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
- 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%