So         = [Es*4rs2p]/ [4 (rs+x)2p]

    So                  = Es (Ts) [rs2]/ [(rs+x)2]

     

    So         = 1369 [W/m-2]

     

    So schwankt 10% durch

    -          Aktivitäten der Sonnenoberfläche (Sonnenfackeln, Protuberanzen)

    -          Umlaufbahn der Erde= ellipsenförmig -> Umlaufbahn selber schwankt

    -          Derzeit Erde im N- Winter nähere Position an Sonne

     

    Bsp.:

    Angabe:

    t= 5,6703* 10-8 [Wm-2k-4]

     

    =>

    Ts= 5800K

    Es= 6, 417*107Wm-2

    rs= 0,696*109m

    x= 150*109m

      

    Ts=

    Es= mittlere …

     

     

    Raumwinkel, der die Strahlung der Sonne einnimmt, ist rechtwinkelig, weil die Sonne so weit von der Erde entfernt ist und die Sonne viel größer ist => Annahme von paralleler Einstrahlung :

     

    Auf Grund der Rotation der Erde: immer ein Teil von der Sonne beschienen.

     

    FE       = So* rE2p

    FE               = Energiefluss den Erde bekommt

     

    FE               FE       = Klima (-gleichgewicht)

         … Energiefluss gleichsetzen

    Verändert sich die Gleichung-> verändert sich das Klima

     

    DA:

    Sonne ist kein schwarzer Körper -> Energie von Sonne wird in sichtbaren Wellenlängen emittiert. Das heißt, wir sehen Farben.

    -          schwarz: guter Absorber (alles wird aufgenommen)

    -          weiß: Wolken

    -          a= 0 (alles aufgesogen)

    -          a= 1 (alles reflektiert)

    -          aE= 0,31b(Reflexionsvermögen; Albedo)

    Gleichgewichtstemperatur der Erde:

     

    So* rE2p (1- aE)            =          Es* As

    So* rE2p (1- aE)            =          eo*t*TE4*4rE2p

    TE                                                                =          4Ö[[So(1-aE)]/[4t]]

    TE                                                                =          254,25K

    TE                                                                =          -18,9°C                        =          Gleichgewichtstemperatur der Erde

    (unter der Annahme: KEINE Atmosphäre)

    Inkl. Atmosphäre:

     

    Keine Obergrenze d. Atmosphäre definierbar

    dP/dz ¹ konstant

    dT/dz ¹ konstant

     

    Atmosphäre inkompressibel machen:

    dP/dZ= konstant

    dT/dz= konstant

     

    dT/dz= -0,0065Km-1

    zo= 5200m

     

    dT/dz*zo= -0,0065*5200= -33,8K

    TE                 =          4Ö[[So(1-aE)]/[4t]] + dT/dz*zo

    TE                 =          -18,9+33,8      =          14,9°C                         =          TE         =          EE

     

    TE… global, gemittelte Oberflächentemp.+ Ausdruck für Treibhauseffekt

    So… extraterrestrischer Parameter: *Sonnenaktivität

                                                               * Sonnenbahn- und Erdbahnschwankungen

                                                                           => Milankovic- Zyklen: je kälter, desto mehr CO2

         kann gelöst werden

    aE… Antropogen beeinflusst:             * Landnutzung

                                                               * Schwefelverbindungen:     

    - Abkülungseffekt (Schwefelpartikel lassen nicht die gesamte Strahlung durch)

    - groß genug für Tröpfchenbildung

                                                               * weiße Flecken reflektieren viel

    dT… je höher dT, desto höher Gesamtwert von dT/dz*zo

    dz… je höher dz, desto kleiner der Gesamtwert dT/dz*zo

     

    3. Klimamodell

    - Klimamodell zum globalen Betrachten- nicht für regionale Betrachtung geeignet

    - „dieser Herbst war wärmer“ -> kein Klima sondern rauschen

    - „dieser Herbst ist im Mittel von 100Jahren wärmer als…“ -> schon eher Klima

    - Mittel sollte 30Jahre betragen -> derzeitige Vergleichsperiode von 1961- 1990

     

    3.1. Rekonstruktion von Klima

    1. Gletschereis: impermeabel, Poren komplett geschlossen

    Minimalste Einflüsse der Atmosphäre werden beim Schneefall und anschließender Eisbildung konserviert => Rückschlüsse auf Klima

    ABER: es dauert, bis Schnee zu Eis wird:      bei uns:           ~ 10 Jahre

                                                                           In Tropen:       ~ 10 Tage

                                                                           In Arktis:         ~ 100 Jahre

    Auf Grund der Schneeschmelze sickern Infos weiter nach unten -> Infos gehen verloren => daher Untersuchungen in Arktis (dauert sehr sehr lange!!!)

    PROBLEM: Wie viel Infos hat die eingeschlossene Luft wirklich noch von jenem Tag, als es geschneit hat? -> klimatische Infos??

     

     

    EE*As= FE

    EE= t * TE4

     

    So/p= vom Durchmesser dann gleichmäßig auf Umfang

    =>

    Go= [So/p] * (1-a)

    bei j= 0

     

    Go(j)= So * (1-a) * cos j* 1/ p (1. Ableitung)

     

    So * (1-a) :       Projektionsaufnahme der Erde

    cos j :             Neigung gemittelt

    1/ p :               Umfang gemittelt

     

    j… geographische Breite (gilt für jeden m2 weltweit)

    So= gemittelt über Tagesgang

    Go= ohne Einfluss der Atmosphäre

    GE= mit Einfluss der Atmosphäre

     

    3.1.1.      Erde strahlt radial, gleichmäßig ab => Emissionsfluss der von der Erde weggeht EE

  • EE= t * TE4  bei Oberflächentemp. 14,9°C
  •  

    3.1.2.      Überschuss und Defizitgebiete

    Transport von Fluide (Salz,…) : Massentransport:    a) fühlbare Wärme

    b) latente Wärme (Luft transportiert Wasserdampf -> Energie wird frei)

     

    AUSGLEICH zwischen Überschuss-. Und Defizitgebieten:

     

     

    -          im Überschussgebiet wird Energie getankt -> Obergrenze hebt sich

     

     

    -          im Defizitgebiet wird Energie verloren -> Obergrenze schrumpft

     

    - ausgehend von einem mittl. Potential            => in höhere Lageenergie umgeformt

    - Partikel haben niedrigeres Lagepotential                in hohen Breiten

     

    => Luftpartikel würden vom Äquator bis in den N wandern und hätten gr/ starke Winde zur Folge => ABER:

    Erde ist rotierender Körper und lenkt daher die beschleunigte Masse ab

  • N Halbkugel: rechts abgelenkt
  • S Halbkugel: links abgelenkt
  • Gilt aber NUR SENKRECHT zur Rotationsachse

    -          Je weiter am Pol, desto stärker ist die Ablenkung, aber die Beschleunigung ist relativ langsam (weil sich Äquator in gleicher Zeit drehen muss)

     

    Westwindband: von W -> Westsrömung

    -          Westwinde werden durch Relief gestört

    -          Westwindband mäandriert: Je stärker das Gefälle, desto stärker mäandriert sie ( im Winter starkes Gefälle) => alle 5 Tage „neues“ Wetter

     

    -          darüber Reibungsfrei

    -          Atmosphärische Grenzschicht: Höhe zw. 5000 und 10000m JETSTREAM

     

    Massenaustausch durch Rauhigkeit der Erde

    Bsp.: durch Staub -> Wirbel

    DER Energietransportmechanismus

     - durch Wirbel, angeregt durch die Reibung -> Energie in Jetstream

     

    Die Aufgleitvorgänge der Warmfronten führen zu feintropfigem Niesel-, Staub- oder Sprühregen, der aus Schicht- oder Stratuswolken flächenhaft niedergeht. Da das Aufgleiten gegen eine stabile Schichtung erfolgt, geht dieser Prozess nur sehr langsam vor sich, so dass es sich um langanhaltenden Landregen bzw. Schneefall handelt. Die Niederschläge an der nachfolgenden Kaltlufteinbruchsfront sind dagegen kurzzeitige, großtropfige Schauer oder Gewitter.

     

     

     

    Die Kaltfront ist in der Regel schneller und holt Warmfront ein -> „verbrüdert“ sich mit vorhergehender Kaltfront => Okklusion

     

    -          heftige, starke Regenfälle (können zu starken Schäden führen)

    -          großer NS möglich, großräumig

    danach Auflösung der Okklusion (Zyklon bricht in sich zusammen) -> Wetterbesserung

     

    CORIOLISBESCHLEUNIGUNG /-KRAFT:

    Nord- Halbkugel

     

    Lageenergie wird in Bewegungsenergie umgewandelt:

    Durch Rotation der Erde -> beschleunigte Bewegung -> nach rechts abgelenkt -> Westwinde -> mäandrieren wegen Reibung (Relief,…) -> Warme Luft steigt am Äquator auf -> nach Norden (kühlt ab) -> kalte Luft sinkt wieder ab (bei ~45°N bzw. ~45°S) => großer Energieaustausch!!!!!

    (Anm.: keine Ablenkung bei Parallelität zur Rotationsachse; aber Ablenkung auch durch Ozeanströmen, Atmosphäre (Abbau durch Wirbel)??)

     

    Gesamtes Band oszilliert im Jahreszeitenbereich (Westwindband im N- Sommer südl. verschoben??)

     

    1. Hauptsatz der Wärmelehre

     

     

     

    Die Energie eines abgeschlossenen Systems bleibt unverändert. Verschiedene Energieformen können sich demnach ineinander umwandeln, aber Energie kann weder aus dem Nichts erzeugt noch kann sie vernichtet werden.

     

    -> beschreibt Energieaustausch des thermodynamischen Systems mit Umgebung

     

    dU = Q - W

     

    dU…     innere Energie (T(U) -> je Höher T, desto höher U)

    Q…    die von außen zugeführte Wärme (z.B.: Sonne) – mechanische Energie, beweg. Energie,….

    W…   Arbeit

     

    Annahme:

    Keine Zufuhr von Energie von Außen: -> innere Energie durch Aufbringen von Arbeit erhöhen -> innere Energie wird höher, weil durch mehr Energie die Luft zusammengepresst wird=> wärmer

    Umgekehrt:

    Zwinge ich Luftpaket nach oben zu gehen => Druck von außen geringer => Luftpaket dehnt sich aus=> innere Energie sinkt ab => Temperatur sinkt

    dU = 0 - W

     

    Anm.: in einem abgeschlossenen thermodynam. System ist U= konstant, da die Änderung der inneren Energie= 0 ist.

     

    Hadley Zelle

    Im Bereich des Äquators: aufsteigende Luftbewegungen:

    Großklimazonen: „Kompensationsgeschäft“ => Ausgleichsbewegungen von N - S nicht permanent

     

     

     

    * wenn Luft komprimiert wird:         relativ trocken

    * wenn sich Luft ausdehnt:                relativ feucht (Wolkenbildung wahrscheinlich

    -> Wolkenband um Erde: ITCZ (intertropische Konvergenzzone) -> oszilliert mit Jahreszeiten nach Nord/ Süd

    => NE- Passat: +/- permanent

     

    Walker Zelle:

    -          Zirkulation entlang des Äquators

    -          Modell einer zonalen, durch großräumige Temperaturunterschiede erzeugte, thermische Zirkulation als Zusatzkomponente zum Strömungsmuster der inneren Tropen

    -          Erklärung für Wasserdampfgehalt d. Amazonasgebiete, Kongo,…

    -          W- O Zirkulation

     

    Sättigungsdampfdruck

     

    Auf Wasseroberfläche unbegrenzte Möglichkeit Moleküle herauszuheben/ zu verdunsten (freie Oberfläche ohne Störfaktoren) -> Wechselwirkung zwischen den Bewegungen der Moleküle hängt von innerer Energie ab& der elektromagnetischen Anziehung (=Adhäsion)

     

    3 Aggregatzustände

    1.- Adhäsion > Bewegungsenergie:

    - starre Verbindungen -> EIS

    Bei ~0°C => Verbindungen brechen auf -> Moleküle beginnen zu

    Vibrieren, wegen der Erwärmung

     

    2.- Adhäsion = Bewegungsenergie:

    Starre Verbindungen brechen auf (vgl. wenn Gummiband

    zerreißt) in lose Verbindungen => Wasser (latente Energie)

     

    3.- Adhäsion < Bewegungsenergie:

    ~ 100°C

    Lose Verbindungen lösen sich auf => latente

    Energie des Verdunstens

     

    - Moleküle denen Stütze fehlt, treten aus!!!

    - wenn Eis/ Wasser hohe Temp hat -> treten mehr Moleküle aus als bei niedriger Temp. -> mehr Bewegung(-senergie)

    - Austreten in Abhängigkeit von der Oberflächentemp.

    - Ausgetretene Moleküle bleiben in Oberflächennähe

     

    Wenn Anzahl der ausgetretenen Moleküle = Anzahl der Molekühle die eintreten bei freier Oberfläche nennt man das SÄTTIGUNGSDAMPFDRUCK= Es (Ts) (ist eine Funktion der Oberflächentemperatur –weil: nahe der Oberfläche)

     

    es(Ts)… Partialdampfdruck

    Es (Ts)… Sättigungsdampfdruck [hPa]

     

    Bei TE= 273,15K

    => 6,1hPa Sättigungsdampfdruck an Wasseroberfläche

    FRAGE: WO REGNET ES AM MEISTEN?

     

    -          an Warmfront: warme gesättigte Luft steigt auf, erreicht durch hochsteigen irgendwann Kondensationsniveau (Temp. sinkt) => gleichmäßiger Landregen

    -          an Kaltfront: explosionsartiges nach oben schießen; sehr schnell => Schauer

     

    am Äquator sehr viel Energie vorhanden -> gegen N hin Abnahme der Energie => Aufsteigende Luftmassen am Äquator: ITCZ Zone

     

    Amplitude (Juli- Jänner) ist über Ozean geringer als über Land

     

    DQ ~ D T

    DQ = c m D T

     

    Je mehr Energie, desto wärmer)

    m- Masse

    c- Stoffspezifische Wärmekapazität

    …… ????

     

    =>        Steine-  schnelle, große Erwärmung, schnelle Abkühlung

                Wasser- langsame, Erwärmung, langsame Abkühlung

    -> vgl.: maritimes Klima

     

    =>

    ITCZ: von Wärme der Erde gelenkt: * über Wasser: dauert lange

                                                               * über Kontinent geht schnell ý durch Erwärmung DQ??

     

    Subtropen:

    Absinken -> Luft wird wärmer -> Sättigungsdampfdruck wird kleiner => weniger Regen

    Nördl. und Südl. des Westwindbandes => Wüsten

    Bsp.: Gobi, Kasachstan, Persien, Afghanistan, Sahara, Arizona, nördl. asiatische Wüsten, Australien

     

    Mediterranes Klima:

    im Sommer: subtrop. Klima

    im Winter: Westwindband rückt nach (von N) => kaltes Wetter, Stürme

    Bsp.: Mittelmeerraum, Südafrika

     

    Äußere Tropen- nördl. Breiten:

    Ausfließen der kalten Luft nach S => starke Abstrahlung in der Nacht

    Im Sommer von Westwindband tangiert

     

    Barrieren für Westwindband/ orographisch bedingte NS:

     

    Luft trifft auf Gebirge -> Aufsteigen -> Luft kühlt ab, Luft dehnt sich -> Kondensation -> NS

    Prärie: Kanada

    Trocken: Argentinien

    Westseite Skand.: feucht

    Westseite Neuseeland: feucht

    Alaska: feucht

    Chile: feucht

     

    Therm. bedingte NS:

     

    Land erwärmt sich schnell -> Luft vom Hang bewegt sich nach oben -> Luft hebt ab => eventuell Kondensation => jeden Tag das gleiche => irgendwann Nachmittagsgewitter

     

    Nachts: Luft steigt über Meer auf; Land kühlt stärker aus

    Bsp.:

    im Sommer: Tib. Hochplateau heizt sich auf -> Luft auf Meer hinaus => viel NS

    im Winter: Meer warm => Regen über Meer

     

    Atmosphärische Zirkulation:

    Winterhalbjahr

    -          relativ südl. Lage der Westströmung

    -          Tiefdruckentwicklung im Mittelmeergebiet

    -          Kultluftausbrüche aus N- und Osteuropa (sibirische Kaltluft)

    -          Warmluftadvektion

     

    Sommerhalbjahr

    -          medit. Hoch im S

    -          flache Druckverteilung übe Europa

    -          relativ nördl. Lage d. Westströmung

     

    Bsp.: Umströmung

    Alpen werden meistens umflossen (zB. Eindingen d. Kaltluft in den Mittelmeerraum, klassische Wetterlagen vom W -> wird durch Alpen nach S vedrängt)

    => Entstehung des Genuatiefs (sehr beständig) -> Luft versucht um Alpen herum zufließen => NS fällt im Zentrum der Alpen aus => danach wieder Anstieg der NS Summe

    NS- Februar:   Appenin bekommt NS

    NS- Juli:           NS an Alpennordrand konzentriert

                            Alpenrand: hohe Gewittertätigkeit

     

    4.           Klima im Wandel

    -          Zeugen vor der Haustür

    -          Zum Schmelzen braucht man Energie!!! (nicht Temp.)

    -          IPCC Bericht:

    o   Graphik: mittl. Temp. Verlauf           1850 – 2000

    Mittel von                              1961 – 1990

                =>

                * Tempanstieg um +1°C

                * zunehmend starker Anstieg des Meeresspiegels um 20cm

     

    -          Massenverlust von Gletschern

    1940:              wenig Gletscher+ große Eisverluste

    1970/ 80:        Gleichgewicht

    Heute:             starkes Ungleichgewicht: überall wo es Eis gibt!!!!! -> Massenverluste

     

    Geschichtliches zur Erforschung des Klimawandels

    -          schwedischer Chemiker Svante Arrhenius (1859- 1927) hat herausgefunden, dass bei CO2 Anstieg Temp ansteigt

    -          CO2 bleibt in Atmosphäre: im Sommer unten, im Winter hoch oben

    -          Wohin geht der zusätzliche Energiefluss?

    §  Ozeane: 90%

    §  Kontinente/ Eis/ Atmosphäre: 10%

     


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