Geographisches Institut Erd- und Himmelmechanik - Grundlagen -

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Erd- und HimmelmechanikErd- und Himmelmechanik

- Grundlagen -- Grundlagen -

Einführungsübung: GeomorphologieEinführungsübung: Geomorphologie (Fr. 16:00 – 18:00 Uhr c.t.)(Fr. 16:00 – 18:00 Uhr c.t.) RN 239RN 239

Erd- und HimmelsmechanikErd- und Himmelsmechanik

ErdklimaErdklima SonneSonneMotor des Klimas?Motor des Klimas?

Solarkonstante: Strahlungsenergie, welche unter Vernachlässigung des Atmosphäreneinflusses bei mittlerem Sonnenabstand undsenkrechtem Strahleneinfall in einer Minute durch die Flächeneinheit fließt

= Strahlungsenergiemenge auf der Erdeoberfläche = Strahlungsenergiemenge auf der Erdeoberfläche = ~ = ~ 1.370 W/m21.370 W/m2 (Mittelwert)(Mittelwert)

Erd- und HimmelsmechanikErd- und Himmelsmechanik

= schiefe der Ekliptik= schiefe der Ekliptik

23,5°23,5°

Erd- und HimmelsmechanikErd- und Himmelsmechanik

Schiefe der EkliptikSchiefe der Ekliptik führt zu unterschiedlichen Besonnungszonen führt zu unterschiedlichen Besonnungszonenauf der Erdoberflächeauf der Erdoberfläche

• scheinbares Wandern der Sonne im Bereich der Wendekreise (23,5°);scheinbares Wandern der Sonne im Bereich der Wendekreise (23,5°);• Tag-Nacht-Äquivalenz im Sonnenzenit;Tag-Nacht-Äquivalenz im Sonnenzenit;• variierende Tag-Nachtdauer in den Mittelbreiten mit zunehmendervariierende Tag-Nachtdauer in den Mittelbreiten mit zunehmender Tendenz zu den Polen hin;Tendenz zu den Polen hin;• Polartag /-nacht jenseits der Polarkreise (66,5°);Polartag /-nacht jenseits der Polarkreise (66,5°);

Strahlungsintensität und effektive Erwärmung (ohne Berücksichtigung der Strahlungsintensität und effektive Erwärmung (ohne Berücksichtigung der Atmosphäre) nehmen zu den Polen hin abAtmosphäre) nehmen zu den Polen hin ab

Erd- und HimmelsmechanikErd- und Himmelsmechanik

= Erdrotation= Erdrotation (23h 56min 4sec) [gegen den UZS]

Erd- und HimmelsmechanikErd- und Himmelsmechanik

Einführungsübung: GeomorphologieEinführungsübung: Geomorphologie (Fr. 16:00 – 18:00 Uhr c.t.)(Fr. 16:00 – 18:00 Uhr c.t.) RN 239RN 239

= Erdrevolution= Erdrevolution (365,25 Tage)

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Umlauf der Erde um die Sonne (Erdrevolution)Umlauf der Erde um die Sonne (Erdrevolution)

• 1. Keplersches Gesetz:1. Keplersches Gesetz:• tatsächlich „eiert“ die Erde um die Sonne!;tatsächlich „eiert“ die Erde um die Sonne!;• 2. Keplersches Gesetz:2. Keplersches Gesetz: variierende Geschwindigkeit der Erderevolutionvariierende Geschwindigkeit der Erderevolution

schneller in Sonnennähe – langsamer in Sonnenferneschneller in Sonnennähe – langsamer in Sonnenferne(( = 29,8 km/s = 107 280 km/h) = 29,8 km/s = 107 280 km/h)

• Entfernung der Erde zur Sonne = 1 Astronomische Einheit (AE)Entfernung der Erde zur Sonne = 1 Astronomische Einheit (AE) = 150 Mio. km= 150 Mio. km

Sonnennähe (Perihel):Sonnennähe (Perihel): 2. Januar (~ 147 Mio. km)2. Januar (~ 147 Mio. km)Sonnenferne (Aphel):Sonnenferne (Aphel): 4. Juli (~ 152 Mio. km) 4. Juli (~ 152 Mio. km)

im Brennpunkt der Ellipse steht die Sonne;im Brennpunkt der Ellipse steht die Sonne;

eine gedachte Verbindungslinie Sonne/Erdeeine gedachte Verbindungslinie Sonne/Erdeüberstreicht in der gleichen Zeit gleiche Flächen;überstreicht in der gleichen Zeit gleiche Flächen;

Erd- und HimmelsmechanikErd- und Himmelsmechanik

KlimaKlima

Solares KlimaSolares Klima

JJ = = JJ00 •• sin( sin(ββ))

JJ = = JJ00 •• cos( cos(αα)) ; (; (αα=90°-=90°-ββ))

J = J = Strahlungsleistung;Strahlungsleistung;JJ00 = Strahlungsleistung bei = Strahlungsleistung bei senkrechtem Einfallswinkel;senkrechtem Einfallswinkel;β β = Einfallswinkel gegenüber = Einfallswinkel gegenüber dem Horizont.dem Horizont.

→→ [[klinoklino] „ich neige“] „ich neige“

Das solares KlimaDas solares Klima

Energiebilanz und –verteilung auf der Erde im Jahresmittel:Energiebilanz und –verteilung auf der Erde im Jahresmittel:

• zu den Äquinoktien (Sonnennähe) herrscht eine symmetrischezu den Äquinoktien (Sonnennähe) herrscht eine symmetrische Verteilung der Energiemenge auf der Nord- und SüdhalbkugelVerteilung der Energiemenge auf der Nord- und Südhalbkugel

• zu den Solstitien (Sonnenferne) herrscht einseitige Energieverteilung zu den Solstitien (Sonnenferne) herrscht einseitige Energieverteilung auf den Erdhalbkugelnauf den Erdhalbkugeln

SÜDSÜD 0°0° NORD NORD

ganzjährige Energiezufuhr in den Tropenganzjährige Energiezufuhr in den Tropen jahreszeitliche Schwankungen in den jahreszeitliche Schwankungen in den MittelbreitenMittelbreiten jahrszeitliches Alternieren an den Polenjahrszeitliches Alternieren an den Polen

(sonnenzugewendet = 24h Einstrahlung)(sonnenzugewendet = 24h Einstrahlung)(sonnenabgewendet = keine Energiezufuhr)(sonnenabgewendet = keine Energiezufuhr)

Solares KlimaSolares Klima

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäreGliederung der AtmosphäreGliederung der Atmosphäre

Temperatur:Temperatur:• TroposphäreTroposphäre• StratosphäreStratosphäre• MesosphäreMesosphäre• ThermosphäreThermosphäre• ExosphäreExosphäre

Durchmischungsgrad:Durchmischungsgrad:• Homosphäre (0-100 km)Homosphäre (0-100 km)• Homopause (100-120 km)Homopause (100-120 km)• Heterosphäre (>120 km)Heterosphäre (>120 km)

physiko-chemisch:physiko-chemisch:• Ozonosphäre (16-20 km)Ozonosphäre (16-20 km)• Chemosphäre (20-600 km)Chemosphäre (20-600 km)

radio-physikalisch:radio-physikalisch:• IonosphäreIonosphäre• MagnetosphäreMagnetosphäre

Lebenszone:Lebenszone:• Biosphäre (0-20 km)Biosphäre (0-20 km)

Aerodynamik:Aerodynamik:• Prandtl-Schicht (0-50 m)Prandtl-Schicht (0-50 m)• Ekman-Schicht (50-1.000 m)Ekman-Schicht (50-1.000 m)• freie Atmosphäre (> 1 km)freie Atmosphäre (> 1 km)

Tro-St-Me-Ther-ExTro-St-Me-Ther-Ex

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäreAufbau der AtmosphäreAufbau der Atmosphäre

ExosphäreExosphäre

ThermosphäreThermosphäre

MesosphäreMesosphäre

StratosphäreStratosphäre

TroposphäreTroposphäre

500-100.000 km500-100.000 km

85-640 km85-640 km

50-85 km50-85 km

12-50 km12-50 km

0-12 km0-12 km

MesopauseMesopause

StratopauseStratopause

TropopauseTropopause

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

diffuse Reflektiondiffuse Reflektion selektive Absorptionselektive Absorption

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

SS90°90°

SS0°0°

Je mehr Luftteilchen, desto mehrJe mehr Luftteilchen, desto mehrReflektion und AbsorptionReflektion und Absorption

einfallende Sonnenstrahlung wirdeinfallende Sonnenstrahlung wird polwärts zunehmend geschwächtpolwärts zunehmend geschwächt

Globalstrahlung (G) = direkte Sonnenstrahlung (Q) + diffuse Strahlung (q)Globalstrahlung (G) = direkte Sonnenstrahlung (Q) + diffuse Strahlung (q)

Globalstrahlung bei wolkenlosem Himmel:Globalstrahlung bei wolkenlosem Himmel:

TropenTropen 66 :: 11

SubtropenSubtropen 55 :: 11

MittelbreitenMittelbreiten 66 :: 1122 :: 11

PolargebietePolargebiete 44 :: 111,51,5 :: 11

(Sommer)(Sommer)(Winter)(Winter)

(Sommer)(Sommer)(Winter)(Winter)

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

EINSTRAHLUNGEINSTRAHLUNG

• höchste Globalstrahlung an den Wendekreisen (NHK: +; SHK: -);höchste Globalstrahlung an den Wendekreisen (NHK: +; SHK: -);• Globalstrahlung am Äquator geringer, da ständige Bewölkung;Globalstrahlung am Äquator geringer, da ständige Bewölkung;

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

AUSSTRAHLUNGAUSSTRAHLUNGRückstrahlungsvermögen eines Körpers:Rückstrahlungsvermögen eines Körpers:

NeuschneeNeuschnee

SandSand

GrasGras

NadelwaldNadelwald

HaufenwolkenHaufenwolken

Wasserflächen bei:Wasserflächen bei: hohem Sonnenstandhohem Sonnenstand niedrigem Sonnenstandniedrigem Sonnenstand

75 – 95 %75 – 95 %

35 – 45 %35 – 45 %

10 – 20 %10 – 20 %

5 – 15 %5 – 15 %

70 – 90 %70 – 90 %

7 – 10 %7 – 10 %20 – 25 %20 – 25 %

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

AUSSTRAHLUNGAUSSTRAHLUNGRückstrahlungsvermögen eines Körpers:Rückstrahlungsvermögen eines Körpers:

ALBEDOALBEDO

Was passiert mit dem Rest der Energie?Was passiert mit dem Rest der Energie?

……die wird absorbiert!die wird absorbiert!

Was bedeutet das?Was bedeutet das?

… … atmosphärische / terrestrische Teilchen nehmen atmosphärische / terrestrische Teilchen nehmen Energie auf und geraten in Schwingung!Energie auf und geraten in Schwingung!

(= Temperaturerhöhung)(= Temperaturerhöhung)

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

COCO22 / H / H22O - ReflektorO - Reflektor

EinstrahlungEinstrahlungErdstrahlungErdstrahlung

Effektive AusstrahlungEffektive Ausstrahlung

GegenstrahlungGegenstrahlung

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

StrahlungsbilanzStrahlungsbilanz

Es gibt Zeiten und Regionen des Es gibt Zeiten und Regionen des EnergieüberschussesEnergieüberschusses……

[[Tag; Sommer; Tropen]]

……sowie Zeiten und Regionen des sowie Zeiten und Regionen des EnergiedefizitsEnergiedefizits

[[Nacht; Winter; Polargebiete]]

Die Beziehung zwischen Überschuss und DefizitDie Beziehung zwischen Überschuss und Defizitwird als wird als StrahlungsbilanzStrahlungsbilanz bezeichnet bezeichnet

Tag;Tag; Sommer;Sommer;TropenTropen

Nacht;Nacht; Winter;Winter; PolargebietePolargebiete

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

Atmosphärische AusgleichsbewegungenAtmosphärische Ausgleichsbewegungen

Um diese Unterschiede auszugleichen, wird Energie von Um diese Unterschiede auszugleichen, wird Energie von Überschussgebieten in Defizitgebiete transportiert!Überschussgebieten in Defizitgebiete transportiert!

Und wie wird Energie in der Atmosphäre transportiert?Und wie wird Energie in der Atmosphäre transportiert?

→→ Luft wird bewegt!Luft wird bewegt!

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

Atmosphärische AusgleichsbewegungenAtmosphärische Ausgleichsbewegungen

vertikale Bewegungen:vertikale Bewegungen: Erdoberfläche und erdnahe AtmosphäreErdoberfläche und erdnahe Atmosphäre(Einstrahlung = Energieüberschuss)(Einstrahlung = Energieüberschuss)

Außenseite der AtmosphäreAußenseite der Atmosphäre(Ausstrahlung = Energiedefizit)(Ausstrahlung = Energiedefizit)

Ausgleich durch:Ausgleich durch: • vertikale Luftbewegungenvertikale Luftbewegungen• Verdunstung von Wasser an derVerdunstung von Wasser an der Erdoberfläche und KondensierenErdoberfläche und Kondensieren in höheren Sphärenin höheren Sphären

horizontale Bewegungen:horizontale Bewegungen:

Ausgleichsbeziehung: Erde - AtmosphäreAusgleichsbeziehung: Erde - Atmosphäre

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

Atmosphärische AusgleichsbewegungenAtmosphärische Ausgleichsbewegungen

horizontale Bewegungen:horizontale Bewegungen: Einstrahlung / Energieüberschuss?Einstrahlung / Energieüberschuss?(am Äquator / zwischen den Wendekreisen alternierend)(am Äquator / zwischen den Wendekreisen alternierend)[höhere Atmosphäre und verstärkte Wolkenbildung][höhere Atmosphäre und verstärkte Wolkenbildung]

Ausstrahlung / Energiedefizit?Ausstrahlung / Energiedefizit?(an den Polen)(an den Polen)[niedrigere Atmosphäre und geringere Luftfeuchte][niedrigere Atmosphäre und geringere Luftfeuchte]

Ausgleich durch:Ausgleich durch: • vertikale Luftbewegungenvertikale Luftbewegungen= Winde= Winde

Ausgleichsbeziehung: Äquator - PolAusgleichsbeziehung: Äquator - Pol

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

Atmosphärische AusgleichsbewegungenAtmosphärische Ausgleichsbewegungen

horizontale Bewegungen:horizontale Bewegungen:

Das maximale horizontale (meridionale) Energiegefälle liegt bei ~ 30°-60°Das maximale horizontale (meridionale) Energiegefälle liegt bei ~ 30°-60°

……man nennt diesen Bereich die man nennt diesen Bereich die PLANETARISCHE FRONTALZONEPLANETARISCHE FRONTALZONE

Bau und Funktion der Bau und Funktion der AtmosphäreAtmosphäre

Wir fassen zusammen…!Wir fassen zusammen…!

StrahlungsStrahlungsunterschiede bedeuten…unterschiede bedeuten…

TemperaturTemperaturunterschiede,…unterschiede,… und die bedeutenund die bedeuten

DruckDruckunterschiede,…unterschiede,…

und die führen zu Ausgleichsbewegungen, und die führen zu Ausgleichsbewegungen, den den WindenWinden……

letztlich also zurletztlich also zur Zirkulation der AtmosphäreZirkulation der Atmosphäre